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[原创] 后航天飞机时代可复用天地往返运输工具的发展

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Nighthawk 发表于 2011-7-10 11:07 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 Nighthawk 于 2013-9-30 23:25 编辑

虽着航天飞机最后一次任务的执行,是时候讨论一下这个问题了,人类又回到了五十年前的就开启的宇宙飞船时代。而且目前用的宇宙飞船全是一次性的,达不到“往返”。
我在一篇博客里这么写的:
航天飞机退役后数十年内,受制于各种因素,主要是政治经济因素(同时也有技术因素),很难再出现航天飞机这样重型的天地往返运载工具了,有的只是一次性飞船,可复用飞船,小型天地往返运载工具,系统成本虽然远远低于航天飞机,但是能力同样非常有限。人类再一次进入大规模天地往返的希望在哪里?
在可以预见的未来,采用火箭动力(自带氧化剂)的天地往返运输系统不会有新的突破性的进展,不会有一种火箭或飞船比航天飞机更能创新。化学燃料发动机的比冲已经顶天,新概念推进方式无一能够胜任航天主动力。唯一的希望似乎就在吸气式高超音速推进方式,从大气中获取氧气相当于大大增加了系统的燃料质量比。高超音速飞行器能够以10倍以上的音速在大气层的边缘飞行,可以赋予二级飞行器非常可观的初速度,飞出稠密大气后发动机无法吸气时,再利用火箭动力进入地球轨道。关键技术是高超音速飞行器推进技术,相当于可复用助推器+往返轨道器。非常难以突破,但曙光已现。至于一级地面起飞直接入轨的空天飞机,在二三十年内估计难以见到,甚至不会有大的突破。

先抛砖了,欢迎大家来探讨未来可复用的天地往返运输工具的技术方案、可行性等问题。
目前除航天飞机外,真正意义上的天地往返运输工具只有X37B,而且是用火箭以卫星载荷的方式发射的。未来NASA的新型飞船MPCV也是以载荷形式发射。而ESA、英国、中国的天地往返运输工具目前只处在验证甚至方案阶段。
尴尬的是,一次性的简单可靠的飞船,在性价比和可靠性上总要是比天地往返运输工具高。所以未来天地往返运输工具的出现不仅仅受制于技术进步。
 楼主| Nighthawk 发表于 2011-7-10 11:13 | 显示全部楼层
虽然采用火箭动力(自带氧化剂)的天地往返运输系统不会有新的突破性的进展,但是可能这仍然是最可行与可靠的方案。用LEO20~30吨的重型运载火箭,可以发射总重为20吨左右的小型航天飞机至地球轨道。
高超音速飞行器背负的火箭动力、自行提供最后一些速度增量以入轨的轨道器方案,不见得比上述火箭发射更加经济合理。如果高超音速飞行器母机能够达到3km/s的速度,那轨道器的质量大约至少一半是燃料,要达到20吨的入轨质量,地面质量约为40吨,高超音速飞行器母机要带着这么一大坨东西飞到M10以上,似乎难度比较大。当然也可以削减轨道器的质量到10吨级,但是与火箭发射飞船相比似乎无任何优势。
hkhtg090201 发表于 2011-7-10 11:53 | 显示全部楼层
根据现在大国趋势(势头),应该是多路出击找突破点,等到那一路有突破性进展,会一窝蜂似的拥进这一路,别的路会暂时再次被忽视。(先想这么多)。
中国航空 发表于 2011-7-10 12:24 | 显示全部楼层
本帖最后由 中国航空 于 2011-7-10 12:36 编辑

天地往返运载工具-中型航天飞机。
wzb9504 发表于 2011-7-10 12:24 | 显示全部楼层
电磁轨道发射器是可能的方向
wzb9504 发表于 2011-7-10 12:28 | 显示全部楼层
自70年代初以来,与电磁发射有关的技术取得了重大进展。澳大利亚国立大学建造了第一台电磁发射装置,将 3克重的塑料块(炮弹)加速到6000米/秒的速度。此后,澳、美科学家制造了不同类型的实验样机,并进行过多次发射实验。用单极发电机供电的电磁炮,已能把318克重的炮弹加速到4200米/秒的速度。磁通压缩型电磁炮已能将 2克重的炮弹加速到11000米/秒的速度。
hkhtg090201 发表于 2011-7-10 13:07 | 显示全部楼层
本帖最后由 hkhtg090201 于 2011-7-10 17:24 编辑

先梳理思路(分类 和 逻辑):

一.复用级别:
     1. 只是载人舱(返回器)复用
     2. 载人舱(返回器)+助推器复用(如航天飞机)
     3. 全部复用(如空天飞机?)。

二.结构
    1.客货分离型
    2.客货混载型(航天飞机)

三。载人舱型状及返回类型
   1.钟锥型(弹道优化?+降落伞返回)
   2.翼型 ()
   3.升力体型返回

四.一级上升过程(按实用排序)
  1.完全传统型(完全化学型 或叫自带氧化剂型)
  2.传统型+核热发动机
  3.传统型+核电发动机
  4.传统型+高超燃冲压发动机
  5.空天飞机(飞机发动机+火箭发动机+高超燃冲压发动机+上面级)
  6.电磁炮
  7.天梯(可见的未来:没谱)

五.返回速度
  1.深空返回
  2.LEO 返回.

