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[科普知识] 骡马的火星往返方案有意思啊,燃料以水的形式携带。

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CDer:000485334
发表于 2020-05-16 12:39 超大游击队员 | 显示全部楼层 |阅读模式

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其实发动机还是氢氧机。

骡马算了一下,发现虽然差不多解决了氢氧燃料组在外太空长期储存的技术问题(主动制冷),但是出发的时候携带进入地火转移轨道+近火制动+火星离轨,进入地火转移轨道返回+近地制动这么多燃料,整个地火往返组合体还是太重。

而且大部分重量是蓄箱结构,需要保温,而且因为体积太大,相对强度不足,还需要结构加强。

最后他们想了个办法,将绝大部分燃料以水的形式携带,同时带了一套太阳能电解水装置。

这套装置比那个巨大的燃料蓄箱轻的多了。

然后飞行过程就是这样。

出发时,只携带进入地火转移轨道的氢氧燃料组。

进入地火转移轨道后,有一个很长的滑行阶段,在这个过程中,打开太阳能电解水装置,同时利用主动制冷装置把制备的氢气氧气液化,把燃料蓄箱加满。

制冷装置是哪种方案都必须的,否则低温燃料在轨长期储蓄是做不到的。

然后靠近火星之后就用这在路上加满的燃料近火制动。

进入火星环绕轨道之后,投放着陆器,开始科考任务(配图是科考火卫一),在考察任务过程中,组合体再次开始电解水给蓄箱加注。

考察任务完成,蓄箱也加满了,回收着陆器上升段,只留下标本容器,把上升段抛弃掉,开启发动机从火星离轨,进入火地转移轨道,返程。

返程过程中滑行段,再次开始电解水,把蓄箱加满,近地制动,再地球入轨后,投放返回舱或者用猎户座(或者龙飞船)将标本容器送下去。

如果着陆器在火星或者火卫一找到水源,下次去甚至可以少带很多水,带一个更大的多次使用着陆器,从火星开采水给组合体补充燃料。

这个思路很巧妙呢。

实际上甲烷燃料组也可以这样做,二氧化碳和水也可以通过电化学反应制备甲烷和氧气,液化甲烷和氧气难度可比液化液氢简单多了,多带个干冰罐子也不费事。
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CDer:000485334
 楼主| 发表于 2020-05-16 12:42 超大游击队员 | 显示全部楼层
配图如下,图中表示是火卫一科考任务。
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CDer:000405740
发表于 2020-05-16 12:55 超大游击队员 | 显示全部楼层
有钛酸锶光催化制氢
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发表于 2020-05-16 13:42 | 显示全部楼层

RE: 骡马的火星往返方案有意思啊,燃料以水的形式携带。

oyzw 发表于 2020-05-16 12:55
有钛酸锶光催化制氢

化学界骗钱的东西就别用了,乖乖用电解水
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CDer:000323837
发表于 2020-05-16 14:11 超大游击队员 | 显示全部楼层
水会结冰,还得先化成水,然后氢气没有重力怎么分离那?
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CDer:000485334
 楼主| 发表于 2020-05-16 14:27 超大游击队员 | 显示全部楼层
xmyyc 发表于 2020-05-16 14:11
水会结冰,还得先化成水,然后氢气没有重力怎么分离那?

离心轮。水分温度管理可比液氢好办多了。
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CDer:000389693
发表于 2020-05-16 15:48 | 显示全部楼层

RE: 骡马的火星往返方案有意思啊,燃料以水的形式携带。搞错了,

搞错了,删掉。
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CDer:001157920
发表于 2020-05-16 16:25 | 显示全部楼层

RE: 骡马的火星往返方案有意思啊,燃料以水的形式携带。

蓝龟 发表于 2020-05-16 14:27
离心轮。水分温度管理可比液氢好办多了。


这套东西本质就是美帝他们经常说的“推进剂致密化”嘛,和猎鹰采用过冷煤油过冷液氧一样的道理。只是原本简单可靠的燃料贮存直连发动机的系统,硬要中间加塞一个水解再氢氧分离的机构,全系统的可靠性比起燃料致密带来的起飞质量降低,最终收益就不得而知了
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CDer:000485334
 楼主| 发表于 2020-05-16 16:32 超大游击队员 | 显示全部楼层
zjw2019 发表于 2020-05-16 16:25
这套东西本质就是美帝他们经常说的“推进剂致密化”嘛,和猎鹰采用过冷煤油过冷液氧一样的道理。只是原 ...

