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[转帖] 重型火箭与载人深空探索设想

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重型火箭与载人深空探索设想

海南的文昌发射场已经开始建设,预计2014年6月前1号发射工位可以投入使用,看来发射场进度不会影响CZ-5的首次发射。从地图上看,除非填海否则文昌发射场基本没有扩建的余地了,好在根据现在了解到的信息,1号工位主要用于CZ-5发射,但可以升级到支持CZ-9的发射。
CZ-9这个级别的重型火箭能干什么呢,类似阿波罗的载人登月,发射类似空间实验室的大型空间站,发射火星取样返回探测器和远地小行星取样返回探测器,发射木星以远的深空探测器,不过无论如何说起来,CZ-9 HLLV的发射频率不会多高。以美国SLS为例仅仅是FT2025之前的研制费用,按照各种进度的方案评估要达到200~340亿美元,130吨的完全版或是150吨运力的增强版更是天价,考虑到SLS技术基本是现成的,而CZ-9几乎所有技术都要花大力气攻关,CZ-9的研制费用也不会多便宜。虽然CZ-9重型火箭的能力很美,但是正如朋友rottenweed所言:纪念碑漂亮,可毕竟还是纪念碑。不过,纪念碑又实在是太漂亮,让人心潮涌动难以忘怀。感觉大火箭犹如奥黛丽-赫本。的确很令人纠结,那么除了HLLV,是否可以用其他方式载人深空探索呢,zhang网友在9ifly的一个帖子,提起了我很久以前看到EML1 Gateway、Reusable Lunar Lander、Space Depot和CPS曾经提起的幻想,于是以他的方案为基础,扔砖头继续完善了下。

