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[转载]载人登月的新途径?感觉有点不可思议.已有2人参与
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http://www.guokr.com/post/469646/ http://www.guokr.com/post/469646/ 一、登月需求计算 表1 航天器速度增量需求表(来自《火箭发动机基础》)由表1 可得,从地球LEO轨道到月球软着陆需要∆V约6000m/s这里假定mi/mf=2,得到,喷气速度C=6000/0.69≈8700m/s 表2 常见喷气速度典型值.(来自网络)由表2. 得知,如果要把地球LEO轨道初始质量为20吨的航天器推送到月球,剩余质量为10吨的登月飞船实现软着陆.侧需要实现等效喷气速度为8700m/s,由,得到比冲量为888. 表3. 常见发动机性能图示为了达到8700m/s的排气速度.并考虑工程实现的可能性.由表2,排气等效速度可知到,可以考虑的方式只有电推进(静电式,电磁式,电弧加热式)和太阳能加热H2或O2.本读书笔记就是以这个需求出发来设计光筝① 聚光太阳能推进系统② 太阳能电推进系统 二、传统火箭登月最佳途径下面计算当前技术水平下载人登月成本和技术状况. 登月成本是指从地面到LEO发射成本.LEO到月球,月球上生产氧气,月球到LEO所需航天器的研发,生产费用不包括在内.到目前为止已经实践证明成功的登月是阿波罗计划,其技术方案是地面一次发射,月球轨道交汇对接.成本不详.也没有参考价值.其成功只有两个,一个是带回了400kg 左右的,毫无价值的月球石头.另一个是实现了高成本的首次登月,给美国人带来了无尽荣耀.阿波罗计划的失败也只有两个:一个选择了错误的技术方案,让人类太空技术历史止步了60年.另一个失败是只有12个人登上月球,总共停留时间不到1000小时/人,根本不可能找到月球的价值,通过阿波罗计划获得对月球的了解还不如地面上的一台望远镜,然后美国人从月球上回来了,跟地球上的人说,这是人类的一大步,迈开这个步子却发现月球毫无开发价值,你们不要来了.这是一个非常可耻的行为.为什么这样说?这为什么是一个失败的错误的登月技术方案?阿波罗登月方案技术实现上过于复杂,成本太过于高昂.人类原本有一个更优化的技术方案.这个技术方案以2010年航天发射成本来计算,约为2亿~3亿美元. 表4 2010年航天器轨道发射成本(来自《Market Research at Ad Astra Rocket Company 》)这个低成本方案如下:地面发射LEO初始质量为30吨的登月飞船,参考表4 ,以5000美元/千克计算,共需要1.5亿美元.30吨的登月飞船能够做什么?可以实现两人28小时内从地球LEO轨道登陆月球.并在12小时内从月球表面安全返回到地球.共需发射两艘30吨登月飞船,其中一艘是从LEO到月球表面的载人飞船,另一艘是载人从月球返回地球的返回飞船,登月成本为最高3亿美元.)下面对这个方案的简单计算. 依据表1 航天器速度增量需求表有LEO轨道到达转移轨道需要速度增量为2900m/s,进入月球轨道,并实现月球着陆需要速度增量为2600m/s,由月球表面到地球LEO需要速度增量为2400m/s.未来简化,将300m/s轨道调整所需速度增量平均分配到三个环节,不考虑其他额外速度增量(假定这里的某一个环节的计算有10%的误差.将会导致最终结果出现对数级,指数级的偏差.如果出现这个情况,倘若是偏差是往好的方面,这个方案实现起来更加可行.如果这个偏差是往坏的方面发展,这个方案就没有实现的可能.这里的计算只是概括性的描述.还需要工程级别的计算才可以判定方案可不可行.其实说白了,这就是一个5级火箭的模型,根据已有工程统计数据来设计的5级火箭,实现5~8吨载人飞船月面登陆的目标.) 表5 常见航天发动机性能J-2推力(海平面): 200,000 磅力 (890 kN)燃烧时间: 500 s比冲: 418 s (4099 m/s)(工程最好比冲为545S)净重: 3,480 磅 (1,579 kg)燃烧后重量: 3,609 磅 (1,637 kg)喷口面积比: 27.5 to 1推进剂: LOX & LH2混合比例: 5.50由公式可知3000m/s=C*X12700m/s=C*X22500m/s=C*X3由J-2发动机数据计算等到的工程实现等效排气速度约为4000m/s.可以求得X1=0.75,X1=0.675,X1=0.625.可得e^X1=2.117,e^X2=1.964,e^X3=1.86.