双线电力快缆系统的制作方法

本发明涉及航天领域，是一种双线电力快缆系统，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100-500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的加速能力要求，降低发射成本，促进航天产业的发展。

双线电力快缆系统运行于太空，绕地球公转，公转周期小于24小时；由两根快缆、上配重、太阳能电池板、空间站、直线加速器等组成；在公转过程中快缆垂直于地面，下端在公转平面内前后摆动；平衡点、下端、上端处分别有用于调整轨道的离子发动机；设地球质量是M，引力常数是G，太空双线快缆系统公转的角速度是w，则地心距是处称为平衡点，快缆在平衡点处的截面积最大，越远离平衡点其截面积越小，下端、上端处的截面积最小；太阳能电池板、空间站、直线加速器安排在平衡点处，太阳能电池板通过旋转接头与空间站连接。

快缆是由高强度纤维制造而成，横截面是圆形，外层有金属层，并且利用金属层输送电力。

快缆每隔一定距离有一个卷扬机，卷扬机用于提升、放下引导线以及提升绳；引导线的长度足以够到下一个卷扬机处；提升绳的长度足以够到下一根提升绳的卷扬机处，并且提升绳的长度足以跨越数根引导线；引导线和提升绳的下端有L形支架和滑轮，引导线的滑轮扣在快缆上、沿快缆上下，提升绳滑轮扣在引导线上，沿引导线上下；卷扬机处有断路器，以控制金属层的电力输送。

其中一根快缆上有用于隔离两根快缆的横管，横管固定在这根快缆上，并且有拉线绑定在这根快缆上；横管另外一头有扣环扣在另外一根快缆上，并且扣环允许另外一根快缆上下自由移动。

其中一根快缆的下端处有一个调节卷扬机，该调节卷扬机用于卷起这根快缆，使得两根快缆的长度一致。

快缆下端的下面有提升绳和相应的卷扬机；该处提升绳没有滑轮，而是有对接火箭；对接火箭的喷口向外侧倾斜; 对接火箭有线盘，线盘可以放出对接线，对接线与提升绳连接。

平衡点处有直线加速器，用于加速航天器；直线加速器是由加速卷扬机、牵引绳、桁架滑轨组成；航天器在桁架滑轨上由牵引绳带动、加速，牵引绳由加速卷扬机驱动。

快缆自下端到上端的截面积，都是连续变化的，把快缆分为数段，每段的下端的截面积等于下一段的上端的截面积；设每段的提升绳、引导线、金属层、横管等的总质量除以该段的长度，得出结果是该段的平均的单位长度附加质量n；设快缆材料的密度是ρ、比强度(也就是抗拉强度除以密度)是ε，平衡点以下的快缆的每段的上端的地心距是r、截面积是，段内离上端的距离是x处的截面积S(x)遵守下面公式

；

平衡点以上的快缆，每段的下端的截面积是、地心距是R，段内离下端的距离是y处的截面积遵守下面公式

其中Exp[ ]表示自然对数的乘方运算。

快缆的建设办法是：把快缆卷起，发射到平衡点处的太空轨道，然后利用上端的离子发动机往后方拉动快缆上端，同时利用下端的离子发动机往前方拉动下端，使之伸展开来；然后利用上端的离子发动机往前上方拉动上端，同时利用下端的离子发动机往后下方拉动下端，直至快缆1上下垂直；然后利用下端的离子发动机往复施加推力，使得下端摆动，同样利用上端的离子发动机使得上端摆动。

运载火箭的头部也有对接火箭；对接火箭的喷口向外侧倾斜，有线盘，线盘可以放出对接线，对接线与运载火箭连接；运载火箭接近快缆下端提升绳下面时，两者的对接火箭点火、相向运动、对接在一起。

