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把土星5号火箭发动机装在航母后面,启动后,航母能飙到多少速度?

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美国上世纪六七十年代用于登月的土星五号火箭,使用5台F1火箭发动机。

一台F1火箭发动机每秒钟消耗788公斤煤油,5台火箭发动机每秒钟一共消耗3940公斤煤油。


5台F1发动机并联,总功率高达1.18亿千瓦。

尼米兹级核动力航空母舰的排水量是10万吨,由两座A4W核反应堆,驱动4台蒸汽轮机,总输出功率是19.4万千瓦,而且这19.4万千瓦也不是全部用于推进的。


如果仅从功率上来说,土星5号的5台发动机的功率是尼米兹航空母舰核反应堆功率的500倍。

那么把这5台发动机装到航母上,是不是就把航母推散架了呢?实际上是不会的。

火箭发动机喷射的是高温燃气,在低速的情况下,它的推进效率是非常低的。

》让物体运动起来,需要的不是能量,而是动量。

动量等于速度乘以质量,按照动量守恒,M1×V1=M2×V2。

这里面有两个变量,一个是速度,一个是质量。

如果让物体达到同样的运动效果,可以喷出低速度、大质量的工质,也可以喷出高速度、小质量的工质。

我们再看一个能量守恒的公式,1/2×M1×V1^2=1/2×M2×V2^2。

我们可以看到,在能量的公式里面,速度是平方的关系。如果把等式一边的速度降下来,那么要达到等式的平衡,就意味着质量会急剧增加。

看清楚这个关系:让物体产生运动,在输入能量不变的情况下,提高工质的喷射量,比提高喷射工质的速度效果更好。

这一点在航空发动机上非常明显。

我们知道有一种发动机叫做涡轮喷气发动机,还有一种叫做涡轮风扇发动机。


涡轮风扇发动机,实际上就是在涡轮喷气发动机的前面再加了一组风扇和一个外涵道。

从外涵道向发动机后面喷出的不是高温的燃气,而是冷气。

相同的功率输出下,涡轮喷气发动机向后喷出的燃气的速度高,质量小;而涡轮风扇发动机向后喷出的燃气速度稍低,但是质量更多。


所以,在一定的条件下(主要是低速情况下),涡轮风扇发动机推进效率要比涡轮喷气发动机高。所以现在航空器的主流动力,都是涡轮风扇发动机。

》如果用火箭发动机来推动轮船,效率会很低。

火箭喷出的高温燃气有很高的热能,热能是没有办法直接转化为推力的。

土星5号的5台火箭发动机,总推力是3000吨,但是航空母舰螺旋桨的总推力也非常高,这个我们可以简单算一下。

以尼米兹级航空母舰为例,假设其在高速巡航的情况下可以达到32节,相当于60公里每小时,等于16.6米每秒。

此时,分配到螺旋桨上的推进功率为15万千瓦。


航空母舰螺旋桨的推力F=功率/速度,等于8982千牛顿,等于916吨。

从这个计算上来看,土星5号发动机产生的3000吨推力是可以把航空母舰推到超过32节。

》3000吨的推力,能让航空母舰飙到多高的速度呢?

航空母舰在推力的作用下做匀速直线运动,此时推力等于阻力。

一般情况下,船舶航行的阻力只和速度有关。

船舶的阻力包括摩擦阻力、兴波阻力、粘压阻力、汹涛阻力、空气阻力和螺旋桨阻力。

其中空气阻力和船速的2次方成正比,而兴波阻力和船速的4次方程成正比。

而且,在高速的情况下,兴波阻力恰恰是航行的最大阻力。


由此可见,只要船速提高,船的阻力就会急剧增大。

简单估算一下,如果三千吨的推力作用在尼米兹级航空母舰上,也只能够让航空母舰的速度达到100公里左右。

但是用土星5号火箭发动机做航空母舰的推进动力,相当于使用了500个航空母舰的功率。


可见用喷气动力作为船舶的推进系统,是多么的不划算。

当然,推进系统的效率也和速度有关系,当被推进的物体前进的速度越来越快的时候,才要不断地提高喷射工质的速度。

在水中航行的船舶,在低速的情况下是螺旋桨的推进有效率。

如果我们把水看成一种推进工质,螺旋桨就要大面积推大量的水,但是速度不高,所以大型船舶的螺旋桨都很大。尼米兹航空母舰的4个螺旋桨,每个直径都有6.4米。


在高速的情况下,螺旋桨的转动已经很难推动水了,这个时候就要使用泵推,泵推的推进截面比螺旋桨要小。

像火箭发动机喷出的高温燃气,只有在真空、高速中才能发挥它的最大作用。

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