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【转载】[What if]第24期——模型火箭  

2013-03-27 21:10:33|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文转载自科学松鼠会《[What if]第24期——模型火箭》

本文作者:一起剥坚果

原作:http://what-if.xkcd.com/24/

翻译:junglerubik

校对:Ent

需要多少模型火箭的发动机才能将一枚真正的火箭射入太空?——Greg Schock, PA

#不知道模型火箭是什么概念的人建议看看这个视频http://www.tudou.com/programs/view/KPqf8iYgG5c/

#不知道模型火箭发动机是什么概念的人建议看看这个视频http://v.youku.com/v_show/id_XMjU1ODQxMTgw.html

大概65000个左右吧。

你必须像这样排列它们:

整个火箭大概有拖车那么重。发动机,空气动力外壳和必要的分级装置几乎占据了整个火箭。

每个火箭发动机大概能燃烧3秒钟。夹心蛋糕式的排列意味着每三秒钟,底层烧尽的发动机就能脱落,同时下一层发动机开始工作。升空的过程大概要使用25到30级发动机,总共燃烧一分半钟,之后火箭就能利用惯性向上运动,勉强擦到太空的边缘。(在这个设计中,我所假设的发动机与Estes E9-4类似,常见的模型火箭里这种发动机已经算大型的了。当然还有更大更强力的——级别可以直达O甚至更远——不过大到一定程度时,它们便不再是模型火箭发动机了,它们其实就是火箭发动机。)

#模型火箭发动机按照总冲量分类,字母次序越往后总冲量越大,总冲量越大意味着推力越大。最上面发动机视频可以看出不同类发动机的推力差距。详细可见http://www.ceiea.com/coindex/pt_11441_47247_procontent_comppro.htm

往轻了说,一枚30级的火箭是工程师的噩梦。这样的设计将火箭非引擎部分的重量限制为常人的体重(60kg)。实质上这枚火箭就是一大坨火箭发动机攒在一起。发动机之间都需要隔热,这样上层的引擎才不会过早点燃,而且分级系统的设计与空气动力的计算都变得非常复杂。

发动机集群会由下往上逐渐变窄。#注意看最上面的图#等到上层发动机点火的时候,火箭已经失去其大部分质量,所以这时为了获得相同的加速度并不需要那么多的推力。

而发动机矩阵在中部向外突出的原因是为了让加速度曲线看起来像这样:

当其推力是重力的若干倍时,火箭处于最佳工作状态。但你在低空区域时并不希望加速得太快。因为空气阻力与速度的平方成正比,如果你开始加速得太快,你会发现自己仅仅为了维持现有速度就浪费了所有的燃料。你希望的是一开始慢慢加速,当空气开始变稀薄之后才全力加速上升。

现在,也许你已经注意到了,眼下这个火箭能进入太空(至少有几秒),但不能进入环绕轨道。那我们能用模型火箭引擎进入轨道、与国际空间站对接么?

不行。

考虑到空气阻力,为了进入太空,你需要一枚在真空里可以加速到2千米每秒的火箭。但为了进入环绕轨道,你需要一枚在真空里可以加速到10千米每秒的火箭。

如果用上面那种制造亚轨道火箭的设计原理造一枚轨道火箭,那你会设计出一坨形似烤饼的模型火箭发动机山,其宽度超过1英里(约1.6千米)。在圆心处它会逐渐变细成为一个10米高的尖锥,总重量大概有胡夫金字塔那么重。

这载具不仅冲不出大气层,也不大可能支撑自身的重量。

其实,“载具”这个词有点误导。本质上来说,你所创造出来的只是一个中央公园大小的不稳定火药堆。如果它在一团烈焰中爆炸开来——它绝对会的——那它将打破历史上最大的人造非核爆炸的记录。(有趣的是,这个可疑记录的当前持有者也是一枚在发射过程中爆炸的火箭创造的)

模型火箭发动机所能做到的极限就是将一些东西发射到太空边缘,这会非常难,但也许不是不可能。然而,如果你想尝试造一艘能够进入环绕轨道的飞船,那今天你去不成太空了。

#来自 http://xkcd.com/1133/ 的梗

关于本文

What if 系列:http://songshuhui.net/archives/tag/what-if

[What if]第24期——模型火箭 - 科学松鼠会 - 科学松鼠会
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