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  • 1 # 魑魅涅磐

    一般來說貨運飛船因為沒有載人飛船必需的人體保障裝置,和火箭加速上升過程中的人體生理承受限制,同一款飛船衍生而來的載人飛船和貨運飛船之間在載荷等方面的差別還是比較大的。而所謂的火箭推重比簡單來說就是指的火箭在飛行過程中的加速效能高低,也就是說火箭推重比越高,火箭的加速性就越快,也就意味著其能夠以更少的時間穿過稠密的大氣層,減少了與大氣摩擦的損耗。同時也因為其加速度更高的優勢縮短了火箭總飛行燃燒時間,那麼也就意味著兩枚裝載相同燃料量和同樣比衝大小的的火箭,推重比更大的火箭反而因為飛行時間的縮短具有更大的運載力,所以這也是同一款飛船衍生而來的貨運飛船載荷和起飛重量要比載人飛船大一些的原因所在,就像基於神舟飛船衍生而來的天舟貨運飛船質量更大一些一個道理。具體來說在不考慮載人的前提下,火箭推重比越大會帶來什麼好處呢?舉例來說火箭發射要求其末端飛行速度要達到第一宇宙速度才算是具備最低標準的發射入軌能力,那麼對應到推重比更大的火箭身上來說,在火箭推重比達到一個較為極端的時候,火箭或許能在瞬間加速到第一宇宙速度,那麼這個時候火箭自身所需要的速度增量就是第一宇宙速度7.9KM,但是實際上受限於技術的限制,火箭必須透過多級結構才能達到第一宇宙速度,比如典型的用於發射國際空間站這類低軌道的二級結構火箭,從發射點火到火箭與航天器分離,火箭發動機總燃燒時間基本在450秒左右,那麼按照其燃燒時間計算的話,這種二級結構的火箭光是克服重力帶來的垂直加速上升過程中產生的450×9.8=4410M/S的垂直方向速度損失,至少就需要(4410^2+7900^2)^0.5=9047m/s的速度增量才能保證航天器順利進入執行軌道,這樣計算下來的話,也就可以看出二級結構的火箭在加速性上相比推重比達到極端可以瞬間加速到第一宇宙速度的火箭,在速度增量上差了大概1147M/S,對應到火箭自身載荷至少是3噸左右的載荷差距。從中便可以看出火箭的推重比越高,帶來燃燒時間的縮短背後,是減少了所需速度增量而來的更大的航天載荷優勢。而直接影響火箭推重比的關鍵引數就是火箭自身的發射質量和總推力比值,由於固體火箭發動機結構簡單/沒有獨立的發動機,所以固體火箭發動機雖然比衝較低,但是其相比常見的液體火箭發動機總推力更大,而且自身零部件更少帶來更輕的發射重量比,所以為了提高火箭自身的推重比,很多火箭都掛載了推力更大的固體火箭發動機來增加火箭發射載荷,比如歐洲的阿麗亞娜5運載火箭/曾經的太空梭和最新的SLS超重型登月火箭以及日本的H-2火箭都有掛載固體火箭助推器,特別像美國的戰神5火箭直接使用太空梭使用的固體火箭助推器既可以完成低軌道發射任務。不過任何火箭的推重比並不是可以無限增大的,雖然推重比更高的火箭航天載荷優勢更為明顯,但是相應的加速度越高,意味著火箭箭體結構在承受加速過程中的氣動壓力和摩擦力更大,特別是氣動阻力和加速度是呈指數上漲的,而且空氣阻力也會產生幾百度甚至上千度的高溫,對於飛行器的機體結構強度和耐高溫有著直接更高的要求,比如SR-71戰略偵察機雖然可以飛到3馬赫的最大飛行速度,但是其機身在設計時除了有額外加強機身結構強度外,更是在機身蒙皮設計上考慮了氣動阻力產生熱量後的機體受熱膨脹影響。不過不管是為了抵消更大推重比帶來結構強度的增強和氣動加熱帶來的影響,相對應都需要火箭在設計製造時進行結構強度加強和隔熱處理後帶來更大的起飛質量,那麼在火箭起飛總推力一定的前提下,更大的火箭自身重量也就浪費了火箭發射載荷和燃料攜帶量降低所帶來較低的推重比。比如原本火箭可以實現100噸的低軌道發射入軌能力,但是在發動機總推力不提升的前提下為了增加火箭的推重比,進行了結構強度加強和隔熱處理後帶來燃料量的降低和航天載荷的降低,火箭最終可能只能實現30噸的低軌道發射入軌能力。所以這也是為什麼火箭推重比不能太高的原因所在。當然火箭的推重比也不能太低,畢竟這直接影響著火箭能否發射成功的關鍵,比如美國SpaceX公司的獵鷹9運載火箭搭載的梅林1D液體火箭發動機雖然推重比是世界上最高的,能夠保證獵鷹9一級火箭中9臺梅林1D液體火箭發動機在兩臺發動機停機狀態下依然完成發射起飛。更高的停機效率雖然賦予了獵鷹9運載火箭更加強大的發射可靠性,不過能起飛不代表能完成最終發射入軌,比如獵鷹9火箭在2012年首次利用龍飛船運送物資前往國際空間站補給的CRS-1發射任務時,當時獵鷹9運載火箭為了降低火箭發射成本,除了搭載有龍飛船外還搭載有多枚奈米衛星。不過不幸的是在發射過程中,獵鷹9一級火箭有一臺梅林1C發發動機發生爆炸停機造成火箭總推力的降低,結果就是受限於總推力的降低(爆炸停機後的發動機沒能產生推力反而成為火箭自身重量的一部分)帶來推重比的降低,最終獵鷹9火箭只將龍飛船送入預定軌道而放棄了納米衛星,同樣這也是為什麼火箭推重比不能太低的原因所在。所以在實際航天發射任務中,火箭自身的推重比都會刻意保持在1.2--1.5左右,這樣能夠保證在較低的推重比前提下,火箭自身的結構質量不至於太重而影響發射效率。而且因為火箭在發射過程中火箭燃料的消耗,火箭自身的推重比也會隨著火箭自身重量的降低而逐漸增高到3G以上以達到航天器發射入軌速度增量要求。當然對應到載人飛船的話,為了降低推重比過高對航天員生理的影響,火箭在飛行過程中會透過限制燃料流量的方式來降低推力以保障航天員的生命安全。如果是沒有載人需求限制的貨運飛船的話,在結構強度和結構質量允許的前提下,肯定是火箭推重比越高越好了,畢竟能帶來更大的發射載荷和更低的發射成本。

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