六. 运营者
  1.国家主导
  2.国际合作
  3.公司主导

PS: 以上更是砖,欢迎再抛砖




点评

总结地太到位了,我都想搬到主贴去:)  发表于 2011-7-10 21:01

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shaolin1254 发表于 2011-7-10 13:19 | 显示全部楼层
曝光已现
是曙光已现吧  

一次性飞船比多次复用飞船在性价比和可靠性上高,根源还是技术和制造水平限制。

入轨--返回整个过程中第一位的永远是安全可靠。未来可以将可复用的天地往返工具首先用于货运发射任务,经过单机多次、多机多次成功应用后,再将其应用到载人发射上,整个过程还是要稳,不能急。

其他的方面,核动力火箭的行情又一次看涨;曾经引起轰动的碳纳米管制造的天梯计划却又悄无声息了;电磁加速系统未来几年将出现实用型的电磁炮,那电磁加速系统可否用在航天发射上。

PS。博客在哪里,俺去学习下
zhang 发表于 2011-7-10 16:19 | 显示全部楼层
“天地往返”这个说法太笼统了,应该叫 Reusable Launch Vehicle 吧。在这个方面, Shuttle 达到了最高的水平,也就是部分可重复使用。这个想法的根基是 1960/ 1970 年代人类对太空飞行的盲目乐观和过高预期,当时认为太空飞行会变得像民航航班一样普通。Shuttle 最初的设想是每 两周 就能发射一次。后来事情的发展显示不仅技术上做不到,而且也没有那么多 payload 可以发射。
类似的 boom-bust 在 1990 年代又发生了一次。商业发射业务随 2000 年 Dotcom 泡沫一起崩溃,现在的发射能力完全处于过剩状态。 EELV 吃不饱, Sealaunch 破产重组,在这样的情况下开发新的 Reusable Launch Vehicle 的可能性很小。技术上的问题相对容易,市场需求不是那个人或集团可以操纵的。像看到能和 Shuttle 相提并论的东西?等商业发射业务膨胀十倍再说吧,10 年内就别指望了。
wzb9504 发表于 2011-7-10 16:31 | 显示全部楼层
如果发射单价下降到1/10,发射需求会增加多少呢。电磁发射的经济性和环保性是最好的,而且工程技术比较成熟 (军方电磁炮的需求,无疑会促使技术进一步成熟)。

点评

电磁炮只是一种发射技术,跟本贴讨论的航天器重复使用没有关系。  发表于 2011-7-10 16:53
hkhtg090201 发表于 2011-7-10 17:41 | 显示全部楼层

电磁发射很有意思(科幻),不过载荷太小,要发展为能用于载人发射的级别,困难应该极大吧?媒体对此讨论较少。
hkhtg090201 发表于 2011-7-10 18:34 | 显示全部楼层
按常理估计,STS-135返航后,奥总统应该发表长篇大论------总结过去、展望未来(美国八股)。
NASA也应该对以后的技术路线图向全国人民做更清晰表述(如SLS等),从中端倪出一个模糊方向,可能对理解本帖有帮助。
hkhtg090201 发表于 2011-7-10 19:00 | 显示全部楼层
根据CCDev-2等:MPCV、CST-100、追梦等都是可复用,‘龙’ 眼下不能复用,不知道将来如何(当初设计目标?)。
可见,‘返回舱’复用值得关注,----这是什么原因呢?
Lsquirrel 发表于 2011-7-10 19:33 | 显示全部楼层
本帖最后由 Lsquirrel 于 2011-7-10 19:35 编辑

我来晚了,不过观点上倒是很赞同zhang的论点。
航天飞机本身出于盲目的乐观主义而研制,结果发射费用上没能达到预期指标,性能尤其是安全性和发射频率上都达不到设计要求,于是在高发射费用下彻底悲剧,惨淡至今。未来首先就没有多大的发射市场,加上航天飞机的教训,可复用火箭就没有什么发展空间。理论上说,如果发射费用能够大幅度降低,可以拓展出新的市场来,但发射费用目前看不到大幅度下降的可能,所以商业发射也不会出现爆炸性的增长。
这种恶性循环下,发射市场基本就是苟延残喘。未来可能做到的,也就是Dragon、Dream chaser、CST100这类可复用返回舱的飞船,整体入轨整体返回的航天器并不经济。发射工具上可能做到第一级复用,第二级仍然不好说。至于吸气冲压发动机的技术前景并不明朗,可能是10年内偶然取得突破,更可能30年仍然遥不可及。当然如果取得突破,也更可能是代替第一级火箭的作用,RBCC发动机包打地面到轨道的飞行,还是太远了,甚至可能对比常规火箭,RBCC的设计本身就是没有竞争力的。

