中国空天飞机首飞时间披露,不能射的东西
分类:科学技术

原标题:SpaceX有哪些(还)不能射的东西?

  亟待攻克的运载火箭及其发动机核心技术

主页菌说

  葛明龙 葛佳

在SpaceX疯狂吞噬商业火箭发射市场的时候,不知道有没有人好奇,那其他太空发射公司都在干嘛呢?答案很简单,去发射SpaceX不能发射的东西呗。。。。。。桥豆麻袋,还有SpaceX不能发射的东西?嘛虽然很少但的确是有的,今天就让我们来看下,坐拥全世界现役运力最大的火箭和每千克最便宜发射价格的SpaceX,都不能发射的东西是什么吧。

  前言

本文作者:**Saturn V**,已经为其开启独立打赏账户

  我国重型运载火箭长征九号即将立项的消息一经传出,关心我国航天事业发展的航天迷们充满期待。但美国太空探索技术公司SpaceX建造的猎鹰重型火箭成功首飞后,大家又把赞赏的目光投向这家新兴的民营航天企业。中美两国的运载火箭发展格局究竟怎样?运载火箭及其发动机的核心技术是什么?我国该如何走一条自己的运载火箭发展之路?笔者以航天技术人员的视角,试图找到答案,以飨读者。

图片 1

  作为第一代航天人的第一作者,先行研究提出了无毒双组元推进剂系列火箭推力室、三组元推进剂推力室、切换燃料推力室、空天发动机等发明。第二作者是正参与研制新一代运载火箭的新一辈航天人。我们发表自己的看法主要是为了能“提高关键核心技术创新能力”,利于攻克运载火箭及其发动机核心技术。

图片 2

  1。 中美两国的运载火箭发展格局

已经占据商业发射市场半壁江山的SpaceX

  1.1 美国宇航局的载人登月用土星-5运载火箭

SpaceX第一个不能发射东西其实和火箭本身没有直接关系,而和猎鹰系列的组装方式有关。火箭的组装方式大致分为两种,垂直整合和水平整合,区别正如其名。猎鹰9和重型猎鹰采用的是水平整合,及包括卫星在内的各部件水平放倒在厂房中拼好,推到发射台后再立起。猎鹰9的竞争对手之一的宇宙神5号系列采用的则是垂直整合(我国绝大部分液体运载火箭采用的也是垂直总装,主页君注),及包括卫星在内的各部件按照发射模样垂直在厂房中拼好,然后再用发射车把立起的火箭平移到发射台。

  早在1969年,美国宇航局NASA研制的土星-5运载火箭把阿波罗11号飞船送往月球轨道,实现载人登月。

图片 3

  直径10米和长度42米的一级火箭用五台单机推力680吨的F-1液氧煤油发动机推进。直径10米和长度25米的二级火箭用五台单机推力89吨的J-2液氧液氢发动机推进。直径6.6米和长度18.8米的三级火箭用一台J-2液氧液氢主发动机推进。火箭总长度110.6米,起飞质量3038.5吨,月球轨道载荷45吨,近地轨道载荷118吨。F-1的燃烧室压力为较低的6MPa,J-2的室压也较低,都采用简单的气体发生器循环系统。用可靠的隔板抑制??稳定燃烧,技术难度较小。F-1的海平面比冲263秒,J-2的真空比冲421秒。

“横着装”的龙飞船

图片 4

和垂直整合相比水平整合更省人力,更低矮的水平整合设施也比高耸入云的垂直整合大楼方便维护,这也是追求效率的SpaceX选择水平整合的原因之一。只是水平整合要求卫星也要侧过来放平,对于绝大多数商用卫星来说无妨,但仍有一些美国间谍卫星要求必须保持垂直的姿态,具体原因未知。显然这类型卫星SpaceX是无法发射的,只有垂直整合的宇宙神5号才可以,不过好在未来的美国军用和间谍卫星都将兼容水平整合。

