為何運載火箭都是急性子?

運載天宮二號的火箭從點火到完成任務只用了近10分鐘時間,10分鐘就是一個課間的時間,但這已經是運載火箭的普遍工作壽命了,其它各種運載火箭的運行時間也大致類似。可見,運載火箭都是急性子,為何會如此呢?

運載火箭的急性子不是隨意人為的,而是為了儘量提高運載火箭的運載效果而有意為之的。已經點火的運載火箭通過噴發高速運動的高溫物質,獲得反衝力。這個反衝力在逐漸提高火箭運動速度的同時,還起著克服地球引力的作用。

火箭運行的任一瞬間,火箭噴發物質的衝量為噴發物質的速度與質量的乘積,這個衝量,一部分提供火箭克服地球引力,大部分為火箭獲得加速度。如果用ΔI表示火箭獲得的瞬時衝量,m表示火箭的質量,g為重力加速度,a為火箭克服重力後獲得的加速度,Δt代表瞬時時間,可以得到公式ΔI=mgΔt+maΔt=mΔt(g+a)。

我們從這個關係中可以感覺到,由於重力加速度g是一定的,火箭的加速度a越大,反衝力帶來的衝量分配給火箭加速度的份額就越大,在克服地球引力上浪費的衝量比例就越小,自然是火箭運載效果就越好。這就是火箭為何要“急性子”的原因,在短時間內,通過激烈噴發高速運動的物質,提供遠大於地球引力的反衝力,從而讓火箭加速度分得的衝量比重多一些,進而獲得較大的火箭運載效率。

為何運載火箭都是急性子?

天宮二號的運載火箭

比如天宮二號的運載火箭在10分鐘內把天宮二號運載到近400千米的高空,假設重力加速度g不變,運載火箭的質量雖然是逐漸減少的,但我們依然可以用m表示。這次運載火箭克服地球引力所耗費的衝量為I=mgt,這個算式可以清晰的顯示,運載火箭克服地球引力所耗費的衝量與運行的時間成正比。如果天宮二號的運載火箭平均運行速度倍增,也就是能實現更大的火箭加速度,這意味著需要更激烈的火箭噴射能力,能在5分鐘內完成任務,克服地球引力所耗費的衝量就可以減少一半了,火箭運載效率則提高了。

現在的問題是,火箭噴射能力的提高是很麻煩的事情,要麼提高火箭噴射物質的運動速度,比如提高噴射物質的溫度或降低噴射物質的分子量,要麼提高火箭噴射物質的噴射量,這都意味著更強大的火箭引擎功能。

當然,更快的火箭運載速度也意味著在大氣層中需要克服火箭受到的更大的空氣摩擦力,這自然是阻礙火箭運載速度提高的重要因素。這似乎意味著空氣密度只有海平面一半的青藏高原在未來發射高速火箭上的巨大潛在優勢,當然,如此高的海拔,也是火箭克服地球引力的節約所在。

為何運載火箭都是急性子?


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