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简述太空叉的回收及二三谈

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发表于 2019-8-12 03:03:35 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 tita 于 2019-8-12 03:38 编辑

简述太空叉的回收及二三谈

说在前面,本来只想以文科生的角度去尝试回答栅格舵的相关问题,无非就是做“大自然搬运工”,搜集、整理材料,用合理的语言逻辑,尽量表述为大众语言,但越码越多,索性单独开贴。

回收技术和我想的不太一样,理综没学好,等于补课吧。

全文较长,某些段落会比较混乱,搭个电梯:
太空叉回收技术细碎分析:(分割线甲)
2017年5月1日,NROL-76,陆收,一级详细数据:(分割线乙)
NROL-76任务一级数据,我的注解版:(分割线乙2)
空叉回收总述:(分割线丙)
空叉发射简单史:(分割线丁)
栅格舵相关:(分割线戊)
回顾、展望:(分割线己)
--------------------------------------------分割线甲

似乎人对空叉这套回收系统有部分误解,稍微说下3大样在发射、返场中的作用,望轻喷:栅格舵(Grid fin)、 姿态控制系统(RCS:Reaction Control System)、发动机

全文所说的“发动机”,指一级推进器整体概念,并不特指某一台、几台或全部9台发动机,如此描述,只是为了简化语言。如需特别指出,会直接写明。

1、发动机:矢量、多次启动、节流,大气层内外皆有用。

先说下陆收和海收的区别,在返场陆地回收中,一二级分离后,为了让一级移动到返回发射场的轨道,需要发动机相对于海上回收,燃烧更长时间,因此会比海收消耗更多燃料,导致可搭载的载荷重量减少,举个我和老王的例子。

海收——“老王,你去20米开外,我扔石头给你,你给我好好接住”,在理想情况下,这颗石头有其自身的准确抛物线,无需多余外力就可以到达老王所在位置。目前空叉的海收,依然需要一二级分离后的短暂点火,进行少量位移调整,才能确保进入理想轨道。(似乎有个例没有点火?)

陆收——“老王,今天不要你啦,我自己玩。我扔出石头在其达到顶点后,要让它像回旋镖一样,飞回我手里”,在此情况下,必须有额外动力,改变石头位于顶点之后的轨迹,创造一条能飞回来的新抛物线。空叉的做法,先通过“姿态控制系统”120度掉头(比如),然后启动发动机,进行“往回走”的位置改变。

整个发射回收,发动机需要4次点火。

第一次、发射(liftoff)
第二次、大气层边缘(boostback burn)调整一级位置
第三次、再入大气层(entry burn)减速
第四次、准备着陆(landing burn)

注:发动机第二次和第三次点火之间,有一系列复杂的“小动作”,后面会详述。

从发射场到大气层外部边缘这段路程,矢量发动机通过喷嘴的可控摆动,确保火箭实际轨迹,符合预设的理想轨迹。并且,“姿态控制系统”在发射之后,也处于随时可工作状态,能够对轨迹进行再次校正,但通常来说,该系统在上升阶段很少工作,因为矢量发动机已经能够确保轨迹准度。没记错的话,偶有某次发射的上升阶段,肉眼可见该系统有氮气喷出,即至少工作了一次。

2、姿态控制系统(RCS):主要部件是氮气喷射器,安装在火箭一级,和栅格舵处于同一水平线。每4个不同方向的喷射器为一组,左右侧各一组,共8个喷射器,大气层内外皆有用。

该系统在一二级分离后,马上开始工作(早于发动机的第二次点火),氮气开始喷出,用于调整姿态、掉头从,几乎处于不间断工作中。所以更直观来说,它是一个以喷出氮气为动力的推进系统,工作原理可能类似于汽车氮气加速。我这种半文盲只能简单理解为,抱个灭火器就可以飞那种。

小结:
为了实现最终的定点回收,空叉在载荷送入轨道这个阶段,就力图精确掌控火箭轨迹,一方面是为了载荷能够准确入轨,另一方面是为了确保发动机燃料按计划消耗,不至于返场途中燃料提前耗尽,变成部分受控的“加速硬着陆“。基于上面两点的要求,空叉的处理方式是:
硬件保证——矢量发动机,而RCS、栅格舵在此阶段属于多余装置。
软件保证——惯性导航系统(ins)和全球定位系统(gps),以及大量有特色的计算软件、数据。

简言之,好马配好鞍,你就可以飞

3、栅格舵:一种既熟悉又陌生的气动装置,本身没有动力,只适用于大气层内。

第一部分
进入返程回收阶段,这三大样都需要开启工作,才能保证定点回收。当猎鹰进入大气层外部边缘,到达预定轨道上某个位置的时候,将进行如下8个动作

首先:
发动机关机、一级二级分离、RCS开始喷射、二级发动机点火、发动机第二次点火(三台梅林)

之后:
整流罩分离

最后:

发动机关机、栅格舵打开



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 楼主| 发表于 2019-8-12 03:03:55 | 显示全部楼层
本帖最后由 tita 于 2019-8-12 03:46 编辑

根据现有发射录像,前5个动作,海收大约在7、8秒内必须完成,陆收大约在12秒内(增加了掉头,时长相应增加),时间很紧张。之后,整流罩分离,二级继续向释放载荷的预定轨道推进,根据需要,二级发动机按计划多次关机、点火(目前猎鹰9数据为2次?重猎4次?)。与此同时,已经第二次点火的一级,继续向再入大气层的预设轨道推进,根据回收轨道要求以及海收、陆收的不同,可能是长达1分钟的持续推进,也可能仅仅10秒而已,等等。到达预设轨道位置后,发动机首先关机,随后栅格舵马上打开(这两个动作几乎同步进行),准备再入大气层。

