專利名稱:運(yùn)載火箭地球引力回轉(zhuǎn)助推發(fā)射法的制作方法
運(yùn)載火箭地球引力回轉(zhuǎn)助推發(fā)射法是一種利用運(yùn)載火箭本身的重力——地球?qū)鸺奈戆l(fā)射或幫助發(fā)射火箭的新型火箭發(fā)射法，此法先利用運(yùn)載火箭之外的能源和動(dòng)力將火箭提升到離地面一定的高度，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沖，到達(dá)設(shè)定高度獲得一定速度后使其改變方向回轉(zhuǎn)向上飛離地面，以后再靠慣性和本身動(dòng)力繼續(xù)飛行，利用此法發(fā)射火箭，有可能減少或大大減少火箭本身的質(zhì)量和推進(jìn)劑的消耗、降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率、增大相對(duì)有效載荷，從而降低發(fā)射成本，也有可能增加發(fā)射頻度和發(fā)射成功率。
迄今為止，人們發(fā)射火箭，都是將火箭的頭朝上，尾朝下，利用放置在火箭尾部的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力將火箭推上天空，這種發(fā)射方式，整枚火箭的重力均成為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力必需大于火箭的重力才能將火箭發(fā)射升空，由于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)消耗的大量推進(jìn)劑——燃燒劑和氧化劑需貯存在火箭體內(nèi)，它們占據(jù)了火箭總質(zhì)量中的極大部分，真正需要發(fā)射升空的有效載荷相對(duì)很小，故用這種方式發(fā)射火箭，發(fā)射成本很高。
眾所周知，物體的重力，即地球?qū)ξ矬w的吸引力，也是一種可使物體作加速運(yùn)動(dòng)的力，不過它的作用方向是使物體向下運(yùn)動(dòng)(落向地面)，可不可以利用這種使物體(如火箭)向下運(yùn)動(dòng)的力來加速火箭，使它產(chǎn)生一定的速度獲得一定的動(dòng)能之后，再使它改變方向回轉(zhuǎn)向上作離開地面的運(yùn)動(dòng)呢？如果可以的話，我們便可以將火箭重力——發(fā)射火箭時(shí)的負(fù)荷力轉(zhuǎn)變?yōu)槭够鸺蛏线\(yùn)動(dòng)的“推力”，意味著我們可以利用火箭的重力來發(fā)射或幫助發(fā)射火箭，這一誘人的推論是否有可能實(shí)現(xiàn)呢？利用物體的重力使物體獲得向上的運(yùn)動(dòng)速度朝離開地面的方向運(yùn)動(dòng)是有可能的，人們?cè)谌粘Ｉ畹脑S多場(chǎng)合早已經(jīng)這樣做了，下面這些例子人們必定十分熟悉擺鐘的鐘擺在重力作用下可由一端高處擺至另一端高處；蕩秋千，在人體重力作用下，可使秋千由一端高處蕩至另一端高處；汽車司機(jī)下坡時(shí)關(guān)掉油門利用汽車的重力向下滑行，可使汽車輕易地沖上下一個(gè)山坡；現(xiàn)代化大型游樂場(chǎng)中的瘋狂過山車，利用過山車的重力向下俯沖時(shí)產(chǎn)生的巨大沖力，可使它繞垂直于地面的螺旋軌道連續(xù)回轉(zhuǎn)好幾圈。
以上幾則例子表明，利用火箭的重力來發(fā)射或幫助發(fā)射火箭是有可能的，并非癡心妄想，本專利嘗試探討這一可能具有重要意義的課題。
利用星球的引力來加速運(yùn)載火箭和航天器并非什么新技術(shù)，早已在人類的航天實(shí)踐中得到應(yīng)用，例如
美國(guó)1972年3月2日發(fā)射的先驅(qū)者10號(hào)探測(cè)器，利用了木星的引力飛向土星，又借助土星的引力飛越冥王星軌道，向太陽系之外的宇宙深空飛去；美國(guó)1997年10月15日發(fā)射的卡西尼土星探測(cè)器，為了節(jié)約推進(jìn)劑，它繞錯(cuò)綜復(fù)雜的金星——金星——地球——木星軌道飛行，多次借助這些星球的引力來加速，然后再飛向土星。
本專利探討的利用地球引力來發(fā)射或幫助發(fā)射火箭的方法，雖然也利用星球(地球)的引力來加速，但具體目的和原理與上述星球引力助推加速法不同，本法的具體目的是將原來在星球上的火箭“推”離星球，使用的是“外力提升回轉(zhuǎn)法”；星球引力助推加速法則是利用朝星球方向飛行的航天器和星球的引力場(chǎng)發(fā)生“彈性碰撞”的方法來增加航天器的速度和改變它的飛行方向，不過二者最終目的相同，都是為了降低燃料消耗和發(fā)射成本。
本專利的目的是，提出一個(gè)利用運(yùn)載火箭本身的重力——地球?qū)\(yùn)載火箭的吸引力來發(fā)射或幫助發(fā)射火箭的技術(shù)構(gòu)想，探討利用運(yùn)載火箭本身的重力發(fā)射和幫助發(fā)射火箭的原理、效益和具體實(shí)現(xiàn)方法，供火箭科研和工程技術(shù)人員及感興趣人士參考。
下面我們結(jié)合
圖1～圖10來作祥細(xì)描述圖1運(yùn)載火箭地球引力回轉(zhuǎn)助推發(fā)射法工作原理圖(一)；圖2運(yùn)載火箭地球引力回轉(zhuǎn)助推發(fā)射法工作原理圖(二)；圖3運(yùn)載火箭地球引力地面軌道回轉(zhuǎn)助推發(fā)射場(chǎng)構(gòu)造示意圖；
