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[原创] 使用燃料交叉输送技术让非光杆火箭也有并联冗余设计

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swsdlz 发表于 2018-10-12 08:11 | 显示全部楼层 |阅读模式

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自从猎鹰9火箭火爆以来,并联冗余设计这个思路也跟着火爆了。但观察历史上运用联冗余设计的火箭,无一例外的都是光杆火箭。如N-1火箭、土星1系列火箭、猎鹰9系列火箭。其中土星1系列火箭的贮箱设计比较另类,这里不做详细讨论。


仔细观察,联冗余设计的一个核心要求就是所有发动机共用燃料,以保证上级火箭获得的总冲量不变。这样运力损失只是重力损失,没有燃料没烧完的损失。

从外形上看,光杆火箭是一个光杆,芯级加助推器构型,是多个光杆。一个光杆下的发动机共用燃料很容易,现在所有发动机中,一个光杆下的发动机都是共用这个光杆的燃料。不同光杆之间,要互用燃料就困难了,为此,航天飞机发明了燃料交叉输运技术——Cross-feed (Fuel cross-feed system).

用此技术可以使所有的发动机共用火箭的燃料,这样,使非光杆火箭具有联冗余设计的最大障碍就不存在了。

以长征7号为例,我查到一台YF-100的燃料消耗量是一秒400多公斤,6台就是一秒2.5吨,又因为火箭飞行的推重比至少要在1.2左右。
在火箭工作40秒以后,消耗了100吨燃料,火箭重量由起飞时的600吨,降低到500吨,5台YF-100可以保证不低于1.2的推重比。
如果一台助推器失去动力导致的不平衡力矩太大,火箭飞控受不了,必须关闭与故障发动机对应的发动机,那么需要故障在80秒以后发生才能保证火箭安全飞行。
在火箭工作80秒以后,火箭重量是400吨,4台YF-100可以保证不低于1.2的推重比。

不知道我的思路有没有错误,请各位大哥大姐指正。
 楼主| swsdlz 发表于 2018-10-12 08:26 | 显示全部楼层
长征5号的构型没有并联冗余设计,也不能回收复用,是落后了。
如果用起飞全是使用液氧煤油发动机的火箭,在运力上替代长征5号,这个火箭的重量要在1000吨左右才行,就算做3级火箭,二级三级使用氢氧燃料,那起飞重量也不会比现在的长征5号低。
用YF-100来推这个新火箭,那需要9-10台YF-100同时工作,使用现在的5米级箭体,最多并联5台6台Y-100,不能满足要求。如果不研制新的更大的箭体,采用非光杆形式的芯级加助推器模式,是几乎不可避免的。

因此我设想使用燃料交叉输送技术,它让非光杆火箭也具有并联冗余设计。

这个构想,还可以改造现在的长征7号、长征8号,也能用于未来并联12台发动机的长征9号。

以后长征8R的芯级助推器一起回收如果成功,配合燃料交叉输送技术,可以做出拥有并联冗余设计和回收再利用的长征7号、长征8号、长征9号。
oaki911 发表于 2018-10-12 08:30 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
可行,必要,抓紧研究
 楼主| swsdlz 发表于 2018-10-12 08:31 | 显示全部楼层
长征7号、长征8号的起飞发动机是6台,失去一台动力时,因为动力失去的比例比猎鹰9大,因此重力损失上也大一些。
我只知道重力损失和工作作时间、火箭飞行攻角有关系,不会具体计算。

现在假设飞行攻角不变,长征7号8号这种六台发动机起飞的火箭,分别在工作40时、80秒时、120秒时,失去一台推力后,重力损失有多大?

麻烦哪个大哥大姐能给算一下,或者告诉我公式,我自己套。
 楼主| swsdlz 发表于 2018-10-12 08:32 | 显示全部楼层
oaki911 发表于 2018-10-12 08:30
可行,必要,抓紧研究

你好,四楼的问题你能给算一下吗?

joki 发表于 2018-10-12 09:13 | 显示全部楼层
重力损失坛子里目前还没看到一劳永逸的简单算法,跟具体飞行弹道、所处具体条件不同,可能会有差异。
对于高轨任务而言,如果出现上述故障,那么在动力冗余且火箭迭代制导的情况下或许可以打到低一些的轨道上。如果目标本来就是低轨,可能就是毁灭性的。所以通常来说,动力冗余要跟运力冗余手段相结合才真正保险,低轨任务留个10~20%的运力余量。或者本身是复用火箭,那么在故障情况下优先保任务,舍弃回收也是个办法。
最后是助推通过Crossfeed保证推进剂互传实现冗余,理论上是可行,但是比起F9这样光杆的可能会麻烦许多,原因在于助推器的传力路径设计。火箭为了尽可能减重,助推传力路径只考虑正常方向上的,如果这时候助推推力减半,很可能就变成是芯级拽着助推跑。一下子受力方向就反过来了,严重情况下搞不好会解体。所以为了实现这个目标,应该在结构设计上就考虑单发故障的情况并做相应修改,至于结构会增重多少就不好说了。
CZ5之前坛子里还讨论过,或许可以在芯级增设传输管路,助推之间实现互联冗余(正常情况下不用),也许是个折中办法。不过同样是面临结构承力的问题。CZ5要搞VTVL,除非是发展当初设想过的大直径煤油助推。比如4~5米的捆两个,每个并联若干发动机,助推船降、芯级一次性使用。不过这是很遥远的事情了。
oaki911 发表于 2018-10-12 09:27 | 显示全部楼层
swsdlz 发表于 2018-10-12 08:32
你好,四楼的问题你能给算一下吗?

