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关于比冲的思考总结和得出的结论
rising2016/07/10喷气推进 IP:四川
以前我曾发过这样一个贴https://www.kechuang.org/t/80081
我关于比冲的问题——也就是功率不变,增加进气量就增加比冲的问题思考了一段时间,得出了我的结论。
在输入功率P不变的情况下,推力F增大,速度v就会受到限制,即使没有阻力,也会限制在喷出气体质量与整个物体质量(包括气体质量)之比与喷气速度的乘积之内,也就是到了那个速度,尽管F很大,v却提不上去。从理论上讲,维持一个力不需要消耗能量,就像重力和压力一样。但我们必须对空气做功,才能获得反作用力,这就要消耗能量。不管是通过能量守能直接得出,还是通过动量守恒间接得出,都是一样的结论。
这时,要增加v,就只能提高v的限制,也就是增大喷气速度或减小排气量,也就意味着要增加功率。
假设运动速度乘上a,喷气速度也要乘上a,气体动能,相当于功率就乘上了a^2。这样,比冲却除以了a,速度增加,比冲减小。
上面一种是靠增加喷气速度,那换一种呢?若想运动速度乘上a,也可以减小排气量,把排气量除以a^2,功率不变,喷气速度不就乘上a了吗?但是同时,F就除以了a,要把F提上去,就只有功率乘上a^2,比冲还是除以了a。
这就意味着,增加速度,就要减小比冲。
但也可以看出,比冲并不能完全地反映出一个航空发动机的性能,只要能够调控排气量,静止时的比冲完全是可调的。很多种类的发动机都是基于这个原理,如涡扇,螺旋桨和直升机的旋翼,它们都是把少部分气体的动能转化为大量气体的动能,在不需要大的速度的情况下,维持较大的力。战斗机需要的是速度,因此排气量相对较小,直升机旋翼需要维持一个较大的力因此排气量较大。
这里又要引出另一项性能——推进效率,就是飞行器的机械能占发动机输出的全部机械能的比。若比冲过大或过小,都会导致发动机像吹风机一样排气,飞行器却提不了多少速。因此,每个飞行器,毎个速度,都有一个最合适的比冲,在这个比冲时,推进效率能达到最高,不然发动机只会更多的对空气做功。
既然能够通过调排气量调比冲,那对于一个航空发动机来讲,不管是火箭还是吸气,最重要的性能就是热效率,就是要充分燃烧最后一点燃料,调平燃气与外界的最后一度温差。
火箭的排气量一般等于燃料质量。我们在做火箭时,总是问比冲,但其实际反映的,一是燃料的性能,二就是发动机的热效率。

[修改于 8年8个月前 - 2016/09/02 03:58:35]

来自:航空航天 / 喷气推进
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