圖4運(yùn)載火箭地球引力地下隧道回轉(zhuǎn)助推發(fā)射場(chǎng)構(gòu)造示意圖；圖5運(yùn)載火箭地球引力水下管道回轉(zhuǎn)助推發(fā)射場(chǎng)構(gòu)造示意圖；圖6運(yùn)載火箭地球引力空投——地下隧道回轉(zhuǎn)助推發(fā)射場(chǎng)構(gòu)造示意圖；圖7運(yùn)載火箭地球引力垂直螺旋軌道回旋助推發(fā)射場(chǎng)構(gòu)造示意圖；圖8運(yùn)載火箭地球引力垂直圓周軌道回旋助推發(fā)射場(chǎng)構(gòu)造示意圖；圖9運(yùn)載火箭空投——空中自回轉(zhuǎn)地球引力助推發(fā)射法發(fā)射過程示意圖；圖10運(yùn)載火箭通天塔地球引力管道回轉(zhuǎn)助推發(fā)射場(chǎng)構(gòu)造示意圖；運(yùn)載火箭地球引力回轉(zhuǎn)助推發(fā)射法基本工作原理如圖1、圖2所示，圖1為單純利用運(yùn)載火箭本身重力來加速的情形；圖2為既利用運(yùn)載火箭本身重力又利用其它非重力推力——本身發(fā)動(dòng)機(jī)推力、助推器推力、軌道車推力、軌道推力(如磁力、壓縮空氣推力等)來加速的情形，圖中A——火箭；C——軌道(其中C1——下降段；C2——回轉(zhuǎn)段；C3——上升段)；d——火箭升空點(diǎn)(火箭垂直或傾斜向上升空的開始點(diǎn))；Pd——火箭升空平面；Ho——火箭重力(地球引力)助推落差；Vo、Vo′——火箭理論和火箭實(shí)際升空初速(考慮和不考慮下降和回轉(zhuǎn)段軌道摩擦和空氣阻力情形下火箭開始升空時(shí)的速度)；hf(vo)max——初速為Vo時(shí)不考慮空氣阻力時(shí)火箭自由上升達(dá)到的最大高度；h′f(vo)max——初速為Vo時(shí)考慮空氣阻力時(shí)火箭實(shí)際自由上升可達(dá)到的最大高度；hf(vo′)max——初速為Vo′時(shí)不考慮空氣阻力時(shí)火箭實(shí)際自由上升達(dá)到的最大高度；h′f(vo′)max——初速為vo′時(shí)考慮空氣阻力時(shí)火箭實(shí)際自由上升達(dá)到的最大高度。
采用地球引力回轉(zhuǎn)助推發(fā)射法發(fā)射火箭，需事先利用運(yùn)載火箭之外的能源和動(dòng)力將火箭A提升至離升空平面Pd之上Ho的高度，并假定A不能或不宜在此處用常規(guī)發(fā)射方法發(fā)射，發(fā)射時(shí)，將A置于C1起點(diǎn)，然后令它在自身重力(圖1)或自身重力和其它非重力推力一起(圖2)作用下沿C1向下加速運(yùn)動(dòng)，獲得一定的速度后沿回轉(zhuǎn)段C2回轉(zhuǎn)向上，在升空點(diǎn)d處升入空中，軌道上升段C3的用途有二一起A的導(dǎo)向作用；一用來回收第一級(jí)火箭、火箭助推器和盛載火箭的軌道車B(假定火箭后級(jí)或火箭在上升點(diǎn)d處與這幾部分分離)。
火箭理論升空初速Vo可用以下方法進(jìn)行近似計(jì)算設(shè)火箭A(如有助推器包括助推器)的質(zhì)量為MA；軌道車B的質(zhì)量為MB；下降段C1的長(zhǎng)度為Sc1；C1與垂直線的夾角為α(為簡(jiǎn)單起見，我們這里假定軌道C1為直線，實(shí)際上可為曲線)；沿C1向下方向作用于A、B的非重力推力為Ff(Ff可為常力，也可為變力，這里為簡(jiǎn)單起見，我們假定Ff為常力)，可得
A、B的總質(zhì)量M＝MA+MB…………………………………(1)(當(dāng)Ff不消耗A、B上的燃料時(shí)，M為常量；當(dāng)Ff消耗A或B上的燃料時(shí)，M為變量，下面為討論簡(jiǎn)單起見，我們這里假定M為常量。)A、B的總重力P＝Mg＝(MA+MB)g………………………………(2)其中g(shù)為重力加速度，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的長(zhǎng)度Sc1=Hocosα---------(4)]]>作用于A、B，沿C1向下方向的總作用力F′＝P′+Ff＝(MA+MB)gcosα+Ff…………………(5)由牛頓第二定律公式f＝ma，可得a=fm-----(6)]]>將(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+MB)gcosα+FfMA+MB]]>=gcosα+FfMA+MB------(7)]]>由勻加速運(yùn)動(dòng)速度和路程公式V＝at…………………………………(8)S=12at2------(9)]]>可得V=2as------(10)]]>將(7)式a′、(4)式Sc1代替(10)式中的a、s，可得A、B運(yùn)行至Sc1末端時(shí)的末速度Vsc1=2a′Sc1]]>=2(gcosα+FfMA+MB)Hocosα]]>=2(g+Ff(MA+MB)cosα)Ho--------(11)]]>令af↓=Ff(MA+MB)cosα------(12)]]>為非重力推力Ff引起的A、B等效垂直向下加速度，代入(11)式，有Vsc1=2(g+af↓)Ho------(13)]]>令a↓＝g+af↓………………………………(14)為A、B等效垂直向下總加速度，代入(13)式，有Vsc1=2a↓Ho------(15)]]>對(duì)圖1情形，因無非重力推力作用于A、B，F(xiàn)f＝0，有af↓＝0、a↓＝g，故有Vsc1=2gHo------(16)]]>(16)、(15)二式，即圖1、圖2二種情形下，不考慮軌道C1摩擦阻力和空氣阻力情形下，A、B運(yùn)行至軌道下降段C1末端時(shí)的速度。由于回轉(zhuǎn)段C2只改變A、B的速度方向，不改變速度的數(shù)值，故在不考慮C2引起的速度損失的情形下，可認(rèn)為數(shù)值上火箭A的理論升空初速Vo＝Vsc1，即，對(duì)圖1，有Vo=2gHo------(17)]]>對(duì)圖2，有Vo=2a↓Ho------(18)]]>公式(17)、(18)未考慮在軌道回轉(zhuǎn)段C2存在非重力推力加速情形(在回轉(zhuǎn)段的下降和上升部分，因重力加速和重力減速可以相互抵消，故可不予考慮。)，如果在回轉(zhuǎn)段C2也利用非重力推力來加速，火箭A的升空初速Vo顯然將大于(17)、(18)二式的計(jì)算值，計(jì)算方法這里不作討論，但實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需考慮在內(nèi)。
