航空航天港

 找回密码
 注册会员

QQ登录

只需一步,快速开始

123下一页
返回列表
查看: 2828|回复: 46
收起左侧

[原创] 海龙(Sea Dragon)的传奇

  [复制链接]
贝尔纳多特 发表于 2018-11-14 20:29 | 显示全部楼层 |阅读模式

对本站感兴趣的话,马上注册成为会员吧,我们将为你提供更专业的资讯和服务,欢迎您的加入!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?注册会员

x
海龙(Sea Dragon)的传奇

请勿转载

p25760037.jpg

海龙利维坦的毁灭(古斯塔夫.多雷/Gustave Doré作,1865年)

航天发射的历史长河之中有着无数停留在绘图板上的火箭计划,在那些最著名的方案中就有海龙,它是一个庞然大物,甚至土星火箭在其面前都相形见拙。

海龙这个点子是美国海军火箭先驱罗伯特.特魯阿克斯(Robert Truax)想出来的(当时他已退休)。特魯阿克斯曾在北极星潜射导弹、维京探空火箭和索尔中程弹道导弹(IRBM)等项目上发挥过重要作用,当他于20世纪60年代在喷气飞机通用公司(Aerojet General)工作时,根据一份美国国家航空航天局(NASA)的合同,负责此方案的设计研究。项目的最终报告于1963年1月提交。

p25760067.jpg

海龙向倾角90度的低地球轨道发射载荷的能力与土星5火箭的粗略对比

按照特魯阿克斯的方案,这种火箭可以将550吨的载荷送入一条306海里高的圆轨道,这差不多是土星5火箭载荷能力的4倍。由于起飞重量高达18000吨,海龙大到不能从陆地上发射,所以计划中它将被拖到海上发射,不过在特魯阿克斯看来,这却成为了一个优点,他认为这将摆脱昂贵岸基发射设施的建造。此火箭直径23米,高150米,这还不包括发射它所需的海上压载平台,而如果安装一个太空舱和逃逸塔的话,高度还要再加15米。

为了减少成本,特魯阿克斯提出使用相对简单的技术。由于偏向于挤压式发动机,因而淘汰了涡轮泵,火箭每级只有一部发动机,推进剂类似于土星5。海龙的第一级推进系统包括一台采用RP-1煤油/液氧的发动机,推力近8千万磅,几乎超出土星5上F-1发动机50倍。海龙的第二级推进系统包括一部采用液氢/液氧的发动机,推力1412万磅,超出土星5火箭上面级使用的J-2发动机差不多60倍。预计这将是有史以来研制的最大型RP-1和液氢发动机。

特魯阿克斯一直鼓吹以大设计余量的结构强化来减少成本。喷气飞机公司提议在一座船厂内使用造船材料,而非昂贵的航天材料制造海龙。这种通过低成本工业途径来进行制造的方式为后来那些设计了大傻推进器(Big Dumb Booster,BDB)或最低成本设计(MCD)的火箭工程师们所青睐。根据BDB和MCD所提倡的方式来降低成本并不需要重复使用硬件,而是按大余量利用规模化生产的低成本来制造极为简单的一次性硬件。在退役美国空军中校约翰.伦敦(John London)所著的《廉价低地球轨道之旅,实现大幅减少航天发射成本的方法》(LEO on the Cheap. Methods for Achieving Drastic Reductions in Space Launch Costs)一书中就纪录有这些想法,而此书也已成了BDB/MCD设计师们的“圣经”。

但是,特魯阿克斯与后来那些追随者们的想法有一个很大的不同,在他看来,并不需要大规模生产海龙,同时发射完也不意味着可以一了百了。他认为较低的发射成本需要硬件可以重复使用,因此,在设计上,海龙可以利用巨型气囊减速再入,于海面溅落后,它将被回收。而这一要素恰恰是BDB/MCD的设计师们在引用海龙为设计先例时很少提及的。

可是,在海龙的研究中,BDB/MCD设计师们还忽略了另一个问题,就是他们中几乎没有人从工程经济角度来仔细探索这种火箭。设计研究中的数字也显示出海龙并不会如预期般便宜。

喷气飞机通用公司对海龙项目的研究结果总结如下:

