Stage分節

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現實中的火箭也經常使用分節方式改進火箭能力
分節的最基本概念就是提早丟棄不必要的負重
避免浪費能量去加速於這些已經沒有用的質量上
從而使火箭得到更高的deltaV


這張漫畫做了一個很簡而易懂的概念圖
想像一下,在一個沒有辦法加油的世界裡開車
出發之前就要準備好所有燃料與車子
先用最大、最有力的油罐車拖著整串車子出發
等油罐車耗盡燃料之後就沒用了,丟掉它
改用小貨車擔任動力車頭
等小貨車沒油之後也同法拋棄
改用更小的車子繼續前進

大火箭可以裝比較多油,也比較有力量
但是使用上也比較耗油
只靠大火箭能得到的detla V會變少
只用小火箭則有燃料攜帶量太少、推重比不足的問題
混合使用會有最好的效果

Stack形式的分節是最簡單而且不太會有浪費的作法
但是缺點則是火箭會變得非常高,影響結構穩定性
往側面安裝助推火箭就成了另外一種方向的分節形式
以下介紹一些常見的側面分節佈局形式


Serial Stage:
從外側點燃,燒完之後丟棄
中央火箭與外側火箭沒有燃料傳輸
如果助推火箭選擇使用固態火箭安裝在側面就只能用這種佈局

上圖這種作法有兩種變體
作法1) 同時點燃S1與S2,S2燒光之後拋棄、S1持續燒
作法2) 先點燃S2,S2燒光之後拋棄,再點燃S1

2)會比1)有更高的deltaV,因為S1的能量不會用於加速S2
但是推重比情況相反,1)的推重比會比較差


Parallel Staging:
使用油管,由外側火箭S2供應中央火箭S1的燃料消耗
當外側火箭S2燃料燒光之後分離
此時S1才開始使用自己的燃料,S1內含裝滿的燃料可以繼續燒
助推火箭S2必須是液態火箭才能使用這個作法

這個作法能夠在deltaV勝過Serial Stage 作法1)
而且也沒有什麼推重比損失
剛起飛的時候同時使用所有7個引擎
丟棄S2之後則靠S1引擎,所以推重比不會有什麼傷害

與Serial Stage 作法2)相比
S1不會浪費燃料來加速S2,所以deltaV會一樣多 (當S2丟棄時,S1還是滿油的)
只是起飛時還可以利用S1的引擎,推重比更高!

這邊可以簡單結論Parallel Staging比Serial Staging更優秀

最佳的佈局辦法

Asparagus Staging:蘆筍分節法
算是Parallel Staging的連鎖利用
所有火箭引擎同時點燃,靠油管連鎖遞油
S4會先燒空,丟棄S4。此時S1、S2、S3都還是滿油的,繼續燒
S3燒空丟棄。此時S1、S2都還是滿油的,繼續燒
S2燒空丟棄。此時S1還是滿油的,繼續燒

這個作法會在中途不斷減少引擎
所以推重比『有可能』會輸Parallel Staging或Serial Stage
但是它會具有最高的deltaV!
理由是提早丟棄不需要被加速的東西
S3與S4會比Parallel Staging或Serial Stage的S2早很多時間就被丟棄掉
所以Asparagus Staging的S2不會浪費能量在加速S3、S3不會浪費能量在加速S4

至於Asparagus Staging推重比的缺點其實不重要
因為剛開始的時候和其他佈局一樣都是引擎7個全部發動
如果這個時候引擎足夠,那麼升空之後需要的推重比應該也沒問題才對
Parallel Staging或Serial Stage的推重比優勢只體現在分離之前快要燒空的狀態,沒有什麼意義

真實世界的情況:
大多數的火箭都是選擇Serial Stage作法1)
有使用Parallel Staging的反而是少數,例如SpaceX的Falcon Heavy
而Asparagus Staging還沒有公司使用
(只有三隻火箭的Parallel Staging嚴格來說也是一種Asparagus Staging就是了)

之所以沒有選擇更高deltaV的作法
原因在於燃料Crossfeed系統很複雜
中央火箭每秒燒掉的燃料,要靠外側火箭的油管供應
那隻油管必須是超強的幫浦
而且外側火箭脫離的時候還要正常斷開
如果超過2個Stage,比方說3個Stage
那麼S3往S2的供油速度要能夠支撐S1與S2的所有消耗,如果有S4就更誇張
不是不可能,只是難度很高而且太複雜
這會讓系統容易出錯並造成災難
所以一般火箭傾向選擇比較簡單但是可靠的分節方式
Asparagus Staging就變成了一種只在KSP才能看見的分節佈局


不要小看這隻油管
根本是KSP黑科技
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