火箭推力計算器

依據噴嘴運作條件,計算火箭引擎推力、壓力貢獻、比衝與有效排氣速度。

火箭引擎推力
輸入質量流率、排氣速度、噴嘴壓力與出口面積。

關於火箭推力

火箭推力來自推進劑的加速,以及噴嘴出口與外界之間的壓力差。一維穩態推力方程式為 F = 質量流率乘以排氣速度,加上出口壓力與環境壓力之差乘以噴嘴出口面積。第一項為動量推力,第二項為壓力推力;後者可能增加或減少總推力,取決於噴嘴出口壓力與周圍大氣壓力的關係。 質量流率表示每秒通過引擎的推進劑質量,單位為公斤。排氣速度是噴嘴出口處氣流相對於飛行器的平均軸向速度。兩者相乘可得到以牛頓為單位的力。此簡化模型假設流動穩定、排氣沿軸向,且輸入速度已代表相關的噴嘴出口速度。 壓力推力反映膨脹不足或過度膨脹。出口壓力高於環境壓力時,該項為正,噴嘴處於膨脹不足狀態。出口壓力低於環境壓力時,該項為負,噴嘴處於過度膨脹狀態。兩者相等時,噴嘴在該高度達到理想膨脹,此方程式中的推力全部由動量流提供。由於輸入壓力以千帕表示,計算器會先將壓差換算成帕,再乘以平方公尺表示的面積。 比衝等於總推力除以推進劑重量流率,計算採用 9.80665 公尺每平方秒的標準重力加速度。它衡量單位推進劑重量產生的衝量,通常以秒表示。有效排氣速度等於總推力除以質量流率。它包含壓力貢獻,因此出口壓力與環境壓力不同時,可能與輸入的實際排氣速度不同。 此方程式適用於引擎初步分析、教科書習題、高度比較及試驗資料核對。它不考慮非穩態流動、飛行器加速度、噴嘴側向負載、羽流交互作用、燃燒不穩定或量測參數的不確定性。實際推力也可能涉及多股推進劑流及不均勻的出口條件。請使用同一運作點下相互一致的平均值。設計認證或飛行預測應依據校準儀器、詳細流體分析,以及製造商或試車台性能資料。

火箭推力範例

引擎輸入參數計算推力結果說明
100 kg/s,3,000 m/s,出口與環境壓力皆為 100 kPa,0.5 m²300,000 N出口與環境壓力相等,壓力貢獻為零。
10 kg/s,2,000 m/s,出口 500 kPa,環境 100 kPa,0.1 m²60,000 N動量貢獻為 20 kN,壓力貢獻為 40 kN。
20 kg/s,2,500 m/s,出口 80 kPa,環境 100 kPa,0.2 m²46,000 N過度膨脹使總推力減少 4 kN。

如何計算火箭推力

  1. 輸入推進劑質量流率與噴嘴排氣速度。
  2. 以千帕輸入噴嘴出口壓力與當地環境壓力。
  3. 以平方公尺輸入噴嘴出口面積。
  4. 選擇「計算推力」,查看總推力、動量推力、壓力推力及性能指標。

火箭推力常見問題

火箭推力由哪兩部分組成?

動量推力來自推進劑通過噴嘴時的加速。壓力推力來自噴嘴出口與環境之間的壓差作用於出口面積所產生的力。

為什麼火箭推力會隨高度改變?

環境壓力通常隨高度增加而降低。引擎其他條件相同時,背壓降低通常會增加壓力推力的貢獻。

比衝衡量什麼?

比衝衡量單位推進劑重量產生的衝量。數值越高,通常代表引擎使用推進劑的效率越好。

壓力推力可以是負值嗎?

可以。出口壓力低於環境壓力時,壓力項為負值。嚴重過度膨脹也可能造成流動分離及此簡化方程式未涵蓋的負載。

有效排氣速度等於噴嘴排氣速度嗎?

壓力推力為零時,兩者相等。否則,有效排氣速度包含壓力貢獻,等於總推力除以質量流率。