航空航天港

 找回密码
 注册会员

QQ登录

只需一步,快速开始

123下一页
返回列表
查看: 1333|回复: 55
打印 上一主题 下一主题
收起左侧

[原创] CZ9一级复用升级方案探讨

  [复制链接]
跳转到指定楼层
1
joki 发表于 2018-11-5 11:09 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

对本站感兴趣的话,马上注册成为会员吧,我们将为你提供更专业的资讯和服务,欢迎您的加入!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?注册会员

x
声明:本楼方案纯脑洞向,跟现实中的CZ9方案没有关系,仅作为一种有益探讨。

近期,随着珠海航展更多新火箭消息发布,有关CZ9的讨论又多了起来。一院在介绍CZ9方案之余也提到今后将考虑采用复用技术进一步降低成本。在此,以本人近年来对CZ9方案的一些思考为基础,结合近期低成本复用技术潮流,提出一种CZ9一级复用升级方案,特开一贴以供爱好者探讨。



                               
登录/注册后可看大图

                               
登录/注册后可看大图



10米径8发(YF480)并联示意图,3(内圈)+5(外圈)





                               
登录/注册后可看大图

                               
登录/注册后可看大图

10米径9发(YF480)并联示意图,3(内圈)+6(外圈)


箭径选择:根据Y型环预研新闻有9.8米的数据,也有新闻报道中10米的说法。这里简化考虑,以10米作为约束。当然,非要讨个彩头,来个9.9米径、9台发动机也不是不可以。。。由于9发在当前技术水平下更易实现一次发射载人登月所需运力指标,下面以此为基础进行探讨。
一级发动机布局:YF480双室9机并联方案,图中一级大外圈直径是9.6米。但是要实现9台发动机全部双向摆动,空间上还是稍显局促。在10米径约束下可以考虑的变通方案是:(1)中间内圈3台发动机6个喷管尽量排的紧密一点与外圈拉大间距,固定安装不摆动。外圈6台发动机双摆提供俯仰、偏航和滚转的动力。(2)外圈6台发动机尽量贴近边缘,固定安装。内圈3台发动机6个喷管尽量拉大间距,双摆提供俯仰、偏航和滚转的动力。两种方案各有利弊,可结合VTVL需求综合考虑。
一级VTVL升级选项:采用落区降落回收模式。以9台发动机1.25的起飞推重比考虑,一级规模可能会达到2800吨。如果按13的干质比,加上复用设备的增重,落地质量超过了YF480单个喷管的额定推力。想解决这个问题,要么发动机可以超工况工作,比如单喷管120%(泵系按60%节流无压力、主要是中心单个燃烧室和管路能否短时间承受)。要么就是能提高一级干质比,15以上甚至更高。但这些要么难度太高、要么缺乏技术依据无从判断。因此,如果以复用为重要考虑目标,若中心单喷管无法满足缓冲降落需求时,可以考虑外圈双摆的姿控方案,降落时外圈对称位置两台发动机各关闭一个喷管缓冲降落,泵系节流工作范围35~50%、单个喷管以70%~100%工况工作,仍可维持较高效率。
从低成本角度出发,整备、发射模式推荐三平。




方案一:和谐就是美
一级布局如上,模块质量约2800吨,以干质比13、不可用推进剂2%为基础进行测算。二级采用7.5米径,并联4台YF100V高空版(比冲350s)液氧煤油发动机,模块质量约550吨、干质比12、不可用推进剂1.5%。三级采用7.5米径氢氧共底,1台YF77V高空版(比冲440s、若能发展开始膨胀循环的型号更好),模块质量150吨、干质比7.5、不可用推进剂1%。火箭最大可使用11米径整流罩、LTO任务默认配置7.5米整流罩。起飞重量约3500吨,全箭最大高度可控制在110米左右,长径比≈11,气动外形协调。一次性运力,二级构型LEO100吨、三级构型LTO48吨。一级VTVL复用(7M再入约束),LEO74吨LTO39吨
优点:充分利用CZ9预研中的现有技术,整体结构比较简洁,一次性运力基本满足指标且末级仍有改进空间。二三级价值占比较低,有利于降低VTVL复用模式成本。
缺点:复用运力对应档位任务需求不明,有待进一步研究。


