为什么现实中液氧煤油发动机的比冲普遍低于液氧甲烷发动机?
然而液氧煤油发动机的理论比冲比液氧甲烷发动机高。
喷气的分子量越小速度越快,由于煤油中的碳氢比相对甲烷高的多(例如煤油中的重要成分十二烷是C12H26,甲烷则是CH4),所以烧煤油的喷气里二氧化碳-水蒸汽比也相对烧甲烷喷气更高(二氧化碳比例更多),而二氧化碳的分子量比水高自然喷气速度低、比冲低。核热火箭也是同样温度下用液氢比分子量更大的水高一倍。
首先,比冲在数值上取决于工质向后喷射的速度(假设某发动机讲推进剂以3KM/s的速度喷出,比冲就约是300秒)所以推进剂速度越快比冲越高。
然后再考虑什么能够决定推进剂的速度。对于传统的「化学能」火箭发动机(电推/离子发动机另说)而言,其实就是燃烧室的温度和压强共同决定推进剂向后喷射的速度。
然后我们在复习一下「温度」的定义。最早的时候定义为水烧开的温度为100摄氏度,水结冰的温度定义为0℃。
这种定义方法日常生活没有问题,但在热力学研究以及温度很高的情况下就不合适了。所以在现代热力学定义中,取分子平均动能为温度的衡量标准。
然后经典的速度公式中,动能=质量×速度的平方。所以分钟质量越小,相同温度下速度越快,推进剂向后喷射速度也越快。故碳元素的相对分子质量是氢的12倍。美国「特产」的高硫煤油中硫的相对原子质量是氢的32倍(当然,硫在工程应用中还有更严重的问题)。
so,比冲规律就变成了,氢氧>液氧甲烷>>液氧煤油。
(实际工程中还要考虑很多的东西,这只是个简略模型。大佬轻喷)