把土星5號火箭發動機裝在航母後面,啟動後,航母能飆到多少速度?

美國上世紀六七十年代用於登月的土星五火箭,使用5臺F1火箭發動機。

一臺F1火箭發動機每秒鐘消耗788公斤煤油,5臺火箭發動機每秒鐘一共消耗3940公斤煤油。

5臺F1發動機並聯,總功率高達1.18億千瓦。

尼米茲級核動力航空母艦的排水量是10萬噸,由兩座A4W核反應堆,驅動4臺蒸汽輪機,總輸出功率是19.4萬千瓦,而且這19.4萬千瓦也不是全部用於推進的。

如果僅從功率上來說,土星5號的5臺發動機的功率是尼米茲航空母艦核反應堆功率的500倍。

那麼把這5臺發動機裝到航母上,是不是就把航母推散架瞭呢?實際上是不會的。

火箭發動機噴射的是高溫燃氣,在低速的情況下,它的推進效率是非常低的。

》讓物體運動起來,需要的不是能量,而是動量。

動量等於速度乘以質量,按照動量守恒,M1×V1=M2×V2。

這裡面有兩個變量,一個是速度,一個是質量。

如果讓物體達到同樣的運動效果,可以噴出低速度、大質量的工質,也可以噴出高速度、小質量的工質。

我們再看一個能量守恒的公式,1/2×M1×V1^2=1/2×M2×V2^2。

我們可以看到,在能量的公式裡面,速度是平方的關系。如果把等式一邊的速度降下來,那麼要達到等式的平衡,就意味著質量會急劇增加。

看清楚這個關系:讓物體產生運動,在輸入能量不變的情況下,提高工質的噴射量,比提高噴射工質的速度效果更好。

這一點在航空發動機上非常明顯。

我們知道有一種發動機叫渦輪噴氣發動機,還有一種叫做渦輪風扇發動機。

渦輪風扇發動機,實際上就是在渦輪噴氣發動機的前面再加瞭一組風扇和一個外涵道。

從外涵道向發動機後面噴出的不是高溫的燃氣,而是冷氣。

相同的功率輸出下,渦輪噴氣發動機向後噴出的燃氣的速度高,質量小;而渦輪風扇發動機向後噴出的燃氣速度稍低,但是質量更多。

所以,在一定的條件下(主要是低速情況下),渦輪風扇發動機推進效率要比渦輪噴氣發動機高。所以現在航空器的主流動力,都是渦輪風扇發動機。

》如果用火箭發動機來推動輪船,效率會很低。

火箭噴出的高溫燃氣有很高的熱能,熱能是沒有辦法直接轉化為推力的。

土星5號的5臺火箭發動機,總推力是3000噸,但是航空母艦螺旋槳的總推力也非常高,這個我們可以簡單算一下。

以尼米茲級航空母艦為例,假設其在高速巡航的情況下可以達到32節,相當於60公裡每小時,等於16.6米每秒。

如果此時,分配到螺旋槳上的推進功率為15萬千瓦。

航空母艦螺旋槳的推力F=功率/速度,等於8982千牛頓,等於916噸。

從這個計算上來看,土星5號發動機產生的3000噸推力是可以把航空母艦推到超過32節。

》3000噸的推力,能讓航空母艦飆到多高的速度呢?

航空母艦在推力的作用下做勻速直線運動,此時推力等於阻力。

一般情況下,船舶航行的阻力隻和速度有關。

船舶的阻力包括摩擦阻力、興波阻力、粘壓阻力、洶濤阻力、空氣阻力和螺旋槳阻力。

其中空氣阻力和船速的2次方程正比,而興波阻力和船速的4次方成正比。

而且,在高速的情況下,興波阻力恰恰是航行的最大阻力。

由此可見,隻要船速提高,船的阻力就會急劇增大。

簡單估算一下,如果三千噸的推力作用在尼米茲級航空母艦上,也隻能夠讓航空母艦的速度達到100公裡左右。

但是用土星5號火箭發動機做航空母艦的推進動力,相當於使用瞭500個航空母艦的功率。

可見用噴氣動力作為船舶的推進系統,是多麼的不劃算。

當然,推進系統的效率也和速度有關系,當被推進的物體前進的速度越來越快的時候,才要不斷的提高噴射工質的速度。

在水中航行的船舶,在低速的情況下是螺旋槳的推進有效率。

如果我們把水看成一種推進工質,螺旋槳就要大面積推大量的水,但是速度不高,所以大型船舶的螺旋槳都很大。尼米茲航空母艦的4個螺旋槳,每個直徑都有6.4米。

在高速的情況下,螺旋槳的轉動已經很難推動水瞭,這個時候就要使用泵推,泵推的推進截面比螺旋槳要小。

像火箭發動機噴出的高溫燃氣,隻有在真空、高速中才能發揮它的最大作用。