光液之七（上篇）--第五部：LY電推基本概念及微積分模型

全文：（1）生物化學推進劑大力推進操控性嚴重不足宿命了人類文明外太空積極探索的腳步，只有電推發(fā)動機才能實現(xiàn)人類文明多地球存活繁殖的心愿。

（2）簡單扼要地如是說lightyear電推控制系統(tǒng)及乙烯/液氫可多次重復升空大力推進器。并將LY大力推進控制系統(tǒng)的科學研究形式做一個歸納。（上篇文本）

（3）多因定參法是LY電推控制系統(tǒng)科學研究操作過程及形式關鍵性觀念形式，而區(qū)段商業(yè)價值打分法是多因定參法計算不會偏移強化目標的形式。（長篇文本）

（4）如何應用領域多因定參法參與角力、市場競爭合作、資源分配（第一卷文本）

關鍵性字：電推；空間控制器；多因定參法；區(qū)段商業(yè)價值打分法。

0大背景說明

以地月來往的商業(yè)模式為公理的文本太少，如全部詳細敘述，總頁數(shù)不高于五千。責任編輯只是最簡單地如是說其基本概念和微積分模型。任何人類文明暴力行動或思索都能采用詞匯，圖象，鏡頭來敘述。也能采用微積分形式來抒發(fā)，微積分形式是最概要明了的抒發(fā)形式。這里通過歸納簡述自學lightyear的操作過程，得出結(jié)論三種比較重要的工程建設微積分模型。

指涉多因定參法 地月來往=y1+y2+...+yi...+yn-1+yn

地月來往的是選用多級大力推進器的。假設有n級大力推進器，六級控制系統(tǒng)選用yi表示。如將水星四號，和地月來往航天器，看作是一個整體，這是二級。再將水星四號拆分為二級。那么整個控制系統(tǒng)是二級的。將地月來往的控制系統(tǒng)的速度存量拿出來，分析強化這個控制系統(tǒng)。其操作過程如下表所示：電液推桿

參照《大力推進器發(fā)動機基礎》94頁

圖 1 地月來往需要的速度存量

由此得到公式 地月來往控制系統(tǒng)的速度存量操控性 （17.7km/s）=y1+y2+...+yi...+yn-1+yn

yi是每一級的速度存量因子。這里設定

地面到LEO速度存量=y1，LEO到LRO速度存量=y2，LRO到月面速度存量=y3，月面到LRO速度存量=y4，LRO到LEO速度存量=y5，LEO到地面速度存量為=y6。

我們知道y1~y6為常數(shù)。如果將y1~y6套入速度存量公式

和存量噴氣速度關系

我們知道以一定質(zhì)量從地面出發(fā)，然后到達月面，最終返回地球的關系式中。外因關聯(lián)數(shù)列是y1~y6之間的質(zhì)量比，比例因子是始發(fā)質(zhì)量和存量完成后的剩余質(zhì)量，積分因子是y1~y6之間的噴氣速度，微分因子（故障率）和分布函數(shù)因子（產(chǎn)品質(zhì)量）是穩(wěn)定的，不用考慮的。按照多因定參法的強化順序。需要最先強化y1~y6的質(zhì)量比，就一定的技術(shù)水平來說，這個比是一定，但是考慮月球上能生產(chǎn)補充推進劑。那么如果能夠在月面增加推進劑，那么這個強化會是最先進行的，對整個控制系統(tǒng)的強化也是最明顯的。比列因子是第二個需要強化，比如降低最終回來到地面的質(zhì)量。積分因子是第三個強化，分別提高y1~y6之間各個飛行器發(fā)動機的噴氣速度。積分對整個控制系統(tǒng)的響應是很靈敏的。電液推桿

在spacex的可多次重復升空大力推進器取得成功之后y1還能拆分為y1.1和y1.2.其中y1.1是可多次重復升空大力推進器速度存量，y1.2是一次性上面級大力推進器。將可多次重復升空大力推進器單獨看作一個控制系統(tǒng)。則有 （17.7km/s）-y1.1=y1.2+y2+y3+y4+y5+y6。

