脑洞大开!火箭通过抛弃燃料箱来降低成本的方案!

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/04/28 08:35:54
现有火箭大都通过捆绑式的组合来提高载荷,不过通常捆绑的火箭助推器都是一次性的,而通常的一级和二级也都是一次性的。造成这种浪费的原因是燃料箱的体积过大从而导致燃料箱的重量过大,在火箭上升的过程中,燃料越来越少同时无用的载荷即燃料耗尽的燃料箱所占的比重就越来越大,所能运载的载荷就越少。现在通常的方法就是采用多级火箭,在上升的过程中一级一级的抛弃无用的载荷,提高运力。除了现在美国有火箭回收的尝试以外,其他国家都在用这种奢侈的浪费来尽可能的提高运力。

我现在设想一种方案,通过改变火箭的构型来节约发射的成本,提高载荷。现在多数的火箭从上到下的结构是:整流罩、卫星或飞船、三级火箭(包括燃料箱和发动机)、二级火箭(包括燃料箱和发动机)、一级火箭及助推器(包括燃料箱和发动机)。我所设想的结构从上到下是:一级燃料箱、二级燃料箱、三级燃料箱、载荷体、火箭发动机。

在火箭发射的过程中,三级燃料箱即靠近载荷燃料箱的燃料持续使用,损耗从二级也就是中间燃料箱补充,而二级的从一级补充。这样一级燃料箱就会首先耗尽燃料,然后将其从侧面抛掉的方式扔掉,也可以采用类似抛弃整流罩的方式扔掉。再用同样的方式抛弃二级燃料箱和三级燃料箱,最后将载荷体送入轨道。

在这种构型中,可以减少现有构型中二级和上面级的火箭发动机及整流罩,这样就能提高载荷,同时可以减少两级火箭的发动机来节约成本。同时,回收一个火箭发动机的难度和风险远比回收整个一级火箭小,也降低了技术的门槛。


第一次发帖,欢迎大家来讨论!现有火箭大都通过捆绑式的组合来提高载荷,不过通常捆绑的火箭助推器都是一次性的,而通常的一级和二级也都是一次性的。造成这种浪费的原因是燃料箱的体积过大从而导致燃料箱的重量过大,在火箭上升的过程中,燃料越来越少同时无用的载荷即燃料耗尽的燃料箱所占的比重就越来越大,所能运载的载荷就越少。现在通常的方法就是采用多级火箭,在上升的过程中一级一级的抛弃无用的载荷,提高运力。除了现在美国有火箭回收的尝试以外,其他国家都在用这种奢侈的浪费来尽可能的提高运力。

我现在设想一种方案,通过改变火箭的构型来节约发射的成本,提高载荷。现在多数的火箭从上到下的结构是:整流罩、卫星或飞船、三级火箭(包括燃料箱和发动机)、二级火箭(包括燃料箱和发动机)、一级火箭及助推器(包括燃料箱和发动机)。我所设想的结构从上到下是:一级燃料箱、二级燃料箱、三级燃料箱、载荷体、火箭发动机。

在火箭发射的过程中,三级燃料箱即靠近载荷燃料箱的燃料持续使用,损耗从二级也就是中间燃料箱补充,而二级的从一级补充。这样一级燃料箱就会首先耗尽燃料,然后将其从侧面抛掉的方式扔掉,也可以采用类似抛弃整流罩的方式扔掉。再用同样的方式抛弃二级燃料箱和三级燃料箱,最后将载荷体送入轨道。

在这种构型中,可以减少现有构型中二级和上面级的火箭发动机及整流罩,这样就能提高载荷,同时可以减少两级火箭的发动机来节约成本。同时,回收一个火箭发动机的难度和风险远比回收整个一级火箭小,也降低了技术的门槛。


第一次发帖,欢迎大家来讨论!
结构噩梦。。
梦中闲人 发表于 2016-5-14 20:49
结构噩梦。。
结构受力上我没看出和现役火箭有多大的差距!
结构噩梦。。
其实不然,从上到下各级安装类似逃逸系统的发动机即可实现楼主的构想,连各级的燃料箱都同时回收了。
你先琢磨琢磨你的载荷如何支撑500吨的质量吧。

oaki911 发表于 2016-5-14 21:00
其实不然,从上到下各级安装类似逃逸系统的发动机即可实现楼主的构想,连各级的燃料箱都同时回收了。


和荷载一起入轨的三级要承受最大的荷载。。。干质比估计很难看。而且发动机真空比冲也不如专门的上面级发动机。楼主可以试试建模算算。。或者拿KSP捏一个玩玩。
oaki911 发表于 2016-5-14 21:00
其实不然,从上到下各级安装类似逃逸系统的发动机即可实现楼主的构想,连各级的燃料箱都同时回收了。


