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[原创] 为火箭插上翅膀

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paulpeng 发表于 2017-5-29 20:52 | 显示全部楼层 |阅读模式

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火箭的重复使用是未来太空旅行的基础,而重复使用的方案也很多,SpaceX的猎鹰是现在比较流行的一种。之前的航天飞机,技术上是成功的,但经济性上失败了。还有各种方案,都还在纸上,脑袋里。终有一天,我们会找到一个最适合的方案。
我们的方案是结合航天飞机和空射飞马座方案。达到降低航天飞机的技术要求,而提高飞马座运载能力的折中方案。
回到具体方案。先上图:

图1

图1


1:外观上就是为火箭的一级加上翅膀。
2:火箭一级增加飞机发动机(黄色部分)

方案很简单,我们重用的是火箭的一级。它使用垂直发射,飞行降落回收。在现役火箭的基础上加翅膀,飞机发动机,起落架和新的飞控。
为什么垂直发射:其实最早希望设计类似飞马座的方案,火箭是飞机的部分,但飞机是横着起飞的,目前材料使得其重量无法太大,而垂直发射对重量要求就低得多,看看航天飞机和土星5号就知道了。
为什么飞行降落:首先,飞行降落对于结构冲击应该是最小的,这可以保证简单维护就可以重复使用。更重要的是翅膀为减速提供了不使用燃料的可能。

前面说到方案是结合航天飞机和空射飞马座方案,看看我们的取舍。首先航天飞机也是垂直发射,飞行降落回收,但它回收的是入轨级,为了降低难度,我们回收第一级,就好比用航天飞机作为火箭第一级来使用。相比飞马座,飞机是其第一级,由于飞机的可重复使用性,大大降低了发射成本和提高了快速再发射的能力,我们通过垂直发射来大大提高发射重量同时,大幅降低自身重量。
航天飞机作为高标准的垂直起飞,飞行降落回收的样板,可以说本方案技术上没有问题,但是方案成败的关键是我国现有技术是否可以达到,实现后的经济性如何。下面是我认为可行的原因:
  • 翅膀对于火箭的发射飞行影响可控。翅膀越薄越轻越好。
  • 分离速度:这是最可控,但也是最难选择的,需要在实验和折中过程中确定。分离速度越大,减速时对于结构和材料(耐热)要求越高。3马赫以下肯定没问题,不过比较理想的分离速度应该在2km/s左右。
  • 减速问题,减速靠翅膀和箭体,难点是姿态控制。
  • 由于飞行,降落回收的为无燃料的一级,回收时重量相对小,对于结构要求低,飞行控制也不会太难(天气也可选择)。无人机技术已经成熟。
  • 重复使用,飞行降落应该是冲击最小的。重复使用的关键还是火箭发动机的重复使用问题,但这是所有重复使用的基础,和具体方案无关。

增加的部分:
  • 机翼设计:重点考虑的是重量。轻,薄是关键。既要保证发射影响小,飞回,降落的可控,又要兼顾结构强度和耐热。飞行控制可以使用机翼,也可以用姿态控制火箭。
  • 飞机发动机:最简单可靠的就可以,只要推力够就好。
  • 飞控系统:主要看用机翼,还是姿态控制火箭,应该只使用其中一种。使用舵面控制或许重量比较轻,但如果减速过程只能靠姿态控制火箭,全部使用姿态控制火箭或许更方便。
  • 起落架等其他:轻,可靠是关键。因为飞行条件比较固定,包括天气,飞速等都可以选择,所以不需要考虑太多太复杂的情况。


9m96e2 发表于 2017-5-30 07:04 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
http://www.astronautix.com/a/ariane5fls.html
http://www.astronautix.com/s/shuttlelrb1989.html
30年前就相当流行的方案了,主要的问题恐怕是开发成本过高了。此外如果用于芯一级的话,钝头对回收时的气动相当不利吧?
registered 发表于 2017-5-30 07:53 | 显示全部楼层
按飞机要求设计的第一级箭体,干质比会非常非常低吧。
9m96e2 发表于 2017-5-30 09:04 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
registered 发表于 2017-5-30 07:53
按飞机要求设计的第一级箭体,干质比会非常非常低吧。

我觉得这倒不是大问题,777—300干重160吨,机身加机翼总容积在2000立方米以上,装液氧煤油的干质比和atlas V差不多。
herry1993 发表于 2017-5-30 09:20 | 显示全部楼层
9m96e2 发表于 2017-5-30 09:04
我觉得这倒不是大问题,777—300干重160吨,机身加机翼总容积在2000立方米以上,装液氧煤油的干质比和atl ...

