关于火箭干质比的极简科普

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/04/29 13:09:41
首先,我们所谓的干质比按照教科书上的说法应该叫做质量比,不过大家随意了,这个指标的意思是火箭(或者某一级火箭)的全重和空重的比值。
其次,这个指标为什么很重要?那是因为根据齐奥尔科夫斯基公式,火箭的最终速度就由这个质量比和排气速度两个指标决定
最后,哪些东西影响这个干质比呢?因素很多,下面讲最主要的

1 燃料类型
这是最具决定性的因素,一方面是因为不同燃料密度不同,更重要的是不同燃料对于绝热要求的不同
常温燃料可以用比较简单的热防护结构,而液氢燃料则需要很厚的泡沫层或其他结果来保持低位,液氧煤油介于两者之间
所以一些常温燃料的火箭干质比能超过20,而阿里安5的芯级不过12.X就已经很不得了

2火箭的大小
毫无疑问,越大的火箭这个指标越有优势,所以我们可以看到土星5的第一级和能源的芯级都非常强

3 火箭本身是否承力,是否有助推器
助推器会产生巨大的推力,这些力会被传递到芯级的壁上,所以需要捆绑助推器的话,侧壁上的结构就需要加强
所以可以看到,长2捆的芯级干质比要低于没有捆绑助推器的长2C或者D
顺便说一下,像天顶这样本身也被用于助推器的火箭一样有这种需要加强的问题
另有一些火箭,如联盟的助推器和阿里安5的芯级,发射前是靠一些手段悬挂在发射架或助推器上的,不用承担自身的重量
这种设计也能稍微减少一些干重

4火箭的推重比和发动机的推重比
发动机推重比一定的情况下,火箭推重比越高干质比越低
火箭推重比一定的情况下,发动机推重比越高干质比越高

5材料和加工工艺
先进的材料和加工工艺可以降低储箱的重量,但不会太多
比如航天飞机用铝锂合金储箱之后燃料箱减重约10%
复合材料也许可以减重更多,但还没实用化

6火箭发动机和增压系统的设计
燃料要进入火箭发动机,肯定需要一个压力,而这个压力越大,储箱内壁受力就越大,也就会变得更加重
增压有多种方式,一般认为自生增压更可靠但更重;氦增压最轻,成本也最高
需要说明一下的是,网上很多资料里的干重是用起飞重量减燃料重量来的,也就是说把氦气也算进干重了,这样的数据计算出来的干质比里,自生增压反而有优势

7火箭本身的设计
其实这才是影响最大的部分,所以最后说
以美国为例,土星1和宇宙神+半人马差不多是同一个时期的东西,用的技术应该是差不多的
但前者的干质比仅11是目前已知的液氧煤油火箭中最差的,后者却接近20,目前仍然是最高的记录
主要原因在于前者用了8台发动机,8个燃料箱这样的会大幅度增重的设计,而后者的气球式储箱和共底结构又是极端减重的典型

好了,晚上我们再看看长5和长7到底在上面那些项目里丢分了


首先,我们所谓的干质比按照教科书上的说法应该叫做质量比,不过大家随意了,这个指标的意思是火箭(或者某一级火箭)的全重和空重的比值。
其次,这个指标为什么很重要?那是因为根据齐奥尔科夫斯基公式,火箭的最终速度就由这个质量比和排气速度两个指标决定
最后,哪些东西影响这个干质比呢?因素很多,下面讲最主要的

1 燃料类型
这是最具决定性的因素,一方面是因为不同燃料密度不同,更重要的是不同燃料对于绝热要求的不同
常温燃料可以用比较简单的热防护结构,而液氢燃料则需要很厚的泡沫层或其他结果来保持低位,液氧煤油介于两者之间
所以一些常温燃料的火箭干质比能超过20,而阿里安5的芯级不过12.X就已经很不得了

2火箭的大小
毫无疑问,越大的火箭这个指标越有优势,所以我们可以看到土星5的第一级和能源的芯级都非常强

3 火箭本身是否承力,是否有助推器
助推器会产生巨大的推力,这些力会被传递到芯级的壁上,所以需要捆绑助推器的话,侧壁上的结构就需要加强
所以可以看到,长2捆的芯级干质比要低于没有捆绑助推器的长2C或者D
顺便说一下,像天顶这样本身也被用于助推器的火箭一样有这种需要加强的问题
另有一些火箭,如联盟的助推器和阿里安5的芯级,发射前是靠一些手段悬挂在发射架或助推器上的,不用承担自身的重量
这种设计也能稍微减少一些干重