失去一台,可以采用让其他发动机超频运行方式获得提高105%推力,从而满足入轨要求。
北极企鹅 发表于 2018-10-12 10:01 | 显示全部楼层
6台发动机失去一台,剩下发动机要推力要提高到 120%,这个超频有点狠了,YF-100 干不了
oaki911 发表于 2018-10-12 10:08 | 显示全部楼层
北极企鹅 发表于 2018-10-12 10:01
6台发动机失去一台,剩下发动机要推力要提高到 120%,这个超频有点狠了,YF-100 干不了

YF-100应该潜力很大,参考梅林1D,适度提高燃烧室压力,改出超级超频版YF-100z,120%钢钢的。
onion 发表于 2018-10-12 10:09 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
oaki911 发表于 2018-10-12 10:08
可以学些梅林1d改出超级超频版YF-100z,120%钢钢的。

可能吗,补燃发动机改进空间已经很小了
oaki911 发表于 2018-10-12 10:14 | 显示全部楼层
onion 发表于 2018-10-12 10:09
可能吗,补燃发动机改进空间已经很小了

提高到25兆帕,差不多了。
北极企鹅 发表于 2018-10-12 10:16 | 显示全部楼层
oaki911 发表于 2018-10-12 10:14
提高到25兆帕,差不多了。

这么高压力,绝壁就是个大炮仗
onion 发表于 2018-10-12 10:17 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
北极企鹅 发表于 2018-10-12 10:16
这么高压力,绝壁就是个大炮仗

高压补燃发动机都是隐藏炸弹,很正常
oaki911 发表于 2018-10-12 10:37 | 显示全部楼层
北极企鹅 发表于 2018-10-12 10:16
这么高压力,绝壁就是个大炮仗

俄国25兆帕很成功呀!   再说了,即使千分之一概率大炮仗了还有保险公司理赔呢。
应该有潜力进一步提高到接近40兆帕,既然高压补燃了就要发挥到极致,给足经费让张小平们忙起来,不能闲着、否则闲出事情来。
北极企鹅 发表于 2018-10-12 10:49 | 显示全部楼层
毛子的彪悍土鳖是学不来的,你要敢上25兆帕,最后得到的最多也就是个增重了2.5吨的铁坨坨
oaki911 发表于 2018-10-12 11:05 | 显示全部楼层
北极企鹅 发表于 2018-10-12 10:49
毛子的彪悍土鳖是学不来的,你要敢上25兆帕,最后得到的最多也就是个增重了2.5吨的铁坨坨

只要推力增大20%-100%,40兆帕铁坨子的YF-100Z、YF-960也认了,总比大固推要好很多!
 楼主| swsdlz 发表于 2018-10-12 13:25 | 显示全部楼层
joki 发表于 2018-10-12 09:13
重力损失坛子里目前还没看到一劳永逸的简单算法,跟具体飞行弹道、所处具体条件不同,可能会有差异。
对于 ...

综合干质比比光杆低,这是没办法的事情。如果能整一个大光杆,也不用加助推器了。
长征5号这种同时工作的发动机使用不同燃料的设计,就让它过去吧。
joki 发表于 2018-10-12 13:31 | 显示全部楼层
swsdlz 发表于 2018-10-12 13:25
综合干质比比光杆低,这是没办法的事情。如果能整一个大光杆,也不用加助推器了。
长征5号这种同时工作 ...

CZ5翻过页,少说也得十几二十年。
从芯级和助推质量分布比例看,倒是适合助推VTVL。或许可以改成芯级高空点火的模式,但更大的问题是YF77太贵,应该追求低成本设计的改型。比如低成本的螺旋管束焊喷管制造,或者干脆改成通道壁设计。
 楼主| swsdlz 发表于 2018-10-12 13:34 | 显示全部楼层
oaki911 发表于 2018-10-12 09:27
失去一台,可以采用让其他发动机超频运行方式获得提高105%推力,从而满足入轨要求。

105%还差的,要发动机流量还是原来6台时候的,推力得提高到120%.
一些火箭飞到高空以后,发动机要节流,如果这种火箭具有并联冗余设计,故障又发生在火箭工作的中后期,直接让发动机恢复一些推力就行了,不用超频工作。
我看有人说,YF-100的推力节流能力在实际火箭飞行中,并没有采用,这是不是我们火箭起飞推重比较低的缘故?利用火箭的设计,已经可以满足整个飞行过程中的过载小于4g或小于3g了, 没必要再使用推力节流了,如果刻意使用推力节流,那反而加重了火箭的重力损失。
 楼主| swsdlz 发表于 2018-10-12 13:35 | 显示全部楼层
oaki911 发表于 2018-10-12 10:14
提高到25兆帕,差不多了。

燃烧室压力提高到25兆帕,推力能比现在增加多少?
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