二、齐奥科夫斯基火箭方程【别名:理想火箭速度方程】
1、齐奥科夫斯基火箭方程
$$\Delta V=u_{e}\cdot ln\frac{m_{0}}{m_{1}}$$
其中:
$\Delta V$——速度增量,单位【米每秒,m/s】
$u_{e}$——喷气速度,单位【米每秒,m/s】
$m_{0}$——火箭发射前的总质量,单位【千克,kg】
$m_{1}$——火箭工作结束后的总质量,单位【千克,kg】
2、计算方法
这个公式是理论上火箭燃烧掉自身质量,最后能够达到的最高速度,忽略了一切外界影响,包括阻力、重力等等。仅仅在宇宙真空中实际的的速度增量才等于理论值,在地球上由于空气阻力,地球引力的存在,实际是达不到这个速度的。它的意义在于给了一个理想情况下的值。
举例:某同学想做一枚超音速火箭,他凭直觉制作了一枚火箭。这枚火箭的总重量为10kg,其中火箭发动机的燃料质量为3kg,火箭燃料的比冲为100s。试问,他能实现超音速飞行的目标吗?如果不行,他该怎么改进?
解:可以按照最高速度进行计算,然后做出判断
火箭发射前的总质量为m0=10kg;
火箭烧掉3kg燃料,因此火箭工作结束后的总质量为m1=10-3=7kg。
喷气速度按比冲估算为$u_{e}=9.8\times 100=980m/s$。
该火箭所能达到的最高速度为,
$$\Delta V=u_{e}\cdot ln\frac{m_{0}}{m_{1}}=980\times ln\frac{10}{7}=349m/s> 340m/s $$
结论:这位同学有可能达到超声速目标,但是考虑空气阻力、地球重力影响,此过程会十分艰辛。
建议:
1)、减轻箭体质量和发动机壳体质量,增加燃料质量,以提高比值$\frac{m_{0}}{m_{1}}$。
2)使用高能燃料以提高喷气速度$u_{e}$。
3)优化箭体外形减小空气阻力,改变火箭飞行方向以减小地球引力影响。
3、说明
1)这个公式有什么用?
答:做总体设计用的,确定速度
以后,
选择燃料种类【喷气速度ue】、确定箭体/燃料质量【m0/m1】。2)做金属发动机真的合适吗?
答:从提高喷气速度的角度看,金属发动机可以提高燃烧室压强,进而提高比冲、排气速度,它是合理的。从质量的角度,金属发动机壳体很沉,降低了比值m0/m1,从这一角度看它是不合适的。因此,做金属发动机是需要权衡利弊的。
3)如果能提高比冲,有质量轻那就最好了。
答:所以现代火箭用的复合材料,碳纤维缠绕壳体之类的,皮薄馅大!
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