方案二:任它什么妖魔鬼怪我只一棒打死
一级布局不变,模块质量约2400吨,以干质比13、不可用推进剂2%为基础进行测算。二级采用5米径,并联7台高空启动的YF100K(比冲336s)液氧煤油发动机,模块质量约600吨、干质比13、不可用推进剂1.5%。三级采用5米径,并联2台YF100V高空版(比冲350s)液氧煤油发动机,模块质量约350吨、干质比12、不可用推进剂1.5%。四级采用5米径氢氧共底,2台YF75D大喷管氢氧发动机(比冲460s),模块质量50吨、干质比7(考虑结构加强指标有所降低)、不可用推进剂1%。LEO任务最大可使用8米径整流罩、LTO任务最大可使用7米整流罩,起飞重量约3500吨,全箭高度<140米。一次性运力,三级构型LEO125吨、四级构型LTO50吨。一级VTVL复用(7M再入约束),LEO110吨LTO45吨
优点:充分利用CZ9和新一代载人火箭预研中的技术,由于级数较多一级关机速度低,复用运力也能接近小规模载人登月所需指标。二三四级其实就是新一代载人火箭CBC构型中芯级的变体,利用了两个型号的研制成果。简单粗暴的看,就是把新一代载人火箭顶到了CZ9一级的头上。。。当然技术上还是有很多差异,比如7发并联的二级需要高空点火,煤油三级需要有二次点火和滑行能力等等。
缺点:火箭小直径部分较长,外观类似Vega,液体火箭可能结构问题或气动问题更加突出。煤油二级5米径7发并联只能用地面喷管,不利于进一步提高性能。四级火箭不符合潮流,需要加强可靠性。由于二三级直径较小,对于整流罩尺寸有限制,不利于近地超大尺寸载荷,设计上偏向优化高速任务。一次性消耗三个模块9台YF100、2台YF75D,虽然复用运力卡位较好,但到底经济性跟方案一比谁优谁劣仍需探讨。




方案三:折中不是妥协
方案二的变体,其他不变,二级液氧煤油模块改为底部10米氧箱、上方5米煤油贮箱,并联7台YF100V(350s)液氧煤油发动机,二级规模不变干质比降到10。虽然设想干质比下降较多,但比冲提升予以抵消,综合测算运力指标与方案二相当。全箭高度可控制在130米以内,气动外形相对更协调。

分享到:  QQ好友和群QQ好友和群 QQ空间QQ空间 腾讯微博腾讯微博 腾讯朋友腾讯朋友
收藏收藏1 转播转播 分享分享 分享淘帖 支持支持3 反对反对
2
陈昕海 发表于 2018-11-5 11:14 | 只看该作者
此方案损失多少运力
3
 楼主| joki 发表于 2018-11-5 11:15 | 只看该作者
陈昕海 发表于 2018-11-5 11:14
此方案损失多少运力

每种方案都不一样,里面写了一次性运力和复用运力。
4
陈昕海 发表于 2018-11-5 11:18 | 只看该作者
joki 发表于 2018-11-5 11:15
每种方案都不一样,里面写了一次性运力和复用运力。

密集恐惧症
5
 楼主| joki 发表于 2018-11-5 11:20 | 只看该作者

9发18个喷管,比现在12发24个还算少点的。
6
c3po1994 发表于 2018-11-5 11:29 来自航空航天港手机版! | 只看该作者
反正已经是9台发动机了,说明不害怕发动机互相影响。干脆再猛一点,放18台小一点的250吨发动机,学习一下N1,中间多排一点,外面少排一点
7
swiftosos 发表于 2018-11-5 11:31 | 只看该作者
二级三级同样10米就好
只有7.5米的话太丑
要不把一二三级直径放大到12米,外圈再多放一两台,中间保持不变,这样内外圈之间就好摆动了吧
8
oaki911 发表于 2018-11-5 11:42 | 只看该作者
c3po1994 发表于 2018-11-5 11:29
反正已经是9台发动机了,说明不害怕发动机互相影响。干脆再猛一点,放18台小一点的250吨发动机,学习一下N1 ...

9台YF-480构成助推器,捆绑3、5次,共计27、45台YF-480,共计推力12960、21600吨推力,登火星更容易。
这是长九区别于超大型载人火箭的潜力和意思,航天科技集团可以搞几十年铁饭碗。

民间商业航天构型还是得学BFR,光杆二级构型复用更快捷、更方便。
9
oaki911 发表于 2018-11-5 12:07 | 只看该作者
swiftosos 发表于 2018-11-5 11:31
二级三级同样10米就好
只有7.5米的话太丑
要不把一二三级直径放大到12米,外圈再多放一两台,中间保持不 ...

支持12-15米直径、并联21、27、45台发动机的光杆火箭,这才是长九的潜力和意义!

否则和921超大型载人火箭拉不开档次、意义就不大了。
10
 楼主| joki 发表于 2018-11-5 12:26 | 只看该作者
swiftosos 发表于 2018-11-5 11:31
二级三级同样10米就好
只有7.5米的话太丑
要不把一二三级直径放大到12米,外圈再多放一两台,中间保持不 ...

二三级都用10米性能负面影响太大。单看外观的话,方案一每级次第缩小,其实还可以。一级12米的话,超出目前预研基础不说,结构上又是你讨厌的大饼。
11
 楼主| joki 发表于 2018-11-5 12:35 | 只看该作者
c3po1994 发表于 2018-11-5 11:29
反正已经是9台发动机了,说明不害怕发动机互相影响。干脆再猛一点,放18台小一点的250吨发动机,学习一下N1 ...