液态氢长期储蓄可不是简单可靠可以形容的啊……
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CDer:001157920
发表于 2020-05-16 16:59 | 显示全部楼层

RE: 骡马的火星往返方案有意思啊,燃料以水的形式携带。

本帖最后由 zjw2019 于 2020-05-16 17:01 编辑
蓝龟 发表于 2020-05-16 16:32
液态氢长期储蓄可不是简单可靠可以形容的啊……


NASA已经基本解决了,日泄露量是千分之一还是多少来着,再加上主动电制冷,没多复杂。
再说你那套同样需要解决液氢在轨贮存问题。
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发表于 2020-05-16 17:20 | 显示全部楼层
既然带着液化氢装置,为什么不收集挥发的氢再液化呢?简直脱裤子放屁嘛。

难道是验证电解水装置?那为什么不干脆搞火卫一取水,把原地取水也验证了。
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CDer:000307718
发表于 2020-05-16 17:33 超大游击队员 | 显示全部楼层
太空的温度是多少?在那个温度下,氧应该很容易液态吧?
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CDer:001117213
发表于 2020-05-16 17:49 | 显示全部楼层
电解水,燃烧🔥后又化成水,如果能收集一部分,也算是很有脑洞了
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CDer:000241062
发表于 2020-05-16 18:51 超大游击队员 | 显示全部楼层
巨浪345 发表于 2020-05-16 17:49
电解水,燃烧🔥后又化成水,如果能收集一部分,也算是很有脑洞了

喷出去的水没法回收吧!
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CDer:001165677
发表于 2020-05-16 19:15 超大游击队员 | 显示全部楼层
万一电解装置出问题,无法制动就好看了。。。想法不错,但是可靠性下降了,不看好
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CDer:000505584
发表于 2020-05-16 20:45 超大游击队员 | 显示全部楼层
zjw2019 发表于 2020-05-16 16:59
NASA已经基本解决了,日泄露量是千分之一还是多少来着,再加上主动电制冷,没多复杂。
再说你那套同样 ...

日泄露千分之一,到火星不漏没了?
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CDer:001157920
发表于 2020-05-16 22:15 | 显示全部楼层

RE: 骡马的火星往返方案有意思啊,燃料以水的形式携带。

超大狼牙3 发表于 2020-05-16 20:45
日泄露千分之一,到火星不漏没了?

那是仅依靠保温层的泄漏率。去火星还要加上电制冷再液化的主动防泄漏技术
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CDer:000401983
发表于 2020-05-17 00:08 | 显示全部楼层

RE: 骡马的火星往返方案有意思啊,燃料以水的形式携带。

蓝龟 发表于 2020-05-16 16:32
液态氢长期储蓄可不是简单可靠可以形容的啊……

科盲请教一下: 听说氢原子小,存在一个渗透出罐体的问题?
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CDer:001045014
发表于 2020-05-17 00:26 | 显示全部楼层

RE: 骡马的火星往返方案有意思啊,燃料以水的形式携带。

zjw2019 发表于 2020-05-16 16:25
这套东西本质就是美帝他们经常说的“推进剂致密化”嘛,和猎鹰采用过冷煤油过冷液氧一样的道理。只是原 ...

仔细看,水解氢氧分离到储箱再到引擎
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CDer:000485334
 楼主| 发表于 2020-05-17 00:41 超大游击队员 | 显示全部楼层
怪味可乐 发表于 2020-05-16 17:20
既然带着液化氢装置,为什么不收集挥发的氢再液化呢?简直脱裤子放屁嘛。

难道是验证电解水装置?那为什 ...

因为液氢的密度太低,导致如果采取直接携带液氢,就会出现蓄罐体积过大,而蓄罐体积过大就会相对强度不足。

为了强化蓄罐的结构强度又需要付出额外的结构重量从而降低干质比。

干质比降低,死重增加,加速和制动就会额外消耗燃料,于是燃料携带量又需要增加。

这等于说恶性循环。

而且装液氢的蓄罐还需要保温和防渗透工艺,蓄罐体积太大成本也会极大上升。
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CDer:000485334
 楼主| 发表于 2020-05-17 00:44 超大游击队员 | 显示全部楼层
北京野人 发表于 2020-05-17 00:08
科盲请教一下: 听说氢原子小,存在一个渗透出罐体的问题?

