一种转缆加速器的制作方法

本发明涉及航天领域，是一种转缆加速器，用于帮助火箭发射航天器。

背景技术：

当前卫星、宇宙飞船等航天器的发射采用火箭来实现，3吨重的卫星等进入太空需要100-300吨的火箭。火箭分级多，技术复杂，容易出事故，成本高昂，往往只有国家才能够进行航天活动。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是降低火箭发射成本，促进航天产业的低成本，促使航天商业化。

转缆加速器运行于太空，绕地球公转，并且绕自身的质心自转，其自转平面重合于其绕地球公转的平面，并且自转方向与公转方向相同；由主缆、主移位绳、前舱、后舱、太阳能电池帆板等组成；前舱、后舱分别绑定在主缆的两个末端处，主缆、主移位绳都是在质心处的横截面积最大、前舱和后舱处的横截面积小；主缆的外缘有保护层。

质心处有定位钢丝绳，定位钢丝绳两端固定在主缆上；太阳能电池帆板安装可移动桁架上，可移动桁架上有定位卷筒，定位钢丝绳缠绕在定位卷筒上；可移动桁架上有旋转接头，以使得可移动桁架随主缆转动时太阳能电池帆板不转动、能够持续对准太阳光来向；可移动桁架上有电缆卷筒，电缆卷筒能够收储和放出供电电缆，太阳能电池帆板通过电缆卷筒、供电电缆给主缆上的设备和电路供电。

质心处附近有用于卷起和放出主移位绳的卷扬机，卷扬机绑定在质心处的主缆上；主移位绳的长度足以够到前舱；主移位绳上从质心处起到末端，绑定有多个滑轮，滑轮扣在主缆上、能够在主缆上滑动；前舱有外移位绳和对应的卷扬机，外移位绳在前舱的横截面积大、末端处的横截面积小；主移位绳和外移位绳都是用于捕获、吊挂、拖动航天器。

设主缆的密度是ρ、抗拉强度是δ、在质心处的横截面积是S₀、自转角速度的目标值是w，保护层的密度是q、厚度是d，则距离质心是x处的主缆的横截面积通过下面公式计算

其中Exp()表示自然对数e的指数运算；距离质心是x处的主缆能够拖拽的最大质量是m通过下式计算

，其中k是安全系数；主移位绳也要按这种公式、质心处的横截面积来计算。

主移位绳、外移位绳的末端有对接舱，对接舱是由液压缓冲器、对接绳、对接喷气发动机、带棘轮的对接绳卷筒组成；对接喷气发动机使用低温喷气燃料，可以带动对接绳；对接绳被卷起储存在对接绳卷筒里，对接绳卷筒两头的轮缘是棘轮。

如果采用输电的办法输送能量给前舱、后舱，主缆内部中间安装铝线，保护层采用金属材料制造，保护层和铝线构成电路回路，采用直流输电；如果主缆的横截面太细，可以采用空腔结构。

如果采用激光的办法传输能量给前舱、后舱的离子发动机，则在质心处两部安装激光器，在前舱、后舱处安装光能电池帆板以接受激光器发出的激光光束。

转缆加速器的建设办法是：用火箭把转缆加速器(配重可以暂时不要)运上太空轨道，然后利用前舱、后舱的离子发动机，或者是另外的火箭发动机，带动主缆伸直并缓慢自转，然后利用前舱、后舱的离子发动机或者是另外的火箭发动机，使主缆加速转动。

前舱、后舱分别由配重、储电能力大于50千瓦时的超级电容电池、功率超过80千瓦的离子发动机等组成。

设外提升绳的末端吊挂的航天器质量是M，航天器距离质心的距离是L，外提升绳的材料的抗拉强度是δ、密度是ρ，w、Exp()、k的意义同上，外提升绳上离航天器距离是x处的横截面积要符合如下公式：