值得讨论的是,一级二级分离后,一级姿态具体是怎样的,又是如何移动的,在此举个实例来说明:2017年5月1日,NROL-76,陆收。(唯一从地面视角完整展示了一级如何掉头的视频)

视频显示:
阶段(一
一级二级分离前,火箭处于30多度的斜向上姿态,而分离后,一级通过RCS改变原角度至大约150度,发动机第二次点火(三台梅林),掉头完成。

注1:此阶段,一级海拔高度继续升高,速度减慢。(就像汽车惯性)
我因为被安装在持续上升中的二级摄像头误导,总以为在分离后一级马上就开始下落。根据视频显示的数据,一级在分离后并没有往下落,而是继续处于上升的状态,速度变慢。
注2:想象一下180度量角器(小学用最简单那种),“掉头”就相当于发动机在量角器的中心,一二级分离时角度是30度,掉头以后,一级角度变为150度,整个轨迹像一个扇面,整个动作就像打开一把扇子。

阶段(二)
掉头完成后,一级依靠惯性、三台梅林的动力,海拔高度持续上升,速度继续减慢,同时完成位置的移动。直到三台梅林关机,栅格舵打开。

注:考虑到大气密度,掉头后,一级还处于很强的“惯性”之中(应该),所以仅用三台梅林作为辅助(很可能在“节流”使用),就可以持续提升高度。

问:在这个例子中,空叉为什么这样做?
答:在制造新抛物线的前半段,上升的那一段。一二级分离后,到栅格舵打开,一级的整个轨迹,就像“耐克”标志,或者说,批卷子中需要用红笔打钩叉的那个钩,而那个“长柄”就是新抛物线的前半段。

注:栅格舵打开是第8个动作,前一个动作是三台梅林关闭,那就意味着一级受“新惯性”作用。所谓“新惯性”,是指发动机第二次点火、关闭后,所带来的惯性,与火箭发射所带来的惯性做区分。

小结:
一二级分离后,二级(真空版梅林)继续推进做释放载荷的准备,一级则围绕RCS、发动机、栅格舵这3大样,完成一系列“小动作”,做再入大气层的准备。本时间段内,这3大样启用顺序、作用如下。

RCS:正式启用,通过喷射氮气,不断调整姿态(海收)或掉头、不断调姿(陆收)
发动机:负责位置移动,二次点火,或长、或短的燃烧(三台梅林),随后关机。
栅格舵:从发射开始一直处于折叠状态,直到“准备”再入大气层前打开,开始启用。

注:一级二级分离后,一级姿态极不稳定(猜测),甚至会不停的翻转(猜测,所处位置的大气密度相当小,不容易充分利用),所以RCS必须立刻工作,让一级处于稳定状态。

第二部分
栅格舵打开后,并不是就直接“再入大气层(entry burn)”,还要经历一个自由下落甚至“横移”的阶段(耗时不一定,看任务),特别是陆地回收,在某些任务中你还会观察到一级大范围“横向移动”的现象,但发动机前一秒才关机,此时只有RCS、栅格舵在工作。

举两个例子:
2019年6月12日,RADARSAT Constellation,陆收
3分40秒(栅格舵打开)—— 4分30秒(发动机端向下回落完成)—— 6分13秒(“横向移动”完成,再入大气层)

2019年1月11日,Iridium-8,海收
3分30秒(栅格舵打开)—— 5分36秒(发动机端向下回落完成、再入大气层,同步)

从这些视频中,可以明显看到,这种“横向移动”实际是一级以倾斜的姿态,有一定角度的自由下落,即一级在向下、向前。并且RCS在多数时候,一直朝前进的反方向不断喷射,即辅助一级向前推进。而在此过程中,打开的栅格舵,并没有做任何摆动。

注1:一级在向下,是受重力或引力的作用(物理没学好),向前是受上面说的“新惯性”作用,和RCS的辅助推进作用。
注2:在此期间,栅格舵的作用是稳定一级。

那么,一级在此期间的高度、速度又是怎么样的?
还是继续用上面的,2017年5月1日,NROL-76,陆收,来做实例。

注:此次官方发射视频,同时也是唯一显示了从发射到着陆,一级完整数据的视频。通常直播画面上显示的海拔高度、速度,是二级而非一级的,并且使用单位是公里/每小时,不是米/每秒。(具体文本数据会贴在最后)






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 楼主| 发表于 2019-8-12 03:04:47 | 显示全部楼层
本帖最后由 tita 于 2019-8-12 03:16 编辑

前面说到,第7个动作是三台梅林关闭,紧接着第8个动作是打开栅格舵,从逻辑推理来说,此时的一级轨迹也应该处于受惯性的作用下,和一二级分离后的一级是一样的趋势。根据视频中的一级高度、速度数据,的确如此。打开栅格舵后,一级继续爬升,速度依然持续下降,直到一分多钟后,一级海拔达到新抛物线最高点,速度降到“最低点”(几乎同时达到)。一秒之后,一级海拔高度开始降低,速度由“最低点”加速变快,即一级在向下、向前运动。一级的“向下、向前”,就是前面所说新抛物线的后半段,下降那一段。

注1:新抛物线最高点所在位置,几乎无法用肉眼判断,只能通过数据显示。
注2:在发射直播中,此阶段一级向下、向前运动的画面,很多时候(特别早期或夜间发射)会被红通通的二级真空版梅林发动机画面替代。

小结:实际上,栅格舵打开后,一级受“新惯性”影响,继续向上、向前做减速爬升运动,当到达新抛物线最高点的时,一级才开始做向下、向前的自由落体运动。当下落到某个高度(本实例中高度为67公里)或位置的时候,正式“开始”再入大气层(entry burn)的点火,即发动机第三次点火。

总结第一部分、第二部分:一二级分离后,从一级掉头完毕开始,后面一系列的“小动作”直到再入大气层前,表面上看是空叉在制造新的抛物线,实质是空叉通过那3大样,对一级进行了第二次发射(第一次是火箭发射),准确说是单独发射。(一级单独发射是因,带来的抛物线是果)

说个笑话:音乐响起,舞台上一个声音说道:“我想飞”,问题是你想过怎么下来了吗?

