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一个新型火箭发射系统的科幻

已有 1603 次阅读 2020-6-6 11:19 |个人分类:未分类|系统分类:科研笔记| 火箭, 发射场, 技术, 科幻

一个新型火箭发射系统的科幻

传来消息,马斯克的火箭已经成功升空,这个事件本身就是一个划时代的事件,说明航天时代迎来了社会化发展的快速时代。相信这个时代会吸引更多的民间智力,产生更多的航天器技术。现在我也想凑凑热闹。这个话题似乎超出了我的能力范围。不过呢,外行看效果,内行看核心。作为外行也可以通过效果知晓一个事物的优点和缺点。然后他依然可以通过效果描述来表达自己的设想。今天我就试一试。

我们生活在航天时代,过去的航天事业投资大,技术复杂,困难重重,所以航天技术一直都是国家最高层面的技术。但是国家层面的技术,也存在着很大困难,苏联的航天计划和美国的航天计划在进入新世纪以后都发展缓慢,美国已经放弃了全部航天飞机,从2011年起全部停运,这不仅仅是因为美国损失了两架航天飞机,损失了十四名航天员,而且是因为航天的确是一个很烧钱的行业。但是,最近几年新技术的发展,让人们逐渐认识到航天会带来巨大的经济效益,最为成功的就是美国的卫星导航系统,赚了很多钱。随着导航技术的发展,欧洲、俄罗斯、中国都加入到了导航技术的研发,导航卫星网络的建设。所以形成了一个新的名词,叫“太空经济”。太空经济的突出表现在于导航产生的巨大效益,另外太空对于通讯具有极大优势,目前使用的通讯基站在全世界多达几百万个,但是如果在太空建设通讯基站,则通讯卫星的数量会控制在100个以内,而且是全天候,无缝隙覆盖。所以,太空经济的下一个巨额市场是太空通讯基站的建设。另外太空经济还表现在对于地面矿藏的搜寻,天气系统的预报,调水的指导。还有就是太空资源的开采,例如太空中的太阳能发电,然后通过激光传回地球,例如太空中某些矿物的开采利用,利用太空环境育种等等。正是这些领域巨大的经济潜力,吸引越来越多的民间资金投入到航天器的发射中,目前中国的航天器发射也进入了社会发展时期。相信在这个新时代中,民间智慧,民间新技术会越来越多,突破传统的技术缺点。

那么传统航天技术有什么缺点呢?虽然我的确是一个航天外行,但是也生活在航天时代,观察过很多次火箭的发射,也经历过多次航天灾难的发生,1967424联盟1号坠地事故1971630日“联盟11号”空气泄漏事件,1986128日“挑战者号”升空爆炸,200321日“哥伦比亚号”空中解体,1996.02.15长三乙火箭剧烈爆炸等等事件。从以往的经验中,基本可以总结出传统的航天技术具有以下缺点:第一,加速初期容易失去稳定,容易发生事故。第二,目前的航天火箭运输能力比较低下,难以满足建设空间站的需求,也难以满足未来星际旅行的需求,第三,这个行业非常烧钱,国家层面也是难以持续。第四,目前的航天器非常浪费燃料,导致返回的时候缺乏燃料;第五返回的时候危险很大,需要经历高温高压高速的洗礼。所以,航天技术的重点应该是减少成本,提高运输能力,提高安全程度,提高加速初期的安全性能,提高加速能力,提高返回安全性。根据以上要求,我初步设计了一个“火箭加速机”。

航天飞行的难点在于起飞时候的加速和返回时候的减速。虽然目前已经有了比较成熟的技术,但是起飞的时候依然是比较危险的,容易发生点火起飞失败,火箭坠毁解体。起飞的时候要求在短时间内把速度加速到第一宇宙速度,7.9公里每秒,所以瞬时加速度是很高的。但是根据以往的飞机、火箭飞行记录,火箭飞行的稳定速度在每秒100米到一个马赫之间。如果飞行速度超过一马赫,那么通过火箭姿势的微小调正,就可以避免火箭坠毁。所以我们的设想是在地面就把火箭的速度加速到1马赫以上。这样一来就不需要调正火箭发射以前的姿势,减少这个技术环节,避免发生事故。另外,为了节省燃料,保证返回和星际旅行更多的燃料,运输更多的物资,最好在地面就把火箭的速度加速到1——2.5马赫,也就是每秒400——800米。为此,我想应该把这几个技术结合起来。一个是隧洞技术,一个是高铁技术,一个是喷气式发动机技术,一个是火箭技术,一个是电磁发电技术。具体设想如下:

