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1、云航天之二地月往返与电推2013年5月17日一、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/s62013年5月11日写于佛山云航天之二地月往返与电推2013年5月17日这里假定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62013年5月11日写于佛山云航天之
2、二地月往返与电推2013年5月17日为了达到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 太阳能电推进系统一、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
3、,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
4、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42010年航天器轨道发射成本(来自《MarketResearchatAdAstraRocketCompany》)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462013年5月11日写于佛山云航天之二地月往返与电推2013年5月17日,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
5、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
6、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(890kN)燃烧时间:500s比冲:418s(4099m/s)净重:3,480磅(1,579kg)燃烧后重量:3,609磅(1,637kg)喷口面积比:27.5to1推进剂:LOX&LH2混合比例:5.50由公式可知3000m/s=C*X12700m/s=C*X262013年5月11日写于佛山云航天之二地月往返与电推2013年5月17日2500m/s=C*X3由J-2发动机数据计算等
7、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
