航天飛機的助推器為何用固推而不用液推? | 知乎問答精選

 

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航天飛機的助推器為何用固推而不用液推?

2018年05月20日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 2 ℃ 次

【何天騏的回答(37票)】:

本時空、本位面,美國60年代末、70年代初開始的航天飛機計劃,一開始其實是認真考慮過液體助推器,同樣採用降落傘、海面濺落回收的。而當時的各家廠商也都提供了兩種助推器的初步設計(見下面圖4)。最後採用了固體助推器(SRB)基本上是為了省錢。也是太空總署(NASA)跟美國空軍以及白宮管理及預算辦公室(Office of Management and Budget,OMB)之間博弈的結果。

使用液體助推器的初始設計費用較高,但是每次發射費用較低,而且安全係數較高(特別是如果要考慮點火後要取消發射及設置乘員逃生系統的話)。使用固體則相反,初始設計費用較低,但每次發射費用高,安全係數低(而且一旦點火無法回頭)。所以,單從發射費用角度來看,如果能夠做到高頻率發射,用航天飛機包攬所有低地軌道載荷發射的話,則液體助推器會是更合算的。反之,發射頻率不高的情況下,則固體助推器更合算。但是,當時美國空軍堅持應該保有提坦-III這類重型拋棄式火箭發射能力,所以航天飛機的發射頻率注定不會太高。同時,OMB也認為設計液體助推器的話,整個計劃在設計階段會花太多錢,超過55億美元的預算。

更具體一點的說,當時OMB的研究,設計固體助推器能比液體省7.3至10.5億美元,也就是佔了預算將近五分之一的錢。這點可以參見下圖5。另外,圖5中一點有趣的就是,設計上不考慮取消發射的能力及乘員逃生系統,也能省2.6億。

於是最後三方妥協的結果就是使用固體助推器。

當然,從後來的發射頻率看,用固體是明智的。不過另一方面,固體助推器O型密封圈的問題又是導致1986年挑戰者事故的禍首。當然這些都是後話了。

72年版的航天飛機B階段計劃封面:

B階段計劃液體助推器部分:

B階段計劃固體及液體助推器優劣對比:

Thiokol 公司(生產型SRB供應商)提供的固體及液體助推器初始設計示意圖:

OMB對不同配置的航天飛機的預算研究:

【huabro的回答(21票)】:

如果只是一次性使用,固體火箭還是比液體的便宜。

而且固體火箭可以通過降落傘簡單回收,液體火箭用降落傘需要全新的結構,性能會受到影響。

第一級起飛階段追求的是最大推力,對比衝要求不高,固體火箭可以揚長避短。

當然在SPACEX起來後,這些都不是事。

獵鷹重型火箭就是捆綁了3個獵鷹9火箭,發射後三個火箭分別飛回來。

只看單詞發射,是比捆綁固體推進器貴的,但是算上復用就便宜多了。

固體推進器重複是個偽命題,它能復用的只是殼子而已。

【譚圍鐘的回答(5票)】:

航天飛機液推也用過啊。

艾瑪 我突然發現 百度百科 也寫的很完整了

液體火箭

液體火箭助推器(簡稱「液體助推器」)是一種捆綁在火箭芯級第一級,增加火箭運載能力的液體燃料小型火箭。與固體火箭助推器不同的是,液體助推器可以在必要時切斷推進劑供應來緊急剎車。這對載人航天器發射很重要。聯盟號運載火箭的前身R7導彈,就採用了液體助推器,使得火箭可以在發射台上點火檢查發動機工作情況。80年代,蘇聯的能源號使用了四枚天頂號做助推器,將暴風雪號航天飛機和極地-1號送入太空。日本的H-IIA中有兩個版本的火箭也使用了液體助推器來增加載荷。阿麗亞娜四號中部分型號(42L, 44L和44LP)採用了兩或四個液體助推器。無助推器的標準型阿麗亞娜四號可以將2175kg貨物送入轉移軌道。而44L型可以將4790kg貨物送入同一軌道。

航天飛機研發期間就曾考慮過使用液體助推器,尤其是挑戰者號事故後,又有提議用液體助推器換下航天飛機上的固體助推器,四家公司還為NASA設計了助推器。儘管液體助推器的安全性和高性能很有優勢,然而研發成本迫使NASA堅持使用固體助推器。

固體火箭

固體火箭助推器(Solid rocket boosters,SRB,簡稱「固體助推器」)是一種捆綁在航天運載器上提供附加推力(有時是主要推力)的火箭。阿麗亞娜五號、宇宙神五號以及的美國的航天飛機都使用固體助推器。其中航天飛機使用的固體助推器是這類助推器中推力最大的。

相比液體助推器,固體助推器的優勢就是推力更大,且不需要製冷隔熱設備。將固體助推器用於液體火箭芯級能減少液體燃料的使用,減輕火箭整體重量。固體助推器設計成本更低,生產和測試也更容易,但造價卻比相同推力的液體助推器高。固體助推器點燃之後就很難在燃料耗盡前停車,這對於載人航天器發射來說是個風險因素。固體助推器的事故率大約是1%,且事故往往是災難性的。固體助推器還有一種潛在風險,就是在推進劑的製作過程中,混合起來的推進劑遇火就會發生爆炸。2003年8月22日,發生在巴西阿爾坎塔拉航天中心發射台的火箭爆炸事故就造成了21名技術人員喪生。無人和載人航天飛機衍生運載器都計劃使用航天飛機固體助推器的改進型,其中載人運載器將使用一枚增大型固體助推器作為其第一級。

可回收

可回收助推器又稱可回收助推發動機。發動機工作結束後,部分主要部件可以回收,經修理後可重複使用的助推器。美國踢奧科爾公司研製的美國航天飛機固體助推器是用於載人航天的特大型分段式可回收固體助推器。它是世界上第一個可回收並可多次重複使用的特大型固體助推器,一般金屬件按照設計可重複使用20次,柔性噴管的柔性接頭可重複使用10次。

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最後進行 想關補充,這樣顯(裝)得專業(逼格)高一些

在目前的助推結構確定前 在1970年代 有很多種方案,其中就有兩個液體推進劑為特徵的方案

放棄的主要原因是 修復費用低 但研製成本很高 並且需要研製更大的火箭發動機和降落傘

對於SRB(Solid Rocket Booster),其研製成本是最低的,但是修復成本高

然後到了70年代末,NASA不甘心,又設計了幾種液體助推器方案

相關文獻做了如下的敘述:

「第一種液體助推器以海洋回收為目的設計,但沒能代替SRB是因為比SRB脆弱,不能承受海洋沖劑和腐蝕。第二種是返回式助推器,但其助推器安裝位置不同,需要重新設計外貯箱和連接處,發射設施也要有比較大的改動,加之尾翼面積增大,發射時會產生不同的氣動性」

【王靖的回答(3票)】:

固態火箭簡單可靠,就一個大號煙花,連成分都一樣:裡面就是高氯酸鉀和鋁粉及粘合劑。不用去維護調試,加注燃料、保持低溫這些瑣事煩擾。優點很多。缺點是比沖低,不能調節功率,不能二次開機,甚至不能關機,大型固態火箭藥柱澆築工藝困難。不過航天飛機自己有主發動機。可以代替固態火箭進行推力和方向調節,綁兩個大煙花當助推還是蠻和諧的。

標籤:-飛行器 -航天飛機 -航天


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