第三部分
再入大气层(entry burn),发动机第三次点火。一来减速、二来利用与大气的摩擦形成某种热保护罩(请询问相关同学,真不懂),可以保护发动机和一级箭体。同样短暂燃烧,随后关机。

从栅格舵打开之后到达新抛物线最高点开始,一级做向下、向前的自由落体运动,速度越来越快,在发动机第三次点火之前的那一秒,达到了最快速度。之后,速度下降,栅格舵依然很少摆动,RCS持续工作。

关于再入大气层点火的时机、位置选择,我没找到更多资料,包括更多从地面视角的视频。只是从目前各类任务(陆收、海收)的再入大气层点火到真正着陆,所需时间来看,好像通常是2分钟不到的样子,根据NROL-76任务的数据,是海拔70公里的高度。这个高度属于地球大气层的中间层,可能有部分关系。

小结:写到目前,感觉与回收相关的另一重要领域,就是对地球大气层的研究。

第四部分
离地面越来越近,准备着陆(Landing burn),发动机第四次点火、大幅减速,着陆架打开,速度下降至零(可能不是),成功,烧烤摊上开58度纯粮大曲一瓶,茄子。

从发动机第二次点火后的关机开始,栅格舵打开,栅格舵基本处于静止状态,偶有转动的情况,直到接近发动机第四次点火这个时刻,栅格舵开始肉眼可见的转动。随着一级不断减速,RCS同时也在工作,栅格舵的转动幅度在一定范围内越来越大,转动次数也越来越频繁,最终处于可控范围内的多次不同幅度转动,类似手抖脚抖,明显区别于此前的状态。也就是,这个阶段,RCS、栅格舵两套系统都在负责控制一级的方向。

小结:着陆架打开应该是有缓冲作用,在某些任务中,我们看到回收的一级好像有某种角度的倾斜。从NROL-76任务的数据来看,着陆架接触地面那一瞬间,好像还是有每秒4米的速度存在(重力加速度?),那就存在着陆架缓冲后定型(不反弹)的可能。


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 楼主| 发表于 2019-8-12 03:05:57 | 显示全部楼层
本帖最后由 tita 于 2019-8-12 03:18 编辑

--------------------------------------------分割线乙

NROL-76任务中的一级详细数据

2017年5月1日,NROL-76,陆收,在官方视频中,唯一显示了从发射到着陆,一级完整数据的视频(通常直播画面上显示的海拔高度、速度,是二级而非一级的,并且使用单位是公里/每小时,不是米/每秒),也是唯一从地面视角完整展示了一级如何掉头的视频。

注1:数据只是我截取的大约值,准确数据请参看原始视频。
注2:公里表示一级海拔高度——千米,m/s表示一级速度——米每秒

0分00秒   0公里       0m/s         Liftoff  发射(第一次点火)
1分04秒   8.9公里     345m/s     达到音速/1马赫
1分10秒    12公里      431m/s      Max-Q
2分20秒   66公里     1663m/s    主引擎关机
2分27秒   74.7公里   1649m/s    Meco 主引擎分离,掉头开始
2分36秒   86.9公里   1572m/s    Boostback burn 掉头完毕(第二次点火)
3分35秒    142公里    724m/s    主引擎关机
3分38秒    144公里    694m/s    栅格舵打开
4分48秒    166公里    290m/s    海拔“最高”、速度“最低”
7分11秒    66.9公里    1395m/s    Entry burn  再入大气层(第三次点火)
7分36秒   39.1公里     748m/s     主引擎关机
7分55秒   24.2公里     840m/s     阶段性速度“最快”
8分33秒    4公里        296m/s     Landing burn  准备着陆(第四次点火)
9分00秒    0公里          4m/s       着陆   

Max-Q:最大动态压力,The Maximum Dynamic Pressure
Meco:主引擎分离, Main Engine Cut Off

火箭最大动压
来源:超级大本营——地球物理条件的现实就决定了电磁发射运载火箭是毫无价值的
出处:第122楼

火箭的最大动压就是在它跨过音速的时候!通常在接近同温层的起始高度时动压达到某一最大值。这个高度又正好是水平风速达到最大值的高度,也就是说,动压和迎角同时达到最大值。对于大多数运载火箭来说,这时的飞行马赫数(M)在1.5~2.0之间。

--------------------------------------------分割线乙2

我的注解版:

0分00秒   0公里        0m/s        Liftoff  发射(第一次点火)
1分04秒   8.9公里     345m/s     达到音速/1马赫
1分10秒    12公里      431m/s      Max-Q
2分20秒   66公里     1663m/s    主引擎关机
2分27秒   74.7公里   1649m/s    Meco 一二级分离,掉头开始

---------(一级单独发射,制造新抛物线
2分36秒   86.9公里   1572m/s    Boostback burn 掉头完毕(第二次点火)
3分35秒    142公里    724m/s    主引擎关机
3分38秒    144公里    694m/s    栅格舵打开
4分48秒    166公里    290m/s    海拔“最高”、速度“最低”
---------(一级新抛物线,达到最高点,“汽车上到坡顶”

7分11秒    66.9公里    1395m/s    Entry burn  再入大气层(第三次点火)
---------(一级新抛物线,自由下落,通过减速,结束新抛物线