令(14)式等效垂直向下總加速度a↓＝g+af↓＝βg…………………………………(19)其中β=1+af↓g------(20)]]>為重力加速度倍數(shù)。
將(19)式代入(18)式，得Vo一般形式表一Vo～Ho、β對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)表 Vo=2βgHo-------(21)]]>如β＝1，(即無非重力推力作用于A、B時(shí))，(21)式即轉(zhuǎn)化為(17)式。
表一列出Vo與Ho和β(＝1～5)之間的一些對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)，供設(shè)計(jì)參考。
令火箭A在升空點(diǎn)d處與其第一級(jí)或與其助推器或與盛載它的軌道車B分離，此時(shí)A便以初速Vo向上運(yùn)動(dòng)，假如不考慮A向上運(yùn)動(dòng)時(shí)的空氣阻力，A發(fā)動(dòng)機(jī)不點(diǎn)火時(shí)A自由上升可達(dá)到的最大高度為hf(vo)max，hf(vo)max的值可由勻減速運(yùn)動(dòng)速度公式V＝Vo-gt…………………………………………………(22)和路程公式h=Vot-12gt2-------(23)]]>求得A上升至最大高度hf＝hf(vo)max時(shí)，V＝0，由(22)式可得tV=0=Vog]]>代入(23)式可得h(vo)max=VoVog-12gVo2g=Vo22g-----(24)]]>由(21)式
可知，對(duì)圖1情形，因β＝1，代入(24)式，有
hf(vo)max＝Ho對(duì)圖2，因β＞1，代入(24)式，有hf(vo)max＝βHo＞Hoβ愈大，hf(vo)max比Ho大得愈多。
表二列出hf(vo)max與Vo之間的一些對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)，供設(shè)計(jì)參考。
由于空氣阻力是客觀存在的，故A實(shí)際自由上升可達(dá)到的最大高度h′f(vo)max＜hf(vo)maxh′f(vo)max比hf(vo)max少多少，取決于火箭A的空氣動(dòng)力學(xué)性能和A的速度。
如A沿C1、C2下降和回轉(zhuǎn)時(shí)，軌道摩擦和空氣阻力引起的速度損失不能忽略，則A在升空點(diǎn)d處的實(shí)際升空初速Vo′＜Vo，在圖1、圖2中，分別用hf(vo′)max和h′f(vo′)max來表示此時(shí)A可自由上升達(dá)到的理論最大高度和實(shí)際最大高度，顯然有hf(vo′)max＜hf(vo)max和h′f(vo′)max＜h′f(vo)max下面我們來粗略地估算一下，采用地球引力回轉(zhuǎn)助推法與采用傳統(tǒng)垂直發(fā)射法相比，火箭質(zhì)量可以減少多少？相對(duì)有效載荷可以增加多少？為了進(jìn)行比較，我們假設(shè)有二枚火箭A′和A″，前者用垂直表二hf(vo)max～Vo對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)表
發(fā)射法、后者用地球引力回轉(zhuǎn)助推發(fā)射法發(fā)射，二者初始質(zhì)量分別為mo′和mo″；二者瞬時(shí)質(zhì)量為m′和m″；二者發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)的質(zhì)量相同mn′＝mn″＝mn(這里我們將發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)的質(zhì)量視為火箭的有效質(zhì)量)；末速相同Vn′＝Vn″＝Vn；火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣速度也相同C′＝C″＝C；A′的起飛速度為0，A″的起飛速度為Vo。
為簡(jiǎn)化計(jì)算，我們假設(shè)A＇、A″離地升空后沿垂直于地面的軌道飛行，飛行時(shí)間分別為t＇、t″。
火箭發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)的末速Vn′、Vn″可按存在重力場(chǎng)和空氣阻力情形下的齊奧科夫斯基公式來計(jì)算Vn′=Vn=CInmo′mn-gt′∫ot′D′m′dt--------(25)]]>Vn′′=Vn=CInmo′′mn-gt′′∫ot′′D′′m′′dt+Vo-------(26)]]>(25)、(26)式中等號(hào)右邊第一項(xiàng)為理想情形下按齊奧科夫斯基公式計(jì)算的特征速度；第二項(xiàng)為重力損耗引起的速度損失；第三項(xiàng)為空氣阻力D′、D″引起的速度損失；第四項(xiàng)為A″的初速。
