[科普中国]-比冲量

“比冲量”(specificimpulse)是衡量火箭发动机燃料的能量利用效率的标准量，英文缩写为Isp。比冲的定义为单位推进剂的量所产生的冲量。其中推进剂的量有两种描述方式，一种是重量描述，一种是质量描述。相应的定义式如下：

其中：

：推进剂的产生的冲量
　　 ：推进剂的重量
　　 ：推进剂的质量

需要注意的是，一般“重量”概念与地表附近的引力场有关，但在太空或轨道中“重量”只表示质量乘以标准重力加速度（或称标准重力） ，即 ，是一个约定的常数，不随所处引力场位置变化而变化。

将定义式进行扩展。利用 ， 以及 可以得到下式：

其中：
　　 ：发动机推力，
　　 ：推进剂质量流速，即 ，
　　 ：标准重力加速度，精确定义为 。

上面定义的是瞬时比冲，我们还可以对时间积分写出时间平均下的比冲表示：

其中， 表示发动机工作时间。上式中的推力 与推进剂质量流速 都可以随时间变化而不同。1

可以发现，在重量和质量两种描述下，比冲的表示仅仅只是相差一个常数因子。

对于液体发动机，容易测量每时刻的推力以及推进剂流速，从而计算瞬时或平均比冲；但是固体发动机很难计算推进剂流速，因此通常用下式计算平均比冲：

其中， 表示在发动机工作时间 内消耗的推进剂质量。1

根据比冲的定义式，容易写出比冲的量纲。通用的单位有国际单位（米，千克，秒）与美国常用的英制工程单位（英尺，磅，秒）两种。

是衡量火箭发动机特性的重要参数，单位是秒（s）。比冲大小对火箭的射程影响很大，比冲越高，射程越远。要获得高比冲推进剂，要求推进剂具有高的化学能、高的燃烧效率和高的喷管效率，喷管形状直接影响比冲的大小。

比冲量越高，火箭获得的总动力越大，最终的速度越快，典型的固体火箭发动机的比冲量可以达到290秒，液体火箭主发动机的比冲量则是300至453秒，而离子发动机则能获得更大的比冲量。按照上面的定义，用物理学的单位换算，比冲量的单位是米每秒m/s，与速度V单位相同：FT/M=MV/M=V，与上述简化单位相差一个重力加速度g：FT/M=MgT/M=gT。例如“比冲量可以达到290秒”是指火箭喷出的燃料的速度可以达到290*g=2900m/s。比冲量与火箭喷出的燃料的速度成正比，要提高比冲量，就要想办法提高火箭喷出的燃料速度。比冲量的极限即为燃料喷出速度达到光速，换算成以秒作单位则是3×10^8秒。

液体火箭发动机的比冲量为2500-4600牛秒/千克；

固体火箭发动机比冲量为2000～3000牛秒/千克；

涡轮喷气发动机比冲量为30000～40000牛秒/千克；

涡轮风扇发动机可达72000牛秒/千克。