由上面的分析知道，在月面補充推進劑和提高飛行器發(fā)動機噴氣速度是比較有效的強化形式。而可多次重復升空大力推進器的引入，相當于降低了地月來往的速度存量需求。

基于上面的分析結(jié)果。我們知道y1.2，y3，y4和y6因其反應時間短，必需是選用生物化學直燃的，生物化學推進劑噴氣速度提高的空間已不多。y2和y5，即LEO和LRO之間的來往，能選用時間換操控性，積分的時間越長，噴氣速度越高。這個地月來往控制系統(tǒng)的強化效果越好。

可多次重復升空乙烯/液氫大力推進器、LY電推控制系統(tǒng)就是這一強化操作過程的結(jié)構(gòu)。具體的定量分析、及強化操作過程在這里不展開。（這分析強化操作過程會以比較專業(yè)文章給出，責任編輯是科普性質(zhì)的自學筆記）電液推桿

1可多次重復升空乙烯液氫大力推進器

可多次重復升空大力推進器的引入，大幅降低了航天器的升空成本。那么什么樣的可多次重復升空大力推進器才是最好的呢？

我們看一下下面的四種大力推進器燃燒反應方程式

CH3OCH3(g) + 3O2(g) = 2CO2(g) + 3H2O(l)；△H = -1455 kJ/mol

2C12H26（l）+37O2（g）═24CO2（g）+26H2O（l），△H=-17142.8kJ?mol-1

CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（l）△H=-896kJ?mol-1

C2H8N2（l）+2N2O4（l）═2CO2（g）+3N2（g）+4 H2O（g）△H=-2550 kJ?mol-1知乙烯、煤油、甲烷與氧氣 和 二甲肼/四氧化二氮燃燒可做功分別為10.25MJ/KG,11.25MJ/KG,11.2MJ/KG和10.45MJ/KG。目前美國spacex在可多次重復利用大力推進器上選擇煤油作為推進劑，未來還會推出選擇甲烷為推進劑的BFR。中國載人航天長二F大力推進器選用二甲肼與液態(tài)四氧化二氮作為推進劑。

這是工程建設實踐中選擇的路徑。這樣的技術(shù)選擇是是不是最好呢？

由《大力推進器發(fā)動機基礎》知道發(fā)動機噴氣速度跟推進劑燃燒所釋放能量，分子量大小，排氣壓力溫度有關。燃燒釋放能量是最關鍵性的，有燃燒反應方程式知道，甲烷和煤油的單位質(zhì)量推進劑釋放能量相當，乙烯/液氫 和二甲肼/四氧化二氮單位質(zhì)量推進劑釋放能量相當。甲烷、煤油的比乙烯/液氫 、二甲肼/四氧化二氮釋放多10%左右。電液推桿

綜合技術(shù)實現(xiàn)難易程度，采用成本、安全等等方面的考慮，能知道乙烯/液氫作為可多次重復升空大力推進器的推進劑是最佳。

乙烯/液氫可多次重復采用發(fā)動機還會是LRO與月面來往的動力。從地球上將甲烷、乙烯推進劑運送到LRO。從LRO采用乙烯/液氫可多次重復采用發(fā)動機給月球軟著陸登陸航天器減速。航天器利用月面上的氧氣，與從地面帶來的甲烷生成乙烯作為從月面返回地面的推進劑。這樣的技術(shù)安排能節(jié)約從月面到地面需求推進劑的80%質(zhì)量。

2LY電推如是說

圖 2 LY電推圖示

圖2是lightyear空間電推控制系統(tǒng)。除二氧化碳和電弧發(fā)動機外，其他控制系統(tǒng)的最高溫度不超400℃。該控制系統(tǒng)以乙烯和液氫為儲能介質(zhì)，通過重整乙烯得到氫氣，150℃的氫氣和液氫在氫氧推進劑電池反應生成水。氫氧推進劑電池的發(fā)電效率為50%。另外50%轉(zhuǎn)化為熱能，為了使得熱能能夠及時散熱，將氫氧電池的產(chǎn)物水進行熱交換，獲得400℃的水蒸氣與乙烯重整制氫，另外獲得99℃的液態(tài)水存儲起來。乙烯重整器出來的二氧化碳經(jīng)過熱交換后溫度上升到800℃左右。將熾熱的二氧化碳送到電弧發(fā)動機控制系統(tǒng)，電弧發(fā)動機控制系統(tǒng)采用推進劑電池和太陽能電池板的電能。將二氧化碳及少量水蒸氣加熱后，以非常高的噴氣速度噴出。電弧發(fā)動機的比沖在800~1000S之間。電液推桿