  美国土星-5运载火箭

图片 5

  从肯尼迪总统1960年决策,到1969年实现首次载人登月,仅仅用了9年时间。这种令人难以置信的高速度反映出美国航天的高效率和高水平。阿波罗飞船载人飞行11次。共将24名宇航员送往绕月飞行轨道并安全返回,其中登月共12人。这种让人信服的成就体现了美国航天的高可靠性。整个载人登月工程仅耗费了当时的257亿美元,说明美国航天注重经济性。

竖着装的宇宙神5号

图片 6

SpaceX第二个不能射的东西更复杂一些。常说的“运力最大”的火箭通常对比的都是近地轨道的运力,但这其实只是一个笼统的区间,轨道高度在2000千米以下100千米卡门线以上的都可称为近地轨道。轨道更高意味着需要速度更快,同样燃料下速度更快自然送的质量更少,也就是所谓的运力下降。根据NASA“发射载具性能”官网的数据,从卡角发射的猎鹰9和宇宙神5几个构型的能力如下:(

  美国人阿姆斯特朗于1969年实现人类首次登月

图片 7

  1.2 美国宇航局的载人登火星用SLS Block2运载火箭

最直观的表象便是“咦,怎么猎鹰9运力下降的那么快?” 猎鹰9每200千米就要降低800千克左右的运力,宇宙神5号则只降低200千克左右。更低的运力损失让在宇宙神5家族中偏小的421构型在1400千米的高度上反超了猎鹰9海上回收的运力,更大构型的宇宙神5号优势则更明显。

  NASA设计的太空发射系统(Space Launch System,简称SLS)Block2运载火箭是用单机推力1542吨的两个巨型固体火箭发动机助推(也在考虑改用液体火箭发动机推进)。芯级火箭则用四个单机推力226.8吨的RS-25高压补燃液氧液氢发动机推进,真空比冲452秒。这两种发动机是发射航天飞机用发动机的改型,技术继承性好。二级用一台133吨推力的J-2X液氧液氢主发动机,真空比冲448秒。芯级火箭直径8.4米,运载火箭总长度122米,起飞质量2951吨,近地轨道载荷130吨。该火箭计划于2024年首飞,进行不载人登火星飞行若干年,然后再进行载人登火星飞行。

图片 8

图片 9

这就要指出一个很多人对火箭的误区,由于火箭发射时的壮观景象,常让人忘记了火箭不是只有一级,且正如接力比赛中跑得最快的人跑最后一棒而不是第一棒一样,决定运力最关键的也不是给人最震撼直观感受的第一级。作为一种携带燃料质量远超自身净重的载具,火箭,或者说火箭引擎的燃料利用率才是决定其能加速到多快,进而运输多少货物的关键因素。如果燃料利用率低过早用完燃料,再高的推力或推重比都于事无补。衡量燃烧利用率自然算下每千克燃料每秒所能产生的推力,牛•秒/千克(N•s/kg),比冲的计量单位应运而生。常用时会除以N/kg,以简单的s来表示,可理解为引擎让1kg物质产生1kg推力所能持续的时间。

  美国SLS Block系列火箭

图片 10

  1.3 美国民营SpaceX公司的猎鹰重型火箭(FHR)和大猎鹰火箭(BFR)

猎鹰系列第二级引擎梅林-1D真空型比冲为348s,宇宙神5号系列第二级使用的RL-10比冲为450s,巨大的燃料利用率差距直接导致了猎鹰9更快的运力衰减。而造成该差距的核心原因为使用燃料不同,RL-10的液氢由于自身质量轻的优势,天生便比梅林-1D的RP-1煤油利用率高,部分氢氧引擎的比冲甚至超过了图中黄色竖线,及煤油引擎的比冲理论极限。当然液氢相比RP-1更难储存,氢氧引擎同样被视为化学燃料引擎技术皇冠极难研发,这也是和老牌航天巨头相比技术储存薄弱的SpaceX没有也不能选择液氢液氧组合的原因