是的。液氢在常见材料里会发生渗透现象,后果不只是会泄露,而且被氢原子渗透的材料会由于氢原子破坏了材料的晶格结构或者通过范德华力维持的大分子结构,机械性能会下降,也就是氢脆现象。

为了对抗这种现象,蓄箱内壁,阀门,管道都需要特殊的涂层,来对抗液氢渗透。
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CDer:000485334
 楼主| 发表于 2020-05-17 00:51 超大游击队员 | 显示全部楼层
anotherfish 发表于 2020-05-16 17:33
太空的温度是多少?在那个温度下,氧应该很容易液态吧?

太空中由于缺乏介质,所以常见的所谓太空温度很低的概念跟我们的直观感受是大相径庭……

简单来说由于周围是真空,航天器几乎等于放在保温瓶里。

只能通过辐射形式向周围交换热量,而地球轨道附近由于太阳光辐射,航天器通常问题是太热了。

确切的说被太阳光照射的位置会很热,没有被照射的地方会很冷。

毕竟在地球附近太空中接受到的阳光,差不多是比赤道附近还强烈(纯粹的直射状态)

这种情况下大型航天器通常还需要布置于阳光方向平行的散热板,维持温度不会上升的很严重。
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发表于 2020-05-17 07:25 | 显示全部楼层

RE: 骡马的火星往返方案有意思啊,燃料以水的形式携带。

巨浪345 发表于 2020-05-16 17:49
电解水,燃烧🔥后又化成水,如果能收集一部分,也算是很有脑洞了

燃烧后的物质通过喷口高速后喷,那是飞船反推的动力,所有回收尝试,都会接收这部分动能,对飞船来说负能量
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CDer:001156440
发表于 2020-05-17 09:46 超大游击队员 | 显示全部楼层

Re.骡马的火星往返方案有意思啊,燃料以水的形式携带。

为啥一定要氢氧燃料?
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CDer:000485334
 楼主| 发表于 2020-05-17 10:25 超大游击队员 | 显示全部楼层
Calc. 发表于 2020-05-17 09:46
为啥一定要氢氧燃料?

第一比冲最高。

第二以化合形态储存最容易。
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CDer:001157920
发表于 2020-05-17 22:40 | 显示全部楼层

RE: 骡马的火星往返方案有意思啊,燃料以水的形式携带。

Congup 发表于 2020-05-17 00:26
仔细看,水解氢氧分离到储箱再到引擎

说这么多,你这套系统是不是还要一个液氢贮箱啊?那么这个液氢贮箱是不是还要上保温层和主动电制冷啊?
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 楼主| 发表于 2020-05-17 22:48 超大游击队员 | 显示全部楼层
zjw2019 发表于 2020-05-17 22:40
说这么多,你这套系统是不是还要一个液氢贮箱啊?那么这个液氢贮箱是不是还要上保温层和主动电制冷啊?

是啊,但是规模缩小到1/10了。

普通的液体燃料火箭按照经典火箭方程,完成从地球出发往返地火,需要的规模是1200吨(差不多就是星舰)

这个方案两台飞船加起来104吨(另有30吨水需要另行用火箭以无动力容器打进地火转移轨道,两台飞船在路上追上补给)
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CDer:001157920
发表于 2020-05-17 22:48 | 显示全部楼层

RE: 骡马的火星往返方案有意思啊,燃料以水的形式携带。

蓝龟 发表于 2020-05-17 00:41
因为液氢的密度太低,导致如果采取直接携带液氢,就会出现蓄罐体积过大,而蓄罐体积过大就会相对强度不足 ...


这样干系统简单可靠而且被长期广泛应用经验丰富、技术盲点基本消除。电解水再离心分离重新液化成液氧液氢,这套系统毫无工程经验,应用于系统要求高度稳定的火星载人上风险太大。
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发表于 2020-05-17 22:55 | 显示全部楼层

RE: 骡马的火星往返方案有意思啊,燃料以水的形式携带。

本帖最后由 zjw2019 于 2020-05-17 23:04 编辑
蓝龟 发表于 2020-05-17 22:48
是啊,但是规模缩小到1/10了。

普通的液体燃料火箭按照经典火箭方程,完成从地球出发往返地火,需要的 ...


液氧甲烷其实干质比也差不远,常温液态甲烷0.42。液氧密度比水高10%

主要是水电解氢气氧气-再液化液氧液氢这套系统太魔法了,这么简单搞定NASA当年何苦钻研核推?马斯克星船10艘近地加注1艘出发显得太蠢了
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 楼主| 发表于 2020-05-17 23:07 超大游击队员 | 显示全部楼层
zjw2019 发表于 2020-05-17 22:55
液氧甲烷其实干质比也差不远,常温液态甲烷0.42。液氧密度比水高10%

主要是水电解氢气氧气-再液化液 ...