4火箭的推重比和发动机的推重比
发动机推重比一定的情况下,火箭推重比越高干质比越低
火箭推重比一定的情况下,发动机推重比越高干质比越高

5材料和加工工艺
先进的材料和加工工艺可以降低储箱的重量,但不会太多
比如航天飞机用铝锂合金储箱之后燃料箱减重约10%
复合材料也许可以减重更多,但还没实用化

6火箭发动机和增压系统的设计
燃料要进入火箭发动机,肯定需要一个压力,而这个压力越大,储箱内壁受力就越大,也就会变得更加重
增压有多种方式,一般认为自生增压更可靠但更重;氦增压最轻,成本也最高
需要说明一下的是,网上很多资料里的干重是用起飞重量减燃料重量来的,也就是说把氦气也算进干重了,这样的数据计算出来的干质比里,自生增压反而有优势

7火箭本身的设计
其实这才是影响最大的部分,所以最后说
以美国为例,土星1和宇宙神+半人马差不多是同一个时期的东西,用的技术应该是差不多的
但前者的干质比仅11是目前已知的液氧煤油火箭中最差的,后者却接近20,目前仍然是最高的记录
主要原因在于前者用了8台发动机,8个燃料箱这样的会大幅度增重的设计,而后者的气球式储箱和共底结构又是极端减重的典型

好了,晚上我们再看看长5和长7到底在上面那些项目里丢分了


这就是干质比啊,以前真不知道。
学习了,谢谢科普
不更新???



谢谢科普,虽然不是全懂。


齐奥尔科夫斯基公式,火箭的最终速度就由这个质量比和排气速度两个指标决定
================================
摩拜超级牛人。

齐奥尔科夫斯基公式,火箭的最终速度就由这个质量比和排气速度两个指标决定
================================
摩拜超级牛人。
纸飞机,等你科普完了,我再说....
现在我们来看看长7和长5到底在那些地方有问题
首先,我们来看看看长5和长7的基本设计
1 正常布局,有助推器
2 普通的氦加温增压
3 发动机推重比较低,但整体推重比也比较低
4 材料为普通的铜铝合金
5 不算太大也不算太小
好了,就总体来看,没有什么特别糟糕的地方
所以可以认为长5和长7较低的干质比是因为多个因素造成的
直白点说就是什么都差了那么一点,综合起来就差了比较多
一定要找几个理由的话,个人猜测是以下两条
1 发动机超重,并且连带造成伺服机构超重,这个可能是影响最大的一项
2 隔热技术与发达国家有差距,考虑到长2系列的干质比能达到世界先进水平,个人不认为储箱会有严重的超重

齐奥尔科夫斯基公式,火箭的最终速度就由这个质量比和排气速度两个指标决定
============== ...
经典火箭方程式中与质量比有关的量是初始质量与末质量的对数,这个值与干质比有相关性,但不是一个数值。
第一级的干质比的关系还稍微小点。上面级才真的是一公斤结构一公斤载荷对换,贵过黄金。
第一级的干质比的关系还稍微小点。上面级才真的是一公斤结构一公斤载荷对换,贵过黄金。
末速越高干质比越重要。
而且即使上面级也不是干质量与载荷1:1。质量比中的末质量包括载荷质量,结构质量越低燃料与结构质量的比值越大,初始质量与末质量的比值越大,载荷越高。
如果非要说上面级结构减重,减下质量加注更多的燃料,增大的载荷远远高于减下的重量。
纸飞机 发表于 2014-7-11 23:27
现在我们来看看长7和长5到底在那些地方有问题
首先,我们来看看看长5和长7的基本设计
1 正常布局,有助推 ...
大致回完了吧。我开始说了。
对于顶楼,我认为你应该说某级的火箭的最终速度,应该和相关质量比与排气速度两个指标有决定性关系。
从运载火箭来说,核心是运载力,这就是为啥要发展先进上面级(太空摆渡船),长7采用不同的上面级
GEO运载能力,能从2点多吨提高到7吨,也就是最终的质量比很关键(当然一般大家比LEO的任务的话,就只看1、2级了)