7分36秒   39.1公里     748m/s     主引擎关机
7分55秒   24.2公里     840m/s     阶段性速度“最快” (重力加速度?)
8分33秒    4公里        296m/s     Landing burn  准备着陆(第四次点火)
9分00秒    0公里          4m/s       着陆   


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 楼主| 发表于 2019-8-12 03:06:41 | 显示全部楼层
本帖最后由 tita 于 2019-8-12 04:26 编辑

--------------------------------------------分割线丙

空叉回收总述
综上所述,空叉的火箭回收,既简单又复杂。

极为重要的视频参考:
2017年5月1日,NROL-76,陆收,有一级的完整数据。
2019年5月4日,CRS-17,夜间海收,很清晰地呈现出了发动机每次的点火与关机。
2019年7月26日,CRS-18,陆收,有很好的视角展现出RCS如何在自由下落中,辅助一级移动到再入大气层的位置。

简单一,整体看,空叉只做了两件事:
把火箭发射视为第一次发射,一级回收视为第二次发射。
1、装载载荷,火箭陆地发射,制造第一条抛物线,送货
2、卸载载荷,一级空中发射,制造第二条抛物线,回家

问:二级就不管了?
答:以后的“顺丰”空间站,或许可以捕获回收,前提二级也要装个RCS减速、变轨吧。

简单二,空叉发射回收经历了四个阶段
第一阶段(发射入轨)、释放载荷(发动机1次点火)

第二阶段(准备回收a)、一级单独发射,制造新抛物线(发动机2次点火)
第二阶段(准备回收b)、新抛物线,达到最高点
第二阶段(准备回收c)、一级新抛物线,达到“最低点”,或者说,通过减速,结束新抛物线(发动机3次点火)(不太确定要如何理解)

第三阶段(开始回收)、再入大气层,减速(发动机3次点火)
第四阶段(准备着陆)、一级大幅减速,栅格舵开始转动(发动机4次点火)

发动机点火第1次、发射(liftoff)
发动机点火第2次、大气层边缘(boostback burn)一级发射、新抛物线开始
发动机点火第3次、再入大气层(entry burn)结束新抛物线,减速
发动机点火第4次、准备着陆(landing burn)

从英文名字就可以看出来,感观上来说,发动机第2次点火就应该叫“再入大气层”(entry burn),人家偏不,一级实际是在继续升轨。

问:什么叫“一级单独发射”?
答:一级分离后,有几件事要特别注意
所处位置:大气层,低气压、低密度、低阻力
所受作用力:火箭发射加速度带来的惯性如何利用?以及自身重力/引力?
三台梅林:估计在节流使用吧,比陆地发射简单
一二级分离后,一级都会通过三台梅林,或多或少的向上爬升,我视为一级单独发射。

简单三,空叉使用了3大样作为发射回收的硬件保证
发动机:矢量、多次启动、节流,大气层内外皆有用
姿态控制系统:氮气喷射推进器,大气层内外皆有用
栅格舵:保持一级稳定,降落的精准,大气层内有用

我倒觉得姿态控制系统(RCS),和NASA多少有关系,除非挖到懂这个呢同学,水塔上也有这东西。当然,如果RCS属于某公司专利,那又和这公司脱不了关系。

问:软件保证是什么?
答:惯性导航系统(ins)和全球定位系统(gps),各种锁在保险箱的自嗨软件、成吨数据。

简单四,空叉是应用科学研究发展公司,不是理论科学研究发现公司
空叉至今做出的努力,都是建立在已知数理化大定理的范围内。

问:马斯克是不是一个骗子?
答:按合同办事的“骗子”,那叫牌子。

复杂,说个笑话
空叉左脚踩着爱因斯坦的尸骨,右脚登着NASA油光锃亮的脑门,屁股下流动着玖陆伍的呐喊,腰间别着梵高的素描,外套印着米国制造,左手抓着地球支点,右手比划着招财进宝,徒手攀岩,登高望远,瞟眼一看,旁边各种光头,扭头一瞧,不远处自有后来人。

以一件产品可以量产、真正推入市场的角度来说。2002年成立到2008年第一次成功载荷入轨(6年),接着开始承接政府、商业合同,有了稳定的收入来源(负债不可怕,可怕的是没固定收入)。2009年开始到2015年第一次陆收成功、2016年海收成功(7年),总共13年时间,之后才更为世界人民所熟悉。

以科学研究的角度来说,一步一个脚印,你就可以创造各类奇迹。不是你强不强的问题,也不是你脑袋有多科幻的问题,本质上是大自然就那么神奇(人也在其中),就看你踏实与否。

以操控来说,火箭只要离开地面,应该都是“自主可控”(也只能如此),当空中每个行动都需要以毫秒(比如)来计算的时候,就算它可以线控,也是无从下手的。

问:我们为什么没有空叉?
答:我们有瓷勺、木筷。

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 楼主| 发表于 2019-8-12 03:07:30 | 显示全部楼层
本帖最后由 tita 于 2019-8-12 04:12 编辑

--------------------------------------------分割线丁

空叉发射简单史(主要展现发展轨迹)

猎鹰1号:
2002年5月6日,SPACEX成立 ,招聘汤姆穆勒研发梅林(至今)
2005年11月,员工160人

2006年1月18日NASA“商业轨道运输服务”(COTS)项目正式成立

2006年3月25日,失败,梅林A
2007年3月20日,失败
2008年8月2,失败
2008年9月28日成功,梅林C,首次运载火箭载荷入轨
2008年12月23日,NASA,16亿美元,猎鹰9号、货运龙,12次送空间站
2009年7月14日,成功

