Дело не в принципе, а в mv^2/2. Химические движки неэффективны, поскольку нужно возить значительную массу рабочего тела (она-же - энергоноситель). Увеличь скорость истечения вдвое и массы нужно в 4 раза меньше.
Это не так. Т.е., разумеется, увеличение скорости истечения позволяет уменьшить расход рабочего тела, но не в квадрате, а лишь пропорционально, и энергия здесь не причем. Это вроде бы очевидно, но, поскольку уважаемый
mErLin не первый, кто наступает на эти грабли, и вообще вопрос поучительный, "разжую" его подробно:confused2:. Прошу прощения за много букв, но, ИМХО, вопрос этого стоит.
Разумеется, в замкнутой системе (здесь - ракета и продукты, вылетающие из двигателя) выполняются и закон сохранения энергии, и закон сохранения импульса. Но эти законы работают совершенно по разному. По закону сохранения импульса, импульс, уносимый продуктами, вылетающими из двигателя, просто
уравновешивается импульсом, получаемым ракетой. А по закону сохранения энергии, энергия, выделяемая в двигателе,
делится между вылетающими продуктами и ракетой в пропорции, которая зависит от некоторых параметров системы.
Соответственно, "
массовая эффективность"
любого ракетного двигателя (т.е., реактивного двигателя, не связанного с окружающей средой, - в отличие, например, от воздушно-реактивного) - это т.н. "удельный импульс" двигателя, т.е., импульс силы тяги в Н*сек на 1 кг расхода массы рабочего тела. Удельный импульс (в секундах) - основной параметр любого РД, и он численно равен скорости истечения, деленной на G. А вот
энергетическая эффективность любого РД, понимаемая как импульс силы тяги в Н*сек на 1 Дж расхода энергии (только такая "энергетическая эффективность" является характеристикой именно двигателя, а не всей системы), очевидно, обратно пропорциональна скорости истечения, т.е.,
обратно пропорциональна массовой эффективности.
Этот антагонизм, в частности, является одной из причин различия принципов выбора рабочего тела в разных классах РД. Например, в классическом ионном двигателе с электростатическим ускорением технически может быть получена скорость истечения в тысячи км/сек (при вполне технически реальном напряжении в сотни кВ - как в клистроне РЛС). Но если лимитирует не расход рабочего тела, а масса источника энергии, то выгоднее снижать скорость истечения, снижая напряжение и/или применяя более тяжелые ионы (цезий, ртуть и т.п.).
А вот в классическом ядерном РД (нагрев рабочего тела в активной зоне реактора) надо минимизировать расход рабочего тела, а лимитирующий параметр - температура в активной зоне. В этом случае наилучшее рабочее тело - с минимальным молекулярным весом, т.е., водород, в принципе позволяющий получить скорость истечения около 10 км/сек (при температуре нагрева, типичной для ЖРД).
ЗЫ. К вопросу о различии массовой и энергетической эффективности РД примыкают некоторые важные, но мало кем осознаваемые, различия между любыми ракетами (включая реактивные снаряды - РС, а также т.н. "выстрелы" к безоткатным орудиям и к реактивным гранатометам) и любым классическим (не безоткатном) огнестрельном оружии. Далее для определенности употребляются термины РС и пушка.
И в РС с вылетающими газами, и в пушке с вылетающими снарядом и газами, сохраняются и импульс, и энергия. Но из-за того, что масса ствола пушки намного больше массы заряда и снаряда, практически вся энергия заряда передается вылетающим
в одну и ту же сторону снаряду и газам, между которыми она делится по справедливости. В результате у РС и у пушки совершенно различная зависимость максимальной скорости снаряда от отношения начальной суммарной массы снаряда с метательным зарядом или РС с топливом к конечной массе летящего снаряда.
А именно,
для пушки максимальная
скорость снаряда как функция растущего отношения суммы масс снаряда и метательного заряда к массе летящего снаряда
сначала быстро растет пропорционально корню из массы заряда, а затем растет все медленнее, в пределе стремясь к скорости истечения газов. Для бездымных порохов скорость истечения около 2 км/сек, и скорости самых быстрых реальных снарядов - около 1,5 км/сек (подкалиберные снаряды современных танковых пушек). Зато подствольному гранатомету хватает метательного заряда примерно такого же, как в пистолетном патроне.
А максимальная
скорость одноступенчатой
ракеты пропорциональна логарифму отношения начальной и конечной масс этой ракеты (пресловутая "формула Циолковского"). Т.е., эта скорость
сначала растет пропорционально массе топлива, оставаясь значительно меньше, чем скорость пушечного снаряда с аналогичным соотношением масс. Поэтому безоткатные орудия и реактивные гранатометы
намного менее энергетически эффективны, чем "обычные" пушки, и их существование оправдано только отсутствием отдачи и соответственно
намного меньшей массой орудия. Но зато при большом отношении масс скорость растет медленно (логарифмически), но формально неограниченно, и реально может примерно в 2 раза превысить скорость истечения (так было в жидкостных ракетах средней дальности).