火箭发动机的比冲,是个什么鬼?

作者:寒木钓萌来源:蝌蚪五线谱发布时间:2015-09-21

9月20日清晨,长征六号一飞冲天。它的第一级使用YF-100发动机。这款发动机的海平面比冲为300秒。军迷朋友对“比冲”这个词应该很熟悉,可它的真实含义究竟是什么?

  很多人,尤其是对于军迷来说,看文章的时候,比冲这个词那可是一点儿也不陌生。然而对于不少人,包括笔者在内,“比冲”本质的是什么?确实是两眼一抹黑,理解的时候,更是牛头不对马嘴。

9LwAiv3

跟喷射时间真的没关系

  几年前,每当看到文章说“RS-68火箭发动机”发动机很棒,在海平面其比冲为365秒,而在真空下为 410秒时,笔者就以为,这可能是说RS-68火箭发动机在大气环境下可以持续喷射365秒,而在真空下可以喷射410秒,在下居然这么去理解……实在是错得离谱。

  实际上,这里的“365秒”和“410秒”跟火箭可以燃烧喷射多久,一毛钱关系都没有!

  那么,这里的“365秒”说的是什么呢?要想理解这个,咱们先来了解一下比冲。

  比冲是对火箭引擎燃料利用效率的一种描述,火箭发动机单位重量的推进剂产生的冲量就是比冲!其标准国际单位“米/秒”。

  咦,“米/秒”不就是速度单位吗?怎么比冲也是这造型?没错,比冲的单位跟速度的单位是一样一样的,那么,它的本质到底是什么呢?

火箭发射

  比冲的本质就是燃料燃烧时的“喷流速度”!所以,很多文章会告诉你,比冲越大,发动机越厉害。这很好理解,无论是火箭发动机,还是飞机上的涡喷发动机,其提供动力的原理就是燃料燃烧并向后喷射,那么,根据动量守恒,喷射物的速度越大,其带给飞行器的反推力就越大。

  既然比冲在本质上是描述喷流速度,为什么我们经常看到的单位是“秒”?这是因为,过去传统遗留的问题,比冲有两个单位,一个是传统上的以“秒”为单位,一个是按照国际单位标准的“米每秒”的单位。

  比冲“秒”的单位,是按照比冲这种定义来的,即:比冲就是单位重量流量的推进剂产生的推力。

  “重量流量”听上去是那么的别扭,它是过去的老单位,在国家标准中,已经没有这个名字。

  但是习惯上,说比冲时,还是按照单位重量流量的推进剂产生的推力来计算,结果导出的就是秒的单位,可以理解为,火箭发动机利用一公斤燃料可以持续多少秒一直产生一公斤的推力。

  以后我们还要在文章中多次见到以“秒”来说比冲,到时候,我们可以通过一个简单的换算就能把它轻易地转换为喷流速度,即把“秒”乘以一个标准重力g,也就是9.80665 m/s²,然后就能换算成“米每秒”了,因为这两个不同的单位就相差一个g而已。为了简便,9.80665这个数值你大可以约等于10,所以,如果你以后看到某款发动机的比冲是365秒时,你可以乘以10,得到3650米/秒,然后你马上就能形象地理解了,哦,原来这款发动机的喷流速度是3650米/秒,如此,你就能轻易衡量比较很多款发动机的性能了。

关于比冲的误解

  说完了比冲的本质,现在就能消除一些关于比冲的误解了:

  例如,比冲跟发动机的推力大小无关,比冲只是描述了发动机的能源利用效率而已。

  一些离子推进器,比冲可以达到10000秒,其喷流速度在100000米/秒左右,也就是速度100千米/每秒。虽然离子推进器的比冲很高,但它的推力极小,大概只可以吹动一张纸。

各国发动机比冲哪家强?

 沃纳·冯·布劳恩与F-1火箭发动机在一起的合影 - 副本 

图为F-1火箭发动机,其海平面比冲为263秒(即喷流速度约为2.58千米/秒)

  F-1火箭发动机是由美国洛克达因公司设计制造的,它是一款煤油液氧发动机,用于土星五号运载火箭的第一级,曾服务于阿波罗登月计划。上图中,在发动机旁边站着的是沃纳•冯•布劳恩(1912年3月23日-1977年6月16日),他是普鲁士火箭专家,二十世纪航天事业的先驱之一,曾是著名的V1和V2火箭的总设计师。德国战败后,美国将他和他的设计小组带到美国,主持设计了阿波罗4号的运载火箭土星5号。NASA用以下的话来形容冯•布劳恩:“无庸置疑的,他是史上最伟大的火箭科学家。他最大成就是在担任NASA马歇尔空间飞行中心总指挥时,主持土星5号的研发,成功地在1969年7月首次达成人类登陆月球的壮举。”

RD171_ILA2006 - 副本

图为RD-170火箭发动机的衍生型号RD-171。其海平面比冲为309秒(3.03千米/秒)

  RD-170是俄罗斯研制的世界最大推力液体火箭发动机,使用煤油和液氧,单台推力800吨,采用四燃烧室,四喷嘴设计,曾用于能源号运载火箭和天顶号运载火箭第一级。

rd-180

图为RD-170的衍生型号RD-180火箭发动机,其海平面比冲为311秒(3.05千米/秒),其推力可达400吨,这相当于把RD-170一分为二,双燃料室,双喷嘴。曾用于美国擎天神II和擎天神III运载火箭的第一级

  几个月前,俄罗斯副总理放出话,由于美国和欧洲因乌克兰问题对俄实施经济制裁,俄罗斯决定暂停对美出口RD-180火箭发动机,除非美国答应该火箭引擎仅用于发射非军事目的航天器。他是这样解释的:“使用俄罗斯人民的智力资源发射他们的军事载荷,去执行我们完全不了解的任务,不是很奇怪的事情吗?”

  而美国的对策是什么呢?据说就是在禁令生效前,加速采购RD-180。

450px-RS-68_rocket_engine_test

图为RS-68火箭发动机,其改进型号RS-68A的海平面比冲为359秒,真空中比冲为 412秒(4.04千米/秒)

  RS-68火箭发动机最大推力319吨左右,生产厂家为美国洛克达公司,使用液体氢和氧,目前,它是全球最大的氢燃料火箭发动机,其设计初衷主要是降低生产成本。

201409

图为我国YF-100火箭发动机,其海平面比冲为300秒(2.9千米/秒)。9月20日发射的长征六号火箭的第一级,就使用了这款发动机

  YF-100由中国航天推进技术研究院研制,为我国第一代120吨级分级燃烧循环的液氧煤油火箭发动机。其前身为上世纪90年代我国从前苏联获得的RD-120发动机。未来,YF-100火箭发动机将与YF-77氢氧火箭发动机一起成为我国新一代运载火箭的主要动力。

  咳咳,一轮比拼下来,无疑,美国洛克达公司生产的RS-68火箭发动机,以“海平面比冲365秒,真空下 410秒”的成绩轻取桂冠。

 

扩展阅读长征六火箭的发动机用了什么新技术?

相关阅读长征六火箭所用煤油是俗称的“火水”吗?

版权信息