  猎鹰重型火箭(Falcon Heavy Rocket简称FHR)是一款由SpaceX建造的可重复使用运载火箭,于2018年2月7日成功发射。这种具有载人绕月飞行能力的火箭,一级是由三个猎鹰9号火箭一级并联而成。打破常规共并联27个单机推力86吨(两侧火箭)和81.3吨(中心火箭)的梅林-1D液氧煤油发动机。二级火箭也用真空推力93.2 吨的梅林-1D发动机。该发动机釆用较高室压9.7MPa的气体发生器循环系统,海平面比冲282秒,真空比冲311秒。具有与一级火箭垂直降落回收和二级提高推进性能相适应的40%~100%节流变推力能力。两侧火箭先行熄火、分离和垂直降落回收。间隔30秒后中心火箭熄火,与二级分离和垂直降落回收。重复使用次数开始只有一次,现正在努力争取不少于10次。该火箭的直径3.66 米,总长度70米,总宽度12.2米,起飞质量1421吨,起飞推力2280吨,近地轨道载荷63.8吨。

图片 11

  在FHR基础上又设计了大猎鹰火箭(BFR),可完全重复使用,起飞质量4400吨,近地轨道载荷150吨。是由火箭部分和运输仓组成。火箭直径9米,由31台猛禽Raptor发动机推进。结构质量85吨和外部有可重复使用隔热罩的运输仓,用6台猛禽Raptor发动机推进。运输仓有效体积825立方米,大于A380客机的体积。除行李舱、厨房和太阳能风暴辐射防护所外,客舱内可搭载80~200名参加太空游的旅客。BFR还要求在轨道上能进行加注燃料。

猎鹰9的高轨道性能劣势随着轨道高度增高变得更为明显,以至于宇宙神5号421构型在高轨道运力彻底反超了猎鹰9。在送往地球同步转移轨道,及远地点35786千米的轨道时(图中黑色竖线),除去最小构型的401以外,宇宙神5号全体家族的性能都优于海上回收的猎鹰9。当然SpaceX可采用不回收的发射方式,不过不知为何NASA网站没有收入不回收性能数据,故无法比较。

图片 12

图片 13

  美国大猎鹰火箭(BFR)假想图

真实比例的地球轨道(不知道读者们能看清不)

  1.4 美国民营SpaceX公司的登上和殖民火星用星际运输系统ITS

超过地球同步轨道再往高了飞,高度已经不适合形容轨道。由于在太空中速度才是决定轨道的因素,NASA常用C3(单位km^2/s^2)来区分离开地球的不同轨道。速度及动能,C3衡量的便是脱离一个星体引力所需要的额外比能。如果你看不懂上面这段话,没事,只要把C3当成一个和高度一样的计量单位便可。比如地球的C3<0对应的所有地球环绕轨道,地球同步轨道的C3约为-12,C3=0对应的地球逃逸速度11.2 km/s,C3>0则对应着所有离开地球进入深空的轨道

  星际运输系统ITS(全称Interplanetary Transport System)很庞大和很先进,是SpaceX为载人登上火星和殖民火星而设计的。最早2025年实现载人登陆火星。大火箭ITS Booster长77.5米,直径12米,结构质量275吨,推进剂质量6700吨,起飞推力13062 吨。共并联42个猛禽Raptor海平面发动机。大飞船ITS Lander长49.5米,直径12米,最宽处17米,结构质量150吨(客)或90吨(货),推进剂质量1950吨(客)或2500吨(货),真空推力3161吨。共并联8个猛禽Raptor发动机,其中真空发动机5个和海平面发动机3个。ITS的总长度122米,近地轨道载荷300吨(客)或380吨(货)。大火箭和大飞船最终垂直降落回收,火箭重复使用1000次,飞船重复使用20次。

