超级军网齐奥尔科夫斯基火箭与空天飞机的神话
来源：百度文库 编辑：超级军网 时间：2024/04/25 17:41:49
<br /><br />经典意义上的空天飞机，是指能够在平流层以下进行常规飞行，在稀薄高空用超燃冲压发动机飞行，到末段用火箭发动机入轨的一级入轨飞行器。
齐奥尔科夫斯基的火箭公式告诉我们，要飞入轨道，首先要获得第一宇宙速度7.9公里/秒。从地面起飞的火箭，实际上应达到9.5千米/秒以上的速度。在这里我就理想化了，不计算空气阻力和需要克服的势能。在火箭发动机中，氢氧发动机喷气速度最高，4.2千米/秒。为了达到第一宇宙速度这个火箭的质量比要达到11。因为质量比11的单级火箭非常难以制造，所以必须要以多级火箭方式进行发射。
空天飞机的核心是超燃冲压发动机，这种发动机在飞机高空超音速后启动，理论极限是15马赫。也就是说最多5.1千米/秒后就需要火箭发动机来推动了。看速度好像已经完成大半，其实这是错误的！根据动能公式，第一宇宙速度需要达到28880000M，而15马赫也只到13005000M。入轨所需要的动能实际未过半。而剩下的一半动能必须用常规火箭的方式进行加速。
假设该空天飞机入轨质量为100吨。假设这100吨的一半动能是需要常规火箭方式加速到7.9公里的。也就是说，相当于空天飞机上驮着一枚运力大于50吨LEO的火箭。那么现在看看运力大于50吨LEO的火箭，大概起飞重量在2000吨左右吧。也就是说，即使我把空天飞机理想化了，在常规飞行和超燃高音速飞行都不消耗任何燃料的情况下。这个空天飞机的质量也大大超过2000吨。
然后回头看看现代的飞机，能做到100吨机身2000吨运力的吗？最巨型的就算是安225，175吨空重，640吨最大起飞重量。至此，大家也应该明白，经典的基于超燃冲压发动机的空天飞机是一个神话。超燃冲压发动机不过是亚轨道飞行器的理想动力而已，和航天还真没太大关系，更不用说用它来降低成本了。
人类真正要实现一级入轨，来去自如的空天飞机，动力革命必须先行了。
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齐奥尔科夫斯基的火箭公式告诉我们，要飞入轨道，首先要获得第一宇宙速度7.9公里/秒。从地面起飞的火箭，实际上应达到9.5千米/秒以上的速度。在这里我就理想化了，不计算空气阻力和需要克服的势能。在火箭发动机中，氢氧发动机喷气速度最高，4.2千米/秒。为了达到第一宇宙速度这个火箭的质量比要达到11。因为质量比11的单级火箭非常难以制造，所以必须要以多级火箭方式进行发射。
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空天飞机的核心是超燃冲压发动机，这种发动机在飞机高空超音速后启动，理论极限是15马赫。也就是说最多5.1千米/秒后就需要火箭发动机来推动了。看速度好像已经完成大半，其实这是错误的！根据动能公式，第一宇宙速度需要达到28880000M，而15马赫也只到13005000M。入轨所需要的动能实际未过半。而剩下的一半动能必须用常规火箭的方式进行加速。
假设该空天飞机入轨质量为100吨。假设这100吨的一半动能是需要常规火箭方式加速到7.9公里的。也就是说，相当于空天飞机上驮着一枚运力大于50吨LEO的火箭。那么现在看看运力大于50吨LEO的火箭，大概起飞重量在2000吨左右吧。也就是说，即使我把空天飞机理想化了，在常规飞行和超燃高音速飞行都不消耗任何燃料的情况下。这个空天飞机的质量也大大超过2000吨。
然后回头看看现代的飞机，能做到100吨机身2000吨运力的吗？最巨型的就算是安225，175吨空重，640吨最大起飞重量。至此，大家也应该明白，经典的基于超燃冲压发动机的空天飞机是一个神话。超燃冲压发动机不过是亚轨道飞行器的理想动力而已，和航天还真没太大关系，更不用说用它来降低成本了。
人类真正要实现一级入轨，来去自如的空天飞机，动力革命必须先行了。
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理论极限是15马赫
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15马赫好像是平常速度，高速度应该在25～30马赫。
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15马赫好像是平常速度，高速度应该在25～30马赫。
。。。。找个超过15马赫的超燃冲压理论给我看看
在地面的火箭要2000吨级发射50吨入轨是因为它要从0开始推着2000吨的火箭来起飞,而在空天飞机已经加速到5.1千米/秒的情况下火箭是用不着那么大的.再说,100吨的飞机不代表起飞重量是100吨,它至少要带1000吨燃料(比火箭少了氧化剂,所以要轻一些)
原帖由 diamond_1 于 2008-2-15 22:56 发表
在地面的火箭要2000吨级发射50吨入轨是因为它要从0开始推着2000吨的火箭来起飞,而在空天飞机已经加速到5.1千米/秒的情况下火箭是用不着那么大的.再说,100吨的飞机不代表起飞重量是100吨,它至少要带1000吨燃料(比火箭 ...
