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[发动机] 关于航天运载器的设想

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净空 发表于 2020-1-9 18:56 | 显示全部楼层 |阅读模式

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关于航天运载器的设想
4年前我曾设想电磁弹射-冲压发动机-火箭发动机组合的推进器把载荷运送的轨道的设想。现在向各位航天爱好者介绍一下:
当时看了有关航天科技公司启动了涡喷+冲压+火箭的组合动力运载器预研的一些报道。我想涡喷发动机结构复杂,推重比远不如火箭发动机,并且发动机停止工作后就是死重,这种涡喷+冲压+火箭的组合方案不十分理想。那么什么方案理想呢?减少死重就是增加有效载荷。所以可以把组合动力的涡喷单元替换成地面电弹,采用磁浮动力是最合适的。当组合体初速度达到冲压发动机的初始工作速度后冲压+火箭的组合离开地面,这样就省去了涡喷发动机的死重了,并且节省了组合动力运载器的燃料燃烧。可能要达到冲压发动机工作的初始速率需要较长的轨道,这样较长的轨道占地面积较大,建设费用搞。是否可以修一一定直径的环形轨道?这样就解决了轨道长度和占地问题。另外,冲压发动机工作需要相对较高的初始速度,低海拔地区空气密度较大,磁浮环形轨道可以建设到高海拔地区,比如青藏高原上。海拔4300m的地方气压约为海平面的50%,这样在相同速度下同一飞行体的气动阻力就降低了75%。我认为:地面磁浮+冲压+火箭的组合方案比涡喷+冲压+火箭的组合方案好。不知道我这个想法是否可行?

淡蓝色幽灵 发表于 2020-1-9 19:38 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
感觉有几个问题……

1.冲压发动机最大工作速度4马赫,而达到入轨速度需要24马赫,后面20马赫都需要火箭发动机提供,那冲压发动机几乎可以直接省略。

2.因为需要大气中的氧所以需要在大气中工作,这就有气动加热问题,防热结构增加的重量是否比节省的氧化剂重量更大?

3.冲压发动机规模可以做多大,在提高规模上是否会比星舰那样的化学火箭难度更大?
淡蓝色幽灵 发表于 2020-1-9 19:41 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
其实复合动力空天飞机方案几乎这几个问题都无法避免。

节省的氧化剂重量是否足够抵消防热结构重量,

规模是否可以简单放大。

这几个问题导致我认为空天飞机只适合军用。民用需要降低成本和增加规模的情况下空天飞机就存在比较大的问题了。
老狼 发表于 2020-1-9 19:45 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
两个问题,超燃冲压发动机启动需要M3~M5,第二环形轨道需要考虑离心力,在超音速状态工程难度比直线轨道高几个数量级
老狼 发表于 2020-1-9 19:52 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
淡蓝色幽灵 发表于 2020-1-9 19:38
感觉有几个问题……

1.冲压发动机最大工作速度4马赫,而达到入轨速度需要24马赫,后面20马赫都需要火箭 ...

超燃冲压启动速度需要差不多M4,工作速度差不多到M15~M20,巡航高度30~50KM,气动加热应该还行吧
hyperion 发表于 2020-1-9 20:03 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
老狼 发表于 2020-1-9 19:52
超燃冲压启动速度需要差不多M4,工作速度差不多到M15~M20,巡航高度30~50KM,气动加热应该还行吧

海平面M4的动压高达1.1MPa,感觉很难承受吧?
 楼主| 净空 发表于 2020-1-9 20:18 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2020-1-9 20:03
海平面M4的动压高达1.1MPa,感觉很难承受吧?

海拔4300m的气压约为海平面的一半,动压和空气密度的平方成正比。海拔4300m的动压约为海平面的1/4。速度为4M时海平面动压我不知道是多少?如果按你说的为1.1PMPa,那么海拔4300m时动压为1.1MPa的1/4,为0.2751MPa.
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老狼 发表于 2020-1-9 20:20 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2020-1-9 20:03
海平面M4的动压高达1.1MPa,感觉很难承受吧?

海平面肯定不行,可以找个倾角和海拔都合适的山脊,依山脊而建,出口高度最少也需要5~6KM
 楼主| 净空 发表于 2020-1-9 20:25 | 显示全部楼层
老狼 发表于 2020-1-9 19:45
两个问题,超燃冲压发动机启动需要M3~M5,第二环形轨道需要考虑离心力,在超音速状态工程难度比直线轨道高 ...