由于A′、A″差別不是很大，為簡(jiǎn)化計(jì)算，我們假設(shè)，二枚火箭的重力耗損和空氣阻力損耗引起的速度損失近似相同，即有g(shù)t′+∫ot′D′m′dt≈gt′′+∫ot′′D′′m′′dt]]>我們令gt′+∫ot′D′m′dt=gt′′+∫ot′′D′′m′′dt=K---(27)]]>(由于A″，質(zhì)量小于A′的質(zhì)量、A″的運(yùn)動(dòng)速度大于A′、有t″＜t′，這種簡(jiǎn)化導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏壞，實(shí)際效果會(huì)更好一些)(27)代入(25)、(26)，可得mo′mn=eVn+Kc------------(28)]]>mo′′mn=eVn+K-Voc-------(29)]]>(28)代入(29)可得mo′′mn=mo′mne-Voc--------(30)]]>由此可得A″、A′初始質(zhì)量比mo′′mo′=e-Voc-----(31)]]>火箭A′、A″的相對(duì)有效載荷N′、N″分別為A′、A″的有效載荷mn′＝mn，mn″＝mn與它們的初始質(zhì)量mo′、mo″之比，故由(30)式可得A″、A′相對(duì)有效載荷比N′′N′=eVoc-----(32)]]>由(31)、(32)二式計(jì)算得到的一些A″、A′質(zhì)量比 和相對(duì)有效載荷比
與
的對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)示于表三。
由(31)、(32)二式和表三可知，Vo愈大、
愈大，發(fā)射表三
對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)表 相同有效載荷獲得相同未速時(shí)，A″的初始質(zhì)量比A′小得愈多，相對(duì)有效載荷比A′增加得愈多。例如，噴氣速度C＝3000米/秒時(shí)，Vo＝300、900、1500、1800、2100米/秒時(shí)，
分別為0.1、0.3、0.5、0.6、0.7，假設(shè)A′初始質(zhì)量為10噸，A″的初始質(zhì)量分別可降至9.1、7.4、6.1、5.5、5.0噸；相對(duì)有效載荷分別可增至1.11、1.35、1.65、1.73、2.01倍。
可以用較小型的火箭和較少的火箭推進(jìn)劑將相同有效載荷發(fā)射升空，這便是運(yùn)載火箭地球引力回轉(zhuǎn)助推發(fā)射法的優(yōu)點(diǎn)和主要經(jīng)濟(jì)效益所在。
雖然采用運(yùn)載火箭地球引力回轉(zhuǎn)助推法發(fā)射火箭仍需消耗能源將火箭A(較輕的A″及其前級(jí)或助推器、軌道車等，而不是較重的A′)提升至離升空平面Ho的高處，產(chǎn)生非重力推力也要消耗能源，但這時(shí)消耗的是A″之外的能源，且可以是一般普通能源，如汽油、柴油、電力、人力、畜力等，價(jià)格比火箭推進(jìn)劑便宜得多，也安全得多。
下面我們來介紹幾種運(yùn)載火箭地球引力回轉(zhuǎn)助推發(fā)射法的具體實(shí)現(xiàn)方法。
圖3所示為運(yùn)載火箭地球引力地面軌道回轉(zhuǎn)助推發(fā)射場(chǎng)構(gòu)造示意圖，軌道C可傍高山山坡建造，L1、L2為地面和山頂火箭組裝調(diào)試車間；T為運(yùn)送火箭(或火箭部件)等的電梯(也可是公路、直升飛機(jī)等提升設(shè)施和設(shè)備)，火箭A與軌道接觸方式可以是滑動(dòng)式、滾動(dòng)式和懸浮式，火箭A也可安放在軌道車B上，為使A和B能順利回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)段需有足夠大的回轉(zhuǎn)半徑。由于地球上的高山，海拔最高的是8848.13米的喜馬拉雅山的珠穆朗瑪峰，因此這種發(fā)射場(chǎng)的Ho值不可能大于此值(實(shí)際能達(dá)到的Ho值比此值要小很多)，為盡量增大Ho值選址時(shí)應(yīng)選擇在離地表(山腳)有較大落差的高山旁建造；圖4所示為運(yùn)載火箭地球引力地下隧道回轉(zhuǎn)助推發(fā)射場(chǎng)構(gòu)造示意圖，由于高山離地表的高度有限，為增大Ho，可采用向地下延伸的方法，建造地下隧道式發(fā)射場(chǎng)，如需要隱蔽時(shí)也可建這種形式的發(fā)射場(chǎng)，將軌道C置于隧道O內(nèi)，為便于工作需建垂直工作通道E1、E2和橫向工作通道G。隧道式發(fā)射場(chǎng)有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，可以抽真空，因此可大大減少A、B在隧道中運(yùn)行時(shí)的空氣阻力，為減少抽真空的能耗，可在隧道O的進(jìn)出口處設(shè)置帶有可快速自動(dòng)開閉閘門的密封過渡段，這時(shí)不必每次發(fā)射將全隧道重新抽真空，只需將頭、尾二過渡段抽真空；圖5所示為運(yùn)載火箭地球引力水下管道回轉(zhuǎn)助推發(fā)射場(chǎng)構(gòu)造示意圖，為避免挖掘隧道的困難，也可采用將管道O沉入水下的方法來建造發(fā)射場(chǎng)。地球海洋的深度一般在幾十米～幾千米之間，最深的太平洋馬利亞納海溝，水深達(dá)10916米，可見，采用水下管道方法建造發(fā)射場(chǎng)，增大Ho有很大潛力，不過建水下管道發(fā)射場(chǎng)需克服巨大的水壓，海平面之下水深每增加10米，水壓增加一個(gè)大氣壓，水深5000米時(shí)，水壓可達(dá)500個(gè)大氣壓，管道O、工作通道E、G的深水段必需承受得住該處的水壓。