看动能计算就知道，还缺一半有多。100吨要5.1千米加速到7.9千米的动能需求等于50吨在地面上加速到7.9千米的动能。所以就这部分发射重量接近2000吨。
即使假设你的100吨空重1000吨燃料的空天飞机能出来，肯连第一阶段未必飞得起来：看看传统的飞机，1100吨起飞重量的100吨空重的普通飞机人类至少20年都难以实现把（安225是175吨640吨起飞重量），再看看超燃冲压发动机的推力，更是小得可怜。要多大的发动机才能支持这千吨巨物。
最后再假设这100吨能上天了，看看除了结构重量除了多余的涡扇发动机和超燃冲压发动机还有火箭发动机这些重量。。。。能运多少吨上天？5吨？10吨？充其量我让你能打到航天飞机的20来吨吧。
现在1000吨质量的火箭能打30吨LEO以上呢。还空天飞机。。。。
难道这2000吨的火箭自身不需要推力,只用来加速那50吨?
你想一下,二级火箭的上面一级才多大,这也就相当于空天飞机第二级的工作状态了.
你想一下,二级火箭的上面一级才多大,这也就相当于空天飞机第二级的工作状态了.
喂喂。。。别提第三级，那个是往GTO去的。实际应该相当于火箭第二级。参考土星五号第二级，燃料450吨（重量我没查到），把80吨的天空实验室发射入LEO。
空天飞机等于一级火箭，还要带着N多多余重量入轨的。
空天飞机等于一级火箭，还要带着N多多余重量入轨的。
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原帖由 重剑无锋 于 2008-2-15 21:07 发表
经典意义上的空天飞机，是指能够在平流层以下进行常规飞行，在稀薄高空用超燃冲压发动机飞行，到末段用火箭发动机入轨的一级入轨飞行器。
齐奥尔科夫斯基的火箭公式告诉我们，要飞入轨道，首先要获得第一宇宙速度 ...
你的计算方式完全不对
2000吨的火箭发射100吨的载荷，一个很重要的原因是空气阻力的影响，空天飞机使用火箭加速的时候，空气已经很稀薄，阻力小多了。
另外，用能量来计算是不行的，因为燃料的能量，大部分用来加速气体，少部分才是加速火箭本身的，应该用动量来算，根据比冲和最基本的积分方程来计算需要的燃料。
假设火箭发动机的比冲是三百秒(这个估计很低了) 一百吨加速3000m/s 需要3*10^8 kg*m/s的冲量 也就是 3*10^7 kg(力)*t 不计空气阻力 需要的燃料为1*10^5kg 当然部分燃料也会被加速 所以应该用积分算 算下来需要 2*10^5 kg的燃料 也就是200t :-)
原帖由 TripleX 于 2008-2-16 00:30 发表
你的计算方式完全不对
2000吨的火箭发射100吨的载荷，一个很重要的原因是空气阻力的影响，空天飞机使用火箭加速的时候，空气已经很稀薄，阻力小多了。
另外，用能量来计算是不行的，因为燃料的能量，大部分用来 ...