关于你8楼的两个总结。我认为根本不是问题的核心。

你去看过航空航天港长7的讨论就知道。长7长5,设计显然有其他考虑。
这个考虑就是一级的落区限制问题。
这个限制问题,导致长7的1/2级的比例并不协调,偏离最优化设计太多。
按照其他人的计算,最优的设计是1级200吨级,2级80吨级,这样长7
LEO可以达到15吨

现在1级是170吨,2级是100吨左右,LEO是13.5吨,主要就是考虑长7
要在酒泉发射落点,一级燃烧时间太长的话,容易掉到人口稠密的东部
在文昌也会掉到菲律宾。
所以设计不得不折中,一级偏小,二级偏大,而实际我们二级发动机推力
还是有不足

航空航天港的观点上面主流的观点是起飞级发动机和干质比问题不太大,
核心在二级的干质比对LEO载荷影响大,我们的二级比较重,而发动机推力
不足,只能多机并联,这才是类土星1的问题

二级的问题,这又和早期长7考虑的LEO是10吨,后来增加到13.5吨有关,
也就是发动机预研的时候,就没考虑那么大的推力,后来提高20%的推力
已经不错了。
怎么觉得说的都很有道理。。。。
支持J8 发表于 2014-7-12 11:03
大致回完了吧。我开始说了。
对于顶楼,我认为你应该说某级的火箭的最终速度,应该和相关质量比与排气速 ...
一二级协调不协调和干质比有半毛钱关系?
你二级发动机推力不足和土星1又有啥关系?土星1推力可是足的很
rottenweed 发表于 2014-7-12 10:14
第一级的干质比的关系还稍微小点。上面级才真的是一公斤结构一公斤载荷对换,贵过黄金。
上面级技术含量就更高些了,减重难度大很多
上面级技术含量就更高些了,减重难度大很多
上面级可以采用抛燃料箱之类的非常规技术方式解决问题。
大致回完了吧。我开始说了。
对于顶楼,我认为你应该说某级的火箭的最终速度,应该和相关质量比与排气速 ...
长征7级间质量比主要还有运输问题吧,采用德尔塔2那种大长径比芯一级加小上面级的设计,芯级根本塞不进列车了……
一二级协调不协调和干质比有半毛钱关系?
你二级发动机推力不足和土星1又有啥关系?土星1推力可是足的很 ...
一级末速度越低,二级需要提供的速度增量就越大,然后二级结构重量增大,直接导致入轨质量偏大……
一级关机速度和干质比还是有关系的
一级末速度越低,二级需要提供的速度增量就越大,然后二级结构重量增大,直接导致入轨质量偏大……
一级 ...
说的是质量比。质量比是说单级或者整箭,不是级间比例。
说的是质量比。质量比是说单级或者整箭,不是级间比例。
我是说起飞推力一定、一级直径一定长度一定的情况下,影响级间比或者说影响一级关机速度的除了比冲还是干质比啊。
大致回完了吧。我开始说了。
对于顶楼,我认为你应该说某级的火箭的最终速度,应该和相关质量比与排气速 ...
别人说质量比
你扯什么一二级比例关系
支持J8 发表于 2014-7-12 11:03
大致回完了吧。我开始说了。
对于顶楼,我认为你应该说某级的火箭的最终速度,应该和相关质量比与排气速 ...
谢谢科普 我之前也不明白为什么一二级比例运力优化差,还有人说是迁就老的发射架真是匪夷所思
4火箭的推重比和发动机的推重比
发动机推重比一定的情况下,火箭推重比越高干质比越低
火箭推重比一定的情况下,发动机推重比越高干质比越高