猎鹰9号 v1.0(光杆火箭):5次,开始伞降试验
2010年6月 成功,梅林C,屁股方形,
2012年10月8日  成功,首次货运龙空间站
2013年3月 成功

猎鹰9号火箭v1.1:15次,伞降转发动机推力控制
2013年9月   梅林D,屁股圆形
2014年4月17日   着陆腿
2016年1月  

蚱蜢:回收研究,8次发射试验
2012年   梅林D
2013年   

2014年:猎鹰9号一级复刻版
F9R Dev1:Falcon 9 Reusable Development Vehicle
着陆腿 、格栅,5次回收试验。

猎鹰9号火箭:
2015年1月10日,CRS-5,首次海收,失败。
2015年2月12日,DSCOVER,海收,失败。
2015年4月14日,CRS-6,海收,失败。
2015年6月28日,CRS-7,海收,起飞后爆炸,失败。
2015年12月22日,Orbcomm OG2,全推力/FT v1.2陆收首次成功
2016年1月17日,Jason-3,海收,失败。
2016年3月5日,SES-9,海收,失败,但标志正式步入商业航天列强。
2016年4月8日,CRS-8,海收首次成功

全推力/FT v1.2 后续型号 Block1-Block5

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 楼主| 发表于 2019-8-12 04:06:57 | 显示全部楼层
本帖最后由 tita 于 2019-8-12 04:28 编辑

--------------------------------------------分割线戊

栅格舵

问:栅格舵有什么用?
答;静态栅格舵保持箭体稳定,动态(可转动)栅格舵有改变箭体方向的作用。本质上和船舵、飞机可动翼面(翅膀上、尾巴上)是一个东西。

第一部分、空叉的使用

空叉在火箭发射上升阶段,没有使用栅格舵。发动机第二次点火、关机后,栅格舵打开,(一级因为惯性继续爬升,距离、耗时看任务而定,可2、3秒,可1分钟,等等),开启使用。在一级着陆点火之前,栅格舵基本没有转动,从一级着陆点火开始,栅格舵开始可控转动,辅助精准定位(这个时候矢量发动机减速、控制方向,RCS也在负责控制方向,但就算如此,还是有误差,只是范围比较小,如10米内而已)。

也就是说,在以发动机为动力的任何上升阶段,矢量发动机的可控范围、精准性,已经符合空叉的要求,基本无需其他装置辅助(RCS主要辅助水平方向)。但在发动机关机依靠惯性上升和自由下落阶段,栅格舵始终在使用。

所以,在一级着陆点火之前,空叉使用栅格舵(静态)来稳定一级,从着陆点火开始,使用栅格舵(动态)来调整一级方向(着陆位置)。

问:发动机第二次点火,可否用RCS代替?
答:应该不行,虽然大气密度已经很低,但RCS依然需要抵抗一级所受的地球重力/引力(纵然一级除了发动机,基本像个空壳子),估计推力不够。

问:发动机第二次点火、关机后,栅格舵打开,“一级惯性爬升、自由下落”和“再入大气”后,为什么不通过可控的转动来辅助水平方向的姿态、位移?
答:已经有RCS辅助水平、垂直方向的姿态、位移,唯独缺少在惯性爬升、下落整个过程中,让一级不规则的摆动(受大气气流影响)减少的方法,这个时候,栅格舵就用来保持一级稳定。

问:按空叉的用法,为什么不使用传统平面翼?
答:从那3大样说起,发动机负责推进、RCS负责5个方向(水平4个、垂直向上1个)的姿态,栅格舵负责稳定。差不多到着陆点火的时候,开始转动,功能变成控制方向。也就是说,为了定点着陆,空叉在着陆点火后,使用了RCS、动态栅格舵双系统负责精准着陆。

相比传统平面翼,栅格舵的折叠,好像比较方便。留意一下着陆点火的一级的速度,通过本文多次、重点提及的2017年5月1日,NROL-76,陆收的数据,和空间站CRS-18任务视频中那张著名的“音速云”照片(音爆云?音障?),我猜测着陆点火时一级离地4-5公里左右,速度差不多在1马赫上下(音速上下),而根据网上资料,栅格舵在1马赫上下会形成大量阻力,对一级而言就是减速的升力,猜测比传统平面翼效果好。

注意,这部分只针对空叉对栅格舵使用的讨论。

第二部分、相关研究

本部分主要根据对以下词条的搜索,整理、摘录而来。
主要词条:
Missile Grid Fins

辅助词条:
导弹平面翼
空军之翼——R-77空空导弹
R-77空空导弹栅格尾翼得失谈
SpaceX火箭的栅格翼(Grid fin)
设计很巧妙:导弹发射后原来是这样转弯的!
神舟神箭12大攻关奇迹之三:“翩翩”栅格翼
我国研究可回收火箭可根本上解决残骸坠落问题
[24小时]神舟十一号明日7时30分发射·解密载人火箭 航天员安全的守护者:栅格翼


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 楼主| 发表于 2019-8-12 04:09:46 | 显示全部楼层
本帖最后由 tita 于 2019-8-12 04:32 编辑