火箭方程还告诉我们一个结论 就是发动机不可能把自己加速到比自己的比冲(用秒计算)*20(用米/秒计算)还快的速度
也就是说 如果要靠纯火箭发动机单级入轨 即使不计算空气阻力 发动机比冲也不能小于400秒 否则最后一滴燃料无法被加速到8000m/s (燃料的平均速度是4000m/s 用动量除速度来平均:-))
如果我们有一台很猛的发动机 如果火箭结构加上载荷是100t 那么单级入轨需要 800t的燃料 这还没算上空气阻力
按照现在的科技 装800t的燃料 结构重量加上发动机有80t应该不过分吧 也就能扔20t的有效载荷入轨 很不经济 多级就好多了
超燃冲压应该能省很多的氧化剂 不需要携带很多氧化剂 意味着没有那么多氧化剂会被加速到4000m/s(平均) 所以这个方案很诱人 :-)
科学家不会连这么简单的计算都不做的 只是工程上的问题 比简单的原理计算复杂太多
2000吨这个我是忘了空气阻力部分了:L 如果说考虑到火箭的空气阻力，那空天飞机在稠密大气里面慢慢加速到15马赫，这部分消耗的能量只会比直接穿越大气的火箭多。
从动量上看，空天飞机即使忽略其亚轨道以下的飞行消耗，仍差1/3动量才达到第一宇宙速度。所以我认为空天飞机理论上能够比常规火箭最多省1半燃料。
在付出了复杂机体的代价后，空天飞机的有效载荷参考航天飞机的水平也只达到了25-30%间。就算忽略昂贵的机体，单看燃料与有效载荷比，根本上并不能降低每磅发射成本。
从动量上看，空天飞机即使忽略其亚轨道以下的飞行消耗，仍差1/3动量才达到第一宇宙速度。所以我认为空天飞机理论上能够比常规火箭最多省1半燃料。
在付出了复杂机体的代价后，空天飞机的有效载荷参考航天飞机的水平也只达到了25-30%间。就算忽略昂贵的机体，单看燃料与有效载荷比，根本上并不能降低每磅发射成本。
1级入轨从开始就给摒弃了，虽然前些年也有重新的尝试，800吨燃料打20吨确实差了。
我主要是就是反对那种一级入轨还得照顾返回的空天飞机。加速到15马赫的时候恰恰是空天飞机效率最高的时候。这个时候就该分离第二级火箭。否则本来节约的氧化剂重量完全被多余的入轨机体重量抵消。
我主要是就是反对那种一级入轨还得照顾返回的空天飞机。加速到15马赫的时候恰恰是空天飞机效率最高的时候。这个时候就该分离第二级火箭。否则本来节约的氧化剂重量完全被多余的入轨机体重量抵消。
某些的观念很古板，这个不是公式能够解决的问题. 不多说了。
历史上好象没有过单级入轨的空天飞机计划也。上世纪80-90年代的空天飞机计划基本上都是母机-子机概念。
实际上如果考虑外燃料箱可抛的情况，理论极限还可以上移。回收外燃料箱在技术上也是可行的。这样，实际上这就是一个用超燃冲压的结构重量抵消氧化剂重量的工程问题。设想一下把现在的航天飞机的外燃料箱设计为伞回收，把液氧的空间缩小，换得的结构重量用来布置超燃发动机，这在工程学上的余地就大了。
单机入轨概念如果和真空隧道/电磁加速概念结合，未尝不可以实现，地面建设成本未必比修建机场来得高。经典意义上的化石燃料火箭面临一个在大气层内消耗了太多能量的问题，可是在未来的航天概念中，应该把航天发射单纯的看成它最经典的概念：速度决定高度；能量决定载荷。
实际上如果考虑外燃料箱可抛的情况，理论极限还可以上移。回收外燃料箱在技术上也是可行的。这样，实际上这就是一个用超燃冲压的结构重量抵消氧化剂重量的工程问题。设想一下把现在的航天飞机的外燃料箱设计为伞回收，把液氧的空间缩小，换得的结构重量用来布置超燃发动机，这在工程学上的余地就大了。
单机入轨概念如果和真空隧道/电磁加速概念结合，未尝不可以实现，地面建设成本未必比修建机场来得高。经典意义上的化石燃料火箭面临一个在大气层内消耗了太多能量的问题，可是在未来的航天概念中，应该把航天发射单纯的看成它最经典的概念：速度决定高度；能量决定载荷。