是的。我当时也考虑到环形过道离心力过载的问题。运载器在环形轨道的侧向加速度会使运载器和载荷的设计更加复杂。可以改为直线轨道。不知道现在电磁弹射技术能否把载荷在20km的直线轨道上加速的3-5M?
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 楼主| 净空 发表于 2020-1-9 20:29 | 显示全部楼层
净空 发表于 2020-1-9 20:18
海拔4300m的气压约为海平面的一半,动压和空气密度的平方成正比。海拔4300m的动压约为海平面的1/4。速度 ...

海拔4300m的气压约为海平面的一半,动压和空气密度的平方成正比。海拔4300m的动压约为海平面的1/4。速度为4M时海平面动压我不知道是多少?如果按你说的为1.1PMPa,那么海拔4300m时动压为1.1MPa的1/4,为0.2751MPa.
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hyperion 发表于 2020-1-9 20:37 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
净空 发表于 2020-1-9 20:18
海拔4300m的气压约为海平面的一半,动压和空气密度的平方成正比。海拔4300m的动压约为海平面的1/4。速度 ...

你物理课睡觉了吧,动压与密度成正比,与速度的平方成正比呀,堆高山海拔不行的
hyperion 发表于 2020-1-9 20:40 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
净空 发表于 2020-1-9 20:25
是的。我当时也考虑到环形过道离心力过载的问题。运载器在环形轨道的侧向加速度会使运载器和载荷的设计更 ...

首先这个加速系统成本太高,其次假设重量100T,速度1200m/s,那么动能72GJ,加速轨道18km,加速度4G,峰值功率4800MW。不太容易时间吧?
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 楼主| 净空 发表于 2020-1-9 20:46 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2020-1-9 20:40
首先这个加速系统成本太高,其次假设重量100T,速度1200m/s,那么动能72GJ,加速轨道18km,加速度4G,峰 ...

在地面,电力可以满足要求。就是磁浮电推在技术上是否可以解决您提出的这个问题?
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 楼主| 净空 发表于 2020-1-9 20:54 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2020-1-9 20:40
首先这个加速系统成本太高,其次假设重量100T,速度1200m/s,那么动能72GJ,加速轨道18km,加速度4G,峰 ...

因为航空母舰150m的跑道可以把30T的飞机加速到260m/s左右。我想20km的轨道把100T的载荷加速的4M,在技术上是可以逾越的。这个可能要请教马伟明院士了!哈哈:)
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 楼主| 净空 发表于 2020-1-9 20:58 | 显示全部楼层
净空 发表于 2020-1-9 20:54
因为航空母舰150m的跑道可以把30T的飞机加速到260m/s左右。我想20km的轨道把100T的载荷加速的4M,在技术 ...

错了,是260km/h
老狼 发表于 2020-1-9 20:58 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2020-1-9 20:40
首先这个加速系统成本太高,其次假设重量100T,速度1200m/s,那么动能72GJ,加速轨道18km,加速度4G,峰 ...

可以分段工作吗,比如用100米的航母电磁弹射器拼接18000米轨道,精确控制分段启动
老狼 发表于 2020-1-9 21:08 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2020-1-9 20:37
你物理课睡觉了吧,动压与密度成正比,与速度的平方成正比呀,堆高山海拔不行的

Max-Q=ρ×v^2×0.5 一般火箭的最大动压点在13~14KM,2级入轨的空天飞机只能靠机体强度了硬抗了
老狼 发表于 2020-1-9 21:10 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
净空 发表于 2020-1-9 20:54
因为航空母舰150m的跑道可以把30T的飞机加速到260m/s左右。我想20km的轨道把100T的载荷加速的4M,在技术 ...

只要不在乎过载,几米轨道都可以,比如电磁炮
 楼主| 净空 发表于 2020-1-9 21:11 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2020-1-9 20:37
你物理课睡觉了吧,动压与密度成正比,与速度的平方成正比呀,堆高山海拔不行的

你说的对,动压和速度的平方成正比。但是速度一定时介质密度减低,所产生的气动阻力也同比例下降。
hyperion 发表于 2020-1-9 21:13 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
净空 发表于 2020-1-9 20:54
因为航空母舰150m的跑道可以把30T的飞机加速到260m/s左右。我想20km的轨道把100T的载荷加速的4M,在技术 ...

你这个算法就是光考虑加速力不考虑加速功率了
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