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[原创] 论另一种长征五号构型可行性

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hpufsh 发表于 2018-12-16 20:39 | 显示全部楼层 |阅读模式

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为什么长征五号为当前此类构型(5米氢氧芯级+4*3.35米煤油助推),设计了一款全新火箭只使用3.35米模块足够达到相同目标。即3.35米氢氧芯级(2*YF-77+2*3.35米氢氧储箱+4*3.35米煤油助推(2*YF-100)。本文的思路是借鉴战斗机中副油箱的使用通过额外的燃料储箱来设计一款更高效率的火箭。主要有以下优势:
第一,相比于现有长征五号,发动机均为8YF-1002YF-77.煤油构型完全相同,氢氧模块由一个5米芯级变为一个3.35米芯级加两个3.35米燃料储箱。除了避免因为芯级直径缩小带来的长径比问题,更重要的是两个储箱在完成使命后及时脱离芯级,最终入轨的只有3.35米芯级和载荷,相比5米芯级,空重可减少3-4吨左右(5米氢氧芯级空重为17.3吨,3.35米煤油助推空重为11.7吨,氢氧模块干质比通常低于煤油模块,因此假设3.35米氢氧芯级空重为13.3吨)。保守预测,新型火箭LEO运力可比长征五号(22吨)高3吨为25吨。此外成本也会降低,模块的3.35米箭体要比5米箭体更简单,从工艺和成本分摊角度都能说明此款火箭更有竞争力。至于整流罩,3.35米同样可以顶5米的整流罩。而且还可以内陆发射。
第一,更容易构建合理的火箭运力区间。作为能源构型的火箭,类比能源M打造一款减半助推数量减少芯级发动机数量的方法同样可以取代长征七号,即3.35米氢氧芯级(1*YF-77+2*3.35米煤油助推(2*YF-100.节省了鸡肋的2.25米模块的研发。总发动机数为4YF-1001YF-77,共5台发动机。而长征七号则多达(6+410台发动机。一级半相比二级半也拥有更高的可靠性,有利于满足后期载人的需求。
第二,除了更低运力,更高运力也同样可以构建。我国目前最大的火箭直径为5米,以此为思路将5米替换3.35米,可得到更高的运载水平火箭。之前珠海航展上的一款载人火箭为5米芯级,搭载7YF-100发动机,我们以此作为5米煤油模块。LEO运力50吨的火箭可采用以下构型,即5米氢氧芯级(4*YF-77+2*5米煤油助推(7*YF-100.LEO运力100吨的火箭可采用以下构型,即5米氢氧芯级(7*YF-77+2*5米氢氧储箱+4*5米煤油助推(7*YF-100.
第三,关于可复用火箭。此种构型也为以后发展复用火箭提供便利。当火箭实现了可靠复用之后,火箭发展不同运力区间将变得不再必要。而且考虑到单位吨位复用成本,尽可能的复用大型火箭更有利可图也更现实。因此针对运力LEO100吨的火箭复用,通过加入一次性上面级,储箱-助推模块和芯级模块均可实现回收并重复使用。
最后给出本人构想的中国系列火箭家族

大型火箭

大型火箭

小型火箭

小型火箭
joki 发表于 2018-12-16 20:48 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
这个就是运用cf的范畴了,并联可抛储箱概念历史上苏联搞过。
ssizz 发表于 2018-12-16 22:17 | 显示全部楼层
如果一开始YF-100被设计为150吨级,那一切又不一样了
ddeell72 发表于 2018-12-17 08:16 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
YF220搞个起飞版 芯一级一台  四台YF240助推器
oaki911 发表于 2018-12-17 10:00 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
ssizz 发表于 2018-12-16 22:17
如果一开始YF-100被设计为150吨级,那一切又不一样了

100k有潜力升级为200吨级。
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hand 发表于 2018-12-17 12:19 | 显示全部楼层
oaki911 发表于 2018-12-17 10:00
100k有潜力升级为200吨级。

这个有难度呀,主要系统都得改。泵系,燃烧室,推力室,喷注器,阀件。。。跟新新研区别不大
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ssizz 发表于 2018-12-17 12:27 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
hand 发表于 2018-12-17 12:19
这个有难度呀,主要系统都得改。泵系,燃烧室,推力室,喷注器,阀件。。。跟新新研区别不大

200吨潜力是maya在十几年前的说法,大概就是印度那个200吨那样的。现在有YF480在研,没谁会去这么折腾了。
joki 发表于 2018-12-17 12:33 | 显示全部楼层
ssizz 发表于 2018-12-17 12:27
200吨潜力是maya在十几年前的说法,大概就是印度那个200吨那样的。现在有YF480在研,没谁会去这么折腾了 ...

maya已经不上坛子n多年了吧。。。
goushikai 发表于 2018-12-17 12:40 | 显示全部楼层
如果目标是星辰大海的话,就要发展大推力高效率的发动机,长五应该只是练练手而已。一台发动机能搞定的事,非要用四台甚至更多台干嘛?冗余?不存在的。
oaki911 发表于 2018-12-17 15:59 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
hand 发表于 2018-12-17 12:19
这个有难度呀,主要系统都得改。泵系,燃烧室,推力室,喷注器,阀件。。。跟新新研区别不大

yf-200没难度,想立个大项目挺难的。以升级为目标立项更容易,比如yf-77m
sunweii 发表于 2018-12-17 23:53 | 显示全部楼层
按这个思路,假如把YF-480用于3.35米助推,如何?
ssizz 发表于 2018-12-18 00:58 | 显示全部楼层
sunweii 发表于 2018-12-17 23:53
按这个思路,假如把YF-480用于3.35米助推,如何?

