一种真空管道航天发射末段气压平衡装置与方法，包括依山体而建的管道，管道内设有车辆，车辆上搭载有火箭，管道出口位于山体顶部，管道靠近出口设有多个放气孔；所述的管道由始发段、加速段和发射段组成，始发段、加速段和发射段分别设有真空泵；始发段和加速段之间设有第一气闸门，加速段和发射段之间设有第二气闸门，始发段设置入口门，发射段设置出口门，发射段末端设有多个放气孔，放气孔通过自动气阀控制其是否跟大气连通；本发明专利技术以较少的真空环境损失代价，消除火箭冲出真空管道时由于压差带来的巨大气流冲击，提高真空管道航天发射安全性。
【技术实现步骤摘要】
一种真空管道航天发射末段气压平衡装置与方法
本专利技术属于真空管道交通与航天工程
，具体涉及一种真空管道航天发射末段气压平衡装置与方法。
技术介绍
真空管道交通是在地上或地下建设气密性管道，管道内铺设磁悬浮轨道，并抽成一定真空，磁悬浮车辆在其中行驶；由于同时消除了空气阻力和机械摩擦，真空管道磁浮车辆速度可以达到超音速，理论上可以接近第一宇宙速度7.9km/s，实现地面的太空旅行。地面旅行速度越来越快的同时，人类的步伐已经迈向了太空。在前期太空探索项目不断取得成功的基础上，太空开发与应用的步伐越来越快。然而，当前的技术水平尚不能满足人类大规模太空开发的需要，其中最大的瓶颈和制约在于：运载火箭的发射效率太低，发射成本太高。而且，这些火箭都是一次性使用，虽然现在已经研制出可重复使用的火箭，但无法改变火箭起飞时燃料比重过大和发射过程中燃料消耗很大的现状。如果航天发射过程在离开地表时即能获得一个较高的初速度，则可以节省一级火箭部分重量，提高发射效率，降低发射成本。一种可行的方法是，依靠地面高海拔山体建设真空管道，出口在山顶，跟水平面之间具有一定仰角；利用真空管道交通车辆底盘运载火箭并加速，当接近出口时，车辆底盘跟火箭脱离，具有较高初速度的火箭冲出管道进入天空，则可节省一级火箭的部分燃料和自身重量，降低火箭及航天器发射成本，提高发射效率。这种真空管道辅助加速航天发射面临的一个具体技术问题是，已经获得很高初速度的火箭在冲出管道时，由于管道内为真空，管道外是正常大气压(虽然是低于低海拔处的较稀薄气压)，在巨大的压差作用下，火箭会受到很大瞬时气流冲击，影响火箭运行稳定和自身结构稳定，给发射工作带来安全风险。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的技术问题，本专利技术的目的在于提供了一种真空管道航天发射末段气压平衡装置与方法，以较少的真空环境损失代价，消除火箭冲出真空管道时由于压差带来的巨大气流冲击，提高真空管道航天发射安全性。为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种真空管道航天发射末段气压平衡装置，包括依山体3而建的管道1，管道1内设有车辆2，车辆2上搭载有火箭4，管道1出口位于山体3顶部，跟水平面呈一定仰角α，管道1靠近出口设有多个放气孔8；所述的管道1由始发段11、加速段12和发射段13组成，始发段11、加速段12和发射段13分别设有真空泵6；始发段11和加速段12之间设有第一气闸门51，加速段12和发射段13之间设有第二气闸门52，始发段11设置入口门111，发射段13设置出口门131，发射段13末端设有多个放气孔8，放气孔8通过自动气阀控制其是否跟大气连通。所述的车辆2为真空管道交通车辆，去掉车厢，保留底盘改造而来，车辆2为磁悬浮车辆。所述的管道1为真空管道。所述的车辆2与火箭4之间设置成可自动分离形式，进入发射段13后，车辆2减速，火箭4脱离车辆2，在贯性作用下冲出发射段13的出口门131进入天空。所述的火箭4搭载货运飞船，载运火箭4的车辆2加速度10g(约10m/s2)，火箭4离开管道1时的速度为1km/s；火箭4在管道1内加速时间为100s，管道总长度50km，山体3海拔8000m，发射仰角α，tgα＝0.016。所述的管道1出口气压约35000Pa。所述的一种真空管道航天发射末段气压平衡装置的发射末段气压平衡方法，包括以下步骤：设火箭长度为a，火箭4起点O为坐标原点，管道末端坐标为l；从离发射口E(出口门131)距离b处开始，在管道1管壁上每隔间隔c设置放气孔8，第一个放气孔8用H1标记，其在x轴上的坐标为l-b；发射开始的t＝t0时刻，火箭4及车辆2速度为0，管道1内部气压为p1＝10Pa，管道1的出口门131外气压为p0＝35000Pa，p0>>p1；t＝t1时，火箭4及车辆2到达第一个放气孔8所在的H1处，速度达到v1，打开所有放气孔8的自动气阀，开始往管道1内放气；那么从t1时刻开始，火箭所经由的管道1内的气压逐渐上升；放气孔8大小与放气速度要求做到，当火箭4到达出口门131时，出口处管道1内气压跟管道1外气压相等，即等于35000Pa；随着管道1内车辆2及火箭4速度的增大，为了保持加速度不变，施加在车辆2上的驱动力Fq需要相应地持续增加；当t<t1时，Fq＝f(t,Fd)，其中Fd也是时间t的函数，Fd＝g(t)；当t>t1时，Fq＝f(t,Fd)，其中Fd＝g(t，Fa)，Fa为放气孔8进气后增加的附加气动阻力，其也是时间t的函数；要求驱动力Fq大于气动阻力Fd，以保证对火箭4所需的加速度；b的大小通过优化计算或实验分析来确定。当火箭4经过放气孔8后，火箭4后面的放气孔8依次立即关闭；火箭4冲出管道1末端出口门131后，最后的放气孔8关闭，同时出口门131关闭。