火箭直径可以做到多大?飞行阻力和直径、射程之间有没有最佳比值?

飞龙在天9783


目前做到最大的是美国1973年废弃的土星-5号,它的直径10米,成为直径最大的火箭,可以把118吨的有效载荷送上近地轨道,可以将47吨的有效载荷送上月球轨道,而前苏联的“能源”号直径也达到了8米,近地轨道的能力达到了100吨。

那么要问它的投送能力,与什么有关系,理论上,飞行阻力与横截面积成正比,做得越大,直径和高度越大,飞行阻力也越大,因此火箭直径和高度,不是一个可以被无限放大的关系,正确的理解,与发动机和燃料技术密切相关。

我国过去不做那么大,从直径1.65米的长征一号(1970年),到2016年的直径5米的长征五号,我们用了46年。随着我们兴起海运,这才有了直径5米的火箭。未来为了载人登月,10米的火箭也在规划中,要突破的正是发动机和燃料技术。

▲俄罗斯RD180,美国都在进口

致于射程,也与发动机和燃料有关,与载荷有关。土星五号推力的实现,不只是直径10米的火箭体,而是11台并列的发动机,其中一和二级均有5台发动机担纲,要同时点火,11台发动机点火,不能出现任何偏差,才能保证发射成功。所以从构型上来说,土星-5只是为了当年航天竞赛,做到了,做到了即视为一种成功。美国再研制10米火箭,绝不会再出现这种落后的构型,原因是在技术上存在不确定性。因此,网络那些所谓长征五号不比土星五的奇谈怪论,可以休矣。

长征5号,来顶一下:


魂舞大漠


理论上来说,火箭的直径并没有上限。

和车子、飞机、船不一样。

以车子为例,车子在行驶过程中,由于后面有一个真空区,因此车子所受到的助力大部分是压力阻力。啥概念?车子前部的气压大于车子尾部的气压,因此造成了车子在运动的时候有空气阻力的产生。

所以设计车子的时候往往将车子设计成流线型,以减小尾部的低压区。

对于飞机其实也一样,例如苏系战机的尾锥,就是有减小后部低压区的作用的。

而对于火箭在大气层内飞行的时候是这样的

即使是平头的情况在火箭前部形成的高压区阻力也并不是很大,原因很简单,空气是有流动性的,会逸散开。但一般的情况下人们还是会将火箭的头部做成圆头和尖头。这样阻力可以相对小一点点。但是对于火箭的直径,其实是无所谓的。可以从上图看出火箭的低压区也并不在火箭的尾部而是火箭头部附近。

原因很简单,和火箭喷出的高温高压气流相比,气压阻力连九牛一毛都算不上。

但是当火箭不断加速的时候,会有另外一种阻力形式出现——激波阻力。

这是由于火箭速度高于音速后,空气来不及逸散而形成的空气弹性阻力。这种阻力形式会对火箭整体结构造成冲击。

目前来说火箭的设计都是将箭体设计在激波锥以内的。如果加粗火箭的话,实际上得同比例加长一部分火箭的长度,使之大部分时间处在激波锥以内。

但是这也不是太大的影响,因为火箭是不断的向高海拔高度飞行的。到了5000米以上空气就已经很稀薄了,即便产生激波锥对火箭的影响也不是特别的大。


对于火箭直径和射程其实没啥最优解。依次放大就行了。

例如土星-5号吧,直径10.1米

但是可以看出,土星5号依旧是按照激波锥依次修整外形的。越到后面越粗。

至于射程,就看燃料量和燃料效率了,有火箭方程可以计算的,大部分火箭现在都是趋近于最优数值了。


但是依次放大后火箭的长度也会依次延长,这是有极限数值的。

当时学的时候老师是讲了这么一句好像是470几米,超过这个长度火箭共振趋势就会特别明显导致火箭解体。但是以目前人类造出的最大火箭来说长度也就是110多米,还差得老远呢。


军武数据库


原则上没有上限,据说月亮就是当年从地球上发射出去的。


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