為了進(jìn)一步增大Ho，也可將圖3、4、5發(fā)射場(chǎng)串接起來，這時(shí)Ho有可能達(dá)5000～10000米；圖6所示為運(yùn)載火箭地球引力空投——地下隧道回轉(zhuǎn)助推發(fā)射場(chǎng)構(gòu)造示意圖，本發(fā)射場(chǎng)采用另一種辦法來增加Ho，它先利用飛艇、氣球、飛機(jī)等提升工具將A提升至離地面很高的高度(假如A不能或不宜在此高度上直接進(jìn)行發(fā)射)，然后對(duì)準(zhǔn)下面一個(gè)在高山中部開挖成的漏斗形接納器I將A扔下，A落入I后沿I壁滑入地下的回轉(zhuǎn)隧道O中，最后從隧道O的出口處飛出地面。此法的優(yōu)點(diǎn)是Ho可以比地面上的高山的高度h高很多，因此有可能獲得很大的升空初速Vo，例如，火箭A被提升至離地面20～30公里處扔下(這是有可能的)，下降時(shí)如單純用重力加速(即β＝1)，回轉(zhuǎn)后的升空初速Vo可達(dá)626～767米/秒(見表一)，如在下落時(shí)和在隧道O中再進(jìn)行非重力加速，則可獲得更大的Vo值。
空投法的主要技術(shù)困難是，如何保證A能落入I中和如何防止高速下落的A與I壁接觸時(shí)不遭到損壞，前者利用先進(jìn)的電子導(dǎo)航定位技術(shù)不難解決；后者應(yīng)使漏斗口直徑φ與山高h(yuǎn)之比盡可能小和采用優(yōu)質(zhì)防撞材料來覆蓋漏斗壁，當(dāng)然增加A的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也是一個(gè)辦法，最理想的做法是，在I壁上建立一強(qiáng)磁場(chǎng)覆蓋層和在隧道O中建立一強(qiáng)移動(dòng)磁場(chǎng)，使A不與I、O壁直接接觸，懸浮著通過I、O，并在O的移動(dòng)磁場(chǎng)作用下進(jìn)一步加速。
空投法雖然是一種增加Ho的比較簡(jiǎn)單的方法，但有較大的危險(xiǎn)性，火箭從高空扔下，猶如一枚重磅炸彈從天而降，萬一失手后果十分嚴(yán)重，因此需采用各種有效安全防范措施，如發(fā)射場(chǎng)應(yīng)遠(yuǎn)離居民區(qū)(可在海上孤島上建造)，火箭下落時(shí)應(yīng)跟蹤測(cè)量其軌跡，如發(fā)現(xiàn)偏離漏斗口，則應(yīng)使其自動(dòng)或遙控其打開降落傘減速，安全降落地面或海面，如來不及打開降落傘，可在空中將它引爆；
圖7、圖8所示為運(yùn)載火箭地球引力垂直螺旋軌道和垂直圓周軌道回旋助推發(fā)射場(chǎng)構(gòu)造示意圖，這二種形式的發(fā)射場(chǎng)采用另一種辦法來增加Ho，即多次循環(huán)使用同一高度落差——螺旋和圓周軌道的直徑φ來多次利用地球?qū)\(yùn)載火箭的引力來加速運(yùn)載火箭，這二種發(fā)射場(chǎng)的等效Ho′為Ho′＝nφ…………………………………………(33)其中n，對(duì)螺旋軌道，為螺旋圈數(shù)；對(duì)圓周軌道，為火箭回旋圈數(shù)。
圖7和圖8的區(qū)別是，圖7螺旋的圈數(shù)n比較少為固定值，故Ho增大的值不很大，但軌道構(gòu)造較簡(jiǎn)單；圖8圓周軌道的回旋圈數(shù)n可以很大，且理論上不受限制，故Ho的增加值可以很大，但軌道構(gòu)造較復(fù)雜，出入口處需設(shè)置快速軌道轉(zhuǎn)換裝置。圖8所示垂直圓周回旋軌道在構(gòu)造上有些類似于大型高能物理實(shí)驗(yàn)裝置粒子回旋加速器，主要的區(qū)別是，后者軌道平面與地面平行；前者軌道平面與地面垂直。
為了多次重復(fù)利用同一落差φ的地球引力來加速在螺旋和圓周軌道中運(yùn)行的火箭A，圖7、圖8發(fā)射系統(tǒng)需滿足一個(gè)基本條件，即在軌道上升半圈Yi″，軌道需向A提供至少等于A重力的推力，以抵消A沿上升半圈Yi″運(yùn)行時(shí)A的重力引起的速度損失，這樣，A運(yùn)行至軌道最高點(diǎn)X1時(shí)便可保持它沿軌道下降段Yi″下落至最低點(diǎn)X2時(shí)所獲得的線速度Vx2i，即有Vx1(i+1)＝Vx2i…………………………(34)(34)式中的Vx1(i+1)為A下一圈的起始速度，即第i+1圈下降段Yi+1′的初速。
下面我們來計(jì)算圖7、圖8A的離軌升空初速Vo。
為簡(jiǎn)化起見，我們先來討論，在軌道上升半圈Yi″由軌道提供的推力所產(chǎn)生的速度增量正好與A在這半圈因重力導(dǎo)致的速度損失相抵消(此假設(shè)僅為了計(jì)算方便，實(shí)際上并不需要這樣做)、在軌道下降半圈Yi′無非重力作用于A這種情形，這時(shí)(34)式成立，軌道上升段Yi″的作用可以忽略，可視為不存在。
