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我们的征途——地月往返运输系统!

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探月工程搞定了绕落回,后续规划尚不清晰,有人长期值守的大型月面站建设需要大型地月货运能力,而具体规划细节目前资料很少,有很大的讨论空间。一起来畅想下,我们的地月往返运输会是什么样子!
值得讨论的问题很多,简单能想到的就有任务目标、舰队组成、燃料、飞船结构、货物卸载和转移。。
俺先贴上想法和困惑,欢迎批怼探究。
【任务目标】2035年,地月往返货物运输,上行100吨,下行10吨。
关于载荷质量,似乎nasa和空x谈的是这个数,所以姑且也用这个指标吧,2035我总体GDP稳超美帝,故美帝有的,我也要有。
实际上,俺一直怀疑,是否有必要搞到100吨这么大。因为若是散货,完全可以小吨位多架次运输。而不得不整件运输的百吨大货,俺只能想到整体舱室,但这是密度很低的载荷,体积会相当惊人,可能比空舰舰体都大,很难发射运载。
其实上行50吨,一次能投送1辆99A,俺就觉得很香了。(下图:99A行驶在静海)

有啥资料提到未来会有的百吨级设备吗?核动力发电舱?


IP属地:辽宁1楼2021-12-26 22:09回复
    【舰队组成】地月货运飞船+月轨月面货运飞船
    俺的考虑是,舰队由地月运输飞船+月轨月面货运飞船组成,他俩接力完成货物输送。
    具体过程是:
    1 地月货运船发射后进入月轨与月轨站对接,将货物和燃料转移给月球货运船。
    2 月球货运船降到月面,卸下100吨物资设备,并装载回程物资10吨。
    3 月球货运船升空返回月轨站,将回程物资转移给地月货运船,休息等待下次任务。
    4 地月货运船飞回地球,再入降落并卸下10吨物资。
    月轨月面货运飞船,大致可以是题图的样子。
    而地月货运船,可借用星舰的参数和指标。
    为何不完全直接全部照搬星舰,有两个考虑。
    一个原因是星舰结构不太适合用作月面降落。空舰作为LEO往返、月球往返、火星往返任务的通用运载器,关注更多的是兼容多类任务的基本需求,而不是对某方面细分任务做针对优化。明显的问题是他的船身细高,100吨物资更集中在舰体上部,而空舰本身质量也不到100吨,整体重心高,在崎岖月野着陆限制较多,而典型的月面并不平坦,大重型货物的卸载也存在困难:


    第一图虽然有些夸张,谁扎上去都得完,但第二图这种坑洼,鼓包,踩上去还是很容易导致舰体倾斜变成比萨星舰的

    另一个原因,是空舰结构重量用于100吨物资落月是有浪费的,巨大的燃料箱、地面版发动机、隔热瓦都是累赘。100吨载荷的落月任务用小得多的飞船就可承担。
    曾据说空x要直击月球、单船落月并返回,看似方案简洁,但演算可知,这个方案可送载荷远不到100吨,除非空舰再进行1次月轨加油。送1艘空舰奔月已经需要八九次地面发射,再送一个加油船去,又要多四五次地面发射,所需成本剧增,不适合长期执行此类任务。
    这里是地月往返运输各阶段所需dv和算得的在各位置需要的燃料。
    按照nasa发布的比较严格的dv指标,目前星舰的状态,要完成单发往返,在地球轨道需要2000 吨燃料,而实际星舰燃料上限是1200吨:

    如果按照最宽松的dv指标,星舰只有压缩空重到75吨以下,才能勉强完成百吨运输任务:
    而根据双船接力方案,一个目前指标的星舰,加一个月轨货运飞船,即便按严格的dv要求,也可轻易完成百吨落月往返任务:

    这样更省油、各飞船可以根据自己的任务领域做更多的独自精简优化。
    两型飞船中,地月货运船,有星舰可参考,所以就暂不过多讨论了。
    而月球货运船资料较少,这里作为关注重点。


    IP属地:辽宁2楼2021-12-26 22:13
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      【燃料的选择】
      月球货运船可以考虑的燃料有甲烷、煤油、毒燃料、液氢。
      液氢存储条件过于恶劣,蒸发损耗极难控制,而且储箱占用空间过大,会导致货运船重心过高,否决了没问题吧。
      毒燃料实在太适于长期存储了,在月面、月轨长期待命非常理想成熟,还可以用于RCS,唯一缺点是毒和贵。别的燃料,比如煤油甲烷,逼急了月轨站或月面基地可以烧煤油炉、用液化气炒菜、发电、烤火取暖、烤串解馋,毒燃料则没法用于日常生活。
      甲烷存储有些存储损失问题。而煤油除比冲较低外则有结焦问题,不知所有环节都过氧燃烧是不是能消减结焦问题呢?煤油机无维护复用能到什么程度?这些不清楚目前的进展。煤油也有优点,他摔在月面上,还能舔回来点,而甲烷就全飞了,煤油常温存储也非常方便,总之不太好轻易否掉。
      额外地,考虑下他们的体积。找了下资料,根据燃料密度混合比,看下采用煤油或甲烷储箱体积差别是否明显。


