加载中…齐奥尔科夫斯基火箭方程的效率问题
(2015-10-03 22:48:05)
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航天齐奥尔科夫斯基方程发动机效率发射效率载荷系数 |
分类： 教育_创新_创业 |
齐奥尔科夫斯基火箭方程的效率问题
“齐奥尔科夫斯基方程”是航天器发射的基本方程。下面的文字是维基百科关于该方程的简述：“齐奥尔科夫斯基火箭方程的核心内容是：基于动量守恒原理，任何一个装置，通过一个消耗自身质量的反方向推进系统，可以在原有运行速度上，产生并获得加速度。任何一次飞行器轨道变化（速度变化）或者多次轨道变化都遵循如下公式:
该公式还可以写成如下形式：
或者
或者
其中：
是质量分率（质量比重）。
如上公式是在理想状态下的推导结果。实际发射过程中，在重力加速度和各种干扰力的联合作用下，公式会有相应的变化。
这个公式，也可以由动量守恒公式：
上面的火箭方程已经过极端的简化，并不适用实际的火箭飞行，但仍然表述了火箭飞行物理学中基本规律的精华。需要特别指明的是，该方程在宇宙的无重力状态下，却显得相对精确，尤其在航天飞行器轨道变换中，显得格外重要。
如上公式是在理想状态下的推导结果。实际发射过程中，在重力加速度和各种干扰力的联合作用下，公式会有相应的变化。
这个公式，也可以由动量守恒公式：
上面的火箭方程已经过极端的简化，并不适用实际的火箭飞行，但仍然表述了火箭飞行物理学中基本规律的精华。需要特别指明的是，该方程在宇宙的无重力状态下，却显得相对精确，尤其在航天飞行器轨道变换中，显得格外重要。
为了得到较大的推力，我们可以通过给出较大的
和较大的 的联合作用获得。而在实际应用中，我们通过使用大型运载火箭来增加
；对火箭分级以减小
；采用更先进的发动机以增加
，均可以获得较大的推力。美国在阿波罗登月计划中使用的土星五号就是一个很好的例子。在太空中使用离子推进器，是另一个基于上述原理达到远距离高效推进的例子。 齐奥尔科夫斯基方程牵涉到两个效率问题，第一个是火箭发动机的效率，它是火箭喷射的相对速度所标示的比动能与喷射工质所释放的原始比能的比值，对于各种不同的工质及其具体赋能发射效果，工程上是统一用比冲来表示推力效果的，而没有直接给出效率。比冲表示的是推力的实现效果，并没有关心推力来源及其所能给出的比冲极限。也就是说，比冲给出的是效果分子，却隐藏了质量以外的比冲来源的分母特性。由于这种隐藏，使得发动机效率问题没能直接进入系统方程进行研究，有时会导致边界特性的认知或者描述的模糊化。实际上，只要直接给出一个喷射速度的理论极限值，则相应的理论比冲的极限值和发动机效率的定义，就全都定量地联系起来了。
齐奥尔科夫斯基方程的另一个效率问题，是关于给定比冲的过程特性以后，所实现的目标运动参数的改变效益的特性，也即系统所获冲量、动量增量与系统能量消耗之间的关系问题。牛顿第二定律是关于冲量与动量增量的关系定律，但火箭的推力冲量只是航天器受力的一个因素而非全部，单独考察推力冲量与系统动量增量的关系，尤其是把重力置于一边不管，就一定会产生误导，推力冲量与动量增量就会变得不成正比，更不会相等，这使得航天器发射的效率分析变得很微妙。由于这个问题未受重视，以致于现行航天技术的发射效率很低下而研究者也不一定会去找原因，同步轨道、绕月轨道的荷载系数低下到0.01也未见探究其中原因和改进的可能性，这大大地增加了航天成本。
本发明人仅仅是比较深入地研究了这两个问题，就找到了大幅度提高齐奥尔科夫斯基方程发射效率和降低发射成本的创新空间，并据以设计了一种新技术，可以全面优化航天器的发射过程和状态参数，使以载荷系数为标志的效益成倍增加。
此外，在航空技术领域，喷气式飞机的弹射起飞是一个国际上热门的技术领域。这类飞机发动机的推力特性也适用齐奥尔科夫斯基方程（深入理解的层次）。航母舰载机从滑跃起飞到弹射起飞的进步，是美英两国历经砝码、气压、液压、内燃、蒸汽、电磁诸技术路线，摸索百年创新攻关，才达成的亚兆牛、万千瓦级弹射动力实用化成果。从蒸汽弹射定势，到电磁弹射新路，欲淘汰者和正走红者，均未及真穷数学优化而凸显系统性固有瓶颈，均可见逐项攻关之工艺难题链痕迹，均属于非完备演绎之实践思维和类比创新之普通成果。其技术设计多加性堆积，给人以重峦叠嶂而非海阔天空的感觉。其中，主流蒸汽弹射之复杂笨重低效缺陷明显，无药可医。新宠电磁弹射之瞬时功率瓶颈、强迫储能难题、60%及格效率、直线定子槽犁开甲板平面诸弊端，亦无可解。技术日奢，造价趋高，战技术特性受限，皆创新度不够之故也。欲真正突破军民用飞机弹射起飞的技术瓶颈，也必须对齐氏方程的数学力学本质有更深刻的批判性理解才有可能找到真正的路子。顺此稍作提示，欢迎感兴趣的朋友参与此类民间学术讨论。
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