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[原创] 使用塞式发动机的可回收火箭

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1143M 发表于 2019-9-3 11:40 | 显示全部楼层 |阅读模式

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有个想法,能不能把一级火箭发动机做成这样,利用塞式发动机对于不同高度膨胀比的自适应提高火箭性能。主发动机用圆锥形的塞式喷管发动机,在中间套一个常规的钟形喷管发动机,塞式发动机提供大部分推力,中央的常规发动机用来提供矢量控制,滚转靠单独的滚转喷口控制。回收的时候塞式发动机关车,靠中央的常规发动机控制着陆。中央的常规发动机和二级火箭发动机可以用同一种减少成本。
3452413.PNG
示意草图,比例不严格



joki 发表于 2019-9-3 11:58 | 显示全部楼层
NSF上有过类似爱好者方案。即F9甲烷化,一级采用组合动力包,Raptor(塞式喷管)+锥体中心一台小推力发动机的布局。
hyperion 发表于 2019-9-3 12:08 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
对于两级布局,一级用塞式喷管意义不大吧?
塞式喷管的尺寸要做成真空喷管那么大,才能在真空中产生那么大比冲。
一级推力与底面积比太小,就算用塞管面积比也做不大,比冲提升很小吧?
outman 发表于 2019-9-3 13:48 | 显示全部楼层
我觉得主要太复杂了,需要的燃烧室太多了吧。
 楼主| 1143M 发表于 2019-9-3 21:09 | 显示全部楼层
outman 发表于 2019-9-3 13:48
我觉得主要太复杂了,需要的燃烧室太多了吧。

一堆小的喷注口,按说比传统的钟形难度还能低一点,但是如何稳定火焰是个问题,估计得在塞式喷管的造型上下点功夫,然后在每个或者其中的几个小喷口上得搞节流控制
 楼主| 1143M 发表于 2019-9-3 21:11 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2019-9-3 12:08
对于两级布局,一级用塞式喷管意义不大吧?
塞式喷管的尺寸要做成真空喷管那么大,才能在真空中产生那么大 ...

比冲能加一点是一点啊,低空到高空这段气压变化很剧烈传统的喷管做折中的话代价还是挺大的。
hyperion 发表于 2019-9-3 21:30 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
outman 发表于 2019-9-3 13:48
我觉得主要太复杂了,需要的燃烧室太多了吧。

HAAS2CA那么小好像也有16个火箭发动机
hyperion 发表于 2019-9-3 21:31 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
1143M 发表于 2019-9-3 21:09
一堆小的喷注口,按说比传统的钟形难度还能低一点,但是如何稳定火焰是个问题,估计得在塞式喷管的造型上 ...

参考HAAS2CA没有矢量喷管,直接靠部分燃烧室节流搞定。N1也打算这样
hyperion 发表于 2019-9-3 21:36 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
1143M 发表于 2019-9-3 21:11
比冲能加一点是一点啊,低空到高空这段气压变化很剧烈传统的喷管做折中的话代价还是挺大的。

以F9为例,一级比冲282-311s。采用塞管后,比冲并不会明显增加,到二级的345s是毫无可能的。因为塞管本身不增加面积比。个人感觉比冲增加也就几秒而已。
 楼主| 1143M 发表于 2019-9-3 23:14 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2019-9-3 21:36
以F9为例,一级比冲282-311s。采用塞管后,比冲并不会明显增加,到二级的345s是毫无可能的。因为塞管本身 ...

比冲增加十几秒就已经非常不得了了,可以带来性能的很大提升。其实主要还是想搞点新花样,如果稳妥的话我还是建议搞传统的一次性火箭,利用自动生产线和生产技术提高火箭生产率降低成本,利用自动化发射系统减少准备周期和发射间隔。如果非要搞复用,我觉得应该搞点新东西,跟人玩一样的就没啥意思了,塞式喷管碰巧是个不错的选择,虽然有技术风险但是收益也很高,对于复用火箭的动力回收来说中间的发动机正好可以填补空缺减少气流分离增加推进效率,回收的时候又能正好够用不至于浪费,相关的技术可以广泛的用在其他火箭发动机上。
 楼主| 1143M 发表于 2019-9-3 23:15 | 显示全部楼层
joki 发表于 2019-9-3 11:58
NSF上有过类似爱好者方案。即F9甲烷化,一级采用组合动力包,Raptor(塞式喷管)+锥体中心一台小推力发动机 ...

