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松鼠的空天随笔

 
 
 

日志

 
 

重型火箭与载人深空探索设想   

2012-07-10 21:03:42|  分类: Discuz |  标签: |举报 |字号 订阅

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重型火箭与载人航天 - squirrel - 松鼠的空天随笔
地图上的文昌发射场(感谢温柔的坏男人0717的照片)

 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。
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 1号工位的固定勤务他高达91.7米,远高于最高的CZ-5E火箭60米出头的长度。
考虑CZ-9火箭高度约88米,应该可以在此发射,这样也省去了新一轮征地和新建发射工位的巨额投资
(感谢温柔的坏男人0717的照片)

        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重型火箭与载人航天 - squirrel - 松鼠的空天随笔,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
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各种轨道转移所需要的速度增量(ΔV),低能量转移轨道可以比图中的霍曼转移方式显著降低所需的ΔV

9ifly的原始帖子写得匆忙和粗糙,这里做了修改:
post1:
本来我喜欢SLS那样HLLV配合太空加油站这些设计,那样可以做的极为华丽,不过看了文昌发射基地的图,新的工位实在是没地方,真要建光是拆迁费用恐怕就要几百亿,很有些失望,还是以CZ-5为基础设计好了。虽然一直认为CZ-9要新建工位的看法,不过看看101工位的固定勤务塔高度,改进下未必不能用于CZ-9的发射,这样的话CZ-9 HLLV并不存在工位的限制,未来可以纳入考虑之中

你的构思相当不错,我来扔砖补充下:
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 我的设想,基于商业使用的CZ-5及其加强版实现无人和载人深空探测
 
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。
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低温推进剂长期储存对低温推进段的的温度控制提出很高的要求,图为美国设计的先进储箱概念

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。


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探月三期的CE-5、6使用CZ-5E发射
可以利用CZ-5E的低温上面记进行低温推进剂储存研究,CE-5还将为后续无人登月舱和ISRU积累经验

  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。
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为了降低液氢等低温推进剂蒸发量,储箱外的热屏蔽也是不可缺少的
 
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。
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地月间低能量转移轨道示意图,对比霍曼转移方式它降低了对速度增量ΔV的要求

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。
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龙老院士提出CZ-5DY的设想如上图
我的想法更激进:通过新技术的使用,仅仅增加两个3.35米助推器做到TLI运力14~15吨
 
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。
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 联合发射联盟基于Atlas V火箭的单次发射轨道加油站设计原型
CZ-5运力要大于Atlas V,同样使用低温氢氧上面级,可以尝试类似的实验

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。
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CZ-5的运力同样是EELV级别,也可以验证这样的太空加油站设计,为后续深空探测积累技术和经验
 
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。

post2:
深空任务最好建设中转站,如zhang所言,EML1是一个相当不错的位置,可以作为去月球、小行星和火星的中转地。重型火箭与载人深空探索设想 - squirrel - 松鼠的空天随笔
早期的深空站,只需要一个TG级别的小型舱段即可,主要用于积累深空生活和飞行的经验

改进CZ-5E和CZ-5EA的上面级,取消原来的大整流罩、载荷适配器和载荷,同时加长燃料箱增加燃料,并增加一个对接机构,作为深空任务的低温推进段(CPS)。以CZ-5EA直接发射一个基于TG-3(假设TG-3应该是一个首尾双对接口、14吨以内的空间实验室)的DSH去E/M L1,然后CZ- 2F/H或是CZ-7载人版发射神舟飞船,与CZ-5E的上面级对接(很类似Gemini8和Agena的史上第一次对接是不), 用这个CPS把神舟飞船打到E/M L1去,每年或是每两年发射一次神舟任务短期驻留运行这个深空站,积累深空工作生活经验。顺利的话向E/M L1的深空站发射货运飞船(12吨货运飞船加CPS),带去补给和推进剂,货运飞船还可以进一步当推进段,和深空站上的神舟飞船对接组合进行环月飞行。再进一步发射货运飞船,带来更多的常温燃料,然后两艘货运飞船在E/M L1和E/M L2之间进行多次低能量转移的飞行,增加飞行控制经验,还可以把一艘货运飞船提前部署到LLO做 将来的登月的补给所需。
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在深空探测规模扩大后,可以仿效美国人的L1 Gateway设计,做出更大的深空站
 
