為何說干質(zhì)比是大型火箭的重要技術(shù)指標?

比較大型運載火箭的性能差異,經(jīng)常提到的一個專業(yè)詞匯就是“干質(zhì)比”。那么什么是干質(zhì)比呢?火箭的干質(zhì)比最專業(yè)的說法其實叫作“質(zhì)量比”。是指某個型號的火箭,或者一個型號大火箭的某一級。其發(fā)射初始質(zhì)量,和這型火箭燃燒完畢,熄火以后的剩余質(zhì)量的比值。比如胖五遙3的起飛質(zhì)量大約是870噸。假設(shè)一級火箭和助推器都燃燒完畢脫落,而剩下的二級和有效載荷的剩余總重是87噸,那么其質(zhì)量比就是10比1或直接說是10。初始質(zhì)量一般用Mo表示,而熄火質(zhì)量一般用Mk表示。其實早在117年前的1903年。齊奧爾科夫斯基就推導出單級火箭的理想速度公式V=ωLnMo/Mk。被稱為齊奧爾科夫斯基公式。ω為發(fā)動機的噴氣速度;Mo和Mk分別是火箭的初始質(zhì)量和發(fā)動機熄時的質(zhì)量;Mo/Mk被稱為火箭的質(zhì)量比。
100多年來的所有大小火箭,其實都自然遵循齊奧爾科夫斯基公式的基本規(guī)律。也正是通過這個公式,人類在實際制造出可以脫離地球引力的大型火箭以前,就知道達到或者超過第一宇宙速度,實現(xiàn)環(huán)繞地球飛行甚至是脫離地球是可行的。這也算是科技理論走到了實踐前面的例子之一。從這個公式本身也可以看出,某級火箭可以達到的最大速度,和火箭的干質(zhì)比,也就是質(zhì)量比是直接的正相關(guān)關(guān)系?;鸺母少|(zhì)比越大,則最終達到的實用速度越大?,F(xiàn)在要讓衛(wèi)星進入最起碼的地球低軌道,比如200公里高的正圓軌道,那么火箭助推的末速度必須達到7.85公里每秒以上。目前要達到這個速度。最低也需要1.5級火箭才能入軌。否則就會因為速度不足而最終在引力的作用下讓有效載荷再次快速墜落地面。

目前全球還沒有可以直接用單級就能運送有效載荷入軌的大火箭。很大程度上就在于其干質(zhì)比的絕對值還不夠大。不過這是未來努力的方向。要提高某型火箭的運載能力并降低成本,就要提高火箭的干質(zhì)比。那么怎么提高呢?瀚海狼山(匈奴狼山)認為有以下辦法。第一是合理布局燃料的類型。比如液氫燃料密度很小。而又要求極度的保溫隔熱,因此火箭的重量就大部分消耗在火箭的殼體上,導致干質(zhì)比下降。因此如果液氫當芯級的大火箭,一般需要搭配干質(zhì)比更大的液氧煤油發(fā)動機當助推器。提高一級火箭的整體干質(zhì)比。胖五的1級方案其實就是這么設(shè)計的。第二,就是把火箭造的更大。液體火箭體量越大,液體燃料和氧化劑占據(jù)的重量比例就越大。而燃燒完畢后殼體重量的占比就越小,導致某級大火箭的干質(zhì)比極大的提高。這也是火箭越大,效率越高的根本原因。

第三,提高火箭材料和制造工藝的水平。大型火箭一般采用鋁合金材料制造。但是有些主承力結(jié)構(gòu)還要用到鋼材,這樣火箭的殼體就有超重的可能。美國航天飛機曾經(jīng)用鋁鋰合金儲箱整體減重約10%,提高干質(zhì)比的效果明顯?,F(xiàn)在鋁鋰合金儲箱已經(jīng)在多種大火箭上使用。