泵系管路等等不像是能塞进3.35米箭体的样子,RD-180倒是刚好。
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ddeell72 发表于 2018-12-18 07:43 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
既然YF220要搞闭循环分级燃烧了  那干脆做成起飞级 比啥都给力
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joki 发表于 2018-12-18 08:16 | 显示全部楼层
ssizz 发表于 2018-12-18 00:58
泵系管路等等不像是能塞进3.35米箭体的样子,RD-180倒是刚好。

单发应该可以,早前CZ9方案有3.35米单YF480助推的构型。不过喷管超限,大概率得加发动机整流罩。
楼主的这个构型本质上相当于多了一次分离,将芯级部分质量早抛掉,跟微风上面级的工作方式很接近,理论上提供更高的性能,这个没有什么问题。但是不是经济就值得商榷了。选3.35米径的优势是可以内陆运输,降低开发难度(5米没突破之前)。但在突破大直径箭体的情况下,除非内陆配套必要否则化整为零不见得经济。特别是氢氧储箱,出了名的难伺候。变成3个模块反倒加大了组装、测试、整备的复杂度。增加了2套增压系统、cf系统,多了一次分离也增加了系统复杂度。结构上,由于可抛的两侧储箱和芯级受力情况差异极大,要通用难度很大,或许需要专门分别设计,进一步增大了复杂度降低经济性。苏联当初搞出来这种构型后没有上,大概也是因为复杂度偏高。
对于回收复用,特别是VTVL,由于级间比的问题依然没有得到有效的优化,也不是特别理想。
PS:但要说这个概念一无是处,也不尽然。如果一次性低成本烃类低温上面级在确保可靠性的情况下采取类似设计(低温版微风),或许有助于增强高速任务能力(相当于+0.5级)。
oaki911 发表于 2018-12-18 14:55 | 显示全部楼层
有了LEO 70吨级,921新载人运载火箭,发射两枚就140吨LEO了、大规模登月都足够了。

不过,这个方案用于10米直径以及YF-480和YF-220,CBC后可以用于大规模登陆火星。
ssizz 发表于 2018-12-18 16:34 | 显示全部楼层
joki 发表于 2018-12-18 08:16
单发应该可以,早前CZ9方案有3.35米单YF480助推的构型。不过喷管超限,大概率得加发动机整流罩。
楼主的 ...

供一台YF-480工作160s左右的3.35米贮箱都得30米长。
如果是两台150吨级的,那么尺寸上倒是刚好。
joki 发表于 2018-12-18 16:41 | 显示全部楼层
ssizz 发表于 2018-12-18 16:34
供一台YF-480工作160s左右的3.35米贮箱都得30米长。
如果是两台150吨级的,那么尺寸上倒是刚好。

按楼主的思路,如果不考虑内陆运输。那么作为芯级,左右各挂一个等长的,合计工作480s,应该是足够工作到低轨了。
ssizz 发表于 2018-12-18 17:07 | 显示全部楼层
joki 发表于 2018-12-18 16:41
按楼主的思路,如果不考虑内陆运输。那么作为芯级,左右各挂一个等长的,合计工作480s,应该是足够工作到 ...

还记得我以前提过并联(不抛)贮箱起飞级么?类似于质子的起飞级。
因为混合比2.6时,液氧煤油的体积比大概是1.8X:1,于是近乎等长度的2个氧箱和1个煤油箱并起来做起飞级,贮箱总数减少,箱底总数减少,降成本减空重。起飞级整体降落回收。要是YF-100K允许以134吨左右的推力起飞就更好了,这样起飞级只需要5台YF-100K(中间一台)。起飞重量540吨左右。
oaki911 发表于 2018-12-18 18:44 | 显示全部楼层
ssizz 发表于 2018-12-18 17:07
还记得我以前提过并联(不抛)贮箱起飞级么?类似于质子的起飞级。
因为混合比2.6时,液氧煤油的体积比 ...

这些好技术都放在改进型长九上吧,3.35或者5.0米直径的外挂氧箱2*n个、不分离,就可以支持12台到21台YF-480一级了,整箭高度降低很多、控制还是实验都更容易。


                               
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joki 发表于 2018-12-18 22:26 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
ssizz 发表于 2018-12-18 17:07
还记得我以前提过并联(不抛)贮箱起飞级么?类似于质子的起飞级。
因为混合比2.6时,液氧煤油的体积比 ...

这老问题了,储箱结构简化,燃料输送复杂化。特别是中间发动机的存在(跟质子不同),液氧需要从4个助推引入,为了简化可以是对称两个。一次性还好,对应两侧助推发动机后段节流省出来。如果要兼顾VTVL需预留较多,估计还是得四个同时引入并配合不同使用时序。
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