背景知识:
音速:340米/秒,0.34千米/秒,大约1224千米/小时

1音速等于1马赫

亚音速
低亚音速飞行区 马赫数为 0.4以下
亚音速飞行区 马赫数为 0.4-0.75
高亚音速飞行区 马赫数为 0.75-1

跨音速
跨音速飞行区 马赫数为 0.75-1.2

超音速
低超音速飞行区 马赫数为 1.20-5.0
高超音速飞行区 马赫数为 5.0以上

摘抄如下:
低亚音速下,栅格鳍片的表现与平面鳍片相当,格子翅片的阻力和控制效果与传统的翅片大致相同

马赫数1附近的高亚音速数下,阻力上升得相当高,控制效率降低。对于飞行速度略快于1马赫的武器,阻力变得更加严重,形成弓形冲击波,进一步增加阻力并降低控制效率

超过跨音速区之后,即马赫数大于1.3以后,阻力逐渐减小
在低超音速情况下,有所改善,但阻力依然很大
在高超音速情况下,阻力持续下降,与平面翼相比,控制效率显著提高

detached bow shock 弓形冲击波(分离的冲击波)
airflow spilling around fin 翼片周围溢出的气流
airflow  passing through lattice 通过晶格的气流
reflected oblique shocks downstream 下游斜向反射出来的冲击波
oblique shocks 斜向冲击波

控制效率:
平面翼在高超音速条件下,受到的力矩(铰链力矩)比格栅翼更大,在这种情况下操纵导弹的平面翼,犹如要在强风中打开窗户一样费力。而格栅翼受到的铰链力矩较小,只要小功率的伺服机构就可以转动。这样,就可以将导弹的气动操纵面设置在导弹的尾部,使导弹的机动性更强。格栅尾翼的俯仰控制效率和滚转控制效率比平面尾翼高得多。这一方面因为格栅尾翼外形升力大,另一方面得益于格栅尾翼的高度比平面尾翼的净半展大。格栅翼的弦长较小,也使他们不太可能在大迎角飞行时失速。因此格栅翼可以在高超声速和大迎角状态下可以提供更好的可操作性。

乱说:
就残骸来说,考虑几个因素。用矢量发动机相当不划算,可能需要细控入轨位置和精算当日气象条件;大气密度很小的阶段,估计作用有限;进入到大气内圈,估计要安6或8个吧,4个(动态)控制方向,4个(静态)稳定姿态。单用4个意味着二合一的机动,如果能控制在个位数公里级范围内,那是第一,不是第二。

--------------------------------------------分割线己

回顾、展望

1、nasa和spacex的关系
从行为模式上说,nasa是机构,根据某著名人的说法“机构总是倾向于保守第一、效率第二”。道理很简单,100个人的班级,收了班费买西瓜,班长领着小组长,蹦哒到了水果店,过秤一看,10个总计280元。正要付钱,路边摊子传来吆喝声“10个大西瓜200元啰”,班长一看,感觉不新鲜,有股粑粑味。是你,你选哪个?要么绝对正确,不拉肚子,要么有风险,可能有同学抵不住沙门氏菌,有多少,掐指一算,个把个?20个?60个?80个?肯定选水果店。

正因为机构的钱不是自己的,每年它自己都要争取从税缸中多捞点,除了自己吃肉喝汤,还要通过合同的形式换来五花八门的产品把钱撒出去,有些属于本身没啥直接效益(看太阳、下火星,深空窥视遥远的隔壁),巴不得没有任何风险,一旦出事,就要下课走人。nasa就是这样的老保守,各种公司、研究所、学校都在争取搞到粮票,nasa又是老狐狸,安全第一情况下,谁家便宜要谁的,手段就是普遍撒网、重点捞鱼,恨不得鹬蚌相争,渔翁得利,像2008年的国际空间站货物补给合同,以及龙飞船为什么坚持降落伞,要不老马你一家子先去搞下,我看看你还回不回得来,别拿我的人作小白鼠,你看,人没上去不是炸了么。所以,政府合同虽然油会多点,但不容易。

对于spacex来说,肯定要和nasa“勾兑”,其他公司也一样,不然你咋知道我家挖机确实强,便宜还安全。肯定有某种深入的互动,并符合nasa鉴定标准,得到实质认同。2008年9月首发载荷成功,12月就签订空间站合同,看着像拍脑仁的事情,老保守疯掉了么?首先,nasa的标准确实合理,科学这东西,好就好在以数学为核心,可以倒推验证,只要满足条件,你就过关。其次,这事情也不是说百分百零风险(哪有完美的事),那我们合同上分成几个阶段,完成一项给你一那份的钱,啥?一次全给你,要不你把公司便宜卖给那边的光头。如果没这个合同,spacex很难说,nasa这就叫救急不救穷,知道你有价值,值得扶一把,没价值的时候呢,死在沙滩上。

有人问,nasa为啥不自己搞?如果花10年几倍的钱才可能搞得出来,而现在眼皮子底下就有八九不离十的东西,为啥要自己搞,我省钱省时间,节省下的经费先给员工每周加顿肉,其他等我花钱的地方多了,我花钱也想有效率,阳光给你了,你给爷笑个呗。


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 楼主| 发表于 2019-8-12 04:14:23 | 显示全部楼层
本帖最后由 tita 于 2019-8-12 04:39 编辑

除了常规的以合同为形式的钱换物交易,nasa、军方也有给钱给技术还给场地、工具的时候。早前准备用于BFR的隔热材料,就是给的,不该么,又没花我nasa一分钱。发射场地,空军的,不清楚租金多少。以及著名的新墨西哥州白沙试验场,UFO天天飞。还有返回阶段的高清远程红外观测仪(名字忘了),以及返回阶段的某些研究,的确有资金赞助。比如我个人觉得很重要的地球大气层研究(部分吧),以及明显的火星环境研究,目前只能机构来统筹、分管(自己做部分、该分包呢分包),撒钱太多,没直接效益(国际空间站),公司是要吃饭的,没人补血。但是,nasa更乐意给你场地、工具,(少要钱、不要钱,难说还可以借此多从米缸捞点)啥?要我帮你研究,门都没有,要不你入赘我家得了。就像梅林发动机的研发,主要的装备,spacex你自己搞定,证明你不是骗子,部分辅助的我可以帮助你,仅此而已。