當乙烯和氧氣消耗完，重整器無法提供二氧化碳，電弧發(fā)動機控制系統(tǒng)采用太陽能電池板和儲能電池，以存儲起來的水為工作介質(zhì)繼續(xù)工作。其比沖仍在800~1000S之間。

LY電推控制系統(tǒng)也能采用一個功率質(zhì)量比很好的內(nèi)燃發(fā)動機燃燒氫氣和氧氣，提供高功率空間控制器控制系統(tǒng)。

2.1空間發(fā)動機遇到的問題

空間發(fā)動機如果采用生物化學直燃發(fā)動機，如煤油/液氫，液氫/液氫發(fā)動機。因其自帶能量，大力推進效率高。但生物化學直燃發(fā)動機的理論比沖很低，不超過512s。空間大力推進需要高操控性、高比沖的發(fā)動機。最佳的形式是電大力推進，電推的種類有數(shù)十種之多。操控性、技術(shù)成熟程度也差別很大。目前最有采用商業(yè)價值的是電弧、MPDT、等離子和霍爾發(fā)動機。而電推的難點在于電能來源。電能來源的難點在于散熱。不管是太陽能電池板、還是生物化學能源。發(fā)電需要考慮工程建設實現(xiàn)難易程度、發(fā)電效率和熱力學第二定律即卡諾循環(huán)的限制。發(fā)電操作過程中沒有變成電能的能量必需通過向真空散熱將能量分散出去。不然發(fā)電控制系統(tǒng)和發(fā)動機控制系統(tǒng)將會因高溫無法工作。即便是最好的氫氧推進劑電池最高發(fā)電效率也只達到60%，加之各個電能采用環(huán)節(jié)產(chǎn)生的熱能。最少有50%左右的熱能需要散發(fā)出去。電液推桿

LY電推控制系統(tǒng)就是要解決散熱問題，提高電推發(fā)動機大力推進效率。

2.2LY電推控制系統(tǒng)如果解決問題

圖 3 常見的電推發(fā)動機

在眾多的電推發(fā)動機中，電弧是效率較高，技術(shù)實現(xiàn)程度成熟的。采用區(qū)段商業(yè)價值打分法將所有發(fā)動機操控性、技術(shù)特性通過定量、定性分析。我們得到。當前技術(shù)水平下，選用20~100KW的空間控制器，最近搭配發(fā)動機是電弧發(fā)動機。選用100~400KW空間控制器最佳搭配是MPDT。這也將會是地月來往的主要技術(shù)形式。

LY電推控制系統(tǒng)是靠生物化學反應將熱量多次重復利用，選用先把水存儲起來，噴射二氧化碳，然后再噴射水的形式，提高了噴氣速度，減少了控制器散熱要求，提高了生物化學能轉(zhuǎn)換電能的效率。

3結(jié)論

LY地月來往電推如果能夠?qū)崿F(xiàn)，也許能夠成為一種新的空間動力。乙烯液氫大力推進器工程建設實現(xiàn)和操控性更優(yōu)于煤油液氫或甲烷液氫大力推進器。責任編輯可為正規(guī)從事航天事業(yè)的技術(shù)人員提供更多可能性。LY電推和乙烯液氫大力推進器的突出操控性。如果工程建設實踐，其操控性如責任編輯所描寫的相近，那么這兩個新概念的航天器將能夠?qū)崿F(xiàn)在月球維持一個數(shù)萬人的積極探索站。當然，這里寫的文本不一定正確，也可能實現(xiàn)不了。電液推桿

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