大体上,此研究从成本角度确认了巨型、相对简易、可回收再利用运载火箭的有效性。预计开发总成本为28.36亿美元。直接发射相关费用为每磅载荷10美元至20美元。将研发成本分摊到240次发射中的话,则成本效益大约可控制在每磅载荷20美元至30美元。虽然原方案上并没有不可解决的技术问题,但是完全被动式可回收系统的技术可行性尚未得到验证。

p25760114.jpg

罗伯特.特魯阿克斯/喷气飞机通用公司海龙火箭方案与航空母舰的比例

这些全都是基于1962年的美元币值。1962年的1美元差不多相当于现在的7.6美元,所以按今天的美元来衡量,其开发总成本为215.5亿美元,同样,如果此研究可信的话,直接运营成本大致在每磅75美元至150美元之间(海龙不会被当作一种廉价系统运营,一艘核动力航空母舰将作为其支援舰,此航空母舰的核反应堆用于在海上生产加注火箭所需的液氢与液氧)。

研究中失败之处包括,虽然喷气飞机通用公司将研发成本分摊到240多次发射中(假定在10至20年内,每年发射12至24枚),然而很不幸,他们只是简单累积了240次发射的总成本,却没有考虑到币值变动带来的影响。

p25760123.jpg

p25760397.jpg

海龙火箭方案

对于分摊成本而言,10年至20年是一个很长的周期,利息在这么长的时间内肯定会有明显的变动。即便海龙作为一个政府项目上马,利息问题也不容忽视。考虑到项目必须从政府国库中“借”钱,所以按优惠利息还款就很重要。

初期借款可以引入人为低利率,但这不能反映出航天项目的内在风险程度。通过向纳税人转嫁风险,政府项目可以在无形中规避这个问题,如此便出现了所谓的“滑稽会计学”。可私人投资者不会这样干,根据经验,面对这样的风险项目,他们也许期待内部收益率(IRR)至少为50%。

根据总成本215.5亿美元计算,意味着必须要向初期投资者们回馈与补偿107.8亿美元,来弥补他们承担的风险。如此一来,假设每年发射24次,便相当于每次发射需4.49亿美元,而如果每年发射12次,则每次发射需8.98亿美元。按一年发射24次计算,这使得每磅发射成本增加了408美元,而按一年发射12次计算,则每磅发射成本将增加816美元。

因此,以每年发射24枚火箭计算,海龙的发射总成本为每磅483美元至558美元,而基于每年12次发射的话,则发射总成本为每磅891美元至996美元,这比起原先预期的每磅150美元至300美元的发射总成本要高出许多。

而最大的问题在于,当时对于这么大的火箭来说,全年12次发射根本是不现实的,那相当于每年发射48枚土星5火箭。即便在阿波罗项目的高潮阶段,NASA也没有在一年中发射过两枚以上的土星5火箭。至于将海龙研究与一个非常大的政府火星项目联系在一起,根本就是无稽之谈。

放到如今来看,整个国际空间站(ISS)总质量不到100万磅。也就是说,为了满足低发射需求,海龙每年都要发射相当于12个国际空间站的任务,而即便采用了低发射率,也根本找不到这么多的任务来支持海龙运营。一旦达不到每年12次的目标发射率,那么其经济性就会转差。一旦变成每年6次发射,那么成本将达到每磅1707美元至1782美元,而如果年发射率减为4次,则成本将高达每磅2574美元至2599美元。

即便是看上去较为乐观的每年发射4至6次,也几乎能实现当时整个世界的发射需求。

大傻推进器的粉丝们也许会争辩说,一旦低成本发射系统实现,那么需求会提高。这种想法确实站得住脚,但增加不会一蹴而就,为了适应低成本发射的优点而开发新型载荷与市场要有个过程,而对需要经历长期政策拨款周期的政府载荷来说这点更加重要。投资额将不断增长,在投资者们等待新市场开发的过程中,资金成本将一路上涨。