使用上述转缆加速器，能够大大降低火箭发射成本，促进太空事业发展。

附图说明

图1是转缆加速器的结构示意图。

图2是质心处的太阳能电池帆板、可移动桁架、定位卷筒、定位钢丝绳、电缆卷筒、供电电缆的示意图。

图3是滑轮绑定在主移位绳上、扣在主缆上的示意图。

图4是滑轮的上视图。

图5是对接舱的侧面示意图。

图6是对接舱的前视图。

图7是保护层和加入了铝线的主缆的横截面的示意图，以及保护层的厚度d的示意图。

图8是采用空腔结构的主缆的横截面的示意图。

图9是采用激光传输能量时的示意图。

图10是自转方向与公转方向的示例图。

1，主缆。2，主移位绳。3，前舱。4，后舱。5，太阳能电池帆板。6，质心。7，滑轮。10，航天器。11，外移位绳。13，光能电池帆板。14，超级电容电池。15，离子发动机。16，配重。17，卷扬机。18，保护层。19，铝线。20，激光器。21，激光光束。22，空腔。24，可移动桁架。25，定位卷筒。26，定位钢丝绳。27，旋转接头。28，太阳光。29，电缆卷筒。30，供电电缆。32，对接绳卷筒。33，液压缓冲器。34，棘轮。35，对接喷气发动机。36，对接舱。37，对接绳。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

转缆加速器运行于太空，绕地球公转，并且绕自身的质心6自转，其自转平面重合于其绕地球公转的平面，并且自转方向与公转方向相同；由主缆1、主移位绳2、前舱3、后舱4、太阳能电池帆板5等组成；前舱3、后舱4分别绑定在主缆1的两个末端处，主缆1、主移位绳2都是在质心6处的横截面积最大、前舱3和后舱4处的横截面积小；主缆1的外缘有保护层18。

质心6处有定位钢丝绳26，定位钢丝绳26两端固定在主缆1上；太阳能电池帆板5安装可移动桁架24上，可移动桁架24上有定位卷筒25，定位钢丝绳26缠绕在定位卷筒25上；可移动桁架24上有旋转接头27，以使得可移动桁架24随主缆1转动时太阳能电池帆板5不转动、能够持续对准太阳光28来向；可移动桁架24上有电缆卷筒29，电缆卷筒29能够收储和放出供电电缆30，太阳能电池帆板5通过电缆卷筒29、供电电缆30给主缆1上的设备和电路供电。

质心6处附近有用于卷起和放出主移位绳2的卷扬机17，卷扬机17绑定在质心6处的主缆1上；主移位绳2的长度足以够到前舱3；主移位绳2上从质心6处起到末端，绑定有多个滑轮7，滑轮7扣在主缆1上、能够在主缆1上滑动；前舱3有外移位绳11和对应的卷扬机17，外移位绳11在前舱3的横截面积大、末端处的横截面积小；主移位绳2和外移位绳11都是用于捕获、吊挂、拖动航天器10。

设主缆1的密度是ρ、抗拉强度是δ、在质心6处的横截面积是S₀、自转角速度的目标值是w，保护层18的密度是q、厚度是d，则距离质心6是x处的主缆1的横截面积通过下面公式计算

其中Exp()表示自然对数e的指数运算；距离质心6是x处的主缆1能够拖拽的最大质量是m通过下式计算

，其中k是安全系数；主移位绳2也要按这种公式、质心6处的横截面积来计算。

主移位绳2、外移位绳11的末端有对接舱36，对接舱36是由液压缓冲器33、对接绳37、对接喷气发动机35、带棘轮34的对接绳卷筒32组成；对接喷气发动机35使用低温喷气燃料，可以带动对接绳37；对接绳37被卷起储存在对接绳卷筒32里，对接绳卷筒32两头的轮缘是棘轮34。

如果采用输电的办法输送能量给前舱3、后舱4，主缆1内部中间安装铝线19，保护层18采用金属材料制造，保护层18和铝线19构成电路回路，采用直流输电；如果主缆1的横截面太细，可以采用空腔结构22。

如果采用激光的办法传输能量给前舱3、后舱4的离子发动机15，则在质心6处两部安装激光器20，在前舱3、后舱4处安装光能电池帆板13以接受激光器20发出的激光光束21。

