一种用于轮式水平起降运载器的地面辅助起飞跑道及方法技术

本发明专利技术提供了一种用于轮式水平起降运载器的地面辅助起飞跑道及方法，该跑道包括依次相连接的停机坪、势能转化段、水平加速起飞段和紧急制动段，停机坪设置在水平加速起飞段的上部且与水平加速起飞段之间具有设定高度差，势能转化段与水平加速起飞段呈夹角设置，势能转化段包括依次相连接的第一转弯段、倾斜下滑段和第二转弯段，第一转弯段分别与停机坪和倾斜下滑段光滑连接，第二转弯段分别与倾斜下滑段和水平加速起飞段光滑连接，第一转弯段的转弯半径R1根据获取，第二转弯段的转弯半径R2根据获取。应用本发明专利技术的技术方案，以解决现有技术中重复使用水平起降空天往返运载器结构质量占比与推进剂质量占比之间的尖锐矛盾的技术问题。的尖锐矛盾的技术问题。的尖锐矛盾的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种用于轮式水平起降运载器的地面辅助起飞跑道及方法


[0001]本专利技术涉及航天运载
，尤其涉及一种用于轮式水平起降运载器的地面辅助起飞跑道。

技术介绍

[0002]当前航天运载正在向低成本、高可靠性和快速发射的方向发展，航天运载器也正在从一次性使用向部分重复使用、部分重复使用向完全重复使用方向发展，航天发射方式则正在从垂直发射向水平起飞方向过渡。与火箭发动机相比，吸气式组合动力(无需携带氧化剂或是携带少量氧化剂)可以利用大气中的氧气与自身携带的燃料组织燃烧，发动机比冲得到大幅提升，因此相对于运载火箭，组合动力推进的空天往返运载器的推进剂质量占比(推进剂质量与运载器初始起飞质量之比)可以大幅降低，结构质量占比(结构质量与运载器初始起飞质量之比)得到较大增加，运载器结构强度大幅提升，使空天往返运输的水平起降和重复使用成为可能。有研究表明，通过轮式水平起降方式实现航天运载器的多次重复使用，有望将航天运载发射成本降低一个数量级。
[0003]组合动力重复使用空天往返运载器是指采用吸气式组合动力，能够在稠密大气层、临近空间、轨道空间自由往返飞行的重复使用航天运输系统，具备水平起降、快速响应、按需发射、快速入轨、可重复使用和经济性能好的特点，是降低航天运输成本、提高安全可靠性、实现快速进出空间的理想飞行器，因此其也是天地往返运输系统重要发展方向，将在未来的航天运载中发挥重要的桥梁作用。
[0004]飞行器结构质量占比是一个统计学数据，也是表征机体结构强度的重要参数。在同等设计水平下，飞行器结构质量占比越高，机体结构强度越大。对于航天运载器而言，运载器结构质量占比越高，推进剂质量占比就越低，当为了满足机体结构强度要求而使推进剂质量占比太小时，运载器将无法完成入轨飞行，因此在满足入轨质量、入轨高度和结构强度要求的前提下，运载器的结构质量占比越低，运载效率越高，航天发射的运载成本就越低。
[0005]与运载火箭依靠箭体轴向挤压实现推力传递的路径不同，轮式水平起降航空器和空天往返运载器，通过机翼产生的升力克服飞行器重力，剪切升力通过机翼传递给机身，该种受力形式和传递路径对飞行器的机体结构强度提出了较高的要求，例如运载火箭的结构质量占比一般只有10％，有的甚至更低；美国F
‑
22战斗机的结构质量占比为28％，波音787、空客A380的结构质量占比在25％左右；而为了完成入轨飞行，组合动力推进的水平起降两级入轨空天往返运载器的结构质量占比仅为22.4％，同时其还要承受高超声速飞行时的严酷气动加热，因此水平起降重复使用航天运载器的结构质量占比和能量需求(推进剂质量占比)之间的矛盾异常尖锐，是制约水平起降空天往返运载器研制的重要核心关键技术。轮式水平起降航空航天器结构质量占比数值具体见表1。
[0006]表1轮式水平起降航空航天器结构质量占比数值统计表
[0007][0008]解决水平起降空天往返运载器结构质量占比与推进剂质量占比之间的尖锐矛盾可通过以下三种途径：一是采用更先进的结构轻量化设计和更轻质的耐高温材料，降低运载器结构质量占比，提升推进剂质量占比，但和航空器相比，水平起降空天往返运载器的机体结构需要历经更为严酷的超高温气动加热、超常时空天飞行和重复使用的三重严峻考验，其结构质量占比不可能比现役航空器的还低；二是提升运载器的总体性能，如高升阻比气动性能和宽域发动机性能等；三是针对水平起降形式发展地面辅助起飞方式，通过地面辅助起飞方式注入运载器起飞阶段的初始能量，并将起飞阶段节省的推进剂质量转化为机体结构质量，提高运载器的机体结构质量占比，使水平起降空天往返运载器更具备可实现性。
[0009]水平起降空天往返运载器气动外形设计需要兼顾低、亚、跨、超和高超声速气动特性，一般采用大后掠高速气动外形，因此其低速升力性能和起飞性能较差，需要较大的速度才能实现离地起飞，加之低速段发动机比冲性能较低，因此地面滑跑起飞段推进剂消耗巨大，例如为实现空天入轨飞行，RBCC组合动力推进的两级入轨空天往返运载器的一子级飞行器推进剂质量占比为70％，运载器自地面滑跑开始至离地起飞为止，该过程需要消耗5.07％的推进剂质量(约占一子级飞行器初始起飞质量的3.55％)，可见改善水平起降空天往返运载器低速起飞特性，对提升运载器的总体性能具有较大帮助。
[0010]为提升运载效率，研究人员提出了多种地面辅助起飞方式。地面火箭橇助推起飞方式多采用固体火箭发动机推进，推力大，使用维护简便，但费效比太高，主要应用于核武器、高超音速导弹、弹射座椅、宇宙飞船逃逸塔地面试验；液压弹射辅助起飞方式弹射能量小，起飞速度低，主要应用于二战期间的舰载螺旋桨飞机的弹射起飞；滑跃辅助起飞方式主要应用于舰载机辅助起飞，适用于起飞质量较低的飞机，起飞效率远不如蒸汽弹射；蒸汽弹射辅助起飞方式是当前航母大型/中型舰载机主流弹射起飞方式，技术成熟，但弹射系统庞大，能量转化利用率低(仅有6％)，且其弹射能量有限，很难突破超大推力弹射技术，同时其弹射准备周期长，弹射起飞质量和起飞速度有限，弹射推力可控性也较差；磁悬浮电磁助推辅助起飞方式虽具备无摩擦、加速性好和可重复使用的特点，但其能量瞬时释放功率极高，基础设施建设投资巨大，且电磁助推的元器件众多，系统可靠性较低；为实现飞机短距起降的俯冲加速起飞方式需要有轨滑道与滑车的导槽配合，需将飞机和滑车沿滑道共同加速，且在加速末端时需要行程开关控制电磁电机以解除滑跑固定约束装置，系统结构复杂，摩擦损失大，对控制精度要求较高，并且难以实现较大速度辅助起飞。虽然在解决轮式水平起降重复使用空天往返运载器结构质量占比与推进剂质量占比之间矛盾的时候可以采用上
述地面辅助起飞方式，但不是存在较大的技术缺陷，就是收到的效果甚微，因此难以应用到初始起飞质量大、离地起飞速度高的轮式水平起降空天往返运载器上。