求个图参考一下
hyperion 发表于 2019-9-4 07:25 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
1143M 发表于 2019-9-3 23:14
比冲增加十几秒就已经非常不得了了,可以带来性能的很大提升。其实主要还是想搞点新花样,如果稳妥的话我 ...

首先很不可能增加十几秒比冲,几秒也就顶天了。其次只有一级能增加这点比冲,那么总速度增量也就能增加几十m/s,但是换来技术难度大幅增加,干质比也有所降低,很显然是不值得的。塞管只适合SSTO。以F9式SSTO为例,不用塞管那么真空比冲才311s,而使用真空喷管之后配合适当节流设计有望恢复到345s。
 楼主| 1143M 发表于 2019-9-4 08:44 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2019-9-4 07:25
首先很不可能增加十几秒比冲,几秒也就顶天了。其次只有一级能增加这点比冲,那么总速度增量也就能增加几 ...

我不认为比冲这么悲观,当年NASA为了X-33研发的RS-2200是基于J-2发动机搞的,RS-2200海平面比冲347,真空比冲455,J-2海平面比冲200,真空421。拿一个高空发动机去比低空性能肯定不公平,但是真空比冲还差30多秒呢还是比较说明问题的。塞式喷管的适应性实际上就是针对大气层内低空到高空的,如果只是为了真空膨胀比那加个罩子搞个延申喷管就完事了,也不需要塞式喷管,塞式喷管的适应性在这是有积极意义的。另外我不认为通过这个东西会降低干质比,相比钟形喷管,塞式喷管实际上是省重量的,与火箭箭体的融合度也更好
hyperion 发表于 2019-9-4 11:58 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
1143M 发表于 2019-9-4 08:44
我不认为比冲这么悲观,当年NASA为了X-33研发的RS-2200是基于J-2发动机搞的,RS-2200海平面比冲347,真空 ...


你怎么不看真实存在的XRS-2200,室压和面积比都超过J2,然而真空比冲才428.2s。
塞管能提供的改善是海平面和真空都处于最佳状态,但这对于一级发动机真没多大用
hyperion 发表于 2019-9-4 13:10 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
1143M 发表于 2019-9-4 08:44
我不认为比冲这么悲观,当年NASA为了X-33研发的RS-2200是基于J-2发动机搞的,RS-2200海平面比冲347,真空 ...

塞管的本质其实是让高空发动机避免气动分离,从而能较好的适应海平面起飞。
塞管的比冲不可能高于相同面积比且不过度膨胀的钟管。
也即梅林1D就算改用塞管,只要面积比不变,真空比冲就只有311s。
 楼主| 1143M 发表于 2019-9-10 08:59 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2019-9-4 13:10
塞管的本质其实是让高空发动机避免气动分离,从而能较好的适应海平面起飞。
塞管的比冲不可能高于相同面 ...

除了在大气层内特定高度下,塞式喷管的比冲都是优于钟形喷管的,尤其是真空环境下。用钟形喷管的比冲去作为塞式喷管的比冲上限显然是错误的。
hyperion 发表于 2019-9-10 13:47 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
1143M 发表于 2019-9-10 08:59
除了在大气层内特定高度下,塞式喷管的比冲都是优于钟形喷管的,尤其是真空环境下。用钟形喷管的比冲去作 ...

前提是塞管面积比很大呀!面积比相同时,真空比冲就是一样的了。此时塞管只在钟管处于过度膨胀时有比冲优势。但是一级钟管的面积比都不大,过度膨胀段并不长,因此比冲优势段很短。也就起飞后那么一会。
 楼主| 1143M 发表于 2019-9-10 17:23 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2019-9-10 13:47
前提是塞管面积比很大呀!面积比相同时,真空比冲就是一样的了。此时塞管只在钟管处于过度膨胀时有比冲优 ...

钟形喷管一般是不可能做到完全膨胀的,那样代价太大了,绝大部分都是取折中,大气层内是这样,大气层外也是这样。这个折中减掉的比冲还是挺可观的
citymoon 发表于 2019-9-10 17:48 | 显示全部楼层
RE: 使用塞式发动机的可回收火箭 ,看不懂
hyperion 发表于 2019-9-10 18:06 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
1143M 发表于 2019-9-10 17:23
钟形喷管一般是不可能做到完全膨胀的,那样代价太大了,绝大部分都是取折中,大气层内是这样,大气层外也 ...

塞管一样不可能做到完全膨胀的好不,除非“喉道”面积可变。
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