讨论一下降低发射成本

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/04/29 21:45:01
请大家共同探讨一下:低成本发射如何可能?

航天事业之中最昂贵的就是发射的成本。不断降低发射成本,无疑是未来航天的最重要的问题。航天运载器大部份都是一次性的,用完即弃无疑是成本高昂的直接原因。因此,要解决这一个问题,人们第一个反应就是可重复使用航天器。但是从美国航天飞机的例子来看,可重复使用航天器并未能使发射成本降低,反而是比一次性火箭更高了。

那么降低发射成本的路应该怎样走呢?如果仍然采用一次性火箭,要降低成本只有从制造上着手,比如采用大规模、标准化生产、开发更轻、更廉价的材料等等。但是一次性火箭的成本不可能降得很低,火箭上许多重要设备仍然是高价值的设备,如火箭发动机等设备是无法降低成本的。因此,一次性火箭的成本虽然可以降低,但有一个限度,有一个极限,而且即使达到这个极限,一次性火箭的发射仍然是昂贵的。

要大幅降低发射成本还是要靠重复使用航天器。以现在的技术水平而言,即使是美国,重复使用航天器仍然是复杂和不可靠的。航天飞机每次使用之后,都需要重整。而航天飞机之所以费用高昂,就是因为重整的费用高昂。其每次重整的费用甚至高于制造一枚一次性使用的火箭。

由于成本高昂的关键就是重整费用高昂,其本质其实就是航天器的重复使用部份的可靠性不足。而且,回收方式也会影响重复使用部份的可靠性。我认为降落伞回收就不如水平降落回收,水平降落对设备的可靠性影响是最小的。

因此,提高重复使用航天器可靠性是降低成本的前提,我相当怀疑那些只能重复使用十几二十次的航天器(诸如“快船”之类)是否真的有足够的可靠性以避免重整费用高昂。相反,有极高可靠性、基本上不需要重整、灌上燃料马上可以再次使用的东东怎么也不像是只能使用几十次的东东。如果是垂直发射的、部份重复使用航天器的话,最好是上面级重复使用并且以水平降落的方式回收,这样重复使用部份重整费用应该比较小。如果重复使用部份是助推级,重整费用恐怕难以降低,我始终觉得降落伞回收对设备的可靠性有不良影响。请大家共同探讨一下:低成本发射如何可能?

航天事业之中最昂贵的就是发射的成本。不断降低发射成本,无疑是未来航天的最重要的问题。航天运载器大部份都是一次性的,用完即弃无疑是成本高昂的直接原因。因此,要解决这一个问题,人们第一个反应就是可重复使用航天器。但是从美国航天飞机的例子来看,可重复使用航天器并未能使发射成本降低,反而是比一次性火箭更高了。

那么降低发射成本的路应该怎样走呢?如果仍然采用一次性火箭,要降低成本只有从制造上着手,比如采用大规模、标准化生产、开发更轻、更廉价的材料等等。但是一次性火箭的成本不可能降得很低,火箭上许多重要设备仍然是高价值的设备,如火箭发动机等设备是无法降低成本的。因此,一次性火箭的成本虽然可以降低,但有一个限度,有一个极限,而且即使达到这个极限,一次性火箭的发射仍然是昂贵的。

要大幅降低发射成本还是要靠重复使用航天器。以现在的技术水平而言,即使是美国,重复使用航天器仍然是复杂和不可靠的。航天飞机每次使用之后,都需要重整。而航天飞机之所以费用高昂,就是因为重整的费用高昂。其每次重整的费用甚至高于制造一枚一次性使用的火箭。

由于成本高昂的关键就是重整费用高昂,其本质其实就是航天器的重复使用部份的可靠性不足。而且,回收方式也会影响重复使用部份的可靠性。我认为降落伞回收就不如水平降落回收,水平降落对设备的可靠性影响是最小的。

因此,提高重复使用航天器可靠性是降低成本的前提,我相当怀疑那些只能重复使用十几二十次的航天器(诸如“快船”之类)是否真的有足够的可靠性以避免重整费用高昂。相反,有极高可靠性、基本上不需要重整、灌上燃料马上可以再次使用的东东怎么也不像是只能使用几十次的东东。如果是垂直发射的、部份重复使用航天器的话,最好是上面级重复使用并且以水平降落的方式回收,这样重复使用部份重整费用应该比较小。如果重复使用部份是助推级,重整费用恐怕难以降低,我始终觉得降落伞回收对设备的可靠性有不良影响。
楼主提出了一个好问题,从实现角度和费用角度来看,恰恰助推器回收难度最小而且能够节省不少费用。