所述的加速段12末端和发射段13设置成具有曲率半径R的竖曲线线形，以增大发射仰角，发射仰角α’最大达到90°。本专利技术的有益效果是：通过设置放气孔8，当被车辆2加速的火箭4接近管道1末端出口时，管道1内部气压均匀上升，当到达管道1出口时，出口处管道1内外气压完全平衡，从而避免火箭4冲出管道1时受到瞬时气流冲击；同时，又能保证流进管道1的空气量最小化，使管道1内真空度损失最小化。附图说明图1为本专利技术一种真空管道航天发射末段气压平衡装置示意图，其管道1为直线线形，图中火箭4处于待发射状态，第一气闸门51和第二气闸门52已经打开。图2为本专利技术一种真空管道航天发射末段气压平衡装置示意图，图中沿管道1给出了x坐标轴，以及火箭4长度a、初始放气孔8(H1)的位置坐标l-b、放气孔8间隔c。图3为t<t1时刻管道1内和管道1出口外气压示意图，其中管道1内气压为p1，管道1出口外气压为p0。图4为t>t1时火箭所经由路径的气压变化示意图，具体的变化如图中H1后的倾斜直线所示。图5为火箭4在管道1内运行时所受到的气动阻力曲线(OGK3)以及由于放气孔8放气所增加的附加气动阻力曲线(H1K1)示意图。图6为本专利技术一种真空管道航天发射末段气压平衡装置示意图，其管道1的末端(发射段13)为半径为R的曲线，发射仰角α’大于图1、图2中的发射仰角α。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做详细描述。如图1所示，一种真空管道航天发射末段气压平衡装置，包括依山体3而建的管道1，管道1内设有车辆2，车辆2上搭载有火箭4，管道1出口位于山体3顶部，跟水平面呈一定仰角α，管道1靠近出口设有多个放气孔8；所述的管道1由始发段11、加速段12和发射段13组成，始发段11、加速段12和发射段13分别设有真空泵6；始发段11和加速段12之间设有第一气闸门51，加速段12和发射段13之间设有第二气闸门52，始发段11设置入口门111，用于跟外界气密性隔离和供车辆2、火箭4进入，发射段13设本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种真空管道航天发射末段气压平衡装置，包括依山体(3)而建的管道1，其特征在于：管道(1)内设有车辆(2)，车辆(2)上搭载有火箭(4)，管道(1)出口位于山体(3)顶部，跟水平面呈一定仰角α，管道(1)靠近出口设有多个放气孔(8)；/n所述的管道(1)由始发段(11)、加速段(12)和发射段(13)组成，始发段(11)、加速段(12)和发射段(13)分别设有真空泵(6)；始发段(11)和加速段(12)之间设有第一气闸门(51)，加速段(12)和发射段(13)之间设有第二气闸门(52)，始发段(11)设置入口门(111)，发射段(13)设置出口门(131)，发射段(13)末端设有多个放气孔(8)，放气孔(8)通过自动气阀控制其是否跟大气连通。/n
【技术特征摘要】
1.一种真空管道航天发射末段气压平衡装置，包括依山体(3)而建的管道1，其特征在于：管道(1)内设有车辆(2)，车辆(2)上搭载有火箭(4)，管道(1)出口位于山体(3)顶部，跟水平面呈一定仰角α，管道(1)靠近出口设有多个放气孔(8)；
所述的管道(1)由始发段(11)、加速段(12)和发射段(13)组成，始发段(11)、加速段(12)和发射段(13)分别设有真空泵(6)；始发段(11)和加速段(12)之间设有第一气闸门(51)，加速段(12)和发射段(13)之间设有第二气闸门(52)，始发段(11)设置入口门(111)，发射段(13)设置出口门(131)，发射段(13)末端设有多个放气孔(8)，放气孔(8)通过自动气阀控制其是否跟大气连通。
2.根据权利要求1所述的一种真空管道航天发射末段气压平衡装置，其特征在于：所述的车辆(2)为真空管道交通车辆，去掉车厢，保留底盘改造而来，车辆(2)为磁悬浮车辆。
3.根据权利要求1所述的一种真空管道航天发射末段气压平衡装置，其特征在于：所述的管道(1)为真空管道。
4.根据权利要求1所述的一种真空管道航天发射末段气压平衡装置，其特征在于：所述的车辆(2)与火箭(4)之间设置成可自动分离形式，进入发射段(13)后，车辆(2)减速，火箭(4)脱离车辆(2)，在贯性作用下冲出发射段(13)的出口门(131)进入天空。
5.根据权利要求1所述的一种真空管道航天发射末段气压平衡装置，其特征在于：所述的火箭(4)搭载货运飞船，载运火箭(4)的车辆(2)加速度10g，火箭(4)离开管道(1)时的速度为1km/s；火箭(4)在管道(1)内加速时间为100s，管道总长度50km，山体(3)海拔8000m，发射仰角α，tgα＝0.016。
6.根据权利要求1所述的一种真空管道航天发射末段气压平衡装置，其特征在于：所述的管道(1)出口气压约35000Pa。
7.利用权利要求1所述的一种真空管道航天发射末段气压平...
【专利技术属性】
技术研发人员：张耀平，青山，赵勇，
申请(专利权)人：西京学院，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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