运载火箭地球引力回转助推发射法制造技术

运载火箭地球引力回转助推发射法是一种利用运载火箭本身重力来发射或帮助发射火箭的新型火箭发射法，此法先利用运载火箭之外的能源和动力将火箭提升到离地面一定的高度，然后令它在自身重力（或和其它推力一起）作用下向地面高速俯冲，到达设定高度获得一定速度后使其改变方向回转向上飞离地面，以后再靠惯性和本身动力继续飞行，利用此法发射火箭，可减少火箭质量和推进剂消耗、降低发动机功率、增大相对有效载荷，从而降低发射成本。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
运载火箭地球引力回转助推发射法是一种利用运载火箭本身的重力——地球对火箭的吸引力来发射或帮助发射火箭的新型火箭发射法，此法先利用运载火箭之外的能源和动力将火箭提升到离地面一定的高度，然后令火箭在自身重力(也可和本身推力或界推力一起)作用下向地面高速俯冲，到达设定高度获得一定速度后使其改变方向回转向上飞离地面，以后再靠惯性和本身动力继续飞行，利用此法发射火箭，有可能减少或大大减少火箭本身的质量和推进剂的消耗、降低发动机功率、增大相对有效载荷，从而降低发射成本，也有可能增加发射频度和发射成功率。迄今为止，人们发射火箭，都是将火箭的头朝上，尾朝下，利用放置在火箭尾部的火箭发动机的推力将火箭推上天空，这种发射方式，整枚火箭的重力均成为火箭发动机的负荷，火箭发动机的推力必需大于火箭的重力才能将火箭发射升空，由于火箭发动机消耗的大量推进剂——燃烧剂和氧化剂需贮存在火箭体内，它们占据了火箭总质量中的极大部分，真正需要发射升空的有效载荷相对很小，故用这种方式发射火箭，发射成本很高。众所周知，物体的重力，即地球对物体的吸引力，也是一种可使物体作加速运动的力，不过它的作用方向是使物体向下运动(落向地面)，可不可以利用这种使物体(如火箭)向下运动的力来加速火箭，使它产生一定的速度获得一定的动能之后，再使它改变方向回转向上作离开地面的运动呢？如果可以的话，我们便可以将火箭重力——发射火箭时的负荷力转变为使火箭向上运动的“推力”，意味着我们可以利用火箭的重力来发射或帮助发射火箭，这一诱人的推论是否有可能实现呢？利用物体的重力使物体获得向上的运动速度朝离开地面的方向运动是有可能的，人们在日常生活的许多场合早已经这样做了，下面这些例子人们必定十分熟悉摆钟的钟摆在重力作用下可由一端高处摆至另一端高处；荡秋千，在人体重力作用下，可使秋千由一端高处荡至另一端高处；汽车司机下坡时关掉油门利用汽车的重力向下滑行，可使汽车轻易地冲上下一个山坡；现代化大型游乐场中的疯狂过山车，利用过山车的重力向下俯冲时产生的巨大冲力，可使它绕垂直于地面的螺旋轨道连续回转好几圈。以上几则例子表明，利用火箭的重力来发射或帮助发射火箭是有可能的，并非痴心妄想，本专利尝试探讨这一可能具有重要意义的课题。利用星球的引力来加速运载火箭和航天器并非什么新技术，早已在人类的航天实践中得到应用，例如美国1972年3月2日发射的先驱者10号探测器，利用了木星的引力飞向土星，又借助土星的引力飞越冥王星轨道，向太阳系之外的宇宙深空飞去；美国1997年10月15日发射的卡西尼土星探测器，为了节约推进剂，它绕错综复杂的金星——金星——地球——木星轨道飞行，多次借助这些星球的引力来加速，然后再飞向土星。本专利探讨的利用地球引力来发射或帮助发射火箭的方法，虽然也利用星球(地球)的引力来加速，但具体目的和原理与上述星球引力助推加速法不同，本法的具体目的是将原来在星球上的火箭“推”离星球，使用的是“外力提升回转法”；星球引力助推加速法则是利用朝星球方向飞行的航天器和星球的引力场发生“弹性碰撞”的方法来增加航天器的速度和改变它的飞行方向，不过二者最终目的相同，都是为了降低燃料消耗和发射成本。本专利的目的是，提出一个利用运载火箭本身的重力——地球对运载火箭的吸引力来发射或帮助发射火箭的技术构想，探讨利用运载火箭本身的重力发射和帮助发射火箭的原理、效益和具体实现方法，供火箭科研和工程技术人员及感兴趣人士参考。