猎鹰9的干重不到28吨, 这么重就飞不起来了
9m96e2 发表于 2017-5-30 09:54 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
herry1993 发表于 2017-5-30 09:20
猎鹰9的干重不到28吨, 这么重就飞不起来了

我前面贴的两个氢氧方案都飞的起来,那为什么你觉得密度高出3倍多的液氧煤油会有问题?
F9的贮箱容积只有500多m^3,按777的结构质量来算也不过40吨出头罢了。更何况只在一级使用,十几吨的死重相对一百多吨的二级来讲不算什么。
 楼主| paulpeng 发表于 2017-5-30 20:43 | 显示全部楼层
干重肯定会增加,对最终载荷肯定有影响。这是重复使用必然的代价,不过增加的是一级,加十多吨,对于载荷影响有限。猎鹰9回收最大的问题是用反推减速,其增加的重量主要不在结构,而是反推消耗的燃料。
对于钝头,主要是是否影响飞行,由于飞行时间很短,只要推力够,维持飞行就好。其实如果可以像航天飞机那样直接滑行回机场,连飞机发动机都可以省了。不过开始不要把要求定得太高。

题外话,航天就是一个大钱坑,点错科技树,再多钱下去都没用,就算点对科技树,钱不够,也填不平。单从技术上说,目前有能力的国家只有美国,毕竟入轨的航天飞机都重复使用了,可惜美国现在太穷,真是浪费了领先的技术(本人不看好猎鹰9的回收,是棵歪脖子树)。对于我国,大推力煤油发动机还是新东西,成熟的重复使用估计还得一段时间。
9m96e2 发表于 2017-5-30 22:38 | 显示全部楼层
paulpeng 发表于 2017-5-30 20:43
干重肯定会增加,对最终载荷肯定有影响。这是重复使用必然的代价,不过增加的是一级,加十多吨,对于载荷影 ...

以前看过几篇论文,关机速度在M3以下才能无动力滑翔返场。速度更高的情况下基本都是先再入之后再掉头返场的,得飞个几百公里
顺理成章 发表于 2017-5-31 10:12 | 显示全部楼层
是个好点子,有必要坐进一步研究
 楼主| paulpeng 发表于 2017-6-1 21:37 | 显示全部楼层
补充:
发动机的重复使用是基础,说到发动机谁家强,这点没争议,美国领着一班盟友在氢氧发动机上领先,毛子则在煤油发动机上独领风骚。我们只能算第二梯队,不过现在我们投入很大,达到第一梯队只是时间问题。
关于分离速度,这是成败的关键,能达到多少,或许会成为各国在同一方案下,因本国技术限制而形成不同的版本。
分离速度参考。
长征5助推器分离速度大约 2700m/s。
土星5一级分离速度大约2390m/s。
Ariane 5助推分离速度大约2000m/s。
所以分离速度达到2000m/s以上是一级或助推器比较普遍的能力。
不过在一级要回收情况下,分离速度越高,对于回收难度就越大。在回收过程中,减速是最困难的部分。猎鹰9用反推减速,这是最简单,可行的方法,但代价也很大。航天飞机选择了困难的方案,这也是可以做到花最小的重量代价的方案,毕竟航天飞机是要入轨的,每一克都很宝贵。从网上的一些数据,3M是回收热障的分界点,低于3M的回收,可以不改变火箭箭体材料。所以分离速度在3M以下,减速难度大大下降。要进一步增加分离速度,防热是必须考虑的,要么选择更耐高温的材料,要么用上防护涂层,或者打水漂延长再入时间。这要根据技术水平决定,而不同方法对于最终能达到的最高分离速度也不同。哪个最好,没有可知数据,无法讨论。至于速度降到音速以下,就是无人机飞行,降落的问题。我觉得能解决减速问题的国家应该没问题,反正我国肯定没问题。
3431 发表于 2017-6-2 00:04 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
paulpeng 发表于 2017-6-1 21:37
补充:
发动机的重复使用是基础,说到发动机谁家强,这点没争议,美国领着一班盟友在氢氧发动机上领先,毛 ...

3M是每小时3000公里左右吧
 楼主| paulpeng 发表于 2017-6-2 19:57 | 显示全部楼层
3431 发表于 2017-6-2 00:04
3M是每小时3000公里左右吧

高空差不多是这数。
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