生产一个火箭专用的加速机,把火箭放在加速机的前端。加速机的作用是分两个阶段把加速机和火箭一起加速到1——2.5马赫,大约是每秒钟400——800米。然后火箭点火飞向太空。所以火箭加速分为三个阶段,每一个阶段采取不同的技术和设备。第一个阶段采用高铁技术,在10——15公里范围内把加速机加速到每小时300公里,即每秒钟83米,称为第一加速机;第二阶段采用喷气式发动机技术,把加速机加速到每小时1400——2800公里,即1.5马赫——2.5马赫,称为第二加速机。在这个过程中需要克服音障,一般的设备无法达到这个速度,包括磁悬浮,普通螺旋桨发动机,只有喷气式发动机能够达到这个速度,一般来说先进的战斗机的发动机能够超过2.2马赫,马力超过100000马力(1976727日,艾多福斯·布赖索乌少校和操作手约翰·费勒少校驾驶该机创造了3367.221公里/小时的1000公里闭式航线飞行速度记录。同一天, 罗伯特·赫尔博大尉和操作手莱里·艾利奥特则以25929.031米打破了平飞高度的世界记录。翌日,飞行员艾顿·约斯大尉和操作手莫汉少校驾驶SR71由加利福尼亚的比尔空军基地起飞,在25公里航段神奇般地创下一项时速3529.56公里的绝对速度记录。)在这个速度下,火箭自主飞行能力大大提升,飞行惯性非常大,可以去掉捆绑式火箭的捆绑火箭,加长火箭燃料箱,改进火箭形状,承载更多燃料和荷载。当加速到2马赫的时候,火箭点火,火箭脱离加速机飞向太空,此时火箭巨大的反冲力作用在加速机上,既能够给火箭加速的反冲力,又能够快速降低加速机的速度,让加速机快速减速停止。

在加速的第一阶段,第一加速机采用高铁技术,马力大,承载重,加速慢,高铁的加速度大约在0.6米——1米每秒,120秒之内能够把速度加速到80米每秒,需要的轨道长度大约是4500米。此时在第一加速设施继续工作几秒,同时第二加速机开始工作,喷气式发动机点火,点火产生的冲力让第一加速机减速,此时第一加速机自动脱离加速机,第二加速机携带火箭以更高的加速度前进,这时候需要冲破音障,空气的阻力不可忽视,在第二加速阶段,为了减少空气阻力,并且让加速机在均匀的有序的空气流中前进,减少震荡和音爆,需要把第二加速机放置在隧洞中加速,当速度超过每秒150米以后,就达到了一般的起飞速度,加速机容易脱轨,此时应该抬升高度,转变加速角度,让加速机从基本水平逐渐转向垂直滑行。一般飞机由于受到动力的严重影响,其产生的动力的加速度只能在0.8——1.1米每秒之间,不能达到一个重力加速度。用这个加速度要把速度加快到2马赫,需要的轨道长度大约是174公里,很显然这个距离太长了,必须把轨道长度控制在50公里以内。

要把火箭的速度在50公里之内提升到1000米每秒,那么加速时间必须控制在100秒之内,而且加速度接近一个g,就是接近10。这个加速度是一般的飞机无法承受的。而且要求功率非常大。那么如何实现以上要求呢?