图片 14

  猛禽Raptor发动机使用液氧甲烷推进剂,采用高压补燃系统,室压高达30MPa。单个海平面发动机海平面推力311吨,海平面比冲322.5秒。单个真空发动机真空推力357吨,真空比冲高于348.3秒。发动机具有20%~100%节流变推力能力。

同一轨道根据星体相对位置和距离不同C3也不同,比如同为地火转移轨道,2018年地火距离最近时发射的C3(7.7)要小于2022年地火距离远时发射的C3(13.8)。以C3来对比猎鹰9和重型猎鹰的深空发射能力,第二级引擎性能的劣势便可有更直观的感受。首先是猎鹰9的:

图片 15

图片 16

  美国星际运输系统ITS登陆火星假想图

咦,为啥C3=10以上就没有猎鹰9的数据了?因为这是猎鹰9自身设计所能发射的理论极限,一旦轨道所需C3超过10,再轻的载荷猎鹰9也无法送入轨道。今年5月12日洞察号火星探测器发射时,便有人好奇这个仅694千克,宇宙神5号最小401构型便能发射的东西,为啥不交给更便宜的猎鹰9发射。原因正是洞察号的地火转移轨道最大C3为14.3,猎鹰9是心有余而力不足。

  1.5 中国运载火箭的发展之路

图片 17

  中国运载火箭技术研究院和航天动力研究所分别成立于1957年11月和1958年4月。在钱学森、任新民,屠守鄂等著名专家的领导下,经过第一代航天人的共同努力,中国的运载火箭及其发动机技术发展很快。从1960年至1968年,完成了八年四弹(DF-1、2、3 和 4 )的光荣任务,并开始DF-5洲际导弹的研制。1970年4月,DF-4加固体三级成为长征一号运载火箭,把中国第一颗人造卫星送上天。1980年5月, DF-5飞向太平洋。

现在明白为什么要有重型猎鹰了吧,液氢造成的性能差距由第一级助推来弥补,而更多助推产生的额外造价又可通过回收抵消,这才是SpaceX真正精明之处,或者说重型猎鹰诞生的真正目的。那么重型猎鹰的运力又如何呢?

  DF-5后来发展成长征二号运载火箭。研制成功液氧液氢发动机后,DF-5加氢氧第三级成为长征三号运载火箭。DF-5加新研制的可储存推进剂第三级,成为长征四号运载火箭。截止2018年7月31日,中国长征系列运载火箭已发射282次,成功率达97%以上,居世界先进水平。尤其是用金奖发动机推进的神箭,把14人次的航天员推送上天并平安返回,令世界瞩目。

图片 18

  中国第二代航天人承前启后,经过十多年努力,成功研制新一代运载火箭长征五、六、七号等。近地轨道载荷最大为25吨。并联用单机是先进的120吨推力高压补燃液氧煤油发动机和50吨推力液氧液氢发动机。

注意一点NASA的网站中是以FT(全推力)版本的猎鹰9和重型猎鹰计算,并非最新的Block 5版猎鹰。另重型猎鹰对“回收”定义为双助推返回陆地,芯级海上回收,对“一次性使用”定义为双助推海上回收,芯级抛弃。至于完全一次性使用则没有数据,大概是因为SpaceX也不想这么用重型猎鹰的缘故。可以看到一次性重型猎鹰的运力碾压了包括德尔塔重型在内的全部火箭,但回收型重型猎鹰却输给了德尔塔重型,甚至在C3>10后运力还不如宇宙神5号最大的551构型