接下来就是深空太空燃料站的建设了,熟练掌握了低能量转移轨道技术,可以用CZ-5E的低温上面级走低能量转移轨道,绕几个月时间去E/M L1和LLO,验证低温推进剂长期储存技术的有效性。随后开始分别在LEO和LLO做一次低温推进剂的大型Depot试验:发射CZ-5E用其上面级给加长上面级燃料箱的 CZ-5EA加注燃料,这个加长的CPS通过低能量转移轨道慢慢跑到E/M L1,然后E/M L1的CPS可以推着整个深空站试验进行低能量转移,在E/M L1和E/M L1之间转一大圈的载人“环月”飞行,如果推进剂够的话还可以去LLO,这样的任务比美国人计划的MPCV绕月要有趣和有价值得多。再发射两枚CZ-5E发射分别将其上面级打到E/M L1附 近,估计在这里还能剩十吨燃料,足够给基于CZ-5EA上面级的CPS补加低温氢氧推进剂,这样的好处是在E/M L1有深空站方便监控深空加注操作,接下来可以继续低能量转移绕圈子。由于空间大飞行时间长,深空站上的航天员在月球附近可以遥控CE-7、8、9等后续无人探测器的操作,这些后续探测器可以做的更大,不用取样返回而是软着陆后做机器人工作站,充当月面科学实验室的角色,这些机器人还将试验月面推进剂加注,为ISRU做前期准备。

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 月面ISRU制取推进剂是加强人类深空探索能力的关键之一,也是降低登月消耗的核心

然后是月面基地建设,发射月面工业试验站,尝试以太阳能月面提取月壤中的氧,试验成功后发射新的着陆器带去更大的工业站和Depot,进行规模化的制氧把 Depot加满液氧,有了液氧还可以做其他的ISRU,比如利用月面的水直接制取氢氧推进剂,当然后续还要一个CE-3后续的取样返回探测器如CE-10,做科学探索之余检验月面液氧或者还要加上液氢的加注和上升级发射。
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月面无人基地后续建设可以做到较大规模的ISRU,去掉上图中的航天员就很形象了

发射无人着陆器带来月面Habitat,可以先用只有ECLSS的无人登月舱临时试验,然后再试验充气的大体积Habitat。充气Habitat可以按LEO、E/M L1和月面的顺序由小到大充分试验验证技术及其可靠性,无人着陆器先来部署好充气Habitat,然后后续的无人着陆器把生活物资发过去,而生产和科研的物资等载人登月开始了再运过来也不迟。
 

  CE-5、6无人探测器已经试验过月面着陆级和上升级了,Depot也掌握了,月面ISRU也做过了,最后用基于CZ-5EA甚至CZ-5E的CPS把一个登月舱打到E/M L1的深空站附近,因为登月舱飞到E/M L1前无人,也基本不需要携带燃料,所以可以做得很轻。E/M L1附近的Depot给登月舱加注 低温燃料,由于可以在月面补充液氧,液氧只需要去LLO和软着陆就够了,加注量可以少很多。航天员坐着神舟飞船出来对接到登月舱,组合体飞往LLO。LLO上登月舱和货运飞船对接补给生活科研物资,不过这一步要增加登月舱和神舟飞船分离,以及登月舱和货运飞船对接的两步,首次登月无需这么复杂,可以留待以后登月再实施。最后登月舱和神舟飞船分离,航天员坐着登月舱落月。月面软着陆后把以前无人着陆器发过来的物资搬到Habitat里,再去执行月面考察任务,完成任务后月面进行Depot给登月舱加注液氧,航天员进上升级起飞到LLO,上升级和神舟飞船对接,航天员转移到神舟飞船,随后可以选择直接回家或是去E/M L1的深空站继续工作。

post3:
LEO的LEO的Expandable Habitat做大了轨道维持很麻烦,需要不断的补充燃料,而月面Expandable Habitat没这麻烦,月面验证好了之后,可以用这个技术来升级EML1的DSH,比如做一个直径6米甚至8米,长度20多到30米的Habitat。 这个Expandable Habitat加上一个约12吨的Node,外加对接上的神舟飞船和货运飞船,以及DSH附近的CPS,组成一个E/M L1的空间基地,作为登月和登陆小行星的中转站。
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月面基地开始可以只是一个ISRU外加一个小型的充气Hab,载人登月开始后扩大到如上Bigelow的充气月面基地的规模