可以采取四个技术措施。第一个技术措施,加速车使用轨道,用轨道增加稳定性,同时减少摩擦力,以较快速度加速。第二,在第二加速器上增加喷气式发动机的数量,以增加加速动力。第三,整个轨道放置在一个隧洞之内,隧洞长度应该是50公里左右。第四,高速度下空气阻力不可忽视,所以在隧洞的火箭出口使用空气控制装置排出空气,减少空气阻力。以上四项措施实施以后,加速度可以增加若干,希望能够增加到5米每秒以上。到达5米每秒的时候,50公里轨道的加速时间大约是141秒,此时速度可以增加到785米每秒,达到2.3马赫。基本能够满足火箭发射要求。当然,在喷气式发动机的制造上还应该继续研发,以便于制造出推力更大的加速机。或者设法把电磁弹射装置融入该设备,但是估计这个很复杂。以上四项技术目前使用已经非常普遍,没有技术障碍。轨道技术在铁路上已经有多种,普通铁路、高速铁路、磁悬浮列车都是使用轨道,轨道的最大的好处就是能够降低接触面,降低摩擦系数,提高加速度;隧洞的使用有两个好处,一个好处是隧洞不受外界风雪雨的影响,所以对于轨道的稳定、火箭的稳定、火箭发射方向的准确操控都有好处,另外隧洞内空气流动方向单一,空气容易压缩,对于喷气式发动机的使用非常有利,喷气式发动机的原理就是牛顿第三定律,通过压缩空气,点燃压缩空气,再次压缩空气,产生高速气流,产生巨大的反作用力,就是这个反作用力推动飞机前进,而隧洞内更加容易产生定向的反作用力。所以隧洞内条件更好。尤其在极高的速度下,轻微的侧向力都会导致火箭倾斜跑偏,甚至坠毁(历史上一只鸟导致飞机坠毁事件很多)。所以,隧洞是必须的。

第一加速器安装在第二加速器后面,第二加速器上面放置火箭,发射的时候,第一发射器首先启动,当加速到第一加速器的极限速度的时候(安全的极限速度)第一加速器脱离第二加速器,第二加速器启动,此时第一加速器依然以每秒80多米的速度在前进,但是它不可能追上第二加速器,但是它需要减速。当第二加速器加速到速度极限,3个马赫的时候,火箭点火启动,飞向太空,这时候第二加速器的速度是3马赫,非常高,实际上第二加速器这时候飞行在地面附近。如果使用重力自然减速,那么以这个速度,它会在垂直距离上持续飞行100多秒,在垂直距离上飞高达到50多公里,很可能达到平流层的外界,很显然,这是不能允许的。那么如何把每秒1000米的加速器在几公里之内减速到停止呢?当火箭脱离第二加速机的时候,火箭给与第二加速机一个非常强大的反作用力,这个反作用力会迅速地把第二加速机减速,很可能会把加速机的速度快速地从3马赫减速到1马赫以内,也就是大约300米每秒,但是这个速度依然非常大,不仅速度难以控制,其运动方向也是很难控制的。而且空气阻力会引起机器发热。这个时候很容易发生碰撞坠毁事故。那么如何快速地把第二加速机的速度降下来呢?我们采用“反向爆炸技术”或者反向火箭技术,当火箭从第二加速机上起飞的时候,点燃反向火箭,使得安装在第二加速机上的反向火箭同时点火,和加速机的方向相反,这个火箭的点火时间持续20秒——40秒,当速度下降到每秒100米以下的时候熄火。此时,第二加速机会回归到轨道上,在轨道上安装发电机组,把第二加速机的动能转换为电能存储起来,然后第二加速机能量损失会继续减速,一直到停止。如果此时第二加速机依然在隧洞中,则隧洞的四壁也可以安装发电装置,在火箭脱离第二加速机以后5秒启动隧洞发电机组,也能够起到减速加速机的作用。

当这样设计的时候,火箭不能垂直起飞,而是只能斜向上起飞,而且起飞速度也不能太快。第一加速机什么时候脱离第二加速机,第二加速机什么时候启动,火箭什么时候脱离第二加速机,反向火箭什么时候启动,减速发电机什么时候启动,这些都是千钧一发的事情,需要很高的衔接技术,需要很精密的时间控制。