转缆加速器的建设办法是：用火箭把转缆加速器(配重16可以暂时不要)运上太空轨道，然后利用前舱3、后舱4的离子发动机15，或者是另外的火箭发动机，带动主缆1伸直并缓慢自转，然后利用前舱3、后舱4的离子发动机15或者是另外的火箭发动机，使主缆1加速转动。

前舱3、后舱4分别由配重16、储电能力大于50千瓦时的超级电容电池14、功率超过80千瓦的离子发动机15等组成。

设外提升绳11的末端吊挂的航天器10质量是M，航天器10距离质心6的距离是L，外提升绳11的材料的抗拉强度是δ₁、密度是ρ₁，w、Exp()、k的意义同上，外提升绳11上离航天器10距离是x处的横截面积D(x)要符合如下公式：

转缆加速器运行于太空，绕地球公转，并且一直绕自身的质心6自转，其自转平面与公转平面重合。转缆加速器自转周期是数十秒，自转方向与公转方向相同，也就是：在公转平面外的一点观察，如果公转方向是顺时针的则自转也是顺时针的，如果公转是逆时针的则自转也是逆时针的。质心6是主缆1、前舱3、后舱4等整个系统的质量的质心位置，并不一定是主缆1的几何上的中间位置。

转缆加速器的主缆1的总长度可达10-100千米，在质心6处的横截面积可达数十平方厘米，在前舱3、后舱4处的横截面积一般是数平方厘米。主移位绳2的质心6的横截面积一般仅数平方厘米，在末端处一般不到1平方厘米。前舱3、后舱4一般可重达30-100吨、直径一般小于10米，前舱3、后舱4的质量可以基本相等也可以相差较远。主移位绳2的长度足以从质心到前舱3处，外移位绳11长数千米以上。

前舱3、后舱4的绕质心6转动的线速度可达数千米/秒以上。主缆1、主移位绳2、外移位绳11、对接绳37要采用高强度纤维材料制造才能够承受这种离心力。对接绳37长度只有数米到数十米，对接喷气发动机35使用低温喷气燃料，带动对接绳37与运载火箭对接。对接后，棘轮34能够制动，使得对接绳37绷紧。滑轮组8的作用是把主移位绳2扣在主缆1上，不让主移位绳2偏离主缆1太多。

可移动桁架24和定位卷筒25、定位钢丝绳26可以使得太阳能电池帆板5能够相对主缆1移动。质心6处通常有能够容纳数百千瓦时的超级电容电池。

离子发动机15用于喷射离子、获得推力，以维持转缆加速器的自转、改变自转和公转的速度和轨道。质心6处也有大功率的离子发动机。自转缆加速器发射上太空，到利用离子发动机15加速自转、达到预定转速，需要数十天。

太阳能电池帆板5的面积可达数千平方米，供电功率可达数百千瓦以上，可以使用电力或者激光的办法给主缆1两端传输能量。光能电池帆板13的面积仅数平方米。

保护层18通常仅仅是0.01-0.1毫米厚，铝线19直径不到2毫米。如果是采用输电的办法输送能量，则保护层18通常采用铝、银等材料制造。

主缆1的横截面积要符合上述公式，符合这种公式时，是最节省材料和成本而又不被离心力拉断。安全系数k通常可以取0.5-0.8，前舱3、后舱4的质量不能够超过m的计算公式的结果值，否则主缆1会被离心力被拉断。提升绳2也要符合上述公式，其末端才能有足够的拉力拖动航天器10。主移位绳2通常无保护层，因此计算时d取0值。

地面火箭发射航天器10进入太空，到了前舱3处，航天器10被外移位绳11或主移位绳2的对接舱36的对接喷气发动机35捕获，转移到主移位绳2末端处。然后主移位绳2把航天器10往质心6处拖动，然后再抛出航天器10，在此过程中航天器10获得加速。对接舱36总质量一般少于30千克。

应用转缆加速器，进入太空成本得以降低很多，能够促进太空产业的商业化，促进太空产业进步。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。