当年也在战列舰炮管上花了大把的钱呢。后来发现飞机好使多了。

你看当年谁能想到飞机连炮都不能装就能击沉战列舰呢?

不过目前虽然理论上挺好,但是还没有经过工程验证。而且按照NASA正常的研发方式,这个系统投入实用注定要比星舰更晚。

所以验证一下究竟行不行恐怕是没机会了。
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CDer:001157920
发表于 2020-05-17 23:12 | 显示全部楼层

RE: 骡马的火星往返方案有意思啊,燃料以水的形式携带。

本帖最后由 zjw2019 于 2020-05-17 23:18 编辑
蓝龟 发表于 2020-05-17 23:07
当年也在战列舰炮管上花了大把的钱呢。后来发现飞机好使多了。

你看当年谁能想到飞机连炮都不能装就能 ...


NASA的脑洞多了去了,为了载人火星比这更加激进疯狂的方案都想过不少。
或许就是因为液化液氢液氧的设备造成增重,导致贮箱装水体积缩减带来的减重又赔回去了。
我只能想到类似太阳能热水器以及水冷显卡那样,把氧气氢气分别注入到大散热板上冷却液化。
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CDer:000485334
 楼主| 发表于 2020-05-17 23:51 超大游击队员 | 显示全部楼层
zjw2019 发表于 2020-05-17 23:12
NASA的脑洞多了去了,为了载人火星比这更加激进疯狂的方案都想过不少。
或许就是因为液化液氢液氧的设 ...

←_←两台104吨重。我寻思怎么也比1200吨轻啊,这个重量是怎么赔进去的?

另外自然散热要是顶用,也就不需要热泵强制冷却了不是?

强制冷却装置无论如何都要带。
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CDer:000011334
发表于 2020-05-19 15:10 超大游击队员 | 显示全部楼层
蓝龟 发表于 2020-05-17 22:48
是啊,但是规模缩小到1/10了。

普通的液体燃料火箭按照经典火箭方程,完成从地球出发往返地火,需要的 ...

星舰的1200t是单程的,返回燃料需要在火星加注。

骡马这个方案我很喜欢,不过starship以火星殖民为目标设计的玩意儿又是另一个层面的东西了。
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CDer:000959658
发表于 2020-05-19 21:41 | 显示全部楼层
水在太空有变成冰的风险,体积会膨胀,弄不好会胀破燃料箱和燃料管道,需要加热保温。
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CDer:000122312
发表于 2020-05-19 23:43 超大游击队员 | 显示全部楼层
太阳能板那点效率能电解多少点水?那不如搞个核反应产生等离子发电
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 楼主| 发表于 2020-05-20 06:31 超大游击队员 | 显示全部楼层
brotherluo 发表于 2020-05-19 23:43
太阳能板那点效率能电解多少点水?那不如搞个核反应产生等离子发电

在地球火星区间,太阳能电池板的功率密度比反应堆-发电装置要大(或者说同样功率的太阳能电池板和反应堆-发电装置比要轻一点儿)

太阳能电池板想要提高功率,堆面积就可以了,反应堆有一个门槛重量,所以设计起来就很麻烦了。

另外还有反应堆作为航天器的一部分会存在万一发生事故的政治代价问题。
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CDer:000388087
发表于 2020-05-20 10:02 | 显示全部楼层

RE: 骡马的火星往返方案有意思啊,燃料以水的形式携带。

巨浪345 发表于 2020-05-16 17:49
电解水,燃烧🔥后又化成水,如果能收集一部分,也算是很有脑洞了

永.........永动机
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CDer:000959658
发表于 2020-05-22 10:54 | 显示全部楼层

RE: 骡马的火星往返方案有意思啊,燃料以水的形式携带。

zjw2019 发表于 2020-05-17 22:55
液氧甲烷其实干质比也差不远,常温液态甲烷0.42。液氧密度比水高10%

主要是水电解氢气氧气-再液化液 ...

感觉还是研发一台直接烧水的发动机,燃料泵入口是水,泵后分解成气体,再进入燃烧室。
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CDer:000554840
发表于 2020-05-22 20:26 | 显示全部楼层
等离子发动机没戏了?
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CDer:000078208
发表于 2020-05-23 10:05 | 显示全部楼层

RE: 骡马的火星往返方案有意思啊,燃料以水的形式携带。

zjw2019 发表于 2020-05-17 22:48
这样干系统简单可靠而且被长期广泛应用经验丰富、技术盲点基本消除。电解水再离心分离重新液化成液氧液 ...

不同电极出的气本就是分离的。。。
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