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如何打造爆款火箭

本文的作者是陆小昕

火箭设计(SR2)在开始设计火箭之前,我们要先思考两个问题:是什么,到哪里。

“是什么”指的是火箭的载荷,“到哪里”指的载荷最终到达的位置。

在这个例子中,我们将要发射一辆火星车。

火星车设计好之后(包括降落过程,本篇不去探讨),打一个整流罩,我们开始设计第二级。这一级的功能是在LDO(Low-Droo-Orbit)圆轨,以及转移和制动(如果你愿意,大气制动也可以)。

根据我本人的经验,圆轨的Δv在300m/s左右,转移及中途修正大约要2000m/s的Δv,近点制动要大约1000m/s,再加上各种误差,我个人建议Δv在3500m/s以上比较好。其实这一级完全可以大气制动,那样只需大约2700m/s的Δv。

引擎的喷管长度直接无脑拉满。第一级设计时要考虑到气压。在发射时,观察你的尾焰是向内收还是向外放,如果您的火箭发动机尾焰呈圆柱状,说明引尊有最佳膨胀比。因为火箭发射时气压是在不断减小的,所以海平面时尾焰应向内收,也就是欠膨胀(有马赫环)。

那什么时候应是最佳膨胀呢?这里介绍一下我的方法。在“性能“界面把高度拉到20km或Max Q(阻力最大)的高度(Max Q在飞行报告里找),调节喷管长度,让发动机推力最大。这一级Δv在大约4500m/s及以上。Droo的第一宇宙速度是3516m/s。当你的火箭芯一级推力不够时,你就需要绑助推了。

无论你的火箭助推是液体还是固体,你需要确定以下几点:

(1)安装助推后,助推燃烧时间是否短于芯级?

(2)助推分离后,芯级推重比(TWR)有没有过低?

(3)你的助推器分离高度是多少?

确定以上几点后,我们要开始调整助推发动机喷口,高度一般在分离高度的½到¾之间。助推的Δv不好掌握,你只需要确保燃烧时间不小于芯级的⅓即可。

做完以上这些,你需要考虑一下燃料类型以及涡轮机。如果你的燃料箱容积大,直接无脑液氧液氢(不是核推!)。如果你的燃料箱容积有限,那就上煤油或者甲烷,然后比一下Δv。上面几种都可以用全流量分级燃烧(Full-flow-staged),特别是液氧液氢。然后再调一下大小(size)以免推重比太高。核燃料只建议用水。固推只要注意燃烧时间。

最后就是一些小问题,例如:①如果你的芯一级有助推,那么检查一下鼻锥中有没有燃料。②分级是否正确,燃料箱里的燃料和发动机是否匹配?③载人任务是否带了人?

祝你的火箭一飞冲天,加油!