技术实现思路

[0011]本专利技术提供了一种用于轮式水平起降运载器的地面辅助起飞跑道及方法，能够解决现有技术中重复使用水平起降空天往返运载器结构质量占比与推进剂质量占比之间的尖锐矛盾的技术问题。
[0012]根据本专利技术的一方面，提供了一种用于轮式水平起降运载器的地面辅助起飞跑道，地面辅助起飞跑道包括依次相连接的停机坪、势能转化段、水平加速起飞段和紧急制动段，停机坪设置在水平加速起飞段的上部且与水平加速起飞段之间具有设定高度差，势能转化段与水平加速起飞段呈夹角设置，势能转化段包括依次相连接的第一转弯段、倾斜下滑段和第二转弯段，第一转弯段分别与停机坪和倾斜下滑段光滑连接，第二转弯段分别与倾斜下滑段和水平加速起飞段光滑连接，第一转弯段的转弯半径R1根据获取，a为运载器前轮与后轮的轴向间距，b为运载器腹部最低点距离地面的最小距离；其中，初始状态下，轮式水平起降运载器位于停机坪上；收到起飞指令后，轮式水平起降运载器依次沿第一转弯段、倾斜下滑段和第二转弯段无动力下滑至水平加速起飞段；当加速下滑至水平跑道后，组合发动机点火，运载器依靠发动机推力继续加速，当达到起飞速度时，运载器拉起并飞至安全高度完成势能转化辅助起飞过程本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于轮式水平起降运载器的地面辅助起飞跑道，其特征在于，所述地面辅助起飞跑道包括依次相连接的停机坪、势能转化段、水平加速起飞段和紧急制动段，所述停机坪设置在所述水平加速起飞段的上部且与所述水平加速起飞段之间具有设定高度差，所述势能转化段与所述水平加速起飞段呈夹角设置，所述势能转化段包括依次相连接的第一转弯段、倾斜下滑段和第二转弯段，所述第一转弯段分别与所述停机坪和所述倾斜下滑段光滑连接，所述第二转弯段分别与所述倾斜下滑段和所述水平加速起飞段光滑连接，所述第一转弯段的转弯半径R1根据获取，a为运载器前轮与后轮的轴向间距，b为运载器腹部最低点距离地面的最小距离；其中，初始状态下，轮式水平起降运载器位于所述停机坪上；收到起飞指令后，所述轮式水平起降运载器依次沿所述第一转弯段、所述倾斜下滑段和所述第二转弯段无动力下滑至所述水平加速起飞段；当加速下滑至水平跑道后，组合发动机点火，运载器依靠发动机推力继续加速，当达到起飞速度时，运载器拉起并飞至安全高度完成势能转化辅助起飞过程；当运载器需紧急停止时，可滑行至所述紧急制动段进行制动。2.根据权利要求1所述的用于轮式水平起降运载器的地面辅助起飞跑道，其特征在于，所述第二转弯段的转弯半径R2根据获取，其中，η为势能向动能的转化效率，h为所述停机坪与所述水平加速起飞段之间的高度差，n为运...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨铁成，杨月英，郭健，任志伟，刘冠南，王书河，
申请(专利权)人：北京空天技术研究所，
类型：发明
国别省市：