和荷载一起入轨的三级要承受最大的荷载。。。干质比估计很难看。而且发动机真空比冲也不如专门的上面级发动机。楼主可以试试建模算算。。或者拿KSP捏一个玩玩。
和荷载一起入轨的三级要承受最大的荷载。。。干质比估计很难看。而且发动机真空比冲也不如专门的上面级 ...
火箭的构型不一定是一成不变的,根据发射任务的不同所需要的条件也未必一样,你说的这种情况可以把三级燃料箱和载荷的位置对调一下,再将原来的三级燃料箱换成你说的适合真空环境的上面级就可以了!
火箭的构型不一定是一成不变的,根据发射任务的不同所需要的条件也未必一样,你说的这种情况可以把三级燃 ...
。。。。那也就省了个二级发动机,然而现在大部分火箭都只有二级了。木有三级,再算上结构上的增重,恐怕不是个好主意。
微风M就是这样抛燃料箱的设计
可靠性大家都知道了
无非就是两个结果:可靠性差;或者推力不够起飞和加速的,
oaki911 发表于 2016-5-14 21:00
其实不然,从上到下各级安装类似逃逸系统的发动机即可实现楼主的构想,连各级的燃料箱都同时回收了。
楼主这思路其实也不算新了

捆绑燃料箱的想法好像确实是有的,不过显然经济性并不好,所以没有实用的
无非就是两个结果:可靠性差;或者推力不够起飞和加速的,
可靠性先说!推力不够起飞和加速怎么说的呢?求解答!
3级发动机不一样的,能通用吗?那样燃料补给顺利吗?批的风险比整流罩大的多,整流罩好歹是对称的,小的爆炸侧面推力就分开了。你那发动机推力怎么调节啊?寿命、可靠性能保证?结构的事情专家早就研究过了。还不如你个外行?
美帝航天飞机不就是抛燃料箱嘛……据说复用可降低成本……结果……然并卵……
一二三级的发动机是不一样的,构型和数量都不同,低空时重量大要求推力大,高空时要求比冲高。你这样用一个发动机从头烧到尾肯定不行的。

梦中闲人 发表于 2016-5-14 21:13
和荷载一起入轨的三级要承受最大的荷载。。。干质比估计很难看。而且发动机真空比冲也不如专门的上面级 ...


干质比没办法,
不过前面有人说的载荷受力倒是好说,让发动机和三级燃料箱之间有结构支撑,让载荷放在支撑结构间而不受力就可以了,或者类似航天飞机那样挂在侧面大概也行。
真空比冲也好说,用塞式喷管或其他真空补偿喷管能补偿一部分,不过为了保证加速过载不会涨得太大,可能需要发动机能大幅调节推力范围啊



梦中闲人 发表于 2016-5-14 21:13
和荷载一起入轨的三级要承受最大的荷载。。。干质比估计很难看。而且发动机真空比冲也不如专门的上面级 ...


干质比没办法,
不过前面有人说的载荷受力倒是好说,让发动机和三级燃料箱之间有结构支撑,让载荷放在支撑结构间而不受力就可以了,或者类似航天飞机那样挂在侧面大概也行。
真空比冲也好说,用塞式喷管或其他真空补偿喷管能补偿一部分,不过为了保证加速过载不会涨得太大,可能需要发动机能大幅调节推力范围啊


纸飞机 发表于 2016-5-14 21:42
微风M就是这样抛燃料箱的设计
可靠性大家都知道了
不过微风 M 主要还是燃油系统和软件有问题吧
到了后期,发动机推力严重过剩,几台发动机必须关机一部分。
结果这关机的发动机成了死重
冯·提尔皮茨 发表于 2016-5-14 22:05
楼主这思路其实也不算新了

捆绑燃料箱的想法好像确实是有的,不过显然经济性并不好,所以没有实用的
在“芯级”的侧面并联捆绑燃料箱应该比楼主的串联连接要方便吧
xtal 发表于 2016-5-15 01:10
到了后期,发动机推力严重过剩,几台发动机必须关机一部分。
结果这关机的发动机成了死重
从现在的一次性多级火箭的角度看楼主的方案有很多缺点,比如推力过剩,真空比冲~

