1、火箭向上飞行获得的动能,要空中减速,基本上也需要差不多的燃料(当然载荷少了,燃料也少了很多),太空梭是通过空气阻力实现的,而它只是用燃料反向喷射。

2、降落过程中,姿态控制也要耗能。

所以,很奇怪它究竟带了比常规火箭多多少的燃料?


与其说多带了多少燃料,不如说它留了多少燃料用在回收上。

梅林引擎的高推重比的确使得猎鹰火箭可以携带更多燃料,但多带燃料并非万全之策。

火箭上存在一个比较反直觉的现象:火箭燃料带的越多,多出来的同样重量的燃料的效率会越低。仔细想想也可以明白:火箭上的燃料是随著火箭一起加速的,燃料越多就会越重,也就需要更多的燃料给这些燃料本身加速。所以火箭是不能一味多带燃料的,并且燃料过多也会降低火箭的结构强度。在航天中通常使用干质比(火箭不加燃料的空重和加满燃料的全重的比)这个概念,火箭的干质比通常不超过10。

通过火箭公式可以对这件事有一点量化的理解:

我发现我每10个回答有8个带著这张图

火箭这个东西的目的是把载荷送入轨道,那就需要加速让载荷能够围著地球绕圈,而不是速度过慢掉下来。这个速度的变化量就是Δv。其中ve是发动机的喷气速度(比冲),m0是推进前的质量(全重),m1是推进后的质量(空重)。

那么,由于速度增量是发动机喷气速度和干质比的自然对数的乘积,前面提到的反直觉现象也就容易理解了:在比冲不变的情况下,干质比提升到10倍才能让总的速度增量提升到2倍。

因此很容易推出一个结论:为了回收火箭而保留的燃料是最「精华」、效率最高的一部分。

假设一个火箭空重为10吨,加注燃料后为100吨,火箭发动机的喷气速度为4000m/s。为了回收,火箭保留5吨燃料用于返回地面时的推进。那么根据前面的火箭公式可以算出:如果不考虑回收,火箭的总Δv为4000m/s×ln(100/10)=9210.34m/s,而如果为了回收而保留5吨燃料,Δ就降低到了4000m/s×ln(100/15)=7588.48m/s。在我们假设的这个场景中,仅仅为了保留5.5%的燃料用于回收,Δv的损失就高达21.4%之多!事实上根据猎鹰火箭发射的视频中引擎的燃烧时间可以推断,实际用于回收的燃料比例应该不比这个数字要少,更何况还要保留一定余量来确保安全。

所以猎鹰火箭的回收是以运力大打折扣为代价实现的,它携带的燃料并没有比其他火箭多到哪里去。但在保证火箭回收成功率的前提下,这个代价毫无疑问是值得的。以目前的航天技术来看这是将大量货物送入太空最为廉价的手段,不得不感叹SpaceX的实力。


坎巴拉火箭工程师来解答一下:

我们先忽略空气阻力,单纯讨论动力发射和动力减速两个过程。

在此前提的理想情况下,火箭的速度增量是完全相同的,只不过一个加速一个减速。根据齐奥尔科夫斯基公式:

[公式]

其中Ve是火箭喷气速度,m0是火箭发射时的质量,m1是发射结束是的质量,那么在理想条件下,返回和发射的速度增量是一样的,

所以: [公式] ,其中m2是返回时点火的质量,m3是落地时的质量

那么,很明显: [公式]

V1.1版的猎鹰九号一级空重26吨,燃料380吨,二级重量为燃料70吨,空重+载荷24吨。那么:

m0=500吨,m3理想情况只有26吨,而m2=m1-94吨(一二级分离)

[公式] 可以得到m1=170.3吨,m2=76.3吨

所以,第一级上升段消耗燃料:m0-m1=330吨,返回段消耗燃料:m2-m3=50吨

可见由于火箭质量大幅度降低,返回时只需要发射时15%的燃料。如果考虑到气动减速需要的会更少。

好了,又解决了一个真空中的球形鸡问题......


如果是海上降落,需要6%的燃料,损失20%的运载力。 陆地降落, 需要10%的燃料,损失38%的运载力。

1 这玩意儿也靠空气阻力减速,但没有太空梭减的那么彻底。

2 姿态控制那点燃料真的是九牛一毛,另外还有栅格翼帮忙呢。

回收过程如下,注意图中右上角一级的高度和速度信息。

1 一二级分离后,一级关机,姿态调整发动机调整箭体姿态,图中一级前端两道白烟就是姿态调整发动机的动静,此时消耗微量专用推进剂(压缩氮气)。

2 第一级再次点火(只开3台发动机),减速并调整落点,消耗一点儿燃料。

3 一级再次关机,打开栅格翼,继续精确调整落点,此时靠气动刹车降低一部分速度。

4 显然高层大气比较稀薄,减速较慢,到了稠密大气阶段就有可能损伤箭体,所以,开4台发动机,继续减速!

5 好了,一级继续关机,对准降落场。

6 一级中央发动机点火,减速到零平稳落地。

推荐去看看视频吧,参考时间线和一级高度速度信息。

猎鹰9号回收一级视角(含速度高度信息)_哔哩哔哩 (゜-゜)つロ 干杯~-bilibili?

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没有多多少,过冷提高推进剂密度也只是整体增加火箭性能,因为分级后一级仅剩5~7%的燃料就可以回收了,这个数据某次上古发射直播有提到过

掐指一算就可知为何回收和发射用燃料不是五五开,如果懒得算看直播也很容易理解。

发射时九台引擎工作两分多。回收时再入加上有时的boost back总共三台引擎点火数十秒钟,最后著陆用一台工作十几秒。更何况再入到著陆这段期间既是不点火也有大气阻力减速。这样理解5-7%够简单明了了吧?


除了其他人说的原理方面的问题,你还忽略了一个问题

太空梭是从轨道返回,速度要比猎鹰第一级火箭快好几倍。

猎鹰9号一级分离是时速6000公里,算下来每秒只有1.7公里,而太空梭进入地球轨道的速度是7.9公里每秒,天壤之别。

这就是为什么猎鹰的第二级火箭不能回收,因为没有那么多燃料用来减速,本身结构强度和隔热又不满足大气摩擦减速的条件。

星舰与太空梭一样都是靠大气摩擦减速。星舰发动机开始反推减速时,速度已经降低到音速以下了。


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