下面我們來討論A在第(i+1)圈下降半圈的能量變化情況，假設(shè)A下降時(shí)的空氣阻力和軌道摩擦阻力引起的速度損失可以忽略，則A下降至X2點(diǎn)時(shí)的動(dòng)能Ex2=12mAVX2(i+1)2-------(35)]]>應(yīng)等于A在X1點(diǎn)時(shí)的動(dòng)能EX1=12mAVX1(i+1)2=12mAVX2i2------(36)]]>與A由X1點(diǎn)落至X2點(diǎn)地球引力對(duì)A所作的功(即A位能的減少值)Wφ＝mAgφ……………………………(37)二者之和，即有EX2=EX1+Wφ------(38)]]>將(35)、(36)、(37)式代入(38)式，有12mAVX2(i+1)2=12mAVX2i2+mAgφ]]>由此可得VX2(i+1)2=VX2i2+2gφ--------(39)]]>在第n圈，即最末一圈，有VX2n2=VX2(n-1)2+2gφ]]>=VX2(n-2)2+2gφ+2gφ]]>=VX2(n-3)2+2gφ+2gφ+2gφ]]>＝……＝n·2gφ………………………………………………………………(40)即有Vx2n=2gnφ-----(41)]]>火箭A離開垂直螺旋和垂直圓周軌道的升空初速Vo數(shù)值上等于A在第n圈最低點(diǎn)X2處的速度
，即有Vo=Vx2n=2gnφ------(42)]]>表四列出Vo與n、φ之間一些對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)，供設(shè)計(jì)參考。對(duì)比(42)和(17)式，令Ho′＝nφ…………………………………………………………(43)為垂直螺旋和垂直圓周軌道的地球引力等效助推落差，可知，n愈多，Ho′值愈大。(43)式代入(42)式，可得Vo=2gHo′------(44)]]>在非重力推力大于火箭重力且連續(xù)施于火箭A的情形下(這表四Vo～n、φ對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)表 時(shí)非重力推力可以不限于軌道推力，也可以是火箭第一級(jí)的推力、助推器和軌道車的推力，但以軌道提供推力的效果最好)，在軌道的下降半圈Yi′，A利用重力和非重力的合力來加速；在軌道的上升半圈Yi″，A利用非重力與重力之差來加速，這時(shí)，火箭A的離軌升空初速Vo將大于或遠(yuǎn)大于(43)式的計(jì)算值。
表四為理論值，實(shí)際上要得到很大的Vo值是不容易的，尤其是火箭A的質(zhì)量很大時(shí)，原因是火箭A的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基本粒子的質(zhì)量，數(shù)量級(jí)在幾十公斤至幾十噸之間，它沿圓周軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力極大，軌道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)必需十分堅(jiān)固，否則速度增加到一定程度，整個(gè)系統(tǒng)將會(huì)分崩離析，這雖然屬于工程建造工藝技術(shù)方面的問題，因它關(guān)系到本發(fā)射系統(tǒng)能否建造成功，故這里特別予以強(qiáng)調(diào)，以引起人們的注意。顯然，這種發(fā)射系統(tǒng)用來發(fā)射微型和小型火箭比較合適，技術(shù)難度較低，比較容易建造。
垂直螺旋和垂直圓周軌道發(fā)射場(chǎng)不一定建造在地面之上，也可建在山體內(nèi)部或地面之下，或部分建在地面之上，部分建在地面之下，軌道也可置于管道內(nèi)，為減少空氣阻力，管道內(nèi)也可抽真空。非重力推力最好采用軌道或管道推力(如磁力)，如采用火箭第一級(jí)、助推器和軌道車推力，由于完全在地球大氣層內(nèi)運(yùn)行，火箭第一級(jí)、助推器和軌道車上的發(fā)動(dòng)機(jī)可使用空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，只需消耗價(jià)格比較便宜的汽油等燃料，不必消耗昂貴的火箭推進(jìn)劑；圖9所示為運(yùn)載火箭空投——空中自回轉(zhuǎn)地球引力助推發(fā)射法發(fā)射過程示意圖。此法與以上幾法不同，它利用運(yùn)載火箭本身的動(dòng)力在空中自行實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)。建造軌道、隧道、管道式發(fā)射場(chǎng)，工程十分浩大，技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜，投資很大，如果我們可以令火箭在空中實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)，便可避免建造發(fā)射場(chǎng)，節(jié)約大筆工程費(fèi)用。運(yùn)載火箭有無可能在空中自行實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)呢？利用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)大推力是有可能的。我們知道，有些技術(shù)高超的航空特技飛行員，可以令飛機(jī)垂直或幾乎垂直地向地面高速俯沖，快接近地面時(shí)，迅速拉起機(jī)頭，使飛機(jī)回轉(zhuǎn)向上，以雷霆萬鈞之勢(shì)直沖云霄。