為什麼現實中液氧煤油發動機的比沖普遍低於液氧甲烷發動機?
然而液氧煤油發動機的理論比沖比液氧甲烷發動機高。
噴氣的分子量越小速度越快,由於煤油中的碳氫比相對甲烷高的多(例如煤油中的重要成分十二烷是C12H26,甲烷則是CH4),所以燒煤油的噴氣里二氧化碳-水蒸汽比也相對燒甲烷噴氣更高(二氧化碳比例更多),而二氧化碳的分子量比水高自然噴氣速度低、比沖低。核熱火箭也是同樣溫度下用液氫比分子量更大的水高一倍。
首先,比沖在數值上取決於工質向後噴射的速度(假設某發動機講推進劑以3KM/s的速度噴出,比沖就約是300秒)所以推進劑速度越快比沖越高。
然後再考慮什麼能夠決定推進劑的速度。對於傳統的「化學能」火箭發動機(電推/離子發動機另說)而言,其實就是燃燒室的溫度和壓強共同決定推進劑向後噴射的速度。
然後我們在複習一下「溫度」的定義。最早的時候定義為水燒開的溫度為100攝氏度,水結冰的溫度定義為0℃。
這種定義方法日常生活沒有問題,但在熱力學研究以及溫度很高的情況下就不合適了。所以在現代熱力學定義中,取分子平均動能為溫度的衡量標準。
然後經典的速度公式中,動能=質量×速度的平方。所以分鐘質量越小,相同溫度下速度越快,推進劑向後噴射速度也越快。故碳元素的相對分子質量是氫的12倍。美國「特產」的高硫煤油中硫的相對原子質量是氫的32倍(當然,硫在工程應用中還有更嚴重的問題)。
so,比沖規律就變成了,氫氧>液氧甲烷>>液氧煤油。
(實際工程中還要考慮很多的東西,這只是個簡略模型。大佬輕噴)