图片 19

图片 20

  中国的“大火箭”-长征五号

有好的第二级氢氧发动机就是可以为所欲为

  可垂直降落回收重复使用的长征八号运载火箭正在研制,预计2021年飞行试验。可水平降落回收重复使用的有翼火箭也在研制,预计2020年飞行试验。

2011年8月5日发射的朱诺号木星探测器发射重量3625千克,发射C3为31.1,恰好超过了回收型重型猎鹰的运力极限。今年8月12日发射帕克太阳探测器的时候也有很多人好奇可不可以用不回收型重型猎鹰发射,很可惜答案也是否定的。哪怕发射质量只有685千克,帕克太阳探测器的发射最大C3高达154**,又恰好超过了一次性重型猎鹰的运力极限**。用第一级来弥补第二级的性能差距又一次碰到了极限,尽管在地球轨道运力上已被碾压,但重型德尔塔依然可稳坐深空第一运力的宝座一段时间,虽说没有什么实际意义。

  中国重型运载火箭长征九号已完成设计并正在进行关键技术攻关。火箭总长度93米,起飞质量4000多吨,起飞推力接近6000吨,近地轨道载荷140吨。用于载人登月、登陆火星、空间太阳能电站等。芯级火箭直径10米,四个助推火箭直径5米,并联用单机分别是200多吨推力氢氧发动机和500吨推力高压补燃液氧煤油发动机。

图片 21

  数十吨推力的液氧甲烷发动机作为预研型号也已研制出来。

正如图中所示,猎鹰9在2017年疯狂刷屏的商业发射市场中近地轨道(LEO)仍占多数,对于商业公司来说发射价格自然比性能重要。同样重型猎鹰的优势也并非单纯运力,而是通过更多第一级一定程度上弥补了液氢造成的高轨道性能差距,双助推的回收抵消了额外第一级的造价甚至还进一步降低了发射价格。在地球轨道上性能优于宇宙神5家族同时,发射价格大约为ULA的十分之一,才是SpaceX大量吞噬商业发射市场的法宝。

  中国运载火箭及其发动机的成就有目共睹,中国成为了世界航天大国。但是,中国与世界航天强国美、俄的差距明显,尤其是与美国的差距更大。简而言之,美国在四十九年前就完成载人登月,中国至少还得十年经过努力才能实现这一目标。中国亟待攻克运载火箭及其发动机核心技术,努力赶超世界先进水平,争取尽早从航天大国转换成航天强国。

图片 22

  2。 运载火箭的核心技术

致力于殖民火星的SpaceX显然不会停留在地球轨道,研发中真空版比冲(isp)为375s的猛禽引擎便是在煤油的低性能和液氢的高研发难度之间所取的折中点。液体甲烷的比冲位于液氢和煤油之间,但比液氢易储存同时还可在火星就地取材生产,有助于缩小和高性能氢氧引擎的差距和方便火星殖民。

  2.1 重型运载火箭技术

图片 23

  研制出重型运载火箭是世界航天強国的标志。近地轨道载荷多于100吨是世界各国公认的重型运载火箭标准。美国宇航局NASA的土星-5运载火箭和SLS Block2运载火箭,美国民营SpaceX公司的大猎鹰火箭(BFR)和星际运输系统(ITS),前苏联的能源号重型运载火箭都符合该标准。尤其是星际运输系统(ITS)的近地轨道载荷设计值高达300吨(客)或380吨(货),如研制出来将可以载人登上和殖民火星。

合同截图

  即将正式立项和研制的中国长征九号运载火箭也是一种重型运载火箭。如研制成功投入使用,将是中国从航天大国转换成航天强国的标志。

2016年初美国空军更大笔一挥给了SpaceX 3300万美金用于研发猛禽引擎,其中就包括了给猎鹰9和重型猎鹰用的第二级猛禽引擎原型机。一方面对SpaceX而言,能有人分担猛禽引擎的开发费用自然很好,另一方面对美国空军而言也希望能以猎鹰系列第二级猛禽引擎,彻底打破ULA对高端发射的价格垄断。SpaceX能在和诸多航天巨头的竞争中获胜,正是因为不仅知晓自己能射什么,还知晓自己不能射什么,扬长避短并想方设法缩小差距,正所谓知己知彼才能百战不殆,知晓自己的缺点更能进步