運(yùn)載火箭空投——空中自回轉(zhuǎn)發(fā)射過程與此特技飛行動(dòng)作類似，它先利用可在地球稠密大氣層內(nèi)飛行的運(yùn)輸工具(如氣球、飛機(jī)、飛艇)等將運(yùn)載火箭A提升至離地面Hd+Ho的高度(Hd為升空平面Pd離地面的高度)，然后令A(yù)在地球引力(也可和本身發(fā)動(dòng)機(jī)推力或助推器推力一起)作用下向地面高速俯沖，到達(dá)離地面Hd的高度時(shí)，改變發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣方向，使A回轉(zhuǎn)向上，并在升空點(diǎn)d處垂直或傾斜地飛離地面，為利用空氣動(dòng)力學(xué)特性增加A向上回轉(zhuǎn)時(shí)的升力，A可帶固定或可伸縮的側(cè)翼；圖10所示為運(yùn)載火箭通天塔地球引力管道回轉(zhuǎn)助推發(fā)射場(chǎng)構(gòu)造示意圖，這是一種為未來人類設(shè)計(jì)的火箭發(fā)射場(chǎng)，假如人類未來能夠建造成功高度極高穿越地球稠密大氣層的“通天塔”(本文不討論通天塔的建造方法)，我們便可以利用通天塔的巨大塔高落差(如10～100公里)來發(fā)射或幫助發(fā)射火箭。
眾所周知，將火箭從地面移至高空(如通天塔頂)去發(fā)射也有可能比在地面發(fā)射節(jié)約很多推進(jìn)劑，但如果我們利用圖10(a)～(d)形式的通天塔，使用地球引力回轉(zhuǎn)助推法時(shí)令β＞1，則有可能比在塔頂用傳統(tǒng)發(fā)射法節(jié)約更多的推進(jìn)劑，當(dāng)β＝1時(shí)，即單純利用地球引力來加速時(shí)，二者理論上節(jié)約推進(jìn)劑的效果是相同的，而且，如果存在空氣阻力，地球引力回轉(zhuǎn)助推法還不如塔頂直接發(fā)射法好，這點(diǎn)不難理解，因火箭單純?cè)谥亓ψ饔孟聣嬄渲了讜r(shí)獲得的速度，在不存在空氣阻力時(shí)，正好與它從塔底上升至塔頂時(shí)因重力引起的速度損失相互抵消，在存在空氣阻力時(shí)，落至塔底時(shí)獲得的速度小于它上升至塔頂時(shí)因重力引起的速度損失和因空氣阻力引起的速度損失二者之和；但如果β＞1，即A下落時(shí)(回轉(zhuǎn)和上升時(shí)也可以)不僅利用地球引力來加速，還利用其它非重力推力來加速，如本身發(fā)動(dòng)機(jī)推力、助推器推力，尤其是軌道和管道提供的推力來加速，則地球引力回轉(zhuǎn)助推法節(jié)約推進(jìn)劑的效益就有可能比在塔頂用直接發(fā)射法時(shí)好得多，表一數(shù)據(jù)可以說明這一點(diǎn)。
圖10(a)～(c)為單通天塔型發(fā)射場(chǎng)；(d)為雙通天塔型發(fā)射場(chǎng)，(a)型塔內(nèi)有一垂直管道O，火箭A沿O(或沿置于O內(nèi)的軌道C)在自身重力和其它非重力推力一起作用下不斷加速墜向地面，經(jīng)地下回轉(zhuǎn)段回轉(zhuǎn)后，從地面出口處發(fā)射升空；(b)型塔內(nèi)有一垂直管道O，與(a)不同，A沿它下落回轉(zhuǎn)后再次返回此O上升，最后從塔頂升空；(c)型塔內(nèi)有二條垂直管道，A由一管下落經(jīng)地下回轉(zhuǎn)段回轉(zhuǎn)后由另一管上升，最后由塔頂升空；(d)型每塔均有一垂直管道，A由一塔垂直管道下降經(jīng)地下回轉(zhuǎn)段回轉(zhuǎn)后由另一塔垂直管道上升，最后由此塔塔頂升空。為減少空氣阻力，O管和回轉(zhuǎn)段管道內(nèi)均可抽真空，也可在O管和回轉(zhuǎn)管管壁上建立強(qiáng)磁場(chǎng)或移動(dòng)強(qiáng)磁場(chǎng)，使A懸浮著在其中運(yùn)行。
在建造通天塔內(nèi)的垂直管道O和軌道C時(shí)，有一個(gè)問題需要引起注意，由于通天塔很高，地球自轉(zhuǎn)時(shí)塔頂和塔底線速度的不同不能忽略，塔頂和塔底線速度的不同會(huì)導(dǎo)致A下落和上升的軌跡不完全垂直于地面，故O、C與垂線之間應(yīng)有一小的傾角，大小與塔高和塔的地理緯度有關(guān)，也和A在O內(nèi)的運(yùn)行時(shí)間有關(guān)。
從以上介紹可知，如果我們發(fā)射火箭時(shí)，改變一下傳統(tǒng)的做法，將它的方向顛倒過來，讓它的頭朝下，尾朝上，先利用它本身的重力，即地球?qū)λ奈推渌侵亓ν屏?，使它獲得一個(gè)升空初速，我們便有可能在一定程度上或在較大程度上降低火箭本身的質(zhì)量和推進(jìn)劑的消耗量，達(dá)到降低發(fā)射成本的目的。
運(yùn)載火箭地球引力回轉(zhuǎn)助推發(fā)射法的工作原理雖然十分簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來卻并不那么容易，尤其是Ho和φ很大的發(fā)射場(chǎng)，工程規(guī)模很大，可靠性要求極高，因?yàn)榛鸺龔母咛幭蛳赂_，沖力極大，速度極快，有很大的危險(xiǎn)性，尤其是β＞1，相當(dāng)于汽車下坡時(shí)再加大油門，汽車司機(jī)很少這樣做的，但考慮到相同推力向下加速火箭比向上加速火箭可使火箭獲得多2g的加速度，因此為了盡量增大火箭的升空初速，提高本法效益，需要時(shí)使β＞1是有必要的，為了較大幅度降低發(fā)射成本，這個(gè)險(xiǎn)是值得冒的。
為了慎重起見，建議有興趣實(shí)施者，先進(jìn)行Ho和φ不太大的微型和小型模型火箭發(fā)射試驗(yàn)，模索規(guī)律、積累經(jīng)驗(yàn)、增強(qiáng)信心、初步成功后再增大Ho、φ和火箭直徑，完全成功并確認(rèn)有較大效益后再進(jìn)行正式火箭發(fā)射試驗(yàn)，這樣安排可能比較合適。
權(quán)利要求
