前述:本文所述的新构型火箭,其特点是将液体火箭发动机外挂在火箭的芯级燃料箱中,不仅可以实现火箭发动机模块的简易回收,而且也为火箭安装专用的小型着陆发动机创造的更好的条件。
运载火箭回收目前很受各国重视,特别是以火箭发动机减速实现火箭的垂直回收更是热点。现在比较有代表的回收火箭是美国太空探索公司的猎鹰9号。不过这种火箭有一定的技术要求,对发动机的流量调节能力要求比较高。猎鹰9号着陆发动机的流量调节范围为40%- 100%,但即便如此猎鹰9号发动机的最小推力仍大于火箭着陆时的重量,因此猎鹰9号火箭无法实施空中悬停和空中水平机动,只能在发动推力调节范围内通过精确掌握发动机点火时间来保证着陆安全,如果发动机点火过早火箭会因速度过快而坠毁,如果发动机点火过迟火箭又会重新飞起来。
可以看出:自身重量较轻的中型火箭采用火箭发动机反推降落的难度还是比较大的,主要原因就是着陆反推发动机推力过大所致。同样,中国的长征8R火箭由于YF100推力过大且深度调节能力不佳,火箭甚至要将2个助推作为配重带回来才能垂直降落,这不仅让气动结构变得复杂,面且还会降低火箭的运力。
本篇之目的是在这里为各位读者提供一种全新的火箭构型( 可称之为“发动机捆绑式液体火箭”,介于现有捆绑式火箭和韭捆绑式火箭之间),以便能更好地实现火箭发动机及火箭整体回收,为了实
现上述目的,本方案提供了以下技术思路,其技术特点包括:
●将1台或多台火箭发动机设计成独立的模块并以外挂捆绑的方式安置在火箭箭体上;
●发动机模块所需要的全部(或大部)燃烧剂和氧化剂均取自于火箭箭体内的燃料箱;
●发动机模块内 部设有伞具、牵引绳、微型动力装置等回收配套设备;
●火箭箭体底部被腾空的中心轴线位置可以安装起飞/着陆火箭发动机;
●火箭完成任务 后发动机模块可以与舰体分离,之后以动力伞形态自行着陆;或者被指
升机空中回收;或者被地面车辆/海面船艇实施牵引回收。
●火箭完成任务后发动机模块可以与火箭箭体--起垂直着陆,着陆阶段由位于箭体底部
的起飞/着陆发动机发动机提供着陆推力。
●在箭体直径允许的情况下,在箭体底部轴线处安装起飞/着陆发动机,再着陆发动机
周围的箭体底部安装多部起飞发动机,在箭体周围安装捆绑式发动机模块。
现有火产与新概念火箭对比图
“发动机捆绑式长征7号”基本结构包括:
* 1个芯一级燃料箱,直径3.9米;
6个芯一级发动机模块,以外挂捆绑方式置于芯一级燃料箱底部周围:每个模块配置;
1台推力120吨的YF100发动机;
* 1组起飞/着陆发动机模块, 安装在新一级燃料箱底部中心轴线位置,包含4-5台单发
推力15吨的YF115发动机。(当然也可是别的2-3台30-50吨级发动机)
*通用二级结构。包括二级火箭和燃料箱系统,属于- - 次性不回收配备。
火箭起飞时芯- -级配备有1个芯一级燃料箱和6个芯- -级发动机模块。由于只打算回收6个发动机模块而抛弃新一级燃料箱, 因此起飞/发动机模块所包含的4台YF115发动机不安装;火箭起飞时,由捆绑在芯- -级燃料箱底周围的6个- -级发动机模块提供推力,总推力为720吨。6个发动机模块所使用的燃料(所有的氧化剂和燃烧剂)均通过燃料管着取自于芯一级燃料箱;当一级完成助推工作后与二级火箭分离之后,“芯- -级+发动机模块组合体”向预定落区滑落;当到达落区- -定高度后,6个发动机模块与芯级一级燃料箱再次分离,之后芯级燃料箱被抛弃。
