自制空天飞机的想法
瀚宇团长2018/05/17航空技术 IP:江苏

  本想法来源于一群热爱航天的高中生,如有不切实际的地方恳求大家批评指正。

  我们最初的设想是金属或玻璃钢的飞行器外壳,航空发动机是4个70函道,航天发动机是陶瓷发动机。预想使用固体燃料,现在的想法可能是重结晶的硝糖混上少量硝铵或RDX。发射区域在东部沿海,点火方式是空中点火。设想在海边通过发射架短距起飞,空中点火后准备伞降和手动降落。(伞降作为备用降落方式,沿海为滩涂地区,一旦伞降不可回收。)研发周期定为三年。

   目前我们的人马只是几位高中的化学和航空爱好者。经验并不够丰富,专业水平较低。希望能获得大家的支持与帮助。

来自:航空航天 / 航空技术
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~~空空如也
浪里黑条
5年11个月前 修改于 5年11个月前 IP:北京
846160

巧了,同为高中的化学&航空航天爱好者。如果我没理解错,用了“空天”这个词,LZ是想要让上面级入轨或至少是执行亚轨道飞行?

   我想我们需要做一个计算:常用70涵道的功率有两种:1042w和1638w。我们以推力较大的1638w的计算,它的推力是2.24kgf,也就是21.952N。假定其工作6分钟(电池放电倍率10C,这个航空段很短了吧),则耗电168.3Wh。能支持这样倍率的动力电池,最好的(LG的DBHG21865)能量密度约为220Wh/kg,也就是需要重达765g的电池。涵道自重178g,80A电调重82g,再加上各种杂七杂八的零件,这一套发动机下来至少也要1200g吧,推力却只有2.24kgf,推重比连2都不到。4套这样的装置,总推力8.96kgf,总重近5kg,想要推起来一个沉重的航天部分谈何容易……还是上涡喷吧,虽然会贵一些,但是在同样的质量下推力可以更大。号称德国产的P220RXI涡喷,重1850g(含泵),推力220N=22.45kgf。耗油率也不高,P220RXI涡喷在最大推力下每分钟耗油725ml,也就是约580g。若同样工作6分钟,则耗油3480g,加在一起5.33kg。也就是说推力是涵道方案的近3倍,质量却差不太多。如果采用P550PRO等更大的涡喷,甚至轴流式涡喷(市面上航模涡喷都是离心式的),还可能效果更好一点。
   第二个问题是航天飞行段的燃料问题。我们假定在航空飞行段把飞行器加速到了6马赫(基本上是目前航空发动机的极限),也就是大约2000m/s。另外假定有效载荷很轻,仅有500g。现在想要加速到入轨速度7900m/s,也就是还有5900m/s的速度差,为了方便计算按6000算。假定航天发动机分了两级(比较典型吧),每一级提供3000m/s的加速。若使用了比冲200s(1960Ns/kg)的燃料,发动机质量比(即装药占总重的比例)高达0.95(世界上最先进的固发也不过如此),则我们可以根据齐奥尔科夫斯基公式估算推进剂需求量(由于未考虑空气阻力和地球引力的影响,估算值比实际量会明显偏小):

根据齐奥尔科夫斯基公式,△v=v0*ln(m0/mk),其中△v为速度变化量,v0是排气速度(在数值上等于以Ns/kg为单位的比冲),m0为工作开始时总重,mk为工作结束时总重。
(以下计算过程为防止误差累积,计算到结果再进行修约)
计算可知:
ln(4.6210051)=3000/1960
则m0/mk=4.6210051
由此列方程:
0.95x=4.6210051*(0.05x+0.5kg)
0.718949745x=2.31050255kg
x=3.21371913
第三级需推进剂3.214kg
第三级总重3.38315789kg
0.95x=4.6210051*(0.05x+3.38315789kg+0.5kg)
0.718949745x=17.9440924
x=24.9587576
第二级需推进剂24.959kg
第二级总重26.2726316kg

