1、火箭向上飛行獲得的動能,要空中減速,基本上也需要差不多的燃料(當然載荷少了,燃料也少了很多),太空梭是通過空氣阻力實現的,而它只是用燃料反向噴射。

2、降落過程中,姿態控制也要耗能。

所以,很奇怪它究竟帶了比常規火箭多多少的燃料?


與其說多帶了多少燃料,不如說它留了多少燃料用在回收上。

梅林引擎的高推重比的確使得獵鷹火箭可以攜帶更多燃料,但多帶燃料並非萬全之策。

火箭上存在一個比較反直覺的現象:火箭燃料帶的越多,多出來的同樣重量的燃料的效率會越低。仔細想想也可以明白:火箭上的燃料是隨著火箭一起加速的,燃料越多就會越重,也就需要更多的燃料給這些燃料本身加速。所以火箭是不能一味多帶燃料的,並且燃料過多也會降低火箭的結構強度。在航天中通常使用干質比(火箭不加燃料的空重和加滿燃料的全重的比)這個概念,火箭的干質比通常不超過10。

通過火箭公式可以對這件事有一點量化的理解:

我發現我每10個回答有8個帶著這張圖

火箭這個東西的目的是把載荷送入軌道,那就需要加速讓載荷能夠圍著地球繞圈,而不是速度過慢掉下來。這個速度的變化量就是Δv。其中ve是發動機的噴氣速度(比沖),m0是推進前的質量(全重),m1是推進後的質量(空重)。

那麼,由於速度增量是發動機噴氣速度和干質比的自然對數的乘積,前面提到的反直覺現象也就容易理解了:在比沖不變的情況下,干質比提升到10倍才能讓總的速度增量提升到2倍。

因此很容易推出一個結論:為了回收火箭而保留的燃料是最「精華」、效率最高的一部分。

假設一個火箭空重為10噸,加註燃料後為100噸,火箭發動機的噴氣速度為4000m/s。為了回收,火箭保留5噸燃料用於返回地面時的推進。那麼根據前面的火箭公式可以算出:如果不考慮回收,火箭的總Δv為4000m/s×ln(100/10)=9210.34m/s,而如果為了回收而保留5噸燃料,Δ就降低到了4000m/s×ln(100/15)=7588.48m/s。在我們假設的這個場景中,僅僅為了保留5.5%的燃料用於回收,Δv的損失就高達21.4%之多!事實上根據獵鷹火箭發射的視頻中引擎的燃燒時間可以推斷,實際用於回收的燃料比例應該不比這個數字要少,更何況還要保留一定餘量來確保安全。

所以獵鷹火箭的回收是以運力大打折扣為代價實現的,它攜帶的燃料並沒有比其他火箭多到哪裡去。但在保證火箭回收成功率的前提下,這個代價毫無疑問是值得的。以目前的航天技術來看這是將大量貨物送入太空最為廉價的手段,不得不感嘆SpaceX的實力。


坎巴拉火箭工程師來解答一下:

我們先忽略空氣阻力,單純討論動力發射和動力減速兩個過程。

在此前提的理想情況下,火箭的速度增量是完全相同的,只不過一個加速一個減速。根據齊奧爾科夫斯基公式:

[公式]

其中Ve是火箭噴氣速度,m0是火箭發射時的質量,m1是發射結束是的質量,那麼在理想條件下,返回和發射的速度增量是一樣的,

所以: [公式] ,其中m2是返回時點火的質量,m3是落地時的質量

那麼,很明顯: [公式]

V1.1版的獵鷹九號一級空重26噸,燃料380噸,二級重量為燃料70噸,空重+載荷24噸。那麼:

m0=500噸,m3理想情況只有26噸,而m2=m1-94噸(一二級分離)

[公式] 可以得到m1=170.3噸,m2=76.3噸

所以,第一級上升段消耗燃料:m0-m1=330噸,返回段消耗燃料:m2-m3=50噸

可見由於火箭質量大幅度降低,返回時只需要發射時15%的燃料。如果考慮到氣動減速需要的會更少。

好了,又解決了一個真空中的球形雞問題......


如果是海上降落,需要6%的燃料,損失20%的運載力。 陸地降落, 需要10%的燃料,損失38%的運載力。

1 這玩意兒也靠空氣阻力減速,但沒有太空梭減的那麼徹底。

2 姿態控制那點燃料真的是九牛一毛,另外還有柵格翼幫忙呢。

回收過程如下,注意圖中右上角一級的高度和速度信息。

1 一二級分離後,一級關機,姿態調整發動機調整箭體姿態,圖中一級前端兩道白煙就是姿態調整發動機的動靜,此時消耗微量專用推進劑(壓縮氮氣)。

2 第一級再次點火(只開3台發動機),減速並調整落點,消耗一點兒燃料。

3 一級再次關機,打開柵格翼,繼續精確調整落點,此時靠氣動剎車降低一部分速度。

4 顯然高層大氣比較稀薄,減速較慢,到了稠密大氣階段就有可能損傷箭體,所以,開4台發動機,繼續減速!

5 好了,一級繼續關機,對準降落場。

6 一級中央發動機點火,減速到零平穩落地。

推薦去看看視頻吧,參考時間線和一級高度速度信息。

獵鷹9號回收一級視角(含速度高度信息)_嗶哩嗶哩 (゜-゜)つロ 乾杯~-bilibili?

www.bilibili.com圖標

沒有多多少,過冷提高推進劑密度也只是整體增加火箭性能,因為分級後一級僅剩5~7%的燃料就可以回收了,這個數據某次上古發射直播有提到過

掐指一算就可知為何回收和發射用燃料不是五五開,如果懶得算看直播也很容易理解。

發射時九台引擎工作兩分多。回收時再入加上有時的boost back總共三台引擎點火數十秒鐘,最後著陸用一台工作十幾秒。更何況再入到著陸這段期間既是不點火也有大氣阻力減速。這樣理解5-7%夠簡單明了了吧?


除了其他人說的原理方面的問題,你還忽略了一個問題

太空梭是從軌道返回,速度要比獵鷹第一級火箭快好幾倍。

獵鷹9號一級分離是時速6000公里,算下來每秒只有1.7公里,而太空梭進入地球軌道的速度是7.9公里每秒,天壤之別。

這就是為什麼獵鷹的第二級火箭不能回收,因為沒有那麼多燃料用來減速,本身結構強度和隔熱又不滿足大氣摩擦減速的條件。

星艦與太空梭一樣都是靠大氣摩擦減速。星艦發動機開始反推減速時,速度已經降低到音速以下了。


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