上面级由于需要再入大气层,面临高温燃烧问题,所以难度大,重新检测麻烦,费用高昂。典型的就是航天飞机。

助推器回收已经有成功运用,就是被大家忽视的美国航天飞机固体火箭助推器,可以重复用20-30次,这是一个很好的,相对成熟的技术。回收是通过降落伞降落在大海上进行。不过,究竟能够节省多少费用,不是很清楚。

俺感觉,从易到难的话,要进行重复使用,发展两方面技术,即助推器的重复使用和飞船的重复使用。助推器重复使用关键看如何设计助推器,助推器的重复使用可能性还是很大的。飞船的重复使用也有可借鉴的东西,譬如航天飞机的隔热瓦之类,需要隔热面积更小,检测和需要更换的东西更少,完全有可能重复使用。

从各个方面来看,如果将经济放在第一位,而且不考虑太多其他东西的话,美国航天飞机技术转化过来的火箭和返回技术,完全可以发展出相对成熟的重复使用技术。但美国佬的想法也比较奇怪,而且也有波音、洛马等公司势力的影响,许多东西并不能按照最合理的方式来进行。老美啊,也会内斗不止,只不过比大多数国家更能够协调而已。
基本没有办法了:') :')
其实把发射场向赤道附近转移是很好的方法~
已经有人计算过了,单助推器回收,只要发射次数达到15-30次左右就可以比常规发射成本低,要达到发射成本下降一半需要50次以上。

看上去很美丽。

对于现在全球一年只有30-40次发射,发射型号涉及十几种的情况。一个重复使用的型号火箭,达到30次发射平均需要10年。维护一个发动机10-20年,就有很多很多未知风险了。

所以我觉得重复使用在次数一定的情况下降低成本不多。还不如像猎鹰火箭那样,用成熟可靠的小发动机集群代替复杂大发动机,直接降低发动机的制造成本。而且同时也可以考虑一定次数的重复使用。
不是已经有地面电磁发射方案了吗,直接用炮把载荷射上去,什么成本都没了
嗯嗯 所以我觉得 以米帝给国际空间站搞的那个救生船 拿来改进做载人航天器应该是不错的 货运的话 还是靠一次性的飞船吧
原帖由 cookship 于 2008-3-17 21:44 发表
不是已经有地面电磁发射方案了吗,直接用炮把载荷射上去,什么成本都没了

我觉得电磁发射不太可行。
两个问题:
1。气动加热问题。普通火箭发射的时候,在低空大气稠密的地方,速度不高,加热不严重。而电磁发射时候,一次加速到最高速度,空气阻力和气动加热非常严重。可靠性和防热费用都成问题。
2。过载问题严重。这下子又要多花很多加固费用。
超脱自然有容乃大!
超脱自然有容乃大!
我觉得电磁发射不太可行。
降低发射的时候,看来怕是不好的啊
:@ :o :') :( :victory: :time: :call: :handshake
确定航天器中最值钱的到底是那个部分?

燃料箱肯定不值得回收
那主要就是发动机和制导系统
这两个部分做成一个组件,降落伞回收
如果要是上面级要进出大气层成本肯定高
那就只回收助推器和一级火箭的发动机和制导系统,用降落伞回收!?
原帖由 silentgod 于 2008-3-17 00:18 发表
其实把发射场向赤道附近转移是很好的方法~

火箭运输成本,发射场后勤支持都会有问题,开销不会少
原帖由 TSQ 于 2008-3-16 22:49 发表
楼主提出了一个好问题,从实现角度和费用角度来看,恰恰助推器回收难度最小而且能够节省不少费用。

上面级由于需要再入大气层,面临高温燃烧问题,所以难度大,重新检测麻烦,费用高昂。典型的就是航天飞机。

...

重复使用有很多成本是不太容易看见的,比如派出回收船队,模块化多段助推器回收后分解探伤,浇铸燃料、重新组装,这都要钱,像密封圈这种部件也是一次性的。
原帖由 蟑螂炖豆腐 于 2008-3-18 12:12 发表
确定航天器中最值钱的到底是那个部分?

燃料箱肯定不值得回收
那主要就是发动机和制导系统
这两个部分做成一个组件,降落伞回收
如果要是上面级要进出大气层成本肯定高
那就只回收助推器和一级火箭的发动机和 ...

