火箭动力技术和动量守恒定律

志勰

针对火箭技术中的能量不守恒现象给出物理解释。


    在几十年前,火箭技术就采用对火箭喷管收缩的技术来提高在单位时间内燃烧相同的燃料下,提高火箭的动力。如图:

    (这里假设左边的火箭喷管的截面积是右边火箭喷管的截面积的2倍。两个火箭发动机单位时间燃烧的燃料是相同的。补充于2001年3月13日23点)

dlshhdlzkjjshshbnchl-1.gif (1911 字节) 在火箭喷管收缩前后,单位时间里火箭燃烧的燃料不变,一个单位燃料燃烧所产生的热量不变,或者说,化学反应中燃气获得的动能不变。单位时间里,火箭喷管喷出的燃料数量不变。唯一不同

的则是燃烧室的压力提高一倍。从这里我们可以看到,从作用力和反作用力上来看,喷管收缩前后,火箭喷口喷出的燃气单位时间内的总动量不变,那么为什么火箭喷管收缩后火箭可以获得更大的冲量呢?显然,根据动量守恒定律,这是不可能的现象。但是在火箭的实际应用技术上,这都是真实的。

    在物体在介质中运动动力的原理——空气动力中,我们已经分析了这个现象,火箭动力是通过气体分子和火箭燃烧室的弹性碰撞来实现的。

    在上图中,右边火箭喷管收缩后的燃烧室中气体分子和燃烧室壁的碰撞次数,单位时间单位面积是没有收缩的左图中燃烧室壁的4倍。但是在喷气口上则没有碰撞,这么多的碰撞的动量是来自于哪里呢?很显然,一个气体分子的每一次碰撞必然是遵守动量守恒定律的,也就是说遵守牛顿运动定律。那么,收缩后右边的图中A面的碰撞次数是左图中的四倍。增加的碰撞次数着力点在哪里呢?这个问题似乎是不能理解的问题。由于气体分子的碰撞是无序的。这个碰撞最终是要均分到B、C、D、E的器壁上。

    将火箭的推进力归结到燃气分子和燃烧室壁的弹性碰撞上,那么我们则不难理解火箭获得的动量要大于气体分子喷出时的动量。在这种意义上来说,动量守恒定律在火箭技术应用上是失效的。

    在几十年以前,人们在发展空间技术的时候,碰到声速的瓶颈,在当时不能打破声速的限制。我想这一来于当时的人们没有从分子动力学的角度去分析火箭的动力问题。在宏观火箭动力上,由于动量守恒定律限制了人们的思路。后来工程师拉瓦尔先生提出了扩张的拉瓦尔喷管,解决了声障的问题。但这仅是从工程技术上解决了这个问题,并没有从物质运动变化的原理上来解释这个问题。如果采用分子运动学的角度来考虑这个问题,我想现在的物理学中已经没有了动量守恒定律。

    从分子动力学的角度上来分析火箭动力问题,那么采用喷管扩张的技术来对燃气分子的热能进行第二次利用则是变成很简单的问题了。并且会增加火箭燃料的有效利用率。

    关于从分子运动学的角度对火箭的动力分析,请参见物体在介质中运动动力的原理 ——空气动力

2001.5.23


发布时间  2001.5.23日    发布人:志勰      发布站点    物理科学探疑