当然,最为简单的是去除掉第二加速机,仅仅保留第一加速机,在加速到每秒100米的时候就点燃火箭,让火箭起飞。这样虽然效果不是很理想,但是对于加速机的控制就相对容易了。如果要有效地控制第二加速机,那么必须要求第二加速机在隧洞内加速到一定速度之后减速到起飞速度以下,否则第二加速机就难以控制,只有这样才能够利用轨道下面预埋的发电系统,通过发电阻滞加速机前进,让加速机快速停下来。假设起飞速度是每秒100米。那么隧洞的长度只能在50公里以内,而隧洞的高度由于受到大山自然高度的影响不会超过3000米,从隧洞进口到隧洞出口的高差一般不会超过3000米。现在我们假定以3000米来计算。火箭的发射角度基本上要求是垂直于地面,也就是90度,我们假设从隧洞进口到山顶是一条直线,那么其角度为3/50的反正切值是3.5度。以这个角度是无法转向垂直的,所以必须在隧洞的恰当的位置设置一个急转弯,使得加速器基本垂直运动。但是转弯半径非常小,大约不足3000米。在这3000米的垂直距离之内需要设置一个加速距离,还需要设置一个减速距离,否则第二加速机就无法控制。如果速度是1000米每秒,那么3秒之内能否减速到100米每秒,如果这样则其加速度负90g,基本上不可能。实际上技术允许的加速度可能不足5g,而长度不允许超过3000米,这样计算的话作用时间在11秒之内。这样计算11秒之内最高加速到550米每秒。这个结果没有计算需要减速的时间。减速最少需要5秒钟时间。这样一来第二加速机的最高速度必须控制在400米每秒以内。就是说第二加速机允许把整个系统从100米每秒加速到400米每秒。此时垂直距离占用了1375米,V2=V1-atS=V1*t-at^2/2,那么火箭就必须在隧洞高度接近一半的地方释放。在1500处隧洞的角度必须是垂直的。当第二加速机飞出隧洞以后,在加速机自带的方向控制器的作用下,滑落到降落跑道上面平稳滑行,此时跑到上安装的发电机组发挥作用,反向阻止加速器前进,在5公里长度内停止。这样就要求第二加速机带有方向控制系统,在加速转弯的时候控制方向,在加速机落地回收的时候控制方向。

假定隧洞内总长度为50公里,有1500米的落差,在这个长度之内必须把第二加速机的速度从100米每秒加速到400米每秒,而且要实现方向垂直。这个的技术难度大大减小。允许时间为160秒。允许加速度为1.85米每秒。这个指标对于大多数喷气式飞机都能够实现。但是由于加速过程必须在隧洞中进行,而隧洞中运动是加速运动,速度越来越快,给转弯造成一定困难,但是由于隧洞的海拔限制,转弯又是必须的,必须从近似水平运动改变为近似垂直运动,那么问题就是隧洞设计成什么样的曲线形状才最有利于加速运动呢?在加速过程中既能够保证轨道压力不是非常大,阻力不会突然增大,又保证不会触碰到隧洞璧上,又能够实现垂直向上?这个问题就比较复杂了,需要模拟实验或者风洞实验才能完成。如果水平进入隧洞,在47公里处直角拐弯,那么可以获得较大的旋转半径,半径为1.5公里,但是加速机只需要4秒钟就必须实现拐弯,离心力非常大。有可能失去稳定。如果采用逐渐上升则拐弯半径就会变小,此时拐弯部分的离心力会更大。如果采用先水平运动30公里,剩余18公里逐渐加大拐弯角度也许比较好,这时候的曲线就不在是圆弧,而是抛物线形状,拐弯角度逐渐加大,对于操控也许更加容易一些,这个问题就是“角速度加速问题了”。总之,采取怎样的曲线在加速过程中显得尤为复杂。

通过以上的描述,最后我们发现,由于受到各种限制因子的制约,火箭加速机的最高加速速度大约就是1.5个马赫,安全加速速度是1个马赫。对于这样的要求,现代技术已经完全能够实现,只是如何把这些技术组合在一起是一个问题。那么这个加速系统到底能够给火箭减少多少能量载荷呢?我们来简单计算一下这个过程中的做功情况。假定火箭的质量是100吨,第一加速机的质量是5吨,第二加速机的质量是20吨。假设从停止到80米每秒使用了5公里,则加速度为0.640.64*5000*100+20+5*1000=4亿焦耳。再从80米每秒加速到400米每秒使用了61.4亿焦耳能量,这时候对于100吨的火箭来说节省了54.4亿焦耳能量。这个数量相当于19034摩尔氢气,折合为9.5吨氢燃料(285.8 kJ·mol-1)。如果再加上助燃剂的质量,整个火箭的燃料荷载会减轻20吨以上,从而增加其他有效载荷。所以,这个装置还是有很大作用的。