在论坛上已经讨论过N编，火箭的加速要用齐奥尔科夫斯基公式算。那为什么讨论超燃结束后的加速就不用这个公式呢？假设5.1km/s时分离，那么需要2.8km/s的速度增量(不算空气，重力等因素)，那么很容易算出质量比是2，也就是说分离点时如果是100吨那么入轨质量可以有50吨。根本不是顶楼算的这样。顶楼关于动能的讨论忽视了质量的不同。所以计算完全错了。
可复用运输载具，本来就有单级和多级入轨之分，前者如美国的飞机/X-30。冒险星/X-33‘后者的方案更多一些。从目前的技术水平来看，当然是2级入轨更现实一些。将来不知道。
另外，所有的这些关键之一是可复用。这个不能忘记
可复用运输载具，本来就有单级和多级入轨之分，前者如美国的飞机/X-30。冒险星/X-33‘后者的方案更多一些。从目前的技术水平来看，当然是2级入轨更现实一些。将来不知道。
另外，所有的这些关键之一是可复用。这个不能忘记
原帖由 shh 于 2008-2-16 17:51 发表
在论坛上已经讨论过N编，火箭的加速要用齐奥尔科夫斯基公式算。那为什么讨论超燃结束后的加速就不用这个公式呢？假设5.1km/s时分离，那么需要2.8km/s的速度增量(不算空气，重力等因素)，那么很容易算出质量比是2，也 ...
你的发动机比冲按多少算的？
喷流速度就按楼主给出的4.2km/s算的。其实氢氧发动机可以更高一点点
原帖由 shh 于 2008-2-16 18:33 发表
喷流速度就按楼主给出的4.2km/s算的。其实氢氧发动机可以更高一点点
相当于420秒的比冲 氢氧似乎号称极限是500秒
原帖由 重剑无锋 于 2008-2-15 21:29 发表
。。。。找个超过15马赫的超燃冲压理论给我看看
你找个理论计算出超过15马赫没有正推力的来看看？
原帖由 yf23 于 2008-2-17 01:48 发表
你找个理论计算出超过15马赫没有正推力的来看看？
吸气发动机的比冲都是好几千的 能到15马赫 其实已经省下很多很多燃料了 :-)
当年国家空天飞机计划(X-30)时，曾经对M16-18情况下的超燃工作情况在地面做了一些试验研究
原帖由 TripleX 于 2008-2-16 19:30 发表
相当于420秒的比冲 氢氧似乎号称极限是500秒
g=9.8话，比冲比420s稍大一点。氢氧发动机比冲到了450-460s，提高也不容易了。但是在其他很多地方还有改进余地，比如单级入轨要求最好在所有高度范围内发动机都有比较好性能(X-33项目下的线性气塞式发动机)
x30的发动机是RBCC吧...:o
应该是RBCC
我认为主要是重返问题，空天飞机重返时，还不是也得飞机底面朝下，增大和空气接触面积嘛，这要在热接触区域使用耐高温的复合材料，如果只是高超音速飞行器，只需要在机身边缘铺设像美的HCV计划。大面积使用防热材料会导致成本的增加，而且重返会影响到飞机的寿命。
至于超然冲压发动机的实际最大工作马赫数，目前貌似是认为15M吧，再往上的话，来流速度过快，怎么点火呀。
两级方案比较经济和可行，而且空天飞机入轨后，需要用火箭来调姿，布置姿态调节喷口会导致设计上的麻烦，还有超然冲压发动机必须在3M以上启动，还必须组合涡喷或者涡扇发动机，要是上轨道，还要安装火箭发动机，当然了，可以设计成和冲压发动机共用一个燃烧室，但还得在飞机结构内留出液态氧储箱的空间，涡喷发动机和冲压发动机的进气道（也是涡轮喷气的进气道），在轨道上是无用的死重。这样算来，同样重量的空天飞机的有效轨道载荷，个人认为低于同样重量的航天飞机。还有就是发射成本，这个很难预计，不过空天飞机又要入轨，又要重返，还要达到具备经济型的使用次数，这个成本上就不会低。实际上，我觉得是这样，衡量单级入轨的空天飞机，一个是看每单位有效载荷质量的发射成本，一个是看货舱容积。如果双级入轨的方案货舱容积不比单级的方案小太多，单位轨道有效载荷的成本又比单级的低，那么自然是双级的胜出，目前看就是这个趋势。
