火箭推进速度上限的估算

主要观点总结

本文主要讨论了火箭推进方式的速度上限，包括化学燃料推进、电磁推进、核动力推进和正反物质湮灭推进等。通过简单的推导和估算，对各种推进原理的比冲进行了数量级估计，并讨论了它们所能达到的速度上限。文章还提到了火箭干湿质量比的对数因子对最终速度的影响。

关键观点总结

关键观点1: 化学燃料推进的比冲上限是5 km/s，适用于行星际航行。

化学燃料的燃烧是化学键的断裂和再形成的过程，键能在几个eV量级，因此比冲上界可估算为5 km/s。

关键观点2: 电磁推进的比冲可以达到30—40 km/s的量级，通过电场加速工作介质并喷射获得反冲。

例如，氙气推进的比冲可以达到17—33 km/s。

关键观点3: 核动力推进的能标在MeV水平，比冲保守估计可以达到10000 km/s的量级。

核反应的能标非常高，例如裂变和聚变反应，可以释放出巨大的能量用于推动火箭。

关键观点4: 正反物质湮灭推进的比冲是光速本身，喷射物是γ光子。

这种推进方式有望使火箭逼近光速，但需要设计能够反射γ射线的装置，目前这一技术还面临挑战。

文章预览

加 星标 ，才能不错过每日推送！方法见文末插图 本文用简洁的方法，探讨几种原理上可能的火箭推进方式的速度上限。 撰文  |   吴从军  (西湖大学物理系 新基石科学实验室)  来源  |  选自《物理》2024年第9期 我国长征5号B火箭的第一级采用液氢液氧做推进剂。相比较于传统燃料 (例如四氧化二氮搭配偏二甲肼) ，液氢液氧燃料的推力大幅度增加，大大提高了火箭的有效载荷。长征五号B的成功，标志着我国加入了世界火箭发展的第一梯队，令人振奋。 目前，化学燃料仍然是各国火箭的主要推进剂，但是其推进原理有很大的局限性，而且这个局限性是本质的。化学键的能标 (energy scale) ，即形成或打破化学键时能量的变化范围，只有几个电子伏 (eV) 的数量级。这样小的能标决定了单靠化学燃料难以把火箭推进到第三宇宙速度 (16.7 km/s) 。化学 ………………………………