那spacex到底啥公司?一家科技研发应用公司,属于高科技制造业,它不研究黑洞是什么,更不研究我是谁、我从哪里来、我要去哪里,它研究怎么用我家的船走出地球去火星。

所以nasa和spacex到底啥关系,教育局和私立民办学校的关系。

2、spacex和马斯克
老马何方人士?说个笑话
在一个阳光灿烂的午后,三位科技达人共聚一屋。马斯克对病榻床前的乔布斯说:“你就放心去吧,死了你一个,还有后来人,那个人,就是我!”,乔布斯心中一千幅八骏图飘过,旁边的盖茨心里一紧,不由得往后退了一步,眉头一皱,什么鬼?窗外那动如不动的保洁阿姨小扎,嗯。。。看来我老家火星是保不住了。转瞬之间,所谓山雨欲来风满楼,就见那不远的天空中,一群推特飞过,啊二、啊二、啊二。

老马,1971年生人,出生在南非,17岁移居加拿大进入女王大学,19岁转学米国宾夕法尼亚大学,经济学、物理学学位,24岁进入斯坦福大学应用物理和材料科学,两天后退学(1995年)。自此以后,开启外来的和尚会念经的故事。开公司编程写软件发家,股东身份获得1.65亿美元,同年创办spacex(2002年),至2019年,还开了n家各类公司。

老马小时候爱看书,当然包括科幻读物,等等,天赋来的也早,10岁自学计算机编程。(所以各位准备或已为人父母呢同学,儿童漫画必须地,以后娃娃才对书本有感觉。你丢本漫画给娃,难不成书里变游戏出来,但是你丢个手机,本来要看漫画,最后成啥。儿童期就把人和纸张的感情培养出来,大了就丢不掉)。你说他是码农,不是工程师,据称人家计算出,制造火箭的原料(成本),只占火箭零售价的百分之三,用他自己的设想建火箭,零售价降10倍,还是可以赚百分之七十的毛利。说明他很熟悉火箭制造业的整套流程,你算下自己手机、笔记本成本多少,我是不成。

还说明个啥,靠谱的大款同学做大事前,他不先想咋打广告,而是从经济学逻辑上看是否能持续盈利(没钱会饿肚子,怪谁,当初发明用贝壳来换野果子那位猴子。但有钱不一定啥都能做,有钱能使鬼推磨,人变鬼了嘛,还是人,就不一定)。

他1.65亿美元第一桶金,多少是赶上那个时代,但机会不是每人都能抓住,还要做得好。他投资、开办那么多公司,目前看还打理的不错,一般眼光看来,叫战线过长、摊子太大。为啥他就可以,经济学学位没白拿,对美帝理解得透测。spacex的星星网络,也可以看作他是为登陆火星筹集资金,脑子里很清楚,下一步要做啥,和理想有多大距离,怎么加快实现。

关于spacex的发展历程,基本两个阶段,第一阶段发动机的研发,耗时6年,开始接发射合同赚钱、打开政府、商业市场;第二个阶段回收技术的研发,耗时7年。

问:为什么他不先研发回收技术?
答:我只能试着回答看看。
优势:懂市场,冷静。软件开发一把好手,编程天赋光环加持。有理想,偏执。
劣势:没完成学业,和高级工程师有一定距离。稍显得不太圆滑,偏执。
他预想的最佳路线,肯定是先发动机后回收,02年成立第一件事就是把梅林发动机高工招入帐下。如果他没招到这位工程师,先搞回收,倒是可以研发出一套部分验证过的自控系统(类似蚱蜢火箭),但仍需配套火箭,就看能找到谁了。找不到,这套系统是可以卖,但对他有任何意义吗?没有。先发动机,等于先把最难的啃掉,从硬件上来说,发动机是他最无法控制的。就算做不到现在这样,那去月球,小型化的回收火箭,还有腾挪空间吧。

问:载人飞船哪家赢?
答:稍微说一下亚马逊光头贝索斯的蓝色起源,其实正常来说,光头家的发展好像更符合大众眼光,我更喜欢他家的飞船,更让人安心。有个问题,就空间站和地球来说,nasa需要的感觉上并不是豪华越野车,还是安全第一,原来是退役的桑塔纳,现在需要的是升级版丰田就好,法拉利更不考虑。老马家的是超前的,功能设置上甚至想得更远,但航天员不仅有nasa家的,以后其他家的也要坐这船,nasa不想冒太大风险。龙飞船地面爆炸,就能说明一些问题。所以,还是按nasa标准走,达到标准,就OK,相信科学和技术的更迭,百年前的飞机,蒸汽机车,是吧,最后谁赢,不好说。

问:老马家快速的技术更迭,是因为互联网思维?
答:。。。你是个人才。

问:老马怎么成功的?
答:鸡贼,一分钱掰两半儿,该省的地方省,用产品掌控人心(对nasa来说是老一套)。心恨、决绝的执行力,不能达到我苛刻、偏执要求的立马走人,无论你是否理解,特别对于想法比较超前的公司,一方面市场不等人(比如星链,初期概念第一位、技术第二位,低端产品也可以抢占市场),一方面我找的不是“知心姐姐、哥哥”,需要的是能帮我完成具体想法的人(比如发动机,高难度项目,只有门槛技术的发动机,不是不能用,是完全用不了),但以从业人员来说,对她们/他们是不公平的,所以会有官司。文理不分家,良好的软逻辑思维,懂市场,会管理,爱音乐,能欣赏艺术,肯发现缺点(找高手弥补、克制),良好的硬逻辑思维,数理化,全都懂。直男不可怕,癌变才可怕,人文直男你最爱。