在第一加速机和第二加速机脱离和第二加速机和火箭脱离的时候,都会产生巨大的冲量,也会导致动量和速度的改变。根据动量守恒定律,m1v1+m2v2=m1v1+m2v2′,火箭原来的动量为零,喷气后火箭与燃气的总动量仍然应该是零,即mΔv+Δmu=0 解出Δv= -Δmμ/m,上式表明,火箭喷出的燃气的速度越大、火箭喷出物质的质量与火箭本身质量之比越大,火箭获得的速度越大。当第一加速机、第二加速机和火箭在一起的时候,其动量是125vv从零开始增加到80米每秒,此时第一加速机和第二加速机脱离,当脱离的时候第二加速机点火喷气,其气体作用于第一加速机,此时产生很大的冲量,第一加速机和第二加速机之间开始分离,这个冲量作用于两个加速机的时间一样,力的大小一样,方向相反,Ft=mv-mv,冲量的产生导致两个两个加速机的动量发生改变,而动量的改变量是一样的,都是Ft,因此此时会有120*第二加速机速度改变量=5*第一加速机的速度改变量,所以第一加速机的速度改变量是第二加速机速度改变量的24倍,假定第二加速机速度改变量是2米,则第一加速机在瞬间之内速度就会减小48米每秒,此时第一加速机的实际速度会立刻下降到32米每秒。所以,通过冲量作用,第一加速机的速度会巧妙的传导到第二加速机,第一加速机会突然减速,第二加速机会突然加速。同样的理由,当火箭和第二加速机脱离的时候,火箭点火会产生巨大的推力,而这种推力会传导到和火箭一起运动的第二加速机上,形成一个冲量系统,此时会有20*第二加速机速度改变量=100*火箭的速度改变量,所以当火箭点火的时候火箭的速度改变量是第二加速机速度改变量的5倍,第二加速机会因此减速,而火箭会因此速度突然大增,至于具体增加多少需要看火箭和第二加速机之间的接触作用时间,我们现在假定接触时间是5秒,再假定火箭的推力是80万牛顿,那么第二加速机的速度改变量为250米每秒,其速度在瞬时就会从400米每秒下降为150米每秒,而火箭的速度会从400米每秒很快增加到450米每秒。通过以上计算看出,使用加速机的好处不仅仅是减少火箭自身携带的燃料,而是能够把加速机的动量通过一个动量传导的过程给火箭加速。同时,由于第二加速机把动量传导给了火箭,自身速度大幅度下降,下降到了起飞速度以下,所以第二加速机可以重新回到轨道,在轨道上利用电磁力减速停止。

现在再来看加速以后的效果,当火箭离开地面的时候已经具有了450米每秒的速度,按照这个速度,仅仅需要大约20秒就能够离开对流层,进入平流层。平流层的大气密度大约仅仅是地面空气密度的四分之一,而且温度比较低,是目前飞机飞行的主要区间,也非常适合火箭在这个区间提升速度,火箭在这个区间加速既能够减少空气阻力,又能够防止高温产生。所以也能够节省大量能量。

修建这样一个火箭发射系统需要一个发射场。那么发射场修建在什么地方比较合适呢?这个需要结合地球自转来考察。我们知道,地球自转的角速度是24小时360度,每小时15度,但是赤道的线速度最大,两极的线速度最小,赤道的线速度达到了465米每秒,非常大。正因为这样,赤道上空的大气层最厚,对流层厚度超过15公里。赤道的线速度有利于火箭发射,但是对流层厚度大阻力大却不利于火箭发射。如果把发射场修建在赤道附近,则火箭的起始速度就可以达到900米每秒,距离第一宇宙速度接近很多,可以节省大量燃料。但是由于对流层厚度大,所以,也不是恰好处在赤道上就好。赤道上空的对流层在赤道上空两边迅速下沉减小,形成一个风带,可以利用这个风带顺向加速火箭,借力加速。这个纬度恰好就在我国云南的横断山区一带,所以既可以借助横断山区的纬度,又可以借助横断山区的地形修建这样一个发射场。横断山区的地形非常有利于修建巨大落差的发射跑道,怒江澜沧江沿岸有多处地方落差超过3000米,甚至达到4000米,条件非常理想。

通过以上分析设计了一个新式的火箭发射系统,当然外行科幻,纯属娱乐。

 




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