下面我们结合图1～图10来作祥细描述图1运载火箭地球引力回转助推发射法工作原理图(一)；图2运载火箭地球引力回转助推发射法工作原理图(二)；图3运载火箭地球引力地面轨道回转助推发射场构造示意图；图4运载火箭地球引力地下隧道回转助推发射场构造示意图；图5运载火箭地球引力水下管道回转助推发射场构造示意图；图6运载火箭地球引力空投——地下隧道回转助推发射场构造示意图；图7运载火箭地球引力垂直螺旋轨道回旋助推发射场构造示意图；图8运载火箭地球引力垂直圆周轨道回旋助推发射场构造示意图；图9运载火箭空投——空中自回转地球引力助推发射法发射过程示意图；图10运载火箭通天塔地球引力管道回转助推发射场构造示意图；运载火箭地球引力回转助推发射法基本工作原理如图1、图2所示，图1为单纯利用运载火箭本身重力来加速的情形；图2为既利用运载火箭本身重力又利用其它非重力推力——本身发动机推力、助推器推力、轨道车推力、轨道推力(如磁力、压缩空气推力等)来加速的情形，图中A——火箭；C——轨道(其中C1——下降段；C2——回转段；C3——上升段)；d——火箭升空点(火箭垂直或倾斜向上升空的开始点)；Pd——火箭升空平面；Ho——火箭重力(地球引力)助推落差；Vo、Vo′——火箭理论和火箭实际升空初速(考虑和不考虑下降和回转段轨道摩擦和空气阻力情形下火箭开始升空时的速度)；hf(vo)max——初速为Vo时不考虑空气阻力时火箭自由上升达到的最大高度；h′f(vo)max——初速为Vo时考虑空气阻力时火箭实际自由上升可达到的最大高度；hf(vo′)max——初速为Vo′时不考虑空气阻力时火箭实际自由上升达到的最大高度；h′f(vo′)max——初速为vo′时考虑空气阻力时火箭实际自由上升达到的最大高度。采用地球引力回转助推发射法发射火箭，需事先利用运载火箭之外的能源和动力将火箭A提升至离升空平面Pd之上Ho的高度，并假定A不能或不宜在此处用常规发射方法发射，发射时，将A置于C1起点，然后令它在自身重力(图1)或自身重力和其它非重力推力一起(图2)作用下沿C1向下加速运动，获得一定的速度后沿回转段C2回转向上，在升空点d处升入空中，轨道上升段C3的用途有二一起A的导向作用；一用来回收第一级火箭、火箭助推器和盛载火箭的轨道车B(假定火箭后级或火箭在上升点d处与这几部分分离)。火箭理论升空初速Vo可用以下方法进行近似计算设火箭A(如有助推器包括助推器)的质量为MA；轨道车B的质量为MB；下降段C1的长度为Sc1；C1与垂直线的夹角为α(为简单起见，我们这里假定轨道C1为直线，实际上可为曲线)；沿C1向下方向作用于A、B的非重力推力为Ff(Ff可为常力，也可为变力，这里为简单起见，我们假定Ff为常力)，可得A、B的总质量M＝MA+MB…………………………………(1)(当Ff不消耗A、B上的燃料时，M为常量；当Ff消耗A或B上的燃料时，M为变量，下面为讨论简单起见，我们这里假定M为常量。)A、B的总重力P＝Mg＝(MA+MB)g………………………………(2)其中g为重力加速度，在地球表面附近，可取g＝9.81米/秒2P沿C1下降方向的分力P′＝Pcosα＝(MA+MB)gcosα……………………(3)Sc1的长度Sc1=Hocosα---------(4)]]>作用于A、B，沿C1向下方向的总作用力F′＝P′+Ff＝(MA+MB)gcosα+Ff…………………(5)由牛顿第二定律公式f＝ma，可得a=fm-----(6)]]>将(5)式F′、(1)式M代替(6)式中的f、m；用沿C1向下方向A、B的加速度a′代替(6)式中的a，可得a′=F′M=(MA+M本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型运载火箭地球引力回转助推发射法，其特征是：ａ．