燃料箱也很贵的,应用了大量轻金属新型合金材料。美国人也不是不想回收航天飞机的外挂燃料储箱,但是抛弃高度太高了。低温燃料储箱外面要敷设绝热材料,回收后少不了要去掉旧的,重新敷设。
最值钱的应该是一级发动机和上面级。燃料箱回收和重新整合的难度大。

理想的回收方式就是一级和助推发动机都回收,上面级整合进可重入大气层航天器。

其实就是一艘货运版的航天飞机。
关于回收,还有一个思路,就是发展垂直起飞水平着陆的大型火箭飞机。

火箭飞机的构造可以是类似双体飞机,中间安装火箭芯级,燃料用煤油和液氧。在地面起飞时芯级和火箭飞机都点火,火箭飞机的飞行末速在2马赫左右,飞行高度在4万米脱离,然后自动驾驶返回。

采用这样的技术,更容易实现重复使用。

关于可行性:
关于火箭飞机,以前应该也有类似方案,如果有类似方案但没有变成现实,估计还是有许多问题。但对于目前技术而言,的确有成功的可能。
大家听说过鲁坦搞的“太空船1号”和“白色骑士1号”吧,就是航空技术与火箭技术的很好结合,现在正在向更大运载能力发展。这表面通过航空技术和航天技术结合,发展前途不错。
不过,第一级用飞机的主要问题是飞机的运载能力太低,用于空射小火箭可以,大运载就不行了,必须要靠火箭推力来实现,所以就是火箭飞机。
从结构重量来看,火箭的结构重量占起飞重量的10-15%(不是很准确,俺曾经看过一个数,但忘了),如果是火箭飞机的话,结构重量可能在20%(目前普通飞机的结构重量也就是35%)左右。这样的话,作为助推级,还是可以接受的。如果起飞推力是1000吨,假如火箭飞机重量是800吨,结构重量就是160吨,还算在目前技术能够达到的范围。当然对于我们是比较困难,但也并非吧可能。
当然,俺的这些都是瞎想,美国佬可是已经开始实际操作了,具体报道见下:
《科技新时代》:美国将举行火箭飞机竞速赛
http://tech.sina.com.cn/d/2006-03-10/1714864067.shtml
20万美元坐一趟火箭飞机
http://www.sznews.com/news/content/2006-08/16/content_253078.htm
]]
关于燃料方面,重复使用航天器用液体燃料比用固体燃料优胜。正如dark兄所说的那样,固体燃料要浇铸、组装,这是先天缺陷。液体燃料助推如果是整体回收,理论上可以灌上燃料就使用,没有固体燃料那种先天缺陷。
原帖由 TSQ 于 2008-3-19 10:47 发表
关于回收,还有一个思路,就是发展垂直起飞水平着陆的大型火箭飞机。

火箭飞机的构造可以是类似双体飞机,中间安装火箭芯级,燃料用煤油和液氧。在地面起飞时芯级和火箭飞机都点火,火箭飞机的飞行末速在2马赫左右 ...

TSQ兄的设想很好,这个设想有点像欧洲的霍托尔,只不过霍托尔的设想是单级入轨水平发射。
降低发射成本有一点大家还是没有很好地考虑过的,,就是大家看下,,每次的发射都要成千上万个人为一个火箭服务,,那么一个月发射一次,,那这帮人的成本就很高很高了,,,,,,,,,所以如果一个火箭的发射如果真能全自动化的,,,只几个人就可以了,,那么成本肯定能下来,,,至于怎样自动化那是工程师的事了,,,,还有就是所为的探测器成本为什么比火箭还高,,因为单个单个地生产,,那成本高得很,,,如果采用自动化生产个个探测器大多功能齐全,,那么你喜欢发到海王星就发到那儿,根本不用那么高成本,,,所以人力成本占到火前发射的一半以上,,,,,
卫星要做环境实验,这个花钱的厉害,液体燃料助推器回收一样要探伤检测变形
请教:米国航天飞机固体助推器的降落伞安装在什么地方?如果有图最好。
原帖由 大秦猛士 于 2008-3-20 08:42 发表
请教:米国航天飞机固体助推器的降落伞安装在什么地方?如果有图最好。

在网上找到一张结构图。
都没学过经济啊?降低成本的最简单的方法就是多造多发射,成本自然就低了.:D ;P
除了常规的成本控制途径以外,在现在的基础上大幅度降低进入太空的成本还是需要新的发射载具,其中可复用是一个重要因素。

助推器的回收和复用是相对来说比较简单的,而且已经有了航天飞机固体助推器这个例子。俄罗斯的能源号火箭对此也有所考虑并且在设计上做出了预先的安排。最近俄罗斯安加拉火箭助推器的方案之一有考虑用自动飞回的技术以减少回收成本,当然也增加了助推器的复杂程度设计成本,这个需要统筹考虑。

