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输入计算

数学公式

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结果

总速度增量(Δv)
3,542.08
m/s
速度增量(km/s) 3.542 km/s
质量比(湿/干) 3.333
推进剂质量 7,000 kg

什么是齐奥尔科夫斯基火箭方程?

齐奥尔科夫斯基火箭方程由康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基于 1903 年推导得出,用来描述火箭在给定推进剂和发动机性能的条件下,所能获得的最大速度变化量,即速度增量(delta-v,或写作 \(\Delta v\))。\(\Delta v\) 是任务规划中最关键的一个数字:无论是进入近地轨道、飞向月球,还是着陆火星,都各自对应一个明确的 \(\Delta v\) 预算。这个计算器是一款通用的物理工具——它适用于任何火箭,与国家或制造商无关。

火箭示意图,显示湿质量、干质量以及产生delta-v的尾气
火箭方程将飞行器因燃烧推进剂产生的质量变化与其获得的速度联系起来。

如何使用本计算器

输入四个数值:发动机的比冲(Isp,单位为秒)、标准重力加速度 \(g_0\)(按惯例取 9.80665 m/s²)、湿质量(火箭加注满推进剂时的总质量,单位 kg),以及干质量(推进剂全部燃尽后的质量,单位 kg)。计算器会同时给出以 m/s 和 km/s 表示的总速度增量、质量比,以及消耗掉的推进剂质量。

公式详解

$$\Delta v = \text{Isp} \cdot g_0 \cdot \ln\!\left(\frac{\text{Wet Mass}}{\text{Dry Mass}}\right)$$其中 \(\text{Isp} \cdot g_0\) 即为有效排气速度(\(v_e\)),单位为 m/s。质量比的自然对数体现了携带更多燃料时的边际效益递减——把推进剂翻一倍,并不会让 \(\Delta v\) 也翻一倍。提高发动机比冲,或减轻干质量,都能增大可获得的 \(\Delta v\)。

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显示delta-v随质量比按对数关系上升的曲线
delta-v随湿干质量比的自然对数增长,因此质量比越大,增益越小。

计算实例

假设 \(\text{Isp} = 300\ \text{s}\),\(g_0 = 9.80665\ \text{m/s}^2\),湿质量 = 10,000 kg,干质量 = 3,000 kg。质量比为 \(10{,}000 / 3{,}000 = 3.3333\),\(\ln(3.3333) \approx 1.20397\)。于是 $$\Delta v = 300 \times 9.80665 \times 1.20397 \approx 3{,}542.2\ \text{m/s} \approx 3.54\ \text{km/s}$$

常见问题

典型的速度增量预算是多少? 进入近地轨道大约需要 9.4 km/s(含各项损耗);从地球转移到火星还要再增加好几个 km/s。

为什么要用 \(g_0 = 9.80665\)? 以秒为单位的比冲是相对于标准重力加速度定义的,因此 \(g_0\) 是一个固定常数,并不是你所在发射场的当地重力加速度。

如果我知道的是排气速度而不是比冲,怎么办? 用排气速度除以 \(g_0\) 得到等效的 Isp,再把这个值填进去即可。

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