冲量引擎

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要星际航行,必须要有动力推动,同样是使用牛顿运动定律就可知道,一个物体有力,必然有一个相应的反冲作用力。比如运动的汽车,就是通过轮上摩擦力来推动汽车前进;喷气式飞机就是通过气流喷射出去的反作用力进行推动前进;火箭也是通过喷射燃烧的物质来提供反冲作用力。如果你小时候玩过烟花,就会放过烟花火箭。我那时对这些比较好奇,总想知道它里面有什么东西,因此舍不得拿着火点燃它,把它一层一层纸剥开,然后看到黑黑的粉末,后来从课本里才知道那些粉末是火药,当这些火药点燃之后,就会变成气体,从后面急剧地喷射而出,把烟花火箭升到半空。那么像宇宙飞船的火箭是使用什么燃料呢?

从物理形态上讲,火箭发动机使用的推进剂有两种形式,一种是液态物质,另一种是固态物质。液态火箭燃料:从理论计算来看最佳液态燃料是液态氢 ,它与液态氧混合燃烧可以产生大 约等于 350的 比冲量 [比冲量 : 火箭发动机的推力 ( 千克力)与其喷出质点 每秒质量流量 (kg/s)的 比值]。如果用液态臭氧或液态氟来代替液 态氧 ,那么比冲量可提高到大约370。燃烧剂和氧化剂都是呈液体形态的发动机则称为液体燃料发动机。除液态氢以外,甲醇、乙醇、高浓度水合肼、 二甲肼、 硝基 甲烷等物质都可用作液体火箭燃料。  

固态火箭燃料:硼氢化钠、二聚酸二异氰酸酯、二茂铁及其衍生物等都可用作复合固体火箭燃料。某些密度小的金属或非金属,例如锂、铍、镁、铝、硼等,尤其是铍在燃烧的过程中能释放出巨大的能量,每千克铍完全燃烧放出的热量高达15000 kJ,是一种优质的火箭燃料,放出的热量比氢气还多。通常把这些金属做成纳米级大小微粒的燃料剂。例如在火箭发射的固体燃料推进剂中添加质量分数的纳米级铝或镍微粒,每克燃料的燃烧热可增加l倍。但是,这些燃料的缺点是:其中一些元素很稀少,并在燃烧时都涉及技术困难—— 冒烟、氧化物沉积等等。

如果在两种燃料中,一种为固体,一种为液体,则称为固-液火箭发动机或直接称其物质名称的火箭发动机。如,氢氧火箭发动机。由于固态燃烧剂产生的能量比液体氧化剂发出的能量高,所以,研制的火箭发动机多是固-液火箭发动机,两种燃料相遇燃烧,形成高温高压气体,气体从喷口喷出,产生巨大推力而把运载火箭送上了太空。常用燃料:液氧-煤油 液氧-甲醇过氧化氢 - 对苯二酚。

从上面可见,目前火箭使用的就这两三种方式 :火药、液体、高级固体。如果使用这三种作为燃料很难进行星际航行的,为什么呢?因为你需要把飞船加速到一半光速,并且还需要把飞船停下来,意味着还需要刹车的燃料,从光速减速到零。按这样计算,火箭要制造得非常大,并且还有另外一个问题,就是这些燃料是否足够燃烧两个半月,从前面一文章计算就知道。所以必须另外想办法才可行。

为了能星际旅行,《星际迷航》里是使用核聚变能源,与我们天天看到太阳反应的核聚变一样,它是以氢作为燃料,然后通过核聚变反应,最后生成氦气喷射出来。在核聚变反应中,大概有1%的质量转化为能量,所以反应生成的氦原子以大约八分之一的光速从火箭尾部喷射出来。因此飞船就可以获得八分之一的光速。为什么有这么大的能量呢?其实可以从爱恩斯坦的质能方程来计算:E = m*c*c,C是表示光速,质量只要损失一点点,能量就是非常可观的,因为光速是一个非常大的数值,大约每秒30万公里。这样火箭获得的冲量非常大,航行的速度才可以比较快。但是目前科学家还没有突破这个可控的核聚变反应,因而这样宇宙级的冲量引擎还没有办法实现,不过目前中国的人造太阳有了非常大进展,说不定那天就可以造出这样一台冲量引擎,把我们太空旅游的梦想就可以实现了。

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