另外从军事航天的角度来看，要是用空天飞机搭载什么高速打击系统，比如钨棒或者核弹头一类。也是亚轨道远超过轨道，现在美国等大国都有完善的地面的太空的轨道测控也就是监视系统，空天飞机成了航天器，一入轨人家就知道了什么时候来了，空天飞机的行进路线都能被对方计算出来，另外在太空中针对对方的侦察系统，隐身是不可能的，这就是在发展弹道导弹时，部分轨道轰炸系统要胜出于轨道轰炸系统，因为卫星的话，它的高度速度，轨道的类型，别人都能知道，这样，别人就可以提前进行拦截，至少可以提前疏散或者做出反击，失去突然性。要是近空间的高超音速飞机，这个就不好拦截了，红外探测，从太空方向很难做到，从地面上距离也是不可行，雷达探测的话，这类飞行器可以进行等离子体隐身。所以，轨道飞行器，别看速度（低轨航天器的平均速度）要高于近空间高超音速飞行器，但是丧失突然性（就算变轨也会被探测到，更何况燃料的限制到质变轨的次数）。高超音速飞机具备突然性，所以从这个方面看，也是近地空间飞行比入轨的好。
我认为主要是重返问题，空天飞机重返时，还不是也得飞机底面朝下，增大和空气接触面积嘛，这要在热接触区域使用耐高温的复合材料，如果只是高超音速飞行器，只需要在机身边缘铺设像美的HCV计划。大面积使用防热材料会导致成本的增加，而且重返会影响到飞机的寿命。
至于超然冲压发动机的实际最大工作马赫数，目前貌似是认为15M吧，再往上的话，来流速度过快，怎么点火呀。
两级方案比较经济和可行，而且空天飞机入轨后，需要用火箭来调姿，布置姿态调节喷口会导致设计上的麻烦，还有超然冲压发动机必须在3M以上启动，还必须组合涡喷或者涡扇发动机，要是上轨道，还要安装火箭发动机，当然了，可以设计成和冲压发动机共用一个燃烧室，但还得在飞机结构内留出液态氧储箱的空间，涡喷发动机和冲压发动机的进气道（也是涡轮喷气的进气道），在轨道上是无用的死重。这样算来，同样重量的空天飞机的有效轨道载荷，个人认为低于同样重量的航天飞机。还有就是发射成本，这个很难预计，不过空天飞机又要入轨，又要重返，还要达到具备经济型的使用次数，这个成本上就不会低。实际上，我觉得是这样，衡量单级入轨的空天飞机，一个是看每单位有效载荷质量的发射成本，一个是看货舱容积。如果双级入轨的方案货舱容积不比单级的方案小太多，单位轨道有效载荷的成本又比单级的低，那么自然是双级的胜出，目前看就是这个趋势。
另外从军事航天的角度来看，要是用空天飞机搭载什么高速打击系统，比如钨棒或者核弹头一类。也是亚轨道远超过轨道，现在美国等大国都有完善的地面的太空的轨道测控也就是监视系统，空天飞机成了航天器，一入轨人家就知道了什么时候来了，空天飞机的行进路线都能被对方计算出来，另外在太空中针对对方的侦察系统，隐身是不可能的，这就是在发展弹道导弹时，部分轨道轰炸系统要胜出于轨道轰炸系统，因为卫星的话，它的高度速度，轨道的类型，别人都能知道，这样，别人就可以提前进行拦截，至少可以提前疏散或者做出反击，失去突然性。要是近空间的高超音速飞机，这个就不好拦截了，红外探测，从太空方向很难做到，从地面上距离也是不可行，雷达探测的话，这类飞行器可以进行等离子体隐身。所以，轨道飞行器，别看速度（低轨航天器的平均速度）要高于近空间高超音速飞行器，但是丧失突然性（就算变轨也会被探测到，更何况燃料的限制到质变轨的次数）。高超音速飞机具备突然性，所以从这个方面看，也是近地空间飞行比入轨的好。
LZ的计算应该更加科学一些。从5km/s到8km/s，速度增量为3km/s，然后代入火箭公式算：delta V=Isp*g*ln(M0/M1)，取Isp=430s，那样M0/M1=2.038，也就是说要消耗5km/s状态下一半质量的燃料。不能用动能算速度，因为航天器的质量在减小。