谢谢科普,但是第4条没看太懂,能不能详细解释一下发动机推重比和火箭推重比的关系?
纸飞机 发表于 2014-7-12 11:27
上面级技术含量就更高些了,减重难度大很多
CZ7上面级的设计比较保守,算是先解决有无问题。
YF115各项参数都不太理想,比冲342s、真空推重比约36,实在太低。RD120+RD8组合在推重比和比冲上都要高一大截,还可以解决CZ7二级推重比太低的问题。另外,如果采用共底储箱,也可以提高一些。
谢谢科普,但是第4条没看太懂,能不能详细解释一下发动机推重比和火箭推重比的关系?
发动机推重比一定,说明在一定推力下发动机质量一定,起飞推重比越大说明燃料质量越低,与发动机质量的比值越小,干质比越小。
起飞推重比一定,说明在推力的一定的情况下起飞质量一定,发动机推重比越大说明发动机质量越低。
楠宫萧vn 发表于 2014-7-12 14:00
长征7级间质量比主要还有运输问题吧,采用德尔塔2那种大长径比芯一级加小上面级的设计,芯级根本塞不进列 ...
是的,应该有这样的限制
需要我告诉你们长7第一级比长2捆第一级短了3米左右吗?{:soso_e120:}
需要我告诉你们长7第一级比长2捆第一级短了3米左右吗?
不是一样长的吗
callmeK 发表于 2014-7-13 11:19
不是一样长的吗
长7是25米出头
长2捆是28米多点
纸飞机 发表于 2014-7-13 11:46
长7是25米出头
长2捆是28米多点
有一种奇妙的感觉,难道长征7每级速度增量都是照搬长征2EA吗?
芯二级增强到100吨难道也是如此?
楠宫萧vn 发表于 2014-7-13 12:05
有一种奇妙的感觉,难道长征7每级速度增量都是照搬长征2EA吗?
芯二级增强到100吨难道也是如此?
不是,主要原因在于推重比吧
如果长7也加长3米,724型确实会合理些,但光杆型就完了
加长3米大概能多装20吨推进剂,起飞重量就有190吨左右
如果用于光杆型的话,至少要少装20吨推进剂,这时候的干质比简直没法看呀
纸飞机 发表于 2014-7-13 12:18
不是,主要原因在于推重比吧
如果长7也加长3米,724型确实会合理些,但光杆型就完了
加长3米大概能多装 ...
现在长征7光杆也没法看啊……一级170吨、二级100吨,加上载荷系统起飞推力才240吨,本来就不能完全加注……
纸飞机 发表于 2014-7-13 12:18
不是,主要原因在于推重比吧
如果长7也加长3米,724型确实会合理些,但光杆型就完了
加长3米大概能多装 ...
有一份仿真资料应该是cz-732S的构型
芯一级不到27米(差5公分)
起飞重量(起飞时序1秒时重量183900kg)
如果按点火到起飞4秒(神洲来算),
点火前的燃料加注量估计芯一级至少187~188吨(每秒1.2吨左右燃料。时序1秒应该是起飞后第一秒的重量)
到70s时芯一级还有102吨多重。

用的助推器只有15米长,41吨不到
芯二级+芯三级总共70吨
10米的4米直径的整流罩大约1.5吨多
2014-7-13 13:04 上传

纸飞机 发表于 2014-7-13 10:44
需要我告诉你们长7第一级比长2捆第一级短了3米左右吗?
长7第一级原始设计应该就是26米多不到27米
楠宫萧vn 发表于 2014-7-13 12:21
现在长征7光杆也没法看啊……一级170吨、二级100吨,加上载荷系统起飞推力才240吨,本来就不能完 ...
没办法,长征2的第一级发动机4台总共推力是接近300吨...
支持J8 发表于 2014-7-13 13:05
我真心建议你多看少说,你大部分时间都看不懂你贴的都是什么
这明显是长征3系列的改进计划
支持J8 发表于 2014-7-13 13:23
长7第一级原始设计应该就是26米多不到27米
25.083 八股文上来的
纸飞机 发表于 2014-7-13 14:39
我真心建议你多看少说,你大部分时间都看不懂你贴的都是什么
这明显是长征3系列的改进计划
仿真中拟定发射场是在北纬30度,东经100度附近,这是文昌吧。
文昌是新一代运载火箭的发射场,你明白吗?
纸飞机 发表于 2014-7-13 14:39
我真心建议你多看少说,你大部分时间都看不懂你贴的都是什么
这明显是长征3系列的改进计划
查了下各级长度参数,确实是长3丙的...