如同另一位火箭先驱马克斯.亨特(Max Hunter)提到的“有限飞行率压迫。”即使在非常乐观的前提下,如喷气飞机公司所愿,海龙每年能发射24次,它也不足以成为一种能有效运作的可回收火箭。可重复使用的经济性大概需要每年进行数以百计,甚至是数以千计的航天发射。这样的发射率无论是现在,亦或是在可以预见到的不远的未来都不会与几百万磅载荷相协调。

总而言之,想将这样一种巨型运载火箭强加给现有市场,是犯了运载火箭产业的典型错误,这也是航天飞机未能成为一种可行商业发射系统的原因之一(实际上即便航空产业也在这个问题上犯过错,比如霍华德.休斯/Howard Hughes的H-4云杉鹅巨型水上运输机)。
hyperion 发表于 2018-11-14 20:36 | 显示全部楼层
为什么傻火箭要大得如此过分才会具有经济性呢?比如降低到3000t起飞重量,75tLEO的话,价格会怎么样呢?这个规模下年发射量就可以比较充分了,应该不比超大型方案贵吧?
9m96e2 发表于 2018-11-14 21:03 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2018-11-14 20:36
为什么傻火箭要大得如此过分才会具有经济性呢?比如降低到3000t起飞重量,75tLEO的话,价格会怎么样呢?这 ...

大概就是这个了https://rippleaerospace.com/

另外文章的成本核算忽略了一个问题,Sea Dragon并非是作为商业运载工具设计的,更像是一个属于月球基地/载人火星任务的Saturn V,而215亿的总投资哪怕相对于设计上非常省的SLS项目来讲也不算太多
纸飞机 发表于 2018-11-14 21:21 | 显示全部楼层
9m96e2 发表于 2018-11-14 21:03
大概就是这个了https://rippleaerospace.com/

另外文章的成本核算忽略了一个问题,Sea Dragon并非是作 ...

如果是登月和火星任务,这个低干质比并且是两级设计的火箭非常不合适吧
9m96e2 发表于 2018-11-14 21:42 | 显示全部楼层
纸飞机 发表于 2018-11-14 21:21
如果是登月和火星任务,这个低干质比并且是两级设计的火箭非常不合适吧

LEO组装或者加上面级嘛

实际上得益于超大体积、以及挤压发动机的高推重比带来的低重力损失, Sea Dragon在回收一级的情况下有2.5%的运载系数,不算太差吧
hyperion 发表于 2018-11-15 12:15 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
9m96e2 发表于 2018-11-14 21:42
LEO组装或者加上面级嘛

实际上得益于超大体积、以及挤压发动机的高推重比带来的低重力损失, Sea Drago ...


话说廉价上面级应该怎么做?超大氢氧储箱搭配燃气发生器循环火箭发动机?按完全版海龙的配置,装四五百吨氢氧推进剂似乎不是问题,然后再搭配一台几十吨推力的便宜发动机即可?反正空间转移用小推比也行。航天飞机的外贮箱造价大约多少有文献说没?
还是说反正海龙发射也不过,上面级继续用低干质比挤压循环氢氧级会更便宜?
darklighter 发表于 2018-11-15 13:04 | 显示全部楼层
先收藏再拜读
hyperion 发表于 2018-11-15 19:57 | 显示全部楼层
9m96e2 发表于 2018-11-14 21:42
LEO组装或者加上面级嘛

实际上得益于超大体积、以及挤压发动机的高推重比带来的低重力损失, Sea Drago ...

话说在轨加注推进剂和将储箱模块与发动机模块在轨对接哪个更困难?
joki 发表于 2018-11-16 10:38 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2018-11-15 12:15
话说廉价上面级应该怎么做?超大氢氧储箱搭配燃气发生器循环火箭发动机?按完全版海龙的配置,装四五百 ...


廉价上面级难道不是用液氧煤油?反正海龙类运力都这么大。液氧煤油蒸发控制还省事,实在不行搞两级。
joki 发表于 2018-11-16 10:44 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
海龙是个不错的概念,问题是为啥上来非得搞这么大?
如果搞个运力几吨的中型火箭,甚至是小运载,行不行?
oaki911 发表于 2018-11-16 10:51 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
joki 发表于 2018-11-16 10:44
海龙是个不错的概念,问题是为啥上来非得搞这么大?
如果搞个运力几吨的中型火箭,甚至是小运载,行不行?