由于再入时恶劣条件,上面级的回收则要复杂很多。有“掉下来”的(比如弹道返回的卫星和飞船),也有“飞回来”的,比如航天飞机。用升阻比大的升力体或者带翼的航天器水平降落或许是一个最终目标,但是从航天飞机的经验来看,这个确实是一个比较复杂的问题。是否可以在一定成本下比较好的解决这个问题,目前来看不是那么乐观,尤其是全世界的发射次数这么少的情况下,巨大的设计,制造和维护成本能否真正可以因为复用而得到补偿?当然撇开这个当前的成本问题不谈,这个技术本身还是很重要,很值得掌握的。

中大型的发射载具要通过航天飞机这类方式实现经济的可复用或许在目前还是比较难。一个另外的方法就是采用运载火箭形式但是每一级都可以回收,或者部分回收,这样可以在一定程度上避免一些技术难题,比如美国的K-1火箭方案和我们国家曾讨论过的一些方案。航天飞机这类的有翼航天器或者升力体或许在小型的载人天地往返系统上有一定的应用,最近的例子就是俄罗斯的快帆方案。但是快帆的前途未卜,以及美国下一代飞船CEV方案竞争中洛马的升力体构形的失败,都显示出这个的艰难。

在目前的情况下,由于发射次数过少,任何大的新技术的采用都变得艰难,因为过少的发射次数使得新技术即使有潜在降低成本的优势都会因为巨大的早期研发成本而处于尴尬境地,可复用尤其如此,没有一定飞行次数,优势很难体现。或许如Falcon火箭那样依靠相对常规的降低成本方法在目前是个首选。但是新技术最终还是需要的,这个需要国家以前瞻的眼光进行投资以保持未来的竞争力。
不是已经有地面电磁发射方案了吗,直接用炮把载荷射上去,什么成本都没了
我觉得电磁发射不太可行。
两个问题:
1。气动加热问题。普通火箭发射的时候,在低空大气稠密的地方,速度不高,加热不严重。而电磁发射时候,一次加速到最高速度,空气阻力和气动加热非常严重。可靠性和防热费用都成问题。
2。过载问题严重。这下子又要多花很多加固费用。

电磁发射要看怎么发射。如果是全电磁发射,的确会出现rottenweed兄所说的情况,过载和气动加热的问题无法解决。

但是如果不是全电磁发射,而是部份电磁发射又如何呢?

部份电磁发射可能是水平发射或倾斜发射,垂直发射是不可能用电磁发射的。电磁发射需要磁体才能够加速。如果火箭采用部份电磁发射,那么火箭上也必须有磁体才行。但是当电磁加速完成之后,磁铁就变成死重,这样是不划算的。

那么电磁发射只有用地面的发射车来完成电磁加速,比如用磁悬浮列车作为加速火箭的地面发射车。当然,采用部份电磁发射不可能把火箭加速到比较高的速度,通常也就是每秒两百米以下的速度。但是不要小看这个初速,因为火箭加速时,越早期所消耗燃料越多,因为火箭的加速不但要加速载荷、也要加速剩下的燃料。所以,整个火箭如果能获得一个初速,对燃料的节省是很可观的。

火箭飞机如果要水平发射,起落架也是一个可观的死重。由于火箭在发射时最重,故需要一个强有力的起落架才能支撑。但如果采用发射车,火箭的起落架则只需支撑回收时的重量就行了。

所以部份电磁发射也是一种有价值的方式。
航天飞机固推为了重复使用,那壳体材料和燃料可真是.........
大家都盯着“可重复使用”啊

我觉得如果火箭像蜡烛一样应该是最便宜的,
一边飞一边烧,越来越短,连分级都省了,最后载荷上轨道,其他什么都不留下,
死重逼近0,效率也高
一次性东西就是贵,除非向饭盒一样生产。看来还是得靠太空电梯。
太空电梯也是骗人的就算搞好后那个维护成本就是天文数字,比国际空间站还贵所以还是要以高度自动化的东西才能便下来
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其实呢,现在巧妇难为无米之炊,不是没有降低成本的策略。而是没有降低成本的规模。

世界航天发射一年60次上下,想想如果奔驰一年才造60辆车,生产水平再高,成本也不能低到哪里去。

如果航天发射规模进入年300次以上规模,那么可重复使用火箭是比较好的方案,因为可重复使用火箭在30次-50次重复使用能够取得最佳的成本效益。

规模再进一个数量级,就可以考虑两级入轨空天飞机。空天飞机接近常规飞机的使用频率效益比较好。

规模再进一个数量级,我的建议是上人间大炮,10几公里半径的超导大回环加速器,直接把货物加速10马赫以上速度然后甩出去用一级火箭入轨。
原帖由 TSQ 于 2008-3-30 22:56 发表
俺始终认为火箭飞机是个很好的方向,用于替代第一级是个不错的选择。
麦道当时的单级入轨的“三角快帆”,入轨改成火箭飞机用在火箭的第一级,用起来俺感觉还是不错的。火箭飞机的最大飞行速度可以在2-4万米,飞行末 ...