刚看到帖子的题目，火箭公式就是航天祖师爷齐奥尔科夫斯基推导出来的，呵呵
对了，还有货仓的设计，因为这个音速，单级入轨的空天飞机不太可能设计成乘波机，因为为了保证大高度的货仓（类似航天飞机），要是设计成乘波机，会徒增很多结构重量，再说单级入轨的空天飞机，也不太需要很高的大气巡航性能。
还有，乘波机的加速性没有传统航天飞机类的好。
重剑无锋 发表于 2008-2-15 21:07 
数字严重不靠谱。
数字严重不靠谱。
被楼主绕进去了，其实换个方式思考就简单了，
所谓冲压发动机的思路就是氧化剂从大气中萃取。而不是想火箭一样携带。所以省下的是氧化剂的重量。节省下氧化剂是可观的，别看土星5那么大，leo和自重的比值很可怜，和飞机根本无法比。算下有效做功还是飞机厉害。
而且飞机要考虑长时间运营，所以可能无法彻底发挥材料的特性，反倒不能做的比火箭大。但是空天飞机和冲压发动机也可以做成一次性的哟………………
现在一想到飞机，就被绕进去了，因为现在的飞机都是考虑重复使用的，没有那个设计一次性飞机吧……………………
但是我们可以设计一次性的空天飞机哟………………。如果不考虑重复利用…………很多东西就简单了。甚至可以用弹射起飞。很多东西都可能省略。起落架不需要，货仓不需要，做个保形外壳。到高空抛掉。
升力体形状的冲压推进火箭………………:D :D
被楼主绕进去了，其实换个方式思考就简单了，
所谓冲压发动机的思路就是氧化剂从大气中萃取。而不是想火箭一样携带。所以省下的是氧化剂的重量。节省下氧化剂是可观的，别看土星5那么大，leo和自重的比值很可怜，和飞机根本无法比。算下有效做功还是飞机厉害。
而且飞机要考虑长时间运营，所以可能无法彻底发挥材料的特性，反倒不能做的比火箭大。但是空天飞机和冲压发动机也可以做成一次性的哟………………
现在一想到飞机，就被绕进去了，因为现在的飞机都是考虑重复使用的，没有那个设计一次性飞机吧……………………
但是我们可以设计一次性的空天飞机哟………………。如果不考虑重复利用…………很多东西就简单了。甚至可以用弹射起飞。很多东西都可能省略。起落架不需要，货仓不需要，做个保形外壳。到高空抛掉。
升力体形状的冲压推进火箭………………:D :D
要降低轨道发射成本还有另外一个思路，提高推进剂的热值。
偶不记得在哪里看到过个思路。模仿富勒烯的结构，让氮分子也具有这样的结构，化学键中蕴藏的能量可以是现在推进剂的10倍以上。
偶不记得在哪里看到过个思路。模仿富勒烯的结构，让氮分子也具有这样的结构，化学键中蕴藏的能量可以是现在推进剂的10倍以上。
楼主直接套2000吨的火箭是不对滴
呵呵，08年的坟被挖出来了
不用考虑这么复杂，安225，175吨空重，640吨最大起飞重量，都足够把长2F这么重的东东整个带到1W米了，像俄罗斯的MAKS空天飞机计划，在安225上绑个小型的空天飞机，带燃料箱，在1W米高度点火入轨，燃料箱用完以后抛弃，不回收，其他部分是可回收的，这种方式最有前途，不过不知道为什么美俄都没有大力发展这种方式，除了入轨质量小以外，看不出有什么不妥。
不用考虑这么复杂，安225，175吨空重，640吨最大起飞重量，都足够把长2F这么重的东东整个带到1W米了，像俄罗斯的MAKS空天飞机计划，在安225上绑个小型的空天飞机，带燃料箱，在1W米高度点火入轨，燃料箱用完以后抛弃，不回收，其他部分是可回收的，这种方式最有前途，不过不知道为什么美俄都没有大力发展这种方式，除了入轨质量小以外，看不出有什么不妥。
缥渺神龙 发表于 2009-10-26 17:38
88-99 发表于 2009-10-24 21:40