第二级、第三级、有效载荷总重30.1557895≈30.156kg
推进剂总重28.173kg
这是用了比冲200s燃料的情况。而硝糖,不论使用了什么样的添加剂,达到200s无疑是很困难的。如果加RDX,应该以ANCP、APCP或者双基为基础,避免浪费RDX的性能,同时还能把比冲提高到260s以上。尤其是ANCP,性价比是其他推进剂都比不了的,在具有240+s比冲的同时还可以有不到30元/kg的低成本(同比典型的APCP成本接近200),缺点是密度低(因为AN与铝粉燃烧性能不佳,只能搭配镁粉,推进剂密度只有1.65g/cm³左右)。所以,建议楼主把燃料的想法也改一改,如果能弄出好的高能燃料,这个项目可行性会大幅提升。
   目前就想出这些,如果又有了新的想法我再在这里说吧。

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HXKRRRR
5年11个月前 IP:北京
846161
引用浪里黑条发表于1楼的内容
巧了,同为高中的化学&航空航天爱好者。如果我没理解错,用了“空天”这个词,LZ是想要让上面级入轨或至...

我们的黑条同学擅长以数据服人😂😂😂潜水冒出来吹一波

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虎哥
5年11个月前 修改于 5年11个月前 IP:四川
846163

这里有个概念问题,空天飞机是指飞机主体进入太空(按照进入环绕轨道考虑),而不是飞机上携带的一小部分进入太空。空天飞机可以抛掉燃料箱,但不能把自己抛掉。作者这个应该是高空火箭发射平台的概念。

作者发射火箭的想法总体是可行的,只是项目会比较大。根据一层的简洁而精彩的计算,这个飞机的预估质量要上吨。加上航空段的诸多实际因素后会有更大规模。DIY造价百万元起步(能省则省,比如能自己动手的都自己动手,不算人工费,也不要开评审会什么的),千万元不能说够用,如果是国家搞那就要亿计。

几十年前曾有过空天飞机热潮,最终均以失败告终,空天飞机歇息了几十年。但最近十年来又有复苏的迹象,中美都有相关项目。几十年前的研究留下了许多宝贵资料,可Google查询借鉴。

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瀚宇团长作者
5年11个月前 IP:江苏
846166

抱歉,可能我名称用的有些大了。我们做的确切来说只是飞机和探空火箭的结合体。期望的飞行高度可能只是在平流层。我们会重新考虑燃料,所有的设计和制作我们都将自己加工完成(尽量减少成本,大家零花钱也都不怎么多)。但是我们一直是做的无人机飞控,对探空火箭的航电系统所知甚少。而且也仅仅做过飞几百米的玩具火箭,没有制作大型火箭和大型火箭发动机的经验。我们主要在高中阶段积累经验,真正的设计和制作肯定是在大学和研究生阶段展开的。希望大家多多提出建议,论坛里做过大火箭的大佬也有很多,能否与我们分享分享宝贵的经验?

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瀚宇团长作者
5年11个月前 IP:江苏
846167

厉害!大佬在这方面做了很多研究吧!
@浪里黑条 ;

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浪里黑条
5年11个月前 修改于 5年11个月前 IP:北京
846184
引用瀚宇团长发表于5楼的内容
厉害!大佬在这方面做了很多研究吧!@浪里黑条 ;

哈哈,不大佬,只是感兴趣于是查的相关信息比较多而已,只要去做谁都可以达到这样的水平的~

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154454496
5年11个月前 IP:内蒙古
846227

虽然可能性极小,但是鼓励楼主的大胆想法

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瀚宇团长作者
5年11个月前 IP:江苏
846236


@154454496 ;谢谢鼓励,我们一定会去做的,但是江苏各种东西管制都比较严(禁飞区都很多)我们可能需要比较长的时间。

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拔刀斋
5年11个月前 IP:安徽
846242
引用瀚宇团长发表于8楼的内容
@154454496 ;谢谢鼓励,我们一定会去做的,但是江苏各种东西管制都比较严(禁飞区都很多)我们...

你们在江苏哪里?我在南京,有套70涵道改的加力燃烧/冲压发动机现在不用了,正好出给你如何?这类方案有优化到4马赫30km的潜力(当然叶片要全换掉),垂直发射几乎能上100km,但是嫌做不大就没继续做下去。

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拔刀斋
5年11个月前 修改于 5年11个月前 IP:安徽
846243
引用浪里黑条发表于1楼的内容
巧了,同为高中的化学&航空航天爱好者。如果我没理解错,用了“空天”这个词,LZ是想要让上面级入轨或至...

