尽管蒸汽机在历史上在许多领域(如⽕⻋、船只等)中有过重要的应⽤,但是要⽤蒸汽机将航天器送⼊太空是非常不切实际的。⾸先,蒸汽机的效率远低于现代的⽕箭引擎。其次,蒸汽机需要⼤量的⽔作为⼯质,这会增加航天器的重量,从⽽需要更多的能量来将其送⼊太空。最后,蒸汽机在没有⼤⽓的太空环境中可能⽆法正常⼯作。
有意思的是,现代⽕箭在将航天器送上太空的过程中确实会有“烧⽔”的过程喔!许多现代⽕箭使⽤液氢作为燃料和液氧作为氧化剂,这种组合在燃烧时的主要产物就是⽔蒸⽓,其反应过程不就变相地相当于“烧⽔”吗?
就在昨天神州⼗七号成功将我国三位航天员送上“天宫”[1]。如果⽤以液氢-液氧为燃料的⽕箭实现与神州⼗七号所搭载的运载⽕箭⻓征⼆号F(CZ-2F)相同的近地运载能⼒8500kg[2],这需要“烧”多少⽔呢?
我们可以使⽤⽕箭⽅程(Tsiolkovsky rocket equation)[3]来进⾏⼀个基本的估计。⽕箭⽅程是:
其中,是⽕箭需要达到的速度变化(本例采⽤地球的第⼀宇宙速度,约为7900⽶/秒),是有效排⽓速度(对于液氧和液氢⽕箭发动机,约为4400⽶/秒[4]),是⽕箭的初始总质量,是⽕箭燃烧完燃料后的质量(也就是载荷质量,即8500千克)。
将这个⽅程解出⽕箭的初始总质量(包括燃料):
在排除载荷质量8500kg后,也就是说我们需要烧42688kg的液氧-液氢燃料。显然这个过程将产⽣42688kg的⽔喔。
这是⼀个非常基本的估计,实际的燃料需求可能会更⾼,因为我们没有考虑到⼤⽓阻⼒和重⼒损失,也没有考虑到⽕箭发动机的效率可能低于理论最⼤值。此外,⽕箭也需要⼀些额外的燃料来进⾏机动和纠偏。