假设LEO初始质量为30吨,有月面登陆质量为M=30/2.117/1.964=7.2吨.假定7.2吨里有3.0吨为发动机和燃料罐重量.则有效载荷为4.2吨.4.2吨可以建造一艘2人登月飞船.不能把人扔在月球上不管啊,人怎么回来呢?从LEO发射一艘初始质量为30吨的不载人飞船,登陆月面的飞船重量还是7.2吨.装载有4.0吨的液态甲烷.从月球上加注20吨的液氧到这艘飞船里.(由于月面上最低温度为-150℃以下.氧的沸点是-183℃甲烷沸点是-161℃ 温度非常接近,可以很方便生产,存储液氧和存储甲烷.在月球上加注液氧是整个方案最重要的地方)加注液氧后得到4.2+7.2+20=31.4吨的飞船,该飞船从月面返回.这个飞船可以实现大气层有动力降落.(即与神舟飞船返回方式不同,这个返航飞船利用三个火箭发动机实现缓慢降落,这种降落方式比航天飞机降落返回地面的方式更加安全可靠)这个方案是否可行?由于这个方案的计算过于简单,此外原理也非常简单.任何一个航天工程技术人员都具备构想这个技术方案的知识和能力,他们为什么没有选择这样的一个登月方案呢?这是我对这个简单的方案没有信心的原因.参考龙乐豪院士的《现代“嫦娥奔月"的技术途径设想》 可知道,以长征五号改进型运载火箭,环月轨道对接方式的月球轨道运载能力可以达到15吨.月面载人登陆可以为8吨.神舟飞船的质量约8吨.按照龙乐豪院士的数据中国人可以在2015年~2016年实现载人登月并且安全返回.具体方案如下2014年长征五号改进型火箭,发射质量为10吨的氧气自动生产存储设备到月球,该设备利用太阳能能源.能够在6个月的时间内生产出20吨的液态氧.2015年使用长征5号飞船,发射质量为10吨的月球返回飞船到月球.该飞船使用以甲烷为燃料发动机.10吨质量里装载有5吨甲烷.加注20吨的液氧后,等到30吨的飞船.2015年10月份,该飞船从月球返回地球.验证了这个技术方案的可行性.2015年11月,地球高空轨道上,天宫一号飞船(8.5吨)+月面生活舱(10吨)+推进舱(25吨)组合体开始奔向月球.并成功登陆月球2016年2月,使用长征五号.发射两次.并成功将两辆质量为10吨的月球车发送到月球.2016年,根据前两年的技术数据.优化并调整好方案.于2016年农历八月实现载人登月并返回.使用长征五号火箭将载有2人的重量为10吨的登月舱发射到月球.火箭升空三天内,两名航天中国航天员开始月球上的辛勤劳动.并在月球上停留180天.2017年3月,使用长征5号发射重10吨返回舱到月球.两名中国航天员踏上回家的路.中国载人登月的生产成本:发射长征五号8次,成本共3*8=24亿美元.月球生活舱2个,成本共2*2=4亿美元氧气自动化生产设备一套,成本5亿美元月球车2台,成本共2*2=4亿美元.其他辅助设备,花费3亿美元.以上共40亿美元.外加40亿美元研发费用.从2013年到2018年的投入约为80亿美元.年均20亿美元.折合人民币为120亿每年.2018年开始考虑,商业化月球旅游.月球180天游.每人每次费用为2亿美元.以每年一个人次的商业旅游来计算.从2020年到2035年可以收入30亿美元,外加一部分政府拨款,私人捐赠.从2020年到2035年15年总共预算150亿,每年花费10亿美元即可实现探月的可持续性.假定发现月球某一个陨石坑有约1吨左右的钻石矿产(这是一个可能性非常大的假设),或者月球上的陨石的商业价值在5万美元/千克(接近黄金的价格),开采提炼成本为1万美元/千克.从月球运输到地球的成本是2万美元/千克.获利将为2万美元/kg.倘若在月球表面能够找到这样的露天矿藏.即可以实现探月的可持续性.从上面的数据看,月球应该是在50年前就被开发起来了.为什么不是这样.三、登月为什么需要电推进系统 如果传统火箭的载人和货物登月是可行的,成本估计估算是1.5~3万美元/千克,这是一个当前生产技术条件可以接受的.为什么还需要电推呢?电推可以从LEO轨道搬运10吨的质量到月球表面,而不需要消耗地球上发射的燃料,其方法非常简单,电推的推进剂是氧,其等效排气速度是15000m/s,初期采用太阳能为动力,技术成熟后采用太阳能+核能动力.可以实现月球低轨道初始质量为30~40吨,从月球到地球LEO轨道后质量为25~30吨.在地球LEO轨道对接10吨货物.奔向月球轨道分离10吨货物.并在月球轨道上补充20吨氧气.等到再次飞行.这个设想是多么美好的,如果成功了相当于说货物投放月球的成本是5000美元/千克.相当于是当前地面到LEO轨道的发射成本. [ Last edited by 孙?�730 on 2013-9-9 at 09:53 ] |
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