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现实主义大修 Wiki 翻译版 | 各类引擎的用途和分级方法

HelixCopex

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如果你不熟悉火箭引擎在现实世界中是如何运作的,那么在现实主义大修中的引擎选择和分级大小调整可能会有点令人生畏。希望本指南能对此有所帮助。

燃料

有趣的是,燃料的选择是选择火箭引擎时最重要的方面。如果你对火箭引擎工作原理有点了解,将会很有帮助。如果你对技术细节没有兴趣,那请记住下边的基础知识:

  • 低密度燃料极度高效,但推力低。(例如液氢液氧)
  • 高密度燃料效率平平,但推力大。(例如液氧煤油)
  • 任何名字里带 "Lqd" 字样的都是低温燃料,会蒸发1
  • 超燃推进剂2由于可以自燃而不需要点火装置来二次点火,在长期任务里很有用。(更多信息请参见维基百科
  • 超燃推进剂往往密度较高,因而效率较低。

如果你想知道这些现象背后的原理,请点击此处3

推力 / 入轨时间

选择引擎时需要考虑的第二个因素是:它提供的推力。一般来讲,你可以参考以下两个参数:

推重比 (Thrust to Weight Ratio, TWR)

MechJeb 可以为我们提供极佳的参考,它会显示火箭上每个分级的推重比 (TWR) 和海平面推重比 (Sea Level TWR, SLT)。海平面推力大小尤为重要,因为你往往要从大气层内发射火箭。Kerbal Engineer 也会提供同样的信息,但没那么容易获取到。各个分级的通用指导原则是:

  • 第一个分级海平面推重比应介于 1.2 至 1.7 之间(最多到 2.0,如果你绑了一个烧得特别快的固推)。
  • 如果低于 1.2,则会因为加速太慢而浪费燃料。
  • 如果高于 1.7,火箭推力就无法被有效利用,并且气动应力可能会损坏你的火箭。
  • 对于亚真空环境中启动的分级,应使其初始推重比大约为 1。(这意味着这个分级预期在几乎真空的大气层高度点火)
  • 上面级的推重比可以更低,这通常会使你在经过远地点后才入轨。

以下是现实生活中的分级示例:

  • 土星五号一级 (S-1C) 海平面推重比 = 1.18
  • 土星五号二级 (S-II) 推重比 = 0.86
  • 土星五号三级 (S-IVB) 推重比 = 0.88

另外,对于载人飞船,明智的做法是将乘员经历的最高加速度保持在 4G 以下 (推重比不大于 4),以尽量减轻发射期间的不适,并最大限度地提升逃逸系统在发生事故时救出乘员的能力。比如,土星五号为了保持其推重比小于 4,会在发射途中关闭中央发动机。

入轨时间

另一个能够帮助你确定推力是否合适的指标是:入轨所需的总燃烧时间。如果你入轨的总燃烧时间小于 10 分钟,那么你通常应该减小推力或节流。如果目标是发射到更高轨道,那么时间可以适当延长,但这需要更多 Δv。例如,土星五号的入轨时间是 11.7 分钟。

速度增量 (Delta-V, Δv)

你需要在分级时考虑的最后一件事是 Δv 大小。一次高效的低地球轨道 (Low Earth Orbit, LEO) 入轨需消耗 9.3km/s Δv,这是带有冗余的数字。如果你追求极限,那么 9.6km/s 会是个合适的数字。

在你设计完入轨部分以后,你可以参考以下的 Δv 地图来了解你的火箭所需要的总 Δv:

太阳系 Δv 地图
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  1. 译者注:通常低温燃料(如液氢)在保温层较少的情况下会随时间流失。时间加速时燃料蒸发同样会被计算。所以,对于长期任务,最好不要使用低温燃料。
  2. 译者注:这个概念在先前的一篇文章中有所提及。简而言之就是:大部分肼类毒发。
  3. 译者注:原文该处链接失效。
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