      结论是甲烷和煤油,在2000dV任务目标下,体积相差不大。由于比冲加持,甲烷方案燃料耗费少,燃料体积也只比煤油大4%,但氧化剂、燃烧剂储箱的体积比,要小些、均衡些。比起煤油机,结构布置更方便。
      两种燃料方案目前看不出哪种有绝对优势。
      考虑月球货运船要从地月货运船获取燃料转移,而地月货运船我们参考了星舰,那么干脆优先考虑甲烷燃料。国家在发展甲烷机,也在提倡煤改气,所以先定甲烷吧。RCS暂时也考虑为甲烷气体喷射。
      【飞船参数】
      根据前面的选择和演算,飞船干重假设为40吨,燃料装载量160吨,最大载荷100吨,最大总重300吨,采用液氧甲烷发动机,比冲380。
      要说明的是,40吨干重是比较夸张的估算设定,干质比只有1:5,属于料敌从宽。多加的质量是考虑脚撑、额外的支撑结构,货运平台的加固、供电恒温设施和一些附属装卸设备。
      至于发动机推力,参考阿波罗,一般推力是总重的30%即可。

      所以采用最大100吨推力的变推力发动机1台即可。如果有25吨推力的,4台也正好够用。


      IP属地:辽宁3楼2021-12-26 22:16
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        【船体结构布局】
        俺认为,月球货运飞船,应具备敞开的货运平台,便于货物的卸载、吊装施工。
        因为要便于人工装卸、加锁解锁,要便于空间站机械臂进行的货物转移、取放,要便于月面重型机械对重型货物的移动装卸。
        工作空间要宽敞易于接近,尤其是装卸载施工和维修口区域。毕竟宇航服一个比一个臃肿,地面装卸的弯腰、转身都很困难。如果是封闭货仓,人员腾挪空间受限,也无法借助外部大型机械操作大件货物。
        可能的话避免维修维护,储箱设备舱体尽量考虑封闭并防止月尘和月壤沾染侵蚀。
        需要尽可能降低整体高度,提高抗倾覆能力,也方便货物的卸载装运。
        货运飞船的直径考虑为9米,和长九星舰相同。虽然货运飞船结构简单,但考虑太空施工的复杂性和高成本,飞船还是不适合在太空组装,应该还是在地面装配完成并整体发射入轨的。
        并且飞船不考虑在太空维护检修,这对整体设备的可靠性耐用性有较高的要求。相对空舰的单机往返方案,这里是它的一个劣势,因为空舰可以在地面维护检查,维护成本要低很多。不过空间站的发动机也是一干就几十年,也没听说谁去维护过是不?
        储箱考虑在封闭的舱体内,可以考虑左图星舰压缩风格,也可考虑右图多储箱结构。
        上方是侧视图,下方是顶视图

        左图,内部是分上下储箱,比右图空间利用率高,整体高度会较低,储箱承力,结构质量便于缩减。
        缺点是发动机布置会占用较大高度,即便布置在底部边缘,喷管也会低出储箱边界很多,整体高度、重心并不低矮。对登月任务,可能的话喷管也应尽量包裹,避免被其他发动机的砂石冲刷,或触地损坏。
        另外大储箱底部弧度较小,降落期间飞行姿态调整,燃料晃动容易导致燃料供应中断。而且这么扁的储箱做起来也怪怪的,所以俺倾向右图的多储箱组合,中间的红圈是发动机位置,可深埋藏在储箱之间。
        但实际上考虑液氧甲烷的体积混合比。。四个储箱大小会略不同,会是由大小不同的两对储箱组成。这样组合并考虑充分利用空间,就只好如下布置,发动机只能布置在边缘处了:

        但实际这里只是示意图,具体的结构考虑受力和防护,需要对结构专业感兴趣的来讨论。
        阿波罗时代,对高度和空间的问题不太在意,所以十几吨的飞船就有四五米高,如下图,当时是采用箱体骨架,由隔板组成个十字大箱框,储箱和发动机布置在这些箱框中,基本是结构框架受力,储箱本身只支撑燃料。

        类似的,这是不知哪家的落选方案,载荷应该在20吨以内,储箱似乎是悬吊在中央骨架上。

        那我们的船体结构应该是怎样设计呢?
        可以估计,月球货运飞船是一个截面直径9米,或9米包络的方形、或8边型的舱体。上方为开放货运甲板,舱体为高度5~6米,以容纳发动机和180吨比重约为0.85的燃料,撑脚高度1.5米以上,大约两层典型居民楼高度的家伙。
        题图似乎应该改一改,再厚一些瘦一些。


