看劇也需要科學素養？快速看懂《你是我的榮耀》裡的發動機比衝

這屆觀眾一定萬萬沒有想到，追個愛情偶像劇竟然也需要具備一定的科學素養。比如，在日前播完的電視劇《你是我的榮耀》中，就出現了許多航天元素。身為航天工程師的男主角於途，開場就被領導潑了盆涼水，領導直指他的深空探測器設計問題在於“高比衝發動機”。發動機好懂，可這個“比衝”是啥意思？

什麼叫比衝？

比衝，又稱比衝量，是個物理引數，通常用來衡量火箭、飛機發動機或深空探測器的效率。通俗一點講，比衝就是每單位推進劑生成的力量。其中推進劑的量有兩種描述方式，一種是重量描述，一種是質量描述。

如果用重量描述推進劑的量，比衝的國際單位為秒（s）。可以理解為每消耗一千克推進劑產生一千克推力所能持續的時間。比如，某火箭發動機的比衝為320秒，那就代表該火箭發動機每一千克推進劑能產生320千克推力。

如果用質量描述推進劑的量，那麼其國際單位則為米/秒（m/s）。這個量相當於發動機噴氣的平均速度。比如，在等於海平面重力加速度的均勻引力場的真空室內，發動機豎直向上噴氣，噴出的氣體減速至零所需要的平均時間，就是這個發動機的比衝。

後者比較少見，但部分科學家認為更準確，相當於在前者的基礎上，將重力加速度也考慮進去了。

比衝高效率就高

比衝是用來衡量發動機效率的，比衝高的發動機，效率就更高。

比衝每提高一秒，對火箭的各方面效能的提升都會非常大。比衝量越高，火箭獲得的總動力越大，最終的速度越快。化學推進器類的固體火箭發動機的比衝量可以達到290秒，液體火箭主發動機的比衝量則是300至453秒，而電推進器類的離子發動機則能獲得更大的比衝量。比如化學類的氫氧火箭發動機，其比衝最大還沒超過500秒。而屬於廣義離子發動機的霍爾推進器，其比衝高達3000秒以上。我國的天和核心艙就是搭載的由中國航天科技集團801所自主研製的霍爾推力器。

由於比衝高，近年來電推進系統越來越多地應用於深空探測器，有望成為其主要動力。此外，電推進系統沒有化學推進系統的複雜裝置，因而可騰出大量空間，使航天器攜帶更多有效載荷。

劇中探測器的比衝

在電視劇中，男主角於途設計的深空探測器“搜神號”採用的正是技術先進的電推進發動機，其最大的優點就是比衝大，然而技術難度很高。目前我國電推進發動機的最大輸出已經達到牛級（牛，即力的單位牛頓，符號為N），屬於國際領先水平，但想要用於深空探測，尤其是太陽系邊際探測還遠遠不夠。因此，這裡領導有顧慮是非常合理的。

當劇終“搜神號”發射成功時，它的比衝達到了3800秒，總衝（比衝與推進劑總消耗量的乘積）10萬牛/秒。差不多是讓一個100千克的小衛星產生1公里/秒的速度增量。這些速度增量，足夠把它從地球同步轉移軌道發射到月球。當然，目前這樣的高比衝發動機還無法在實際工作中達到，是編劇為航天人編織出的一個美好的未來願景，因此“搜神號”在劇中的發射時間也設定在未來的2028年。

有意思的是，飛機使用的渦輪噴氣式發動機和渦輪風扇式發動機的比衝都比火箭發動機高，那是因為火箭發動機要消耗自身攜帶的氧化劑（也算推進劑的一部分），而渦輪風扇式發動機和渦輪噴氣式發動機消耗的卻是大氣中的氧氣，並不是其本身攜帶的氧化劑。有興趣的話可以找資料來對比一下二者的比衝。

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