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      為什么火箭需要這么多的燃料?

      2020-10-22 23:32閱讀(60)

      為什么火箭需要這么多的燃料?:謝謝邀請。我來回答這個(gè)問題;鸺詳y帶90%的燃料,完全是因?yàn)榛鸺l(fā)動(dòng)機(jī)是個(gè)笨家伙,效率實(shí)在太差了!別看火箭又噴火又:-燃

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      謝謝邀請。我來回答這個(gè)問題。

      火箭之所以攜帶90%的燃料,完全是因?yàn)榛鸺l(fā)動(dòng)機(jī)是個(gè)笨家伙,效率實(shí)在太差了!



      別看火箭又噴火又冒煙,顯得很威風(fēng)。實(shí)際上火箭燃料燃燒所產(chǎn)生的能量,大部分都被噴出去的氣體動(dòng)能帶走了,一部分轉(zhuǎn)化成了光能、熱能,火箭獲得的動(dòng)能只是一小部分。

      所以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖都不大,約在200到450秒之間。比沖,是指單位推進(jìn)劑所產(chǎn)生的沖量,通俗講就是每1千克燃料產(chǎn)生1千克推力時(shí)持續(xù)的時(shí)間。類似于汽車的百公里油耗這個(gè)概念吧,是衡量火箭能源利用效率的指標(biāo)。



      飛機(jī)使用的航空發(fā)動(dòng)機(jī),燃?xì)饽芰坷速M(fèi)的少,轉(zhuǎn)化效率比火箭高很多。航空發(fā)動(dòng)機(jī)只負(fù)責(zé)克服空氣阻力,為飛機(jī)提供水平方向的加速度。

      真正克服重力抬起飛機(jī)的,是流經(jīng)機(jī)翼上下表面的空氣流,按照伯努利原理產(chǎn)生的升力。飛機(jī)是一個(gè)四兩撥千斤,借力打力的家伙。



      火箭發(fā)動(dòng)機(jī)卻是實(shí)打?qū)嵉,在垂直方向上對抗重力,火箭向下噴射氣體,獲得反推力推動(dòng)火箭上升。

      按照動(dòng)量守恒定律,火箭飛行過程中,噴出的氣體質(zhì)量乘以噴射速度等于火箭剩余的質(zhì)量乘以火箭速度。由此得知,燃料重量占火箭總重量越大,噴出的氣體越多,噴射速度越快,火箭剩余的質(zhì)量越小,獲得的速度就越快。

      另外,火箭要飛出大氣層,那里沒有氧氣參與燃燒,所以火箭還要攜帶大量的氧化劑助燃。我國的長征七號火箭,總重500噸,液氧加煤油就占了450噸,其他所有加起來才50噸。



      長征七號運(yùn)載火箭

      所以火箭需要攜帶占重量90%的燃料+氧化劑,并在飛行過程中把這些燃料都噴射出去,才能讓剩余的10%的質(zhì)量,獲得超過第一宇宙速度7900米/秒的高速度,最終克服地球引力的影響,進(jìn)入太空軌道。

      想想都肉疼,費(fèi)盡千辛萬苦,才能運(yùn)送那么一點(diǎn)點(diǎn)東西。等比沖高的離子、核能、電能等新型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)成熟了,就不用攜帶那么多燃料了。

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      理論上講,脫離地球引力需要7.9km/s,初速度為0,根據(jù)動(dòng)能定理mv2=E,其中v單位為米,質(zhì)量為千克,此外還要加上克服重力做功,即mgh=E2,將兩者相加,變?yōu)榛鸺l(fā)射所需能量。所以需要能量巨大,所需燃料也就很多。

      運(yùn)載火箭是用煤油、酒精、偏二甲肼、液態(tài)氫等作為燃燒劑,而用硝酸、液態(tài)氮等提供的氧化劑幫助燃燒的。人們習(xí)慣上把燃燒劑和氧化劑通稱為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料或推進(jìn)劑。

      火箭由裝有易燃混合物的殼體組成的裝置,燃燒生成的氣體向后排出,從而產(chǎn)生反作用力把它發(fā)射到空中。用于燃燒彈或者爆破彈,或者作為發(fā)射裝置,以及用火箭把衛(wèi)星帶回來。

      拓展資料:

      CO,H2,C2H2,CH4,C2H4,CH3CH2OH,N2H4,高級硼硅烷(這都是火箭推進(jìn)器的燃料)。和爆竹的點(diǎn)火原理一樣,只是上面的那層不是火藥,而是火箭頭(里面是衛(wèi)星、逃逸艙、探測器之類的東西),F(xiàn)在常用的發(fā)射衛(wèi)星(飛船)的火箭燃料要體積小,重量輕,但發(fā)出的熱量要大,這樣才能減輕火箭的重量 , 使衛(wèi)星(飛船)快速地送上軌道。液體(固體)燃料放出的能量大, 產(chǎn)生的推力也大;而且這類燃料比較容易控制,燃燒時(shí)間較長。因此,發(fā)射衛(wèi)星(飛船)的火箭大都采用液體 (固體)燃料。

      火箭用的燃料有很多種,航天火箭很多都用液體燃料原因就是液體燃料成本相對低一些能量和安全性反而高一些所需要的技術(shù)也低一些,那些液體燃料有些具有高腐蝕性,高度的易燃易爆性,事先加注燃料很危險(xiǎn),而且很多型號的火箭因?yàn)樵O(shè)計(jì)的必然泄漏問題從加注燃料剛開始就會(huì)開始泄露燃料,你再去旁邊施既是浪費(fèi)又是是找死,其次捏很多液體燃料本身無毒但是需要添加很多劇毒的添加劑,一旦加注更加難以進(jìn)行施工,所以絕大多數(shù)液體燃料的火箭要到起飛前再加注燃料,而中小型火箭以及一些彈道導(dǎo)彈就不用了,他們需要的是較小的體積較高攜帶機(jī)動(dòng)性和迅速發(fā)射的要求。

      所以都用昂貴一些的固體燃料,但問題是固體燃料很多本身就是劇毒燃燒放出的氣體多數(shù)也都是劇毒的,你把如此昂貴的固體燃料放入運(yùn)載用的航天火箭需很大的量不僅更高昂的成本花出去了不說到時(shí)候火箭出去了天空一陣劇毒雨落下……,別的不說那根本就是一次性的一二級火箭燃料罐體還只是航天標(biāo)準(zhǔn)而不是軍用級別的標(biāo)準(zhǔn)又沒人用導(dǎo)彈攔截你至于下那么大成本費(fèi)力不討好不?然而你要問有沒有固體燃料的航天火箭,有的我記得美國當(dāng)年的那個(gè)年登月的火箭貌似用的就是固體燃料,問題是單單發(fā)射一個(gè)地球軌道衛(wèi)星實(shí)際用不到那么高能的燃料成本。

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      經(jīng)?吹胶芏嗷鸺木唧w參數(shù)的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn),一枚最大起飛推力上千噸的大型火箭,近地軌道的最大運(yùn)載力往往只有二十余噸,如果軌道高度更高的話這個(gè)運(yùn)載力還要大打折扣。但是從火箭自身的重量來說,雖然一枚火箭的最大起飛推力上千噸,但是火箭自身的重量也高達(dá)八百多噸,而火箭自身各部分重量中除了二十余噸的發(fā)射載荷外,剩下的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、箭體燃料箱等重量都比較輕,整體重量往往只占火箭整個(gè)起飛重量的10%左右,也就是說一枚起飛重量上千噸的大型火箭中超過85%的重量是火箭燃料的重量。之所以一枚火箭中燃料的重量占據(jù)整個(gè)火箭的絕大部分重量也是有原因的:

      第一點(diǎn):火箭的起飛方式不同于普通的固定翼飛機(jī),因?yàn)轱w機(jī)在起飛過程中發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的推力只要滿足機(jī)翼產(chǎn)生足夠的升力即可順利起飛。而火箭在起飛過程中,一級火箭包括助推器產(chǎn)生的推力要大于火箭自身的重量才能成功起飛離地。同時(shí)因?yàn)榛鸺龔狞c(diǎn)火到航天載荷順利入軌,整個(gè)飛行高度是從地面零米的高度一直爬升到距離地面至少350公里的高度、甚至500公里以上的高軌,那么這么長的飛行距離下火箭肯定要裝備更多的燃料才能滿足整個(gè)發(fā)射需求。同時(shí)因?yàn)榛鸺l(fā)射過程中會(huì)消耗大量的燃料,所以火箭要裝載更多的燃料,而裝載更多的燃料又使得火箭因?yàn)樽陨碇亓扛笮枰a(chǎn)生更大的推力來滿足起飛加速需求,所以整個(gè)火箭中絕大多數(shù)重量基本都是燃料的重量。第二點(diǎn)、火箭在起飛點(diǎn)火的過程中,除了要產(chǎn)生足夠的推力克服重力使得火箭順利升空外,還要不斷加速來提升火箭的飛行速度,并最終通過多級串聯(lián)的方式,使得末級入軌火箭的飛行速度達(dá)到或者接近第一宇宙速度,從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射入軌成功。那么這個(gè)時(shí)候就要引入一個(gè)專業(yè)參數(shù)---比沖,比沖指的是火箭燃料在產(chǎn)生推力的同時(shí)所體現(xiàn)速度增量值,同時(shí)因?yàn)椴煌愋偷幕鸺剂媳葲_不同,完成同樣高的軌道、同樣重的發(fā)射載荷所消耗的燃料重量也不一樣。比如在已知所有液體燃料中,液氫液氧的燃料比沖是最高的,可以達(dá)到450秒以上,帶來的速度增量是巨大的,但是液氫液氧燃料的價(jià)格也最高,所以不太適合大規(guī)模使用。而長征五號、長征七號運(yùn)載火箭使用的液氧煤油雖然價(jià)格便宜一些,但是比沖卻只有360秒左右,而且煤油在燃燒過程中很容易結(jié)焦堵塞,所以現(xiàn)階段各國已開始一種能夠在燃料價(jià)格和比沖之間更為平衡的“液氧甲烷燃料”研發(fā)工作,因?yàn)橐貉跫淄槿剂系谋葲_略微比液氧煤油更高一些,但是卻不容易結(jié)焦。那么對于火箭在整個(gè)發(fā)射過程中,就需要火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一直處于最大推力輸出才行,這樣一方面隨著火箭自身飛行速度的不斷提升實(shí)現(xiàn)了速度增量需求,另一方面隨著燃料的快速消耗火箭自身的重量也在不斷下降,使得火箭的速度增量同樣在不斷提升之中。但是介于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖相比達(dá)到第一宇宙速度的差值實(shí)在太大,所以就需要多級火箭的串聯(lián)接力來不斷提升火箭的飛行速度,到最后簡單一點(diǎn)來說的話,各級火箭在的速度不斷疊加使得火箭的飛行速度越來越快,并最終達(dá)到入軌發(fā)射速度需求。但是火箭在整個(gè)飛行過程中,多級火箭的接力使得各級火箭需要消耗大量的燃料來達(dá)到分離時(shí)的速度需求。所以正是因?yàn)榛鸺怪逼痫w需要克服自身重力需求的同時(shí),也需要不斷加速使得火箭的飛行速度增量越來越大,所以對于火箭自身而言,就需要裝載更多的燃料來滿足這兩項(xiàng)需求,這也是為什么起飛重量推力上千噸的長征五號B型火箭就算是距地高度最小的近地軌道運(yùn)載力也只有整個(gè)火箭起飛推力的2%原因所在。

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      火箭有大小;重力有高低;

      飛長遠(yuǎn)距離;達(dá)不到目的。

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      因?yàn)槿祟惉F(xiàn)有的火箭科技尚還很落后呀.

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      通俗講就像騎自行車,速度越快所需能量越多。火箭脫離地球引力至少要7.9km/s。 理論上講,脫離地球引力需要7.9km/s,初速度為0,根據(jù)動(dòng)能定理mv2=E,其中v單位為米,質(zhì)量為千克,此外還要加上克服重力做功,即mgh=E2,將兩者相加,變?yōu)榛鸺l(fā)射所需能量。 所以需要能量巨大,所需燃料也就很多。

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      因?yàn)榈厍蛴刑右菟俣龋簿褪怯幸ο拗。人類現(xiàn)掌握的只有速度離開地球的方法。為了加速度采取的方法。也說明了人還沒有掌握其它方法離開地球!

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      說太多咱可能也聽不懂,說白了就是火箭得跑到天上一定的高度,要不跑不了那么高,……砸到人可咋辦?

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      把幾噸和十幾噸的東西克服重力送上天,沒有一定的能量,能行嗎?這個(gè)根本就不足奇怪。

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