       资深的航天爱好者zhang在帖子里是这样写的:
首先是开发高性能的 LOX/LH2 通用上面级,降低 boil off, 用 CZ-5 发射一个 demo 任务,基本就是一个上面级,经过 L2 走低能量轨道,在 3 个月后再次点火进入环月轨道。这样你就有了在轨储存低温推进剂的能力。
接下来你可以先后发射几个类似的上面级,在 LEO 会合,验证在轨传输低温推进剂的技术。然后你可以把加满的上面级推入环月轨道和早前到达的上面级会合,补充后再次点火返回地球或去 EML2. 几次任务后你实际上就有了建造 fuel depot 的能力.
然后你可以开发 deep space hab 用那些上面级送到 EML2, 等待载人飞船到达,开始运行深空站。在 EML2 depot 实现后你可以从 EML2 站出发做载人环月任务。
然后是开发 RL-10 级别,推力大范围可调的引擎,横躺下来降落的登月舱,先降落无人的月面 hab,开始运行机器人站。
然后在登月舱的基础上开发月面上升级。接下来可以想想可重复使用的登月舱。
资本积累够了才送人上去。这个时候你在 EML2 已经有了载人站,在 LEO 和 EML2 有了 fuel depot, 在月面上有载人站,每做一次任务,你在上面的硬件都会多一点。获得这些能力不需要什么 monster HLV,或连续发射, 是不是比 Apollo 的 PR stunt 用完就扔的设计更有意思?
从看到美国人的Space Depot设想起,我就对这个技术念念不忘,可惜写的文章投稿没人要,虽然在以前的博客文章里提了一些,但是太少了。看到zhang写的帖子,突然有了些不吐不快的想法,于是把这篇本来打算写CZ-9级别HLLV能力和远景的文章,变成了基于CZ-5 HLV设计的载人深空探索构想,好在HLV和HLLV中文都叫重型火箭,也不算跑题:-D
CZ-5估计2014到2015年首次发射,使用YF-75或是YF-75D发动机。YF-75D可以改进到可达10%以下推力的深度节流能力,作为先进上面级发动 机。CZ-5的第二级可以进一步改进如使用AL-Li合金壳体、完善制导系统、加强隔热措施,构成一个通用的LOX/LH2上面级。
首先以现有CZ-3A系列火箭的三子级为平台,开展初期的低温推进剂在轨储存技术试验,首先进行上面级姿态控制、多层隔热材料、储箱遮挡技术和储箱连接隔热等被动措施的研究,并在后续试验中开展低温制冷机的试验。
2017年左右的探月三期取样返回的CE-5探测器肯定要用CZ-5E发射,可以在这次发射中可以验证一下上面级使用先进隔热材料等措施后,被动控制低温推进剂蒸发量的效果。后续CE-6探测器的发射,可以进一步试验半-地月低能转移轨道进一步延长飞行时间,检验低温推进剂长期在轨储存的效果。在两次被动控制技术的试验后,还需要至少两次三级版本的CZ-7(或是比较老的CZ-3A)火箭发射,在LEO轨道使用低温上面级专门进行低温推进剂在轨长期存储的研究,在检验被动控制技术之余,重点增加低温制冷机冷却冷凝器、液氢和气氢的主动控制技术,双管齐下降低低温推进剂的蒸发量。
最后还需要进行一次CZ-5的发射,走低能量转移轨道到LLO,在长期飞行中检验主被动控制下低温推进剂在轨长期储存的效果,验证能否达到所需的指标。对低温推进剂长期在轨储存的期望是 2025年左右能实现液氢日蒸发量降低到0.1~0.3%左右,并在后续研究中进一步降低,以满足深空探索的需要。你说的一步到位搞几个月的低温推进剂储存试验,以中国的条件太不现实,美国人都是分好几步做的。
继续改进CZ-5火箭也很必要,使用泵前摇摆的技术降低发动机质量,提高室压提供发动机比冲和推力,研究突破Al-Li合金技术大直径壳体的技术,降低火箭结构质量,还有改进电气和GN&C系统,提高性能降低质量和能耗。这些改进后原有型号的CZ-5火箭运力可以进一步提高,以CZ-5E为基础增加两个3.35米助 推器,假设编号为CZ-5EA(这个吸取了龙乐豪先生CZ-5DY的设想),将LEO运力提高到Falcon Heavy同等级别的水平上,GTO运力达到18~19吨的,TLI运力约14吨左右,足以支持E/M L1、E/M L2和LLO等处的深空任务。
至于太空轨道加油站,它首先要检验轨道加注技术。建议仿效美国人轨道快车试验,先用CZ-6小火箭打试验卫星,验证小型航天器轨道交会对接技术,并进一步突破常温推进剂轨道加注,这项实验也有助于为后续货运飞船向TG-3的推进剂补给积累经验。随后可以试验低温推进剂的轨道加注,仍然使用小型卫星,这些实验在CZ-6火箭首次发射后甚至现在都可以提上日程,只不过现在用CZ-2C打有些大马拉小车的感觉。小型航天器的轨道交会对接与推进剂加注,还有轨道快车进一步试验的在轨更换部件等操作,是后续无人轨道维修升级的基础,在商业上很有价值,也可用于太空战,试验项目和经费可以得到其它部分尤其是军队的支持。
后续TG-3或是2020年左右的60吨级空间站,可以以空间站为平台,验证较大规模的常温和低温推进剂的轨道加注,其中常温推进剂补给实际上就是空间站建设中正常货运飞船的补给,而低温推进剂加注则需要另行设计。掌握了航天器对接技术和推进剂轨道加注技术,可以整合起来先在LEO搞一个常温推进剂的Depot:先用CZ-5B打一个试验性的Depot上去,使用CZ-7或是CZ-6火箭发射小型航天器给它加注常温推进剂,然后这个 Depot给TG-2/3或是神舟飞船加注推进剂。无论对TG-3还是神舟飞船来说,多增加的推进剂可以增强机动能力,多做很多事情,比如TG-3做多次变轨试验、神舟飞船做类似Gemini11的高轨道飞行。
常温的Depot做好后,再继续搞低温的Depot,以CZ-5E上面级为基础做一个Depot,发射CZ-3A/CZ-7给它加注,还可以进一步尝试在CZ-5E/EA上面级的基础上,做多次使用的低温上面级(CPS)发射GTO载荷。早期使用更大的CZ-5EA上面级,在将载荷送入GTO后再减速返回LEO,然后CZ-7等火箭继续发射,对接后给它加注低温推进剂。虽然GTO到LEO返回消耗的推进剂多了,但上面级多次使用会降低一些成本。推进剂储存被动控制措施中的大遮挡板可以进一步改进,通过增大阻力的气动减速从GTO返回LEO,进一步增加竞争力。这个商业上多次使用的CPS可以为深空的CPS积累很丰富的使用经验。轨道加油站等一系列技术也要到2025年前后,才能完全掌握大小航天器的常温和低温推进剂轨道加注技术。

以上三步做完大约是2025年左右,这时60吨级空间站已经建成,LEO飞行也积累了丰富的经验,可以进一步向深空进发了。
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航天载人技术带来的经济效果并不是短期内就能见效的,一个典型的例子,从第一课人造卫星发射至今,当初有谁能想到曾经政治意义大于实用(经济)利益的东西到了如今却是对生活息息相关?和卫星相同,载人航天也是一样,虽然前期的投入比较多,而且经济效益也可以说是微之甚微,但是不能否认在可以遇见的将来最起码是“近地空间”产业甚至是以后对人类的星际移民带来的效果那是无法想象的,明朝万历有郑和,但是海禁的思想在作怪,所以我们落后了欧洲几个世纪的时间。现在的载人航天就相当于中世纪的大航海时代,所以我们不能落后,从某种意义上来说不管是中国还是美国或者是日本欧洲等国其实在航天领域上大家的起跑线是一样的!
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  • 81429721 金币 +11 转帖分享,红包献上! 2012-8-31 18:12

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我们要这样一步步地走来,会取得一个一个成功的.

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不管从经济还是军事实力来说,中国都有不小的差距

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因为技术原因 个人认为很有难度搞这个

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可惜的是海南的航天发射场建的太小,到2015年只有一个发射工位,应该多建几个。

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说不定过个四五十年每天都有火箭发射升空,每天都有新的太空基地在建设

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我们和欧美国家在航天差距是不小,差距正在缩小,但是在飞机制造领域的差距正在被拉大。

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