9月20日清晨，長(zhǎng)征六號(hào)一飛沖天。它的第一級(jí)使用YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)。這款發(fā)動(dòng)機(jī)的海平面比沖為300秒。軍迷朋友對(duì)“比沖”這個(gè)詞應(yīng)該很熟悉，可它的真實(shí)含義究竟是什么？
很多人，尤其是對(duì)于軍迷來(lái)說(shuō)，看文章的時(shí)候，比沖這個(gè)詞那可是一點(diǎn)兒也不陌生。然而對(duì)于不少人，包括筆者在內(nèi)，“比沖”本質(zhì)的是什么？確實(shí)是兩眼一抹黑，理解的時(shí)候，更是牛頭不對(duì)馬嘴。
跟噴射時(shí)間真的沒(méi)關(guān)系
幾年前，每當(dāng)看到文章說(shuō)“RS-68火箭發(fā)動(dòng)機(jī)”發(fā)動(dòng)機(jī)很棒，在海平面其比沖為365秒，而在真空下為 410秒時(shí)，筆者就以為，這可能是說(shuō)RS-68火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在大氣環(huán)境下可以持續(xù)噴射365秒，而在真空下可以噴射410秒，在下居然這么去理解……實(shí)在是錯(cuò)得離譜。
實(shí)際上，這里的“365秒”和“410秒”跟火箭可以燃燒噴射多久，一毛錢關(guān)系都沒(méi)有！
那么，這里的“365秒”說(shuō)的是什么呢？要想理解這個(gè)，咱們先來(lái)了解一下比沖。
比沖是對(duì)火箭引擎燃料利用效率的一種描述，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)單位重量的推進(jìn)劑產(chǎn)生的沖量就是比沖！其標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際單位“米/秒”。
咦，“米/秒”不就是速度單位嗎？怎么比沖也是這造型？沒(méi)錯(cuò)，比沖的單位跟速度的單位是一樣一樣的，那么，它的本質(zhì)到底是什么呢？
比沖的本質(zhì)就是燃料燃燒時(shí)的“噴流速度”！所以，很多文章會(huì)告訴你，比沖越大，發(fā)動(dòng)機(jī)越厲害。這很好理解，無(wú)論是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，還是飛機(jī)上的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，其提供動(dòng)力的原理就是燃料燃燒并向后噴射，那么，根據(jù)動(dòng)量守恒，噴射物的速度越大，其帶給飛行器的反推力就越大。
既然比沖在本質(zhì)上是描述噴流速度，為什么我們經(jīng)?？吹降膯挝皇恰懊搿?？這是因?yàn)椋^(guò)去傳統(tǒng)遺留的問(wèn)題，比沖有兩個(gè)單位，一個(gè)是傳統(tǒng)上的以“秒”為單位，一個(gè)是按照國(guó)際單位標(biāo)準(zhǔn)的“米每秒”的單位。
比沖“秒”的單位，是按照比沖這種定義來(lái)的，即：比沖就是單位重量流量的推進(jìn)劑產(chǎn)生的推力。
“重量流量”聽(tīng)上去是那么的別扭，它是過(guò)去的老單位，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)沒(méi)有這個(gè)名字。
但是習(xí)慣上，說(shuō)比沖時(shí)，還是按照單位重量流量的推進(jìn)劑產(chǎn)生的推力來(lái)計(jì)算，結(jié)果導(dǎo)出的就是秒的單位，可以理解為，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)利用一公斤燃料可以持續(xù)多少秒一直產(chǎn)生一公斤的推力。
以后我們還要在文章中多次見(jiàn)到以“秒”來(lái)說(shuō)比沖，到時(shí)候，我們可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的換算就能把它輕易地轉(zhuǎn)換為噴流速度，即把“秒”乘以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)重力g，也就是9.80665 m/s，然后就能換算成“米每秒”了，因?yàn)檫@兩個(gè)不同的單位就相差一個(gè)g而已。為了簡(jiǎn)便，9.80665這個(gè)數(shù)值你大可以約等于10，所以，如果你以后看到某款發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖是365秒時(shí)，你可以乘以10，得到3650米/秒，然后你馬上就能形象地理解了，哦，原來(lái)這款發(fā)動(dòng)機(jī)的噴流速度是3650米/秒，如此，你就能輕易衡量比較很多款發(fā)動(dòng)機(jī)的性能了。
關(guān)于比沖的誤解
說(shuō)完了比沖的本質(zhì)，現(xiàn)在就能消除一些關(guān)于比沖的誤解了：
例如，比沖跟發(fā)動(dòng)機(jī)的推力大小無(wú)關(guān)，比沖只是描述了發(fā)動(dòng)機(jī)的能源利用效率而已。
一些離子推進(jìn)器，比沖可以達(dá)到10000秒，其噴流速度在100000米/秒左右，也就是速度100千米/每秒。雖然離子推進(jìn)器的比沖很高，但它的推力極小，大概只可以吹動(dòng)一張紙。
各國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)比沖哪家強(qiáng)？
圖為F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，其海平面比沖為263秒（即噴流速度約為2.58千米/秒）
F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是由美國(guó)洛克達(dá)因公司設(shè)計(jì)制造的，它是一款煤油液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，用于土星五號(hào)運(yùn)載火箭的第一級(jí)，曾服務(wù)于阿波羅登月計(jì)劃。上圖中，在發(fā)動(dòng)機(jī)旁邊站著的是沃納·馮·布勞恩（1912年3月23日－1977年6月16日），他是普魯士火箭專家，二十世紀(jì)航天事業(yè)的先驅(qū)之一，曾是著名的V1和V2火箭的總設(shè)計(jì)師。德國(guó)戰(zhàn)敗后，美國(guó)將他和他的設(shè)計(jì)小組帶到美國(guó)，主持設(shè)計(jì)了阿波羅4號(hào)的運(yùn)載火箭土星5號(hào)。NASA用以下的話來(lái)形容馮·布勞恩：“無(wú)庸置疑的，他是史上最偉大的火箭科學(xué)家。他最大成就是在擔(dān)任NASA馬歇爾空間飛行中心總指揮時(shí)，主持土星5號(hào)的研發(fā)，成功地在1969年7月首次達(dá)成人類登陸月球的壯舉?！?br>
圖為RD-170火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的衍生型號(hào)RD-171。其海平面比沖為309秒（3.03千米/秒）
RD-170是俄羅斯研制的世界最大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，使用煤油和液氧，單臺(tái)推力800噸，采用四燃燒室，四噴嘴設(shè)計(jì)，曾用于能源號(hào)運(yùn)載火箭和天頂號(hào)運(yùn)載火箭第一級(jí)。
圖為RD-170的衍生型號(hào)RD-180火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，其海平面比沖為311秒（3.05千米/秒），其推力可達(dá)400噸，這相當(dāng)于把RD-170一分為二，雙燃料室，雙噴嘴。曾用于美國(guó)擎天神II和擎天神III運(yùn)載火箭的第一級(jí)
幾個(gè)月前，俄羅斯副總理放出話，由于美國(guó)和歐洲因?yàn)蹩颂m問(wèn)題對(duì)俄實(shí)施經(jīng)濟(jì)制裁，俄羅斯決定暫停對(duì)美出口RD-180火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，除非美國(guó)答應(yīng)該火箭引擎僅用于發(fā)射非軍事目的航天器。他是這樣解釋的：“使用俄羅斯人民的智力資源發(fā)射他們的軍事載荷，去執(zhí)行我們完全不了解的任務(wù)，不是很奇怪的事情嗎？”
而美國(guó)的對(duì)策是什么呢？據(jù)說(shuō)就是在禁令生效前，加速采購(gòu)RD-180。
圖為RS-68火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，其改進(jìn)型號(hào)RS-68A的海平面比沖為359秒，真空中比沖為 412秒（4.04千米/秒）
RS-68火箭發(fā)動(dòng)機(jī)最大推力319噸左右，生產(chǎn)廠家為美國(guó)洛克達(dá)公司，使用液體氫和氧，目前，它是全球最大的氫燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，其設(shè)計(jì)初衷主要是降低生產(chǎn)成本。
圖為我國(guó)YF-100火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，其海平面比沖為300秒（2.9千米/秒）。9月20日發(fā)射的長(zhǎng)征六號(hào)火箭的第一級(jí)，就使用了這款發(fā)動(dòng)機(jī)
YF-100由中國(guó)航天推進(jìn)技術(shù)研究院研制，為我國(guó)第一代120噸級(jí)分級(jí)燃燒循環(huán)的液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。其前身為上世紀(jì)90年代我國(guó)從前蘇聯(lián)獲得的RD-120發(fā)動(dòng)機(jī)。未來(lái)，YF-100火箭發(fā)動(dòng)機(jī)將與YF-77氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一起成為我國(guó)新一代運(yùn)載火箭的主要?jiǎng)恿Α?br>
咳咳，一輪比拼下來(lái)，無(wú)疑，美國(guó)洛克達(dá)公司生產(chǎn)的RS-68火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，以“海平面比沖365秒，真空下 410秒”的成績(jī)輕取桂冠。
