火箭发动机那么厉害,能把人送上月球,还能把探测器送到太阳系外,为什么,汽车和轮船就不尝试使用火箭发动机呢?
不只是安全问题
可能有人会认为,汽车之所以不装火箭发动机,一个很大的原因是安全问题。确实,要是小车都装上火箭发动机,在你点火的时候,如果后面突然串出一女子,结果你一下子就把人家的衣服烧光了,你该如何是好?
还有,走街串巷,尤其是人群密集的大街上,你这一喷火,想必是遭殃无数。所以,小车不装火箭发动机,安全确实是一个很大的原因。
然而,安全又不是最主要的原因,比如各种轮船,如果装上火箭发动机,在茫茫大海上,若真要出什么安全事故,估计也就是烤熟几只海鸥。
那么,这么多年过去了,是什么原因最终导致各种车、轮船等,从不使用火箭发动机呢?奥伯特效应应该是最大的原因。
奥伯特效应
奥伯特效应是20世纪一个叫做赫尔曼·奥伯特的科学家首先提出来的。奥伯特是德国人,他被人们视为第一代太空探索领域的先驱者之一。
这个效应讲的是,对于速度随时间变化的飞行器来说,如果要想尽最大可能增加飞行器的动能,就需要在飞行器速度最快的时候点燃火箭。
这讲的到底是啥意思呀?
意思就是,如果火箭因为受到引力的缘故,速度随时在改变,那么,当火箭的速度达到最大值时,点燃发动机,此时,燃料对火箭动能的改变最大化,这也意味着,燃料的利用率也达到了最大化。
可这是为什么呢?既然火箭发动机的推力都是一样的,那什么时候点燃,不都是推动火箭前进吗?为什么偏偏要在速度最大时再点燃是最好的?
咱们可以这样思考,如果我们把一个小火箭死死地绑在一辆静止的火车上,点燃火箭,你会看到什么?
你只会看到小火箭无力地把燃料用完,火车却纹丝不动,现在我们问,火箭的推力发挥作用了没?
答案当然是没有,因为,火箭要想对火车做功,火车必须有一个位移S。如果我们知道小火箭的推力为F,那么我们马上就能算出,小火箭对火车做的功W=F·S。
现在,我们把火车换成一个在外太空以1米每秒速度飞行的微小卫星,把小火箭绑在这枚小卫星上,如果点燃小火箭,小火箭带来的推力还是F,现在,咱们就点燃火箭,我们问,在1秒的时间内,小火箭对卫星做了多少功?
还是老方法,用推力F乘上小卫星在1秒内移动的距离S。
好了,还是上面的小卫星,只是它的初始速度是10米每秒,当我们点燃绑在它上面的小火箭,那么在一秒的时间内,小火箭对小卫星做的功将远远大于前者。这个很好理解,因为功W=F?S,而当小卫星的初始速度是10米每秒时,推力F不变,速度越大时,在1秒内移动的位移就越大,做的功也就越多。
所以,咱们得出的结论是,同样的火箭发动机,用它去推动飞行器,那么,飞行器的初始速度越大时,火箭发动机的效率就越大。这就是奥伯特效应。
为了让更多的人懂得这个原理,咱们不妨再深入一些。
用1N的力持续地推动一个重1千克的篮球,每秒钟篮球增加的速度为1m/s,当篮球本来的初速度是2m/s时,那么1秒钟后,篮球的速度应该是3m/s,此时,篮球增加的动能为(3*3-2*2)/2=2.5焦耳。
但是,当篮球初始速度是10m/s时,1秒钟后,它的速度将达到11m/s,增加的动能为(11*11-10*10)/2=10.5焦耳。
瞧,同样是1N的推力,作用在低速的篮球上时,1秒钟内推力给篮球增加的动能是2.5焦耳,但是,但是作用在稍高一点速度时,增加的动能却是10.5焦耳,前后相差4倍多。
低速物体使用火箭发动机不明智
经过上面的简单验算,相信我们已经清楚了,那就是低速物体使用火箭发动机是十分低效的,低速?低速到什么程度?咱们可以往极端想,当低速到速度等于0时,火箭的效率就是0.
不管飞行器的速度是多少,火箭发动机产生的推力是始终不变的,在这种情况下,即使飞行器纹丝不动,但是火箭还是在产生推力,只不过效果是0。火箭发动机要想产生效果,必须由飞行器实际移动的距离来体现,既然要有距离来体现,那么在这种情况下,移动的距离越大,火箭发动机的效率也就越大,可怎样才能在一定的时间内移动最大的距离呢,答案是,当飞行器处在速度最大时。
这就是为什么,小车和轮船为什么不使用火箭发动机的原因,因为小车和轮船的速度很低,使用火箭发动机不是说不可以,而是,燃油的效率将十分低下。
别说是小车和轮船,就是飞机,使用火箭发动机也是一种比较低效的行为。
然而,飞机有不同,具体又有一些区别。
比如客机,速度目前都在音速以下,所以,客机使用的是涡扇发动机。
但是到了高空,当速度达到超音速时,用低涵道比的涡扇发动机就比较有效率。
为什么在高空超音速的时候,涡喷会更有效率?因为涡喷发动机虽然不是火箭发动机,但是有点类似,其主要动力来自于高温燃气向后喷射。
既然这样,那么,在好几倍音速时,没有外涵道的涡喷发动机岂不是就更有优势,是的。
从以上发动机,我们可以轻易看出,飞行器速度越高,其使用的发动机就越接近火箭发动机。所以,对于低速交通工具如汽车、轮船等,除非是在极其特殊的场合,否则,现在和以后都不太可能大面积使用火箭发动机。