采用此法发射火箭时，先利用运载火箭之外的能源和动力将火箭提升到离地面一定的高度，然后令火箭在自身重力（地球对火箭的吸引力）或和其它非重力推力一起作用下向地面高速俯冲，到达设定高度获得 一定速度后使其改变方向回转向上飞离地面，以后再靠惯性和本身动力继续飞行；ｂ．运载火箭地球引力回转助推发射法可有以下几种具体实施形式：地面轨道回转助推发射场；地下隧道回转助推发射场；水下管道回转助推发射场；空投－地下隧道回转助推发射场；空 投－空中自回转地球引力助推发射法；通天塔管道回转助推发射场；垂直螺旋轨道和垂直圆周轨道回旋助推发射场等，为了增大火箭重力（地球引力）助推落差Ｈ↓［ｏ］，不同形式发射场可串接起来使用；ｃ．地面轨道、地下隧道、水下管道、空投－地下隧道、空投 －空中自回转和通天塔管道回转助推发射场的火箭重力（地球引力）助推落差Ｈ↓［ｏ］为火箭被提升点至火箭升空平面Ｐ↓［ｄ］的垂直距离，火箭Ａ在升空点ｄ处获得的升空初速＊＊＊ （２１）其中ａ↓＝ｇ＋ａ↓［ｆ］↓＝βｇ（１９）为火箭Ａ和轨道车 Ｂ的等效垂直向下总加速度ａ↓［ｆ］↓＝Ｆ↓［ｆ］／（Ｍ↓［Ａ］＋Ｍ↓［Ｂ］）ｃｏｓα…… （１２）为非重力推力Ｆ↓［ｆ］引起的Ａ、Ｂ等效垂直向下加速度（其中Ｍ↓［Ａ］、Ｍ↓［Ｂ］为Ａ、Ｂ的质量；α为Ｆ↓［ｆ］与垂线之间的夹角）； β＝１＋ａ↓［ｆ］↓／ｇ…… （２０）为重力加速度倍数；ｇ＝９．８１米／秒↑［２］－重力加速度。如在回转段也有非重力推力作用于Ａ、Ｂ，则Ａ的升空初速将大于（２１）式计算值；ｄ．垂直螺旋和垂直圆周轨道回旋助推发射场的等效火箭重 力（地球引力）助推落差Ｈ′↓［ｏ］＝ｎφ…… （３３）其中φ为螺旋轨道和圆周轨道的直径；ｎ，对螺旋轨道，为螺旋圈数；对圆周轨道，为火箭回旋圈数。垂直螺旋和垂直圆周轨道地球引力回旋助推发射系统工作时需满足一个基本条件：在轨道上升半 圈，轨道需向火箭Ａ提供至少等于Ａ重力的推力，以抵消Ａ沿上升半圈运行时Ａ的重力引起的速度损失，在轨道提供的推力产生的速度增量正好可以抵消火箭重力引起的速度损失的情形下，垂直螺旋和垂直圆周轨道地球引力回旋助推发射系统火箭Ａ的离轨升空初速＊＊ ＊ （４２）＊＊＊ （４４）在轨道上升半圈向火箭提供的非重力推力（不限于轨道的推力）产生的速度增量大于火箭Ａ的重力引起的速度损...

【技术特征摘要】
1.一种新型运载火箭地球引力回转助推发射法，其特征是a.采用此法发射火箭时，先利用运载火箭之外的能源和动力将火箭提升到离地面一定的高度，然后令火箭在自身重力(地球对火箭的吸引力)或和其它非重力推力一起作用下向地面高速俯冲，到达设定高度获得一定速度后使其改变方向回转向上飞离地面，以后再靠惯性和本身动力继续飞行；b.运载火箭地球引力回转助推发射法可有以下几种具体实施形式地面轨道回转助推发射场；地下隧道回转助推发射场；水下管道回转助推发射场；空投——地下隧道回转助推发射场；空投——空中自回转地球引力助推发射法；通天塔管道回转助推发射场；垂直螺旋轨道和垂直圆周轨道回旋助推发射场等，为了增大火箭重力(地球引力)助推落差H，不同形式发射场可串接起来使用；c.地面轨道、地下隧道、水下管道、空投——地下隧道、空投——空中自回转和通天塔管道回转助推发射场的火箭重力(地球引力)助推落差Ho为火箭被提升点至火箭升空平面Pd的垂直距离，火箭A在升空点d处获得的升空初速Vo=2a↓Ho=2βgHo-----------(21)]]>其中a↓＝g+af↓＝βg(19)为火箭A和轨道车B的等效垂直向下总加速度af↓=Ff(MA+MB)cosα-----(12)]]>为非重力推力Ff引起的A、B等效垂直向下加速度(其中MA、MB为A、B的质量；α为Ff与垂线之间的夹角)；β=1+af↓g-----(20)]]>为重力加速度倍数；g＝9.81米/秒2——重力加速度。如在回转段也有非重力推...

【专利技术属性】
技术研发人员：林宇威，
申请(专利权)人：林宇威，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]