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火箭干质比极简科普!

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原作者:纸飞机
首先,我们所谓的干质比按照教科书上的说法应该叫做质量比,不过大家随意了,这个指标的意思是火箭(或者某一级火箭)的全重和空重的比值。
其次,这个指标为什么很重要?那是因为根据齐奥尔科夫斯基公式,火箭的最终速度就由这个质量比和排气速度两个指标决定
最后,哪些东西影响这个干质比呢?因素很多,下面讲最主要的


来自Android客户端1楼2018-02-11 16:36回复
    1 燃料类型
    这是最具决定性的因素,一方面是因为不同燃料密度不同,更重要的是不同燃料对于绝热要求的不同
    常温燃料可以用比较简单的热防护结构,而液氢燃料则需要很厚的泡沫层或其他结果来保持低位,液氧煤油介于两者之间
    所以一些常温燃料的火箭干质比能超过20,而阿里安5的芯级不过12.X就已经很不得了
    2火箭的大小
    毫无疑问,越大的火箭这个指标越有优势,所以我们可以看到土星5的第一级和能源的芯级都非常强
    3 火箭本身是否承力,是否有助推器
    助推器会产生巨大的推力,这些力会被传递到芯级的壁上,所以需要捆绑助推器的话,侧壁上的结构就需要加强
    所以可以看到,长2捆的芯级干质比要低于没有捆绑助推器的长2C或者D
    顺便说一下,像天顶这样本身也被用于助推器的火箭一样有这种需要加强的问题
    另有一些火箭,如联盟的助推器和阿里安5的芯级,发射前是靠一些手段悬挂在发射架或助推器上的,不用承担自身的重量
    这种设计也能稍微减少一些干重
    4火箭的推重比和发动机的推重比
    发动机推重比一定的情况下,火箭推重比越高干质比越低
    火箭推重比一定的情况下,发动机推重比越高干质比越高
    5材料和加工工艺
    先进的材料和加工工艺可以降低储箱的重量,但不会太多
    比如航天飞机用铝锂合金储箱之后燃料箱减重约10%
    复合材料也许可以减重更多,但还没实用化
    6火箭发动机和增压系统的设计
    燃料要进入火箭发动机,肯定需要一个压力,而这个压力越大,储箱内壁受力就越大,也就会变得更加重
    增压有多种方式,一般认为自生增压更可靠但更重;氦增压最轻,成本也最高
    需要说明一下的是,网上很多资料里的干重是用起飞重量减燃料重量来的,也就是说把氦气也算进干重了,这样的数据计算出来的干质比里,自生增压反而有优势
    7火箭本身的设计
    其实这才是影响最大的部分,所以最后说
    以美国为例,土星1和宇宙神+半人马差不多是同一个时期的东西,用的技术应该是差不多的
    但前者的干质比仅11是目前已知的液氧煤油火箭中最差的,后者却接近20,目前仍然是最高的记录
    主要原因在于前者用了8台发动机,8个燃料箱这样的会大幅度增重的设计,而后者的气球式储箱和共底结构又是极端减重的典型。


    来自Android客户端2楼2018-02-11 16:39
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      科普贴


      IP属地:山东来自iPhone客户端3楼2018-02-11 18:05
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        这样看来,猎鹰9用了9个发动机,干质比不会很高啊


        IP属地:德国来自iPhone客户端4楼2018-02-11 18:51
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