这不是基于现有基础么。YF480毕竟是在研,240发动机还没提上日程。而且9发毕竟没有超出F9的并联水平,介于传统方案上限、多机动力冗余入门,相对来说风险较低。
12
cmj9808 发表于 2018-11-5 14:49 | 只看该作者
楼主的工作做的不错,提两个建议。
一是从现有的捆绑结构改成大直径单芯级其实是很大的工作量,说是一款全新的火箭也不为过,“CZ-9升级版”的标题不是很贴切。二是中央三台引擎是非对称布置,返回时点火不好控制,不知是否可以安排成三角形布置,着陆时三台同时点火,类似F9的神风式着陆。

PS:这也能看出双燃烧室会给引擎布置带来不小的麻烦。
13
jiyu_shi 发表于 2018-11-5 15:09 来自航空航天港手机版! | 只看该作者
猎鹰9是九台发动机,返回时一台节流到70%,相当于1/13,我一般用这个作参考构思VTVL。8台,9台 YF480返回时开一台单喷管有点小。当然如果干质比能做大也许能成。
14
9m96e2 发表于 2018-11-5 15:10 | 只看该作者
YF-480的尺寸和间隔是按多少来估计的?话说前几天我提到外圈6部您还说不可行的说...

我的想法是中心3部截短喷管版YF-100K,外测布置3部固定的YF-480,最外侧6部YF-480切向摆动这样,回收时中心3部70%节流落地,过会儿用CAD画下试试
话说2级不考虑用氢氧么?
15
cmj9808 发表于 2018-11-5 15:11 | 只看该作者
jiyu_shi 发表于 2018-11-5 15:09
猎鹰9是九台发动机,返回时一台节流到70%,相当于1/13,我一般用这个作参考构思VTVL。8台,9台 YF480返回 ...

480不是双喷管,而是双燃烧室,只启动一个燃烧室有相当的难度
16
 楼主| joki 发表于 2018-11-5 15:12 | 只看该作者
cmj9808 发表于 2018-11-5 14:49
楼主的工作做的不错,提两个建议。
一是从现有的捆绑结构改成大直径单芯级其实是很大的工作量,说是一款全 ...

谢谢。我也知道改动很大,架空更多。标题写CZ9改进其实是蹭热度行为,版主海涵,哈哈。
中央三台引擎之前也有人问过,我前面没有写,主要是因为8发、9发要求不同,颇为繁琐。其实是这样,虽然是三台发动机左中右非对称布置,但实际上原则要求内圈喷管必须对称,即内圈5个喷管距离最中心一个喷管等距对称。

17
 楼主| joki 发表于 2018-11-5 15:22 | 只看该作者
jiyu_shi 发表于 2018-11-5 15:09
猎鹰9是九台发动机,返回时一台节流到70%,相当于1/13,我一般用这个作参考构思VTVL。8台,9台 YF480返回 ...

我怎么有印象貌似中心一台能到40%?
不过也没关系,16楼详细写了外圈双发降落的模式,允许范围更宽。
18
c3po1994 发表于 2018-11-5 15:24 来自航空航天港手机版! | 只看该作者
joki 发表于 2018-11-5 12:35
这不是基于现有基础么。YF480毕竟是在研,240发动机还没提上日程。而且9发毕竟没有超出F9的并联水平,介 ...

和版主说的一样,双喷管发动机确实不好布置,这是本身就有的问题,不好克服。可不可以学土星五号的做法,发动机凸出火箭侧面布置?
19
 楼主| joki 发表于 2018-11-5 15:27 | 只看该作者
9m96e2 发表于 2018-11-5 15:10
YF-480的尺寸和间隔是按多少来估计的?话说前几天我提到外圈6部您还说不可行的说...

我的想法是中心3部 ...

那贴后面回复说9发可以,貌似你没看到。。。
我这里是以现在预研的10米径为约束的,你那个恐怕塞不下吧?你试试看。
二级也考虑过氢氧方案,但问题在于:1、本帖考虑低成本复用,国内这个氢氧模块啥时候能低成本是个问题。2、国外类似NG这样的型号,不但一级可能放宽再入速度到9.6M,连二级都号称往复材超高干质比堆,按我反算至少11以上,甚至12.5以上。这个指标我估么着国内现在做不出来。所以还是老老实实绕回来。
20
 楼主| joki 发表于 2018-11-5 15:30 | 只看该作者
c3po1994 发表于 2018-11-5 15:24
和版主说的一样,双喷管发动机确实不好布置,这是本身就有的问题,不好克服。可不可以学土星五号的做法, ...

我是这么想的,既然已经在10米约束下布置下,就没必要为凸而凸吧。除非有切实方案这样更好和必要,那才有这么干的价值。
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册会员

本版积分规则

QQ|申请友链|旗下论坛|小黑屋|手机版|航空航天港 ( 豫ICP备12024513号 )

GMT+8, 2018-11-13 07:51 , Processed in 0.394553 second(s), 23 queries , Gzip On.

Powered by Discuz! X3.2

© 2001-2013 Comsenz Inc.

快速回复 返回顶部 返回列表