问:空叉未来会怎么样?
答:亦正亦邪,参考电影《异形》中的维兰德-汤谷公司,《异形》编年史,公司老板:彼得·维兰德。(后脊背发凉哈)


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 楼主| 发表于 2019-8-12 04:18:01 | 显示全部楼层
本帖最后由 tita 于 2019-8-12 04:49 编辑

3、航天
问:什么是航天?
答:想象一百一十米的折返跑,送快递。
开始50米是陆地,中间10米是火焰山,最后50米是深海。
最开始,人类在陆地上学会了走路,还发现了火焰山并艰难地成功穿越,但望洋兴叹。

航天飞机
不会游泳的人类,50米背着橡皮艇走完,10米勉强通过,后50米再用橡皮艇。

火箭
学会游泳还会开车的人类,50米快速驶过,10米顺利通过、汽车报废,后50米游泳。

空叉
学会游泳还会开车的人类,50米快速驶过,10米顺利通过、汽车回家,后50米游泳。

还有一种方法是在火焰山建个中转站
让想走路的走路(飞机),想开车的开车(火箭),游泳的专门游泳
维珍轨道公司有点类似

就是说,航天飞机是最笨(最“聪明”、想复用)的办法,在大气层底部没效率,太空中能用,大气层中四不像,是那个时代妥协的产物(你也可以说过于超前)。用火箭就合理得多,但费用也不低。空叉沿用火箭,但费用大福降低,实现复用。

主要问题就在“大气层这个鬼”,既保护了人类,又给人类制造了走出去的障碍,以后想移民太空,人类还得找有大气层的星球(如火星)。大气层本身的环境就恶劣,还不着天、不着地,就那样飘着(有没有生物?细菌?)。而大气层内、外又完全是两个世界,不恰当的比喻,一边是陆地,一边是水世界。

现有的载人火箭,更多情况是为了适应大气层本身的产物。大气内第一个世界、大气层第二个世界,大气外第三个世界。怎么解决,中转站?超空间跳跃?(理论科学家的干活)

所以现在的航天业,提出轨道组装、月球为基地开展生产活动,都是为了规避大气层,太碍事。

4、视野
说个笑话
什么是哲学,某某某曰:我是谁、我来自哪里、我要去哪里。
我曰:你是谁、你来自哪里、你又要去哪里、我?老子要你管!

很久以前,一群猴子花了200万年时间,由4足变成2足,从此有了屁股脸,但脑袋瓜还在吃瓜。斗转星移,屁股脸们演化成了直立人,部分同学首先走出非洲,但消失在历史长河中。部分同学守株待兔,一个头两个大,演化成了智人。距今10至5万年前,一小撮智人决定再次走出非洲,最终变成了我们。

注:主要观点来源于人类起源的各种纪录片(凭记忆抄的,不保真),细节别太纠结,各花入各眼,都可讨论,不是表达重点,但如果你非要认为自己是外星遗孤,那你飞个我看看。

我很确认未来已是历史,“走出非洲前夜”的那一天,在不远的将来会再次出现,无论还要等100年、200年还是300年,始终会出现。只不过这一次,是“走出地球,奔向火星”(也可能是别的星球,目前看是火星),这也意味着人类从生物学角度可能再次演化,由于各类辐射、失重的环境、不太一样的重力,嗯,小绿人原来是我们的“心理影射”。一定要走么?如果没有科学发明,我们就是那群恐龙;但我们有了呀?我们还是那群恐龙,要么抬头望天、要么霸王龙们互撕。

问:四足变两足,和进化论有什么关系?
答:不清楚,山也还是那座山,有些猴子还是猴子,陆地两足动物也就那么多。我更倾向于变两足的猴子,就是脑子不好使,有点一根筋,或者地线接火线,脑子短路,很偶然的东西。

问:什么是人类?
答:一半脑子纯动物属性,一半脑子纯思维属性。我们不仅没有进化出鹰的眼睛、狼的耳朵、熊的力量、豹的速度,这部分反而在退化(多少有点奇怪),身体吸收的能量大部分被分配给了思维的那半边。所以,我们先是动物,然后才生而为人。

问:我们为什么不入海?甚至走向地心?
答:彻底返祖成鱼类?山顶洞人plus+?好像科研从没有往这方面投入很多,热钱也不喜欢这个想法。

问:人死了以后怎么办,等投胎杀去火星?
答:尘归尘、土归土,但我不太喜欢变成化肥这个想法。

问:我非要去火星,怎么办?
答:方法一、把自己低温冰冻起来,并祈祷粮食够吃。
方法二、赶快生娃,娃生娃,哇哇,女娃,女娲。(米国计划下一位登月的就是女性,天知道没文化的老美从我们身上学到了多少)

问:未来航天业会成为新兴行业?
答:准确说是朝阳产业吧,经过60、70年的发展,才有了今天的结果,已经过了莱特兄弟那个年代。有人说,几十年前就可以商业化了。让我们回顾一下,第一台大哥大(1973年),第一条短信(1992年),286个人电脑(1981年),还要考虑对地球本身的研究(比如大气层里面到底发生了什么)。

问:我们呢?
答:新闻报道一家做回收验证和一家做发动机的宣布合作,很好。该合作就合作,有啥嘛。稍微说下,整体上来说,不要总盯着空叉,空叉所做的仅是航天中的一个分支而已,你想要“企及”一个人,不可能,条件不一样,但是,稍微接近或者超越,很容易,你有你的优势(就像其他各类做火箭的公司)。航天那么宽广的领域,只有你想不到的地方。

(完)
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发表于 2019-8-12 10:37:05 | 显示全部楼层
删除了一堆垃圾广告后,突然发现了这么专业的帖子,差点儿手抖也给删掉,sorry
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