现在不合时宜了,多机并联备份和CBC足以实现并成本更低。
joki 发表于 2018-11-16 10:55 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
oaki911 发表于 2018-11-16 10:51
现在不合时宜了,多机并联备份和CBC足以实现并成本更低。

是说六十年代刚提出概念的时候
Lsquirrel 发表于 2018-11-16 11:11 | 显示全部楼层
joki 发表于 2018-11-16 10:44
海龙是个不错的概念,问题是为啥上来非得搞这么大?
如果搞个运力几吨的中型火箭,甚至是小运载,行不行?

不行,它就是靠大质量和大发射两来实现理想的低成本。如果火箭缩小到普通中型火箭规模,发射次数也没那么多次,挤压循环和大设计余量的结合,它就彻底没有竞争力了
9m96e2 发表于 2018-11-16 11:17 | 显示全部楼层
joki 发表于 2018-11-16 10:44
海龙是个不错的概念,问题是为啥上来非得搞这么大?
如果搞个运力几吨的中型火箭,甚至是小运载,行不行?

互联网泡沫时期的Beal是这种思路(Mcgregor正是从Beal手中收来的)
http://www.astronautix.com/b/bealba-2.html
用碳纤维缠绕容器作为壳体,两级过氧化氢煤油发动机+挤压氢氧上面级,运载系数也过得去
但使用船厂建造这个优势是没有了,尤其在60年代潜艇刚刚下过饺子后这是很重要的一点优势
9m96e2 发表于 2018-11-16 11:17 | 显示全部楼层
joki 发表于 2018-11-16 10:44
海龙是个不错的概念,问题是为啥上来非得搞这么大?
如果搞个运力几吨的中型火箭,甚至是小运载,行不行?

互联网泡沫时期的Beal是这种思路(Mcgregor正是从Beal手中收来的)
http://www.astronautix.com/b/bealba-2.html
用碳纤维缠绕容器作为壳体,两级过氧化氢煤油发动机+挤压氢氧上面级,运载系数也过得去
但使用船厂建造这个优势是没有了,尤其在60年代潜艇刚刚下过饺子后这是很重要的一点优势
喵科动物 发表于 2018-11-16 11:29 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
9m96e2 发表于 2018-11-16 11:17
互联网泡沫时期的Beal是这种思路(Mcgregor正是从Beal手中收来的)
http://www.astronautix.com/b/bealb ...

Vector也是缠绕储箱挤压发动机,不过公司看起来很不专业。
9m96e2 发表于 2018-11-16 11:47 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
喵科动物 发表于 2018-11-16 11:29
Vector也是缠绕储箱挤压发动机,不过公司看起来很不专业。

Beal是碳纤维缠绕金属壳体,Vector不是纯碳纤维的么?
hyperion 发表于 2018-11-16 11:52 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
joki 发表于 2018-11-16 10:38
廉价上面级难道不是用液氧煤油?反正海龙类运力都这么大。液氧煤油蒸发控制还省事,实在不行搞两级。

海龙都用了氢氧二级,上面级还变回美油?
hyperion 发表于 2018-11-16 11:54 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
Lsquirrel 发表于 2018-11-16 11:11
不行,它就是靠大质量和大发射两来实现理想的低成本。如果火箭缩小到普通中型火箭规模,发射次数也没那么 ...


用来做助推器呢?能比固推便宜吧?起码复用起来似乎很容易,伞降海面溅落即可,清洗一下加注推进剂就能用了。
hyperion 发表于 2018-11-16 12:18 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
9m96e2 发表于 2018-11-16 11:17
互联网泡沫时期的Beal是这种思路(Mcgregor正是从Beal手中收来的)
http://www.astronautix.com/b/bealb ...


话说复材结构挤压火箭的干质比能做到多少?
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册会员

本版积分规则

QQ|小黑屋|航空航天港 ( 豫ICP备12024513号-1 )

GMT+8, 2019-7-24 00:03 , Processed in 0.312000 second(s), 25 queries , Gzip On.

技术支持:飞腾网络

© 2001-2018

豫公网安备 41019702002513号

快速回复 返回顶部 返回列表