点评

航天飞机的教训值得后人认真学习和反思,我个人以为是 NASA 贪大求全,目标太大,又要载人,又要便宜,又要多功能,如果目标小一点,不一定就失败。  发表于 2011-7-11 13:02
 楼主| Nighthawk 发表于 2011-7-10 21:02 | 显示全部楼层
shaolin1254 发表于 2011-7-10 13:19
是曙光已现吧  

一次性飞船比多次复用飞船在性价比和可靠性上高,根源还是技术和制造水平限制。

博客其实是某SNS网站的日志……前半部分太情怀党了,放这儿就是小白水平
 楼主| Nighthawk 发表于 2011-7-10 21:10 | 显示全部楼层
zhang 发表于 2011-7-10 16:19
“天地往返”这个说法太笼统了,应该叫 Reusable Launch Vehicle 吧。在这个方面, Shuttle 达到了最高的水 ...

是的,我的理解是同一架航天器能够实现天地往返,也就是RLV。正如老兄和松鼠兄所言,需求是最大的问题。现阶段有什么任务是只有航天飞机才能胜任的?多人员的往返、复杂的维护任务、大质量轨道载荷的返回等少数几种,而且总任务量比起商业发射又之又少。
大家对RLV的前途普遍比较悲观,我也乐观不起来。但是人类航天的运载方式可以三五十年不变,总不能一成不变
 楼主| Nighthawk 发表于 2011-7-10 21:12 | 显示全部楼层
hkhtg090201 发表于 2011-7-10 19:00
根据CCDev-2等:MPCV、CST-100、追梦等都是可复用,‘龙’ 眼下不能复用,不知道将来如何(当初设计目标?) ...

可能是对一次性飞船的结构设计加以优化改进,能够以较低的成本实现返回舱的复用,相比一次性飞船在经济性上会有所改善。
Lsquirrel 发表于 2011-7-10 21:29 | 显示全部楼层
本帖最后由 Lsquirrel 于 2011-7-10 22:18 编辑
hkhtg090201 发表于 2011-7-10 19:00
根据CCDev-2等:MPCV、CST-100、追梦等都是可复用,‘龙’ 眼下不能复用,不知道将来如何(当初设计目标?) ...

这些倒不是太难,返回舱复用主要问题在于防热,这对美国这个航天飞机飞了30年的国家不是大问题。
我以前看到的指标,也就是10次复用而已,给安全性留了很大的冗余。其实我感觉大家漏了俄罗斯,看它的新飞船ppts,到底什么样子都没定论,2010年这个样子,说是联盟的模仿,不过这也只是Roskosmos提到的一个方案
http://www.russianspaceweb.com/ptk_z.html

                               
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2011年巴黎航展能源联合体是这个构型,怀疑他们到底设计确定了没有?
ptk-np_ppts_cf.jpg

点评

罗斯飞船执行空间站运输任务时采用大两舱构型。月球任务或独立飞行时增加一个轨道舱,兼做生活空间和气闸舱。发射采用阿波罗式的设计,轨道舱置于飞船底部,飞船入轨后调转过来对接“拉出”轨道舱。配置很灵活。  发表于 2011-7-10 22:12
一直都对这个轨道舱无语。敢不敢搞个新构型上来,多少年了,恐怕不只是钱的问题吧?  发表于 2011-7-10 21:58
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joki 发表于 2011-7-10 22:03 | 显示全部楼层
目前这几个所谓复用飞船,也就复用个返回舱,推进舱还是一次性的,到底能便宜多少还真是很难说。而且这样的设计就不可能做到短期内再次发射,一年打一回,10次复用差不多用个10年。
私以为,载人航天目前如此低的发射频率下,返回舱复用不是很必要。又是上防热瓦又是强化结构的,美俄这么搞更多的是继承航天飞机的防热技术。反正发射周期间隔这么长,索性舱内关键设备做成模块化、易拆卸、复用的,回收后拆下来用于新的飞船即可,壳子还是一次性使用。这样防热、结构做的轻一些,安全性更好且有利于提高有效载荷系数。轨道器全复用,个人还是更喜欢追梦的设计。

点评

同感  发表于 2011-12-6 22:13
shaolin1254 发表于 2011-7-10 22:11 | 显示全部楼层
本帖最后由 shaolin1254 于 2011-7-10 22:14 编辑

对新一代飞船的复用返回舱,俺觉得不太乐观。从产业的角度看,如果每年的载人飞船需求是6艘,每个复用返回舱可使用5次计算,那每生产6个复用返回舱,就可满足5年需求,总是把相关产业低速维持这对于生产复用返回舱的公司或生产线绝对是个坏消息。高技术的复用返回舱反而砸了自己的长期饭票,断断续续的生产计划导致的成本增加、人员变动等各项开支不会少。
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