吸气模式能从地面起飞到5马赫已经算空天飞机了,不管有没有入轨上面级。SABRE/Skylon在吸气模式也不过到这个速度,单级入轨的计划已经取消改携带入轨上面级了。

对于几百Kg以下的起飞质量,这类方案的亚轨道性能远高于同等起飞质量的探空火箭。

经济上真正的问题不是“入轨需要上吨”,而是航空发动机不容易做大。以上吨的航空发动机的技术难度,做液机至少能做到10吨以上,能带的载荷更大。SABRE/Skylon做个20吨的发动机,难度搞得跟Raptor/BFR一样

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浪里黑条
5年11个月前 IP:北京
846254
引用拔刀斋发表于10楼的内容
吸气模式能从地面起飞到5马赫已经算空天飞机了,不管有没有入轨上面级。SABRE/Skylon在吸气模...

对,航空发动机大型化也是个麻烦,用多个小发动机又有和N1一样的问题。

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拔刀斋
5年11个月前 IP:安徽
846295
引用浪里黑条发表于11楼的内容
对,航空发动机大型化也是个麻烦,用多个小发动机又有和N1一样的问题。

跟火箭相同推力的航发贵很多,多个小发动机并联更贵。

如果做着玩想尽量做小的话还行,带商业载荷不经济。

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瀚宇团长作者
5年11个月前 IP:江苏
846301


@拔刀斋 ;盐城的,不过我们真正开始做要到大学,还有三年呢,我们打算先把设计做起来

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浪里黑条
5年11个月前 IP:北京
846315
引用拔刀斋发表于12楼的内容
跟火箭相同推力的航发贵很多,多个小发动机并联更贵。如果做着玩想尽量做小的话还行,带商业载荷不经济。

而且实际上其技术(尤其对于业余人士来讲)也比火箭发动机复杂得多……所以说自己玩的最好还是火箭,可以玩玩小的涡喷(看楼主的想法,涡喷也不用很大),像大型化或者更高级的发动机(冲喷啥的)就暂时别想了………………

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longshot1010
5年10个月前 IP:澳大利亚
847116

警察叔叔可能不太愿意看到你们搞出个这么个玩意。。。。😂

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Blyatachanka
5年9个月前 IP:山东
848580
引用浪里黑条发表于1楼的内容
巧了,同为高中的化学&航空航天爱好者。如果我没理解错,用了“空天”这个词,LZ是想要让上面级入轨或至...

用这种小发动机推到6马赫……听起来不大现实啊😂

话说齐奥尔科夫斯基公式只是一个近似,还得考虑高层大气的摩擦、温度之类的,隔热涂层肯定得有吧,那样的话经费就……

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浪里黑条
5年9个月前 IP:北京
848592
引用Blyatachanka发表于16楼的内容
用这种小发动机推到6马赫……听起来不大现实啊😂话说齐奥尔科夫斯基公式只是一个近似,还得考虑高层大气...

何止摩擦,齐奥尔科夫斯基公式连地球引力都没有考虑😂所以实际上会大很多。

6马赫倒是还可以,理论上可以先用涡喷推到1马赫,然后启动冲压喷气发动机,6马赫还是有戏的。——当然还有一个问题,就是冲喷的技术……

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启航
5年9个月前 IP:北京
848593

jjj

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AXU
5年9个月前 IP:浙江
848594

😁建议你们弄个双动力的研究一下就好了,火箭部分拿来冲刺飙速度,真上轨道开销太大,而且电池的储能密度是不够的

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kcer鸭
6个月27天前 IP:天津
925039
引用拔刀斋发表于9楼的内容
你们在江苏哪里?我在南京,有套70涵道改的加力燃烧/冲压发动机现在不用了,正好出给你如何?这类方案有...

东西还在吗 sticker

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warmonkey
6个月26天前 IP:广东
925067
引用Blyatachanka发表于16楼的内容
用这种小发动机推到6马赫……听起来不大现实啊😂话说齐奥尔科夫斯基公式只是一个近似,还得考虑高层大气...

典型的运载火箭进入LEO轨道,算上重力损失和空气阻力,需要dv=9.4km/s。特别小的运载器需要dv=10km/s

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江苏省盐城中学高一学生。化学&航天爱好者。盐城市青少年航模队队长(飞行技术蹩脚)热爱做小发明,航模&化竞。

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