不过从单级入轨的角度看就不是这样了,比冲问题可以用AeroSpike喷口解决,推力过剩的死重是单级入轨必然要付出的代价。

所以说楼主的方案其实是一种降低难度的伪单级入轨~
一组发动机适应所有工作环境几乎是不可能的……
楼主想到的,人家也能想到
串联不大可能,管道长那么多,抛弃也麻烦

要抛燃料箱的肯定是并联,类似航天飞机
脑洞一下,火箭在起飞的一定时间,或一段距离内燃料继续由发射台供给,可行么?

enroger 发表于 2016-5-15 02:40
从现在的一次性多级火箭的角度看楼主的方案有很多缺点,比如推力过剩,真空比冲~

不过从单级入轨的角 ...


单级入轨其实并不难,只要不死脑筋的一定要垂直起飞就没问题。
用滑车助跑的火箭飞机,单级入轨毫无难度。而且也不存在推力过剩问题了。
图上标注的水平起飞就是用滑车起飞的。注意,这个滑车还是无动力的。起飞完全依靠火箭飞机自己的动力;其中0.3M以下的耗能完全是在滑跑阶段。
如果是个带动力的滑车。这部分消耗又能省略了。
enroger 发表于 2016-5-15 02:40
从现在的一次性多级火箭的角度看楼主的方案有很多缺点,比如推力过剩,真空比冲~

不过从单级入轨的角 ...

1G2_HK{(8I0BU2SQEYYK63A.png (31.97 KB, 下载次数: 1)

下载附件 保存到相册

2016-5-15 12:36 上传


单级入轨其实并不难,只要不死脑筋的一定要垂直起飞就没问题。
用滑车助跑的火箭飞机,单级入轨毫无难度。而且也不存在推力过剩问题了。
图上标注的水平起飞就是用滑车起飞的。注意,这个滑车还是无动力的。起飞完全依靠火箭飞机自己的动力;其中0.3M以下的耗能完全是在滑跑阶段。
如果是个带动力的滑车。这部分消耗又能省略了。
脑洞一下,火箭在起飞的一定时间,或一段距离内燃料继续由发射台供给,可行么?
不可行
   

xtal 发表于 2016-5-15 12:34
单级入轨其实并不难,只要不死脑筋的一定要垂直起飞就没问题。
用滑车助跑的火箭飞机,单级入轨毫无难 ...


嗯~水平起飞的却可以回避推力过剩的问题,我之前的说法脑子里想的是冒险星。我想如果冒险星能用可抛弃燃料罐的话难度会低一点,不需要炭纤维燃料箱了~

滑车助跑是好方法,不过如果要返回降落的话就有问题了~

突然有个脑洞:如果(滑车助跑)水平起飞,返回后(SPX)垂直降落呢?这样貌似一箭N雕啊~

编辑:另外你给的图两者推重比一样吗?
xtal 发表于 2016-5-15 12:34
单级入轨其实并不难,只要不死脑筋的一定要垂直起飞就没问题。
用滑车助跑的火箭飞机,单级入轨毫无难 ...


嗯~水平起飞的却可以回避推力过剩的问题,我之前的说法脑子里想的是冒险星。我想如果冒险星能用可抛弃燃料罐的话难度会低一点,不需要炭纤维燃料箱了~

滑车助跑是好方法,不过如果要返回降落的话就有问题了~

突然有个脑洞:如果(滑车助跑)水平起飞,返回后(SPX)垂直降落呢?这样貌似一箭N雕啊~

编辑:另外你给的图两者推重比一样吗?
enroger 发表于 2016-5-15 12:50
嗯~水平起飞的却可以回避推力过剩的问题,我之前的说法脑子里想的是冒险星。我想如果冒险星能用可抛弃 ...
火箭飞机起飞重量是返回重量的5倍以上(如果是可以返回的),滑车起飞只是为了给起落架减重而已(这样起落架就只需要承受轻飘飘的降落重量了)。谁规定不能水平返回了?
水平降落的话,水平起飞的气动就照样可以用,更不需要什么动力,无动力滑翔都可以。而且可靠性完爆猎鹰那个什么狗屁不通的垂直降落。

xtal 发表于 2016-5-15 12:57
火箭飞机起飞重量是返回重量的5倍以上(如果是可以返回的),滑车起飞只是为了给起落架减重而已(这样起 ...


有意思!好像有点可行性~

算了一下,如果用Aerospike做到平均比冲400秒的话,干质比要1比12左右才能单级入轨。像你说的1比5的话是不够的(还没算载荷?)。如果再用上可抛燃料罐或许就够了?