6个通用发动机模块与芯一级分 离之后展翼伞并启动小型动力装置,形成动力伞飞行模式。接下来发动机模块将采取3种回收方式: (1) 利用自身动力远程自主飞到预陆点并打开缓冲气囊自行软着陆; (2) 在动力伞状态自主飞行的同时,被直升机空中钩取回收: (3) 在动力伞状态自主飞行的同时向下投放牵引绳索,并被下方的回收船/回收车辆接取实施牵引飞行,并最终被回收船上的绳索绞车拉到船上。(此为本公司的另-一个参赛项目,项目名称为:一种使用伞具回收火箭及火箭零件的方法)
火箭起飞时芯一级配备有1个芯级燃料箱、6个一级发动机模块、一个通用起飞/着陆发动机模块:火箭起飞时,6个通用发动机模块提供主要推力,合计推力为720吨。同时起飞/着陆发动机模块所包含的4台YF115发动机也开机工作,合计提供60吨推力。此时火箭起飞总推力为780吨;当芯一-级助推工作完成后,便与二级火箭分离。
其后,芯一级组合体(1个芯级燃料箱+6个捆绑式发动机模块+1个起飞/着陆发动机模块)开始整体返回着陆,其基本程序包括:芯- -级再入大气层实施再入减速,在此阶段由2个通用一级模块所含的2台YF100发动机(合计240吨推力)、及起飞/着陆发动机模块所含的4台YF115发动机(合计60吨推力)共同工作,让芯- -级火箭的从秒速从8M降至秒速5M以下:之后芯一级依靠空气阻力实施气动减速,并使用栅格舵控制火箭落点使其精准飞向回收船;在到达回收船上空约3000米高度时,火箭速度降至时速1000 公里/左右,此时起飞/着陆发动机模块所含的4台YF115发动机再次点火实施减速,并控制火箭在回收船上垂直着陆。
由于起飞/着陆发动机模块的推力是为芯一级 “量身定做”,因此恰当的推力可以让芯- - 级火箭实施空中悬停和低速横向机动,能更好地保障火箭安全降落,同时还可以让芯--级实施空中回收作(以抓栅格舵/抓火箭抛出的吊索等方式实现空中回收)。
其基本程序如下:芯一级组合体再入大气层并接近着陆点上空时,芯一级火箭发动机模块与燃料箱分离并
使用伞具独自回收;而芯一级燃料箱则依 靠安装在箭体下部的起飞/着陆发动机独实施垂直着陆,或者燃料箱也打开伞具进行降落。这种发动机模块和燃料箱分开回收的好处是:在没有完全掌握垂直回收技术之前,能够实现火箭重要零部件的回收,即回收最为值钱的发动机模块:在测试燃料箱垂直回收的过程中,如果出现失败也不会有太大的损失:同时在整体回收的过程中如果遇到技术问题,也可以让发动机模块快速分离独立回收,以减少损失程度。
本立案的优点
主要包括——
1)能让火箭发动机模块更好地被回收。如果将发动机舱作为一个整体进行分离回收的话,那么对于大型火箭而言会存在着重量超标问题。但是如果以1台发动机为基础构建立发动机模块,就会起到化整为零的效果,因而可以被普通的翼伞及中型直升机所承受,这一点对于大规模商业化航天发射至为重要。
2)基于轻量化和动力伞飞行的基础上,发动机模块可实现回收方式的多样化。包括:直升机空中钩取;发动机模块以动力伞形态自行降落;发动机模块被发面车辆和海面舰船牵引回收。发动机模块多样化的回收方式有助于适应不同的发射回收场景,并能有效降低火箭的使用成本。
3)可以让火箭更加合理地布置反推发动机。火箭箭体周边捆绑发动机模块后,箭体下部的中心位置将会被腾出来,此时将可有足够的空间将反推着陆火箭发动机。
4)在基本不降低火箭最大运载能力的情况下,实现火箭发动机部分的回收,能显著降低火箭的发射成本。猎鹰9之类的中型火箭虽然能整体回收一级火箭,但是会相应损失部分运力。而“发动机捆绑式火箭”由于使用降落伞回收捆绑式发动机模块,基本没有什么运力损失,且能回收火箭价值最高的部分。
综上所述,本文所述的新构型火箭具有一定的创新性,在理论上也有相应的优点。不过目前其仅是本人的个人创意,欢迎有兴趣的航天爱好者共同讨论。
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