图片 24

或许未来这个在网友脑洞中的,基于猎鹰9改造的,可完全复用的小型猎鹰火箭(SFR)真的会诞生吧。

  中国新一代运载火箭型谱

图片 25

  重型运载火箭技术主要是直径10米左右的大箭体和大贮箱技术。还有共底贮箱技术、三贮箱技术、有翼运载火箭技术、垂直降落减震支架技术、在轨加注燃料技术等。

(全文完)返回搜狐,查看更多

  重型运载火箭要用总推力在3000吨以上的发动机。要有远程控制运载火箭按预定轨道和姿态飞行及降落回收的技术。要有遥测系统的地面站和遥测船的技术。要有电气系统的集成一体化等技术。在材料和工艺方面的核心技术更多,比如铝锂合金应用技术、碳纤维替代金属技术、蠕变成形技术、大直径旋压底技术等。

责任编辑:

  正在探索研究的金属氢等高能技术如能实现,可用作未来的火箭燃料,将会使运载火箭的性能产生飞跃提高。核反应堆小型化技术如能取得实际突破,将出现核动力运载火箭。这些技术都会引起航天变革,影响极大。

  2.2 运载火箭多次重复使用技术

  美国民营SpaceX公司的猎鹰9号火箭和猎鹰重型火箭(FHR)开启了运载火箭回收重复使用的先例。运载火箭回收重复使用是降低火箭发射成本的主要手段。运载火箭重复使用次数越多,经济效益越好。重复使用200至1000次已在考虑之中,将会使运载火箭发射成本降低到1%水平或更低。这样才能大幅度降低卫星发射价格,才能使月球和火星的开发在经济上承担得起,才能使太空旅游普及到富裕民众。

  运载火箭垂直发射垂直降落回收是当前的热门。除猎鹰火箭外,美国蓝色起源Blue Origin公司于2018年4月30日成功发射的新谢泼德火箭也实现垂直降落回收。但是,运载火箭垂直降落回收的技术难度很大,不容易成功。猎鹰9号火箭的回收经历了多次失败。猎鹰重型火箭在成功回收两侧火箭的同时仍有中心火箭回收失败。我国在研制和试验长征八号运载火箭时,对此要有充分的思想准备。要努力创新进行改进,并及时申请相关专利。

  运载火箭垂直发射水平降落技术难度较小,回收可靠性高,着陆平稳和回收次数增多。美国宇航局 NASA研制的航天飞机、X-37B空天飞机和将于2020年发射的XS-1试验太空飞机都是采用这种回收方式。中、俄、日等国也都在积极研究这种回收方式。计划于2020年首飞的中国空天飞机采用一级背着二级的设计,能实现一、二级有翼运载火箭的全部回收。

图片 26

  中国未来的空天飞机假想图

  源于英国云霄塔火箭的水平起飞水平降落运载火箭及其吸气与火箭组合式发动机(复合预冷发动机),是最先进的空天飞行器及其发动机,计划重复使用200次。英、美、中、日等国都在积极研究这种单级入轨或双级入轨和全部回收的有翼火箭及其发动机。由于技术难度很大,各国分别研究了几年或几十年,都没有达到实用试验阶段。中国的单级入轨火箭计划于2030年试飞。

  由于运载火箭多次重复使用技术面广和难度较大,需消耗回收用推进剂或设置机翼,可靠性随着重复使用次数的增加而降低,美国SLS Block2运载火箭和中国长征九号运载火箭仍然选择一次性使用。这样可以像土星-5运载火箭那样规格不太大、技术相对简单和继承性好,能可靠载人登月登火星。

  2.3 芯级火箭和一、二级分置火箭技术

本文由威尼斯网址开户网站发布于科学技术,转载请注明出处:中国空天飞机首飞时间披露,不能射的东西

上一篇:威尼斯国际平台app:醣质泛酸素是何许发现的, 下一篇:没有了
猜你喜欢
热门排行
精彩图文