老兄的火箭飞机用的是哪种类型发动机? 如果火箭飞机也是用火箭发动机,这个思路是不是就是类似于毛子在发展的“贝加尔”可飞回助推器?
原帖由 重剑无锋 于 2008-3-31 01:07 发表
其实呢,现在巧妇难为无米之炊,不是没有降低成本的策略。而是没有降低成本的规模。

世界航天发射一年60次上下,想想如果奔驰一年才造60辆车,生产水平再高,成本也不能低到哪里去。

如果航天发射规模进入年30 ...


规模是一个大问题。规模小,费用高,而费用高又使得规模更小。进不了良性循环。

所以这个不能完全是商业行为。一些前瞻性的工作必须要政府支持。
原帖由 huor 于 2008-3-30 23:32 发表
高海拔发射理论上有没有前途?
自问自答,应该是可以忽略不计


正好手里有一段,在以前XH的一个帖子里写的
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这个确实是个可以讨论一下并且颇有趣的问题。和上面几位兄台探讨一下。

当然实际上没有人会在珠峰建,这么恶劣的自然环境是得不偿失。但是理论上,我想可以看一看如果有这么一个发射场,我们究竟可以得益多少,可以节省多少燃料。

运载火箭发射时,首先是一个8-10秒的垂直上升段,速度矢量垂直向上,重力夹角为0度。然后开始程序转弯,速度矢量逐渐与重力成一定角度,越来越大,最后在入轨前变成与重力垂直,夹角90度。

火箭的速度增量有这么几个分量。
1. 最主要的就是火箭发动机工作后产生的速度增量,这个可以根据理想条件下的齐奥尔科夫斯基公式算出,对于一般情况而言,这个速度增量往往接近10km/s。这个只和火箭本身有关,和在海平面或者珠峰发射没有大区别(实际上发动机工作状况会有些不同,气压小比冲大)

2. 地球自转所给予的速度增量,也就是发射场的自转线速度。这个前面kktt兄已经指出在珠峰发射得益很小,原因在于珠峰高度8.8km于地球半径6371km比实在是个小量。在珠峰发射会多得益不超过0.5m/s,假设射向东。

3. 阻力引起的速度损失。在实际飞行中大约是几百米/秒的样子。在海平面到珠峰这段大气密度较大,但是这个时候火箭速度也相对较低。在珠峰上发射可以减少的阻力引起的速度损失不是很清楚。

4. 重力引力的速度损失。在实际飞行中大约是1200-1500m/s。在某个短时间内,重力引起的速度损失是g*cosa*dt, a是重力反向延长线和速度矢量的夹角,g是重力加速度。假设低轨道,就认为g不变了。假设两个火箭分别从海平面发射场和珠峰场起飞,假设飞行时序相同,都是8秒开始程序转弯(算了一下,对于CZ-2C,8秒时速度大约40m/s,高度约160m). 我觉得在珠峰,恐怕也要8秒后再开始程序转弯,否则速度太低,可能也会不太稳定。这样当珠峰火箭达到轨道时,海平面火箭还在轨道的8.8km以下,那也就是说海平面火箭要多飞这8.8km的垂直高度(实际飞行距离长好多)。这个时候火箭速度可以认为是第一宇宙速度7.9km/s,方向几乎与地面平行。不难证明,海平面火箭多飞行这段引起的额外的重力损失为g*cosa*H/(v*cosa)=g*H/v,这里H是高度差,也就是珠峰高度8.8km,v是第一宇宙速度7.9km/s。这样海平面火箭的额外的重力损失为11m/s。也就是说对于重力引起的速度损失这个角度来看,他实际上只节省了"1秒"的时间

这样看起来,在珠峰发射,重力速度损失减小的量并不多,只有10m/s左右。空气阻力所引起的速度损失有多少改善不详,或许比重力的还多些。再加上由于避开了海平面附近比较低的比冲和推力,或许它带来的速度增量方面的好处可以和海南比一比,但是实际工程上的代价显然是太大了。
那要是在拉萨发射呢,现在青藏铁路已经修通了,而且还可以说上通天路,吸引藏民来磕长头