月面和E/M L1的大型Expandable Habitat做好了之后,开展后续工作就非常便利了,至少月面的水、氧资源利用可以大幅度减少来自地球的支持。如果登月耗资巨大却只是上去踏一脚,自然 人民觉得不值,要是不用增加多少投资就可以登月,维持深空站和月面基地也不要多少钱,甚至能看到开采月面资源的前景,登月自然不会像Apollo那样成为 到此一游的形象工程

待续(后面是电推和太阳帆的想法,还没写好)

post4:

看了下文昌1号工位的固定勤务塔是91.7米高,我估算CZ-9是88米高,或许这个工位有将来用于CZ-9的可能,而不是大家原先默认的新建HLLV发射工位。
至于组装厂房到发射工位距离太近,没有美国LC39工位5公里距离那样远,其实不是致命问题,范登堡的SLC-6曾计划用于STS发射,但垂直组装厂房到发射塔的距离很近

post5:
我希望将来YF-75D能改进到深度节流外加多次启动,这样加上对接机构的CZ-5上面级就可以做一个Space Tug用于LEO到E/M L1之间。它还可以做LEO到GTO到Tug,重复用于通信卫星的轨道转移。
VASIMR不知道十年二十年后会怎么样,说起来我更喜欢电推动力的做Tug,太空运行常态化后,还应该研究掌握Solar Sail,用于低能量轨道转移,进一步增加Tug中推进剂和其他补给的质量比,当然载人飞船只能直接大推力快速打过去了

这样的登月设计中,项目分阶段实现,无论是CZ-5改进、低温推进剂在轨储存加注还是可复用低温上面级,每个阶段的改进成果都有用,容易说服领导们。然后 小型化的深空站,这不就是现在TG太空实验室的深空版么,低能量转移对深空探测器很有用,深空站上的试验自然很有价值。深空站加燃料站加低能量转移,是一 系列新技术和创意的结合,可以玩很华丽的绕月,拍nn多的高清照片视频炫耀,月面的IRSU试验成功的话会降低登月舱规模,对加强小行星彗星和火星探测也 有好处。最后的载人登月,只有一个具备ECLSS的登月舱是新的,而且这个登月舱要比使用CZ-9模仿Apollo模式的登月舱简单和轻的多。最重要的, 登月舱发射失败无所谓,登月舱到E/M L1前出事无所谓,E/M L1处的加注出事无所谓。就算登月舱和神舟飞船对接后出现问题,也可返回飞船飞回回E/M L1的深空站,或是去LLO和货运飞船对接,把货运飞船当避难所。在月面出现问题则可以躲进月面Habitat等待救援,而救援只需要下一个登月舱前来,更 不要说载人发射时可以提前几个月发射一个登月舱在E/M L1或是LLO待命,这比 Apollo模式下发射连续CZ-9和载人版CZ-5/CZ-7来救援要灵活和容易得多,也安全得多。在登月准备中完成了低温推进剂长期储存和加注,深空空间站还有月面ISRU的开发和验证,也为向更远的深空进发奠定了基础,而不像Apollo登月模式那样完成登月后,这些向小行星和火星进军的技术仍然是一片空白。

这些东西刚写没多久,悍然发现FISO新公开的文件就是类似的设想:
http://spirit.as.utexas.edu/%7Efiso/telecon/Bobskill-Lupisella_7-18-12/Bobskill_Lupisella_7-18-12.pdf
7月18日写完的文件,比我晚,哈哈哈哈重型火箭与载人深空探索设想 - squirrel - 松鼠的空天随笔
不过这个文件倒是省了我自己做图的麻烦,直接用他的截图了:
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Bobskill_Lupisella的概念设计中也提到了开展GEO维护、E/M L1深空站、太空加油站和月面的ISRU(就地资源利用/就地取材)等概念

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