        IP属地:辽宁4楼2021-12-26 22:20
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          这里是一些其他问题
          【工程机械】
          月面建设需要哪些工程器械呢?
          吊车?塔吊龙门吊?挖机?铲车?压路机?洒水车?大致都长啥样子呢?
          他们的能量来源如何解决呢,自带太阳帆?自带电线?还是自带电池?
          如果有功率不足问题,干起活来会全都慢腾腾的样子莫?
          是有人驾驶还是无人操纵呢?
          初期建设会有月轨空间站遥控月面站建设基地的情况吗?
          这些机械应该被如何运输呢?
          【货物的空间转移和月面卸载】
          货物月面卸载场景很多,有后期平整场地和初期原始地貌,有大质量货物、小质量货物,有大体积货物、小体积货物,有不可自行移动货物、可移动车辆。
          比较复杂的是初期原始地貌100吨大体积不可自行移动货物。
          这样需要整体吊运,此时飞船燃料全重只有70吨,如何避免吊放时倾覆?
          将燃料移动到一侧?还是抓取月壤做配重?
          有人或无人吊装时如何保证货物不旋转或与飞船或飞船撑脚碰撞?
          说到撑脚,目前为止,着陆器脚撑支杆都是溃缩缓冲,考虑复用会改为新的吸能缓冲机构,具体会是怎样的?参考飞机起落架结构吗?如何面对羽流裹挟月壤的冲刷?如何隔绝月尘的侵入?
          考虑月面不平整,飞船落月后,如果货物平台不水平或不稳定,在货物解锁起吊瞬间会有摇荡,甚至发生危险。所以脚撑需要有额外的锁定、和升降调平功能。会是怎样的形态呢。
          另一方面是货物的转移问题。在月轨站,货物需要从地月飞船转移到月轨货运船,是设置专门的暂存转移码头呢,还是直接转移?
          在失重条件下,货物搬运主要依赖机械臂操作,那么货物-机械臂的夹持接口是什么样子的呢?
          普通卫星载荷的固定释放机构都是一次性的,而货物转移需要在太空中将一个货物从某飞船上解锁取下,再锁定在另一个飞船上。既要考虑100吨级货物的振动、冲击稳定性,还要便于开解锁和对准,这样的锁定结构应该是啥样的,又如何操作呢?
          是否会出现为散件货物设计标准集装箱,也带有这些抓取接口和锁定机构以便于转移和搬运?
          一些表面脆弱的液体仓罐类装备,又如何转移和装卸呢?


          IP属地:辽宁5楼2021-12-26 22:21
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            【关于月夜】
            各国的计划中是如何考虑熬过月夜问题的
            有返回月轨站的考虑吗?还是都哆哆嗦嗦躲在月面站?大半个月的采暖和能源如何解决呢?
            用蓄电池?天然气或煤油发电机?烧火取暖,还是白天把石头烤热了晚上抱着?或者熔岩池储热?
            或者在高纬度地区建设太阳能发电站+环月输电线路?线材金属会是地面运送还是月面生产?
            采暖供热是走暖气管线、还是电采暖、还是中央空调恒温送风送氧?
            【关于月昼】
            月亮中午的时候月表温度会很高,如何解决呢
            阿波罗时代宇航服靠水蒸发散热恒温,上去的时候都是清晨或中高纬度,躲开了低纬度正午高温,还算舒适。
            现在人员长期驻守有什么措施吗?一般宇航服的温度区间是多少?建站地点会选在哪里?

            这是最后一个问题,也一直没想清楚:
            【我们去月亮到底图啥】
            这将决定10年或20年内需要建设多大规模的月面村,并决定相关载具规模。
            氦3是50年以后的事,现在除了旅游、圈地,还有对建设规模有要求的事情吗?


            IP属地:辽宁6楼2021-12-26 22:22
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              先鼓励下楼主,辛苦了


              IP属地:山东来自Android客户端7楼2021-12-26 22:41
              收起回复
                留名细看楼主的想法


                IP属地:广西8楼2021-12-26 22:47
                收起回复
                  楼主辛苦


                  IP属地:乌干达来自Android客户端9楼2021-12-27 00:25
                  回复
                    mark


                    IP属地:上海来自iPhone客户端10楼2021-12-27 00:32
                    回复
                      感觉对未来十几二十年后科技发展太保守了,比如智能ai机器人可以完成大部分的基础建设,发射一堆材料和机器人就行,不用地面组装


                      IP属地:福建来自Android客户端11楼2021-12-27 01:22
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                        楼主辛苦了,打了这么多字,探讨的很认真。
                        其实上行地月运输飞船,可以造两种,分开设计:一种整体回收复用的版本,担负下行任务,一种把燃料罐等等直接扔在月球轨道上,只回收复用发动机组件的版本,做上行主力。后一种可以考虑在地球轨道组装/更换发动机,然后用类似无人星舰的燃料补给船,补足燃料后,飞向月球。


                        IP属地:陕西来自Android客户端12楼2021-12-27 01:25
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                          无人值守最好


                          来自Android客户端13楼2021-12-27 01:53
                          收起回复
                            楼主有没有了解过动量交换绳,个人感觉这个技术是未来地月之间物资与人员运输的主流


                            IP属地:宁夏来自Android客户端16楼2021-12-27 03:28
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                              月球没大气可以建加速轨道 不过先能大量上去再说


                              IP属地:山东来自Android客户端18楼2021-12-27 11:34
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