1.一種新型運(yùn)載火箭地球引力回轉(zhuǎn)助推發(fā)射法，其特征是a.采用此法發(fā)射火箭時(shí)，先利用運(yùn)載火箭之外的能源和動(dòng)力將火箭提升到離地面一定的高度，然后令火箭在自身重力(地球?qū)鸺奈?或和其它非重力推力一起作用下向地面高速俯沖，到達(dá)設(shè)定高度獲得一定速度后使其改變方向回轉(zhuǎn)向上飛離地面，以后再靠慣性和本身動(dòng)力繼續(xù)飛行；b.運(yùn)載火箭地球引力回轉(zhuǎn)助推發(fā)射法可有以下幾種具體實(shí)施形式地面軌道回轉(zhuǎn)助推發(fā)射場(chǎng)；地下隧道回轉(zhuǎn)助推發(fā)射場(chǎng)；水下管道回轉(zhuǎn)助推發(fā)射場(chǎng)；空投——地下隧道回轉(zhuǎn)助推發(fā)射場(chǎng)；空投——空中自回轉(zhuǎn)地球引力助推發(fā)射法；通天塔管道回轉(zhuǎn)助推發(fā)射場(chǎng)；垂直螺旋軌道和垂直圓周軌道回旋助推發(fā)射場(chǎng)等，為了增大火箭重力(地球引力)助推落差H，不同形式發(fā)射場(chǎng)可串接起來使用；c.地面軌道、地下隧道、水下管道、空投——地下隧道、空投——空中自回轉(zhuǎn)和通天塔管道回轉(zhuǎn)助推發(fā)射場(chǎng)的火箭重力(地球引力)助推落差Ho為火箭被提升點(diǎn)至火箭升空平面Pd的垂直距離，火箭A在升空點(diǎn)d處獲得的升空初速Vo=2a↓Ho=2βgHo-----------(21)]]>其中a↓＝g+af↓＝βg(19)為火箭A和軌道車B的等效垂直向下總加速度af↓=Ff(MA+MB)cosα-----(12)]]>為非重力推力Ff引起的A、B等效垂直向下加速度(其中MA、MB為A、B的質(zhì)量；α為Ff與垂線之間的夾角)；β=1+af↓g-----(20)]]>為重力加速度倍數(shù)；g＝9.81米/秒2——重力加速度。如在回轉(zhuǎn)段也有非重力推力作用于A、B，則A的升空初速將大于(21)式計(jì)算值；d.垂直螺旋和垂直圓周軌道回旋助推發(fā)射場(chǎng)的等效火箭重力(地球引力)助推落差Ho′＝nφ……………………………………………(33)其中φ為螺旋軌道和圓周軌道的直徑；n，對(duì)螺旋軌道，為螺旋圈數(shù)；對(duì)圓周軌道，為火箭回旋圈數(shù)。垂直螺旋和垂直圓周軌道地球引力回旋助推發(fā)射系統(tǒng)工作時(shí)需滿足一個(gè)基本條件在軌道上升半圈，軌道需向火箭A提供至少等于A重力的推力，以抵消A沿上升半圈運(yùn)行時(shí)A的重力引起的速度損失，在軌道提供的推力產(chǎn)生的速度增量正好可以抵消火箭重力引起的速度損失的情形下，垂直螺旋和垂直圓周軌道地球引力回旋助推發(fā)射系統(tǒng)火箭A的離軌升空初速Vo=2gnφ-------(42)]]>=2gHo′-------(44)]]>在軌道上升半圈向火箭提供的非重力推力(不限于軌道的推力)產(chǎn)生的速度增量大于火箭A的重力引起的速度損失和非重力推力持續(xù)地作用于A的情形下，火箭A的離軌升空初速Vo將大于(42)、(44)式計(jì)算值；e.運(yùn)載火箭地球引力回轉(zhuǎn)助推發(fā)射系統(tǒng)施予火箭A的非重力推力可以是火箭第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)推力、火箭助推器推力、軌道車推力、軌道推力(如磁力、壓縮空氣推力等)，如發(fā)射系統(tǒng)完全處于地球稠密大氣層內(nèi)，A下降、回轉(zhuǎn)和回旋時(shí)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)可以是普通的空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，只需消耗價(jià)格比較便宜的汽油等燃料，不必使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，消耗昂貴的火箭推進(jìn)劑；f.運(yùn)載火箭A和盛載它的軌道車B與地球引力回轉(zhuǎn)助推發(fā)射系統(tǒng)的軌道、管道、隧道之間的接觸方式，可以是滑動(dòng)式、滾動(dòng)式和懸浮式，如A、B在管道和隧道中運(yùn)行，為減少運(yùn)行時(shí)的空氣阻力，可將管道、隧道內(nèi)部抽成真空。
專利摘要
運(yùn)載火箭地球引力回轉(zhuǎn)助推發(fā)射法是一種利用運(yùn)載火箭本身重力來發(fā)射或幫助發(fā)射火箭的新型火箭發(fā)射法,此法先利用運(yùn)載火箭之外的能源和動(dòng)力將火箭提升到離地面一定的高度,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沖,到達(dá)設(shè)定高度獲得一定速度后使其改變方向回轉(zhuǎn)向上飛離地面,以后再靠慣性和本身動(dòng)力繼續(xù)飛行,利用此法發(fā)射火箭,可減少火箭質(zhì)量和推進(jìn)劑消耗、降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率、增大相對(duì)有效載荷,從而降低發(fā)射成本。
文檔編號(hào)F41F3/04GKCN1369683SQ01103158
公開日2002年9月18日 申請(qǐng)日期2001年2月17日
發(fā)明者林宇威 申請(qǐng)人:林宇威導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan