什麼是齊奧爾科夫斯基火箭方程式?
齊奧爾科夫斯基火箭方程式由康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基於 1903 年推導而成,用來描述火箭在給定推進劑與引擎性能下,所能達到的最大速度變化量(delta-v,即 Δv)。在任務規劃中,delta-v 是最關鍵的單一數值:無論是進入近地軌道、奔向月球,還是登陸火星,每一段任務都需要一份明確的 Δv 預算。這款計算機是一項通用的物理工具——不分國家或製造商,適用於任何火箭。
如何使用本計算機
請輸入四個數值:引擎的比衝(Isp,單位為秒)、標準重力 g₀(依慣例採用 9.80665 m/s²)、濕重(火箭加滿燃料時的總質量,單位 kg),以及乾重(推進劑完全燃燒後的質量,單位 kg)。計算機會同時以 m/s 與 km/s 呈現總 delta-v,並提供質量比與所消耗的推進劑質量。
公式解析
$$\Delta v = \text{Isp} \cdot g_0 \cdot \ln\!\left(\frac{\text{Wet Mass}}{\text{Dry Mass}}\right)$$其中 \(\text{Isp} \cdot g_0\) 即為有效排氣速度(\(v_e\)),單位為 m/s。質量比取自然對數,正反映了多載燃料帶來的邊際效益遞減——把推進劑加倍,並不會讓 Δv 也跟著加倍。採用比衝較高的引擎,或讓乾重更輕,都能提升可達成的 Δv。
實際範例
假設 Isp = 300 s、g₀ = 9.80665 m/s²、濕重 = 10,000 kg、乾重 = 3,000 kg。質量比為 \(10{,}000 / 3{,}000 = 3.3333\),而 \(\ln(3.3333) \approx 1.20397\)。於是 $$\Delta v = 300 \times 9.80665 \times 1.20397 \approx 3{,}542.2 \ \text{m/s} \approx 3.54 \ \text{km/s}$$
常見問題
典型的 delta-v 預算大約是多少?計入各項損耗後,進入近地軌道約需 9.4 km/s;而從地球轉移到火星,還要再加上數 km/s。
為什麼要用 g₀ = 9.80665?以秒為單位的比衝是相對於標準重力定義的,因此 g₀ 是一個固定常數,並非你發射場當地的重力值。
如果我知道的是排氣速度而不是比衝怎麼辦?把排氣速度除以 g₀,即可換算成等效的 Isp,再將該數值輸入即可。