另外你那张图里水平起飞的推重比可不可以说一下?0.5够不够?
xtal 发表于 2016-5-15 12:57
火箭飞机起飞重量是返回重量的5倍以上(如果是可以返回的),滑车起飞只是为了给起落架减重而已(这样起 ...


有意思!好像有点可行性~

算了一下,如果用Aerospike做到平均比冲400秒的话,干质比要1比12左右才能单级入轨。像你说的1比5的话是不够的(还没算载荷?)。如果再用上可抛燃料罐或许就够了?

另外你那张图里水平起飞的推重比可不可以说一下?0.5够不够?
enroger 发表于 2016-5-15 13:12
有意思!好像有点可行性~

算了一下,如果用Aerospike做到平均比冲400秒的话,干质比要1比12左右才能 ...
气塞式火箭发动机目前看来还不够可靠,用延伸喷管就可以了
延伸喷管(expending nozzle) 最早实现点火测试的是PW的XLR-129发动机.  起飞时延伸裙围收起, 主喷管的面积比35:1 , 2万英尺高度延伸段展开后面积比变成75:1  .
The booster configuration operating at sea level, utilized the nozzle in the
retracted position resulting in an expansion ratio of 35, which improves the
thrust and specific impulse. At an altitude of 20,000 ft the two-position nozzle
is translated to the extended position to provide an area ratio of 75 for improved
altitude engine specific impulse.

我说的是5倍以上。当然不会是5倍。
用水平起飞的话,就可以用甲烷燃料的膨胀循环发动机。这膨胀循环发动机什么都好,比冲高,可靠性差不多是带泵火箭发动机中最高的,就是绝对推力不够大。偏偏水平起飞只需要0.65推比就够了,用膨胀循环正好绝对推力够用。用甲烷而不是液氢是因为甲烷密度比冲比液氢高得多,同样的总冲量下,甲烷+液氧的体积差不多只有液氢+液氧的一半。这样燃料箱可以大幅度减重。不用煤油是因为比冲太差,加上不能用最可靠的膨胀循环。
如果加上可抛弃燃料箱,也不用太多的容量。总容量1/3即可。就可以实现3万米4M的分离点了,这和云霄塔转为纯火箭发动机的状态点(2.6万米,5M)很接近了。
这样不算可抛弃的副燃料箱,实际上整机的载荷系数是和云霄塔差不多的。但是这风险可比云霄塔小多了。
需要的发动机也就是30吨级的甲烷膨胀循环。国内已经在搞25吨液氢膨胀循环,弄好了以后稍作改动就可以拿来用。
cruelworm 发表于 2016-5-15 12:37
不可行
为什么?
燃料加注是几个钟头十几个钟头的活,火箭几十秒百来秒就烧完了,你起飞后能加几滴进去?而且火箭起飞几十米一百米高后泵就完全没能力泵进去了。这样搞唯一结果只有一个,起飞后火箭一直连到燃料库放个大烟花

xtal 发表于 2016-5-15 13:23
气塞式火箭发动机目前看来还不够可靠,用延伸喷管就可以了
延伸喷管(expending nozzle) 最早实现点火测 ...


我觉得云霄塔干质比太乐观了,实际1比5到1比8之间更有可能,降落架+防热+结构等等~

也不用按云霄塔的来,他们火箭模式Ma5开始完全是为了适应吸气模式的。燃料箱分离速度再高一点效率更好~这个方案真的应该仔细调研~

编辑:如果可抛燃料箱的形状可以做文章的话还可以让燃料箱提供部分升力~

xtal 发表于 2016-5-15 13:23
气塞式火箭发动机目前看来还不够可靠,用延伸喷管就可以了
延伸喷管(expending nozzle) 最早实现点火测 ...


我觉得云霄塔干质比太乐观了,实际1比5到1比8之间更有可能,降落架+防热+结构等等~

也不用按云霄塔的来,他们火箭模式Ma5开始完全是为了适应吸气模式的。燃料箱分离速度再高一点效率更好~这个方案真的应该仔细调研~

编辑:如果可抛燃料箱的形状可以做文章的话还可以让燃料箱提供部分升力~

enroger 发表于 2016-5-15 14:03
我觉得云霄塔干质比太乐观了,实际1比5到1比8之间更有可能,降落架+防热+结构等等~

也不用按云霄塔 ...


具体方法有很多,比如,谁规定只能0.3M就起飞的?
我难道不能用磁悬浮加速到0.7M起飞吗?这样气动压力并不高(结构就不会有啥增重了)。但是起飞速度高了,显然又省燃料了。而且飞机的气动可以针对0.7M以上优化了。降落没问题的,因为这时候飞机很轻了。
然后,膨胀循环的发动机到目前为止,就我知道的故障类型都是点火失败,我们可以在滑行阶段就点火试车嘛。如果点火失败了,就滑车减速慢慢停下来,除了燃料什么都不损失。这样可靠性可高啊。
滑车上点火完全可以用滑车上的燃料啊,这样完全不消耗机体内的燃料。
enroger 发表于 2016-5-15 14:03
我觉得云霄塔干质比太乐观了,实际1比5到1比8之间更有可能,降落架+防热+结构等等~

也不用按云霄塔 ...


具体方法有很多,比如,谁规定只能0.3M就起飞的?
我难道不能用磁悬浮加速到0.7M起飞吗?这样气动压力并不高(结构就不会有啥增重了)。但是起飞速度高了,显然又省燃料了。而且飞机的气动可以针对0.7M以上优化了。降落没问题的,因为这时候飞机很轻了。
然后,膨胀循环的发动机到目前为止,就我知道的故障类型都是点火失败,我们可以在滑行阶段就点火试车嘛。如果点火失败了,就滑车减速慢慢停下来,除了燃料什么都不损失。这样可靠性可高啊。
滑车上点火完全可以用滑车上的燃料啊,这样完全不消耗机体内的燃料。


发动机太重
美国第一代运载火箭Atlas很接近单级入轨,只抛发动机不抛燃料箱。
https://en.wikipedia.org/wiki/SM-65_Atlas

发动机太重
美国第一代运载火箭Atlas很接近单级入轨,只抛发动机不抛燃料箱。
https://en.wikipedia.org/wiki/SM-65_Atlas

enroger 发表于 2016-5-15 14:03
我觉得云霄塔干质比太乐观了,实际1比5到1比8之间更有可能,降落架+防热+结构等等~

也不用按云霄塔 ...


云霄塔有点莫名其妙,飞行器本身相当于从轨道回收第二级,然后重点却放在大气层内的发动机上。
enroger 发表于 2016-5-15 14:03
我觉得云霄塔干质比太乐观了,实际1比5到1比8之间更有可能,降落架+防热+结构等等~

也不用按云霄塔 ...


云霄塔有点莫名其妙,飞行器本身相当于从轨道回收第二级,然后重点却放在大气层内的发动机上。
启航太阳系 发表于 2016-5-15 16:11
云霄塔有点莫名其妙,飞行器本身相当于从轨道回收第二级,然后重点却放在大气层内的发动机上。
白皮玩技术概念玩过头了而已。其实用高速起飞+抛弃副油箱就能达到云霄塔一样的效果。
但是技术风险低的多。
xtal 发表于 2016-5-15 15:11
具体方法有很多,比如,谁规定只能0.3M就起飞的?
我难道不能用磁悬浮加速到0.7M起飞吗?这样气动压力 ...
不能同意的更多~

简单算了一下,假设抛燃料箱前平均比冲350秒,抛后平均400秒。燃料箱本身干质比1:15,火箭飞机整体1:5(含载荷),总dV~10km/s:

可抛燃料箱占起飞重量的53%。块头还是挺大的,面临的挑战是把可抛燃料箱做成和火箭飞机浑然一体的升力体,就像保型油箱那样~
启航太阳系 发表于 2016-5-15 16:11
云霄塔有点莫名其妙,飞行器本身相当于从轨道回收第二级,然后重点却放在大气层内的发动机上。
是啊,槽点挺多的~Ma5的吸气模式速度帮不上大忙~
enroger 发表于 2016-5-15 17:37
不能同意的更多~

简单算了一下,假设抛燃料箱前平均比冲350秒,抛后平均400秒。燃料箱本身干质比1:1 ...
不用那么大的副油箱吧,那个算例里面0初速起飞 到3万米4马赫.也就消耗了48%的推进剂。
水平0.7M初速起飞我实现不了。0.45M还是能轻松做到的(高铁的速度而已)。这样差不多能去掉6%的消耗了。这样飞到3万米4马赫也就消耗了推进剂的42%,燃料箱干质比才1:15嘛,那也就是46%。如果是0.7M起飞,那么飞到3万米4马赫也就消耗推进剂的40%。燃料箱干质比才1:15嘛,那也就是43%