应用本技术，航天器发射时其运载火箭只需要把航天器加速到1-4km/s就能够顺利进入太空，能够大大降低火箭质量、降低成本。

附图说明

图1是双线电力快缆系统的结构示意图。

图2是快缆及其金属层的截面的示意图。

图3是双线电力快缆系统绕地球公转的示意图。

图4是卷扬机、提升绳、引导线、横管、滑轮、L形支架的示意图。

图5是引导线、滑轮的立体示意图。

图6是横管、拉线、扣环的示意图。

图7是卷扬机、断路器、金属层的示意图。

图8是快缆下端的调节卷扬机、提升绳、提升绳的卷扬机、提升绳吊起航天器的示意图。

图9是快缆下端的提升绳下端的对接火箭、喷口、对接线、线盘的示意图。

图10是运载火箭的对接火箭、喷口、对接线、线盘的示意图。

图11是快缆下端的提升绳下端的对接火箭，与运载火箭的对接火箭，相向运动、对接在一起的示意图。

图12是平衡点处的空间站、太阳能电池板、旋转接头、桁架导轨、加速卷扬机的示意图。

图13是双线电力快缆系统发射到平衡点后，利用离子发动机拉出快缆上端、下端的示意图。

图14是利用离子发动机往上拉动上端、往下拉动下端，然后使之摆动的示意图。

附图标记说明

1，快缆。2，平衡点。3，下端。4，上端。5，横管。6，拉线。7，空间站。8，直线加速器。9，太阳能电池板。11，提升绳。12，引导线。13，扣环。14，卷扬机。15，航天器。16，上配重。17，调节卷扬机。19，滑轮。20，L形支架。21，金属层。22，断路器。24，加速卷扬机。25，牵引绳。26，桁架滑轨。27，旋转接头。29，对接火箭。30，喷口。32，运载火箭。33，对接线。34，线盘。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

双线电力快缆系统运行于太空，绕地球公转，公转周期小于24小时；由两根快缆1、上配重16、太阳能电池板9、空间站7、直线加速器8等组成；在公转过程中快缆1垂直于地面，下端3在公转平面内前后摆动；平衡点2、下端3、上端4处分别有用于调整轨道的离子发动机；设地球质量是M，引力常数是G，太空双线快缆系统公转的角速度是w，则地心距是处称为平衡点2，快缆1在平衡点2处的截面积最大，越远离平衡点2其截面积越小，下端3、上端4处的截面积最小；太阳能电池板9、空间站7、直线加速器8安排在平衡点2处，太阳能电池板9通过旋转接头27与空间站7连接。

快缆1是由高强度纤维制造而成，横截面是圆形，外层有金属层21，并且利用金属层21输送电力。

快缆1每隔一定距离有一个卷扬机14，卷扬机14用于提升、放下引导线12以及提升绳11；引导线12的长度足以够到下一个卷扬机14处；提升绳11的长度足以够到下一根提升绳11的卷扬机14处，并且提升绳11的长度足以跨越数根引导线12；引导线12和提升绳11的下端有L形支架20和滑轮19，引导线12的滑轮19扣在快缆1上、沿快缆1上下，提升绳11滑轮19扣在引导线12上，沿引导线12上下；卷扬机14处有断路器22，以控制金属层21的电力输送。

其中一根快缆1上有用于隔离两根快缆1的横管5，横管5固定在这根快缆1上，并且有拉线6绑定在这根快缆1上；横管5另外一头有扣环13扣在另外一根快缆1上，并且扣环13允许另外一根快缆1上下自由移动。

其中一根快缆1的下端3处有一个调节卷扬机17，该调节卷扬机17用于卷起这根快缆1，使得两根快缆1的长度一致。

快缆1下端3的下面有提升绳11和相应的卷扬机14；该处提升绳11没有滑轮19，而是有对接火箭29；对接火箭29的喷口30向外侧倾斜; 对接火箭29有线盘34，线盘34可以放出对接线33，对接线33与提升绳11连接。

平衡点2处有直线加速器8，用于加速航天器15；直线加速器8是由加速卷扬机24、牵引绳25、桁架滑轨26组成；航天器15在桁架滑轨26上由牵引绳25带动、加速，牵引绳25由加速卷扬机24驱动。

快缆自下端3到上端4的截面积，都是连续变化的，把快缆1分为数段，每段的下端的截面积等于下一段的上端的截面积；设每段的提升绳11、引导线12、金属层21、横管5等的总质量除以该段的长度，得出结果是该段的平均的单位长度附加质量n；设快缆1材料的密度是ρ、比强度(也就是抗拉强度除以密度)是ε，平衡点2以下的快缆的每段的上端的地心距是r、截面积是，段内离上端的距离是x处的截面积S(x)遵守下面公式

；

平衡点2以上的快缆，每段的下端的截面积是、地心距是R，段内离下端的距离是y处的截面积遵守下面公式

其中Exp[ ]表示自然对数的乘方运算。

快缆1的建设办法是：把快缆1卷起，发射到平衡点2处的太空轨道，然后利用上端4的离子发动机往后方拉动快缆1上端4，同时利用下端3的离子发动机往前方拉动下端3，使之伸展开来；然后利用上端4的离子发动机往前上方拉动上端4，同时利用下端3的离子发动机往后下方拉动下端3，直至快缆1上下垂直；然后利用下端3的离子发动机往复施加推力，使得下端3摆动，同样利用上端4的离子发动机使得上端4摆动。

运载火箭32的头部也有对接火箭29；对接火箭29的喷口30向外侧倾斜，有线盘34，线盘34可以放出对接线33，对接线33与运载火箭32连接；运载火箭32接近快缆1下端3提升绳11下面时，两者的对接火箭29点火、相向运动、对接在一起。

快缆1的长度可达3000-20000公里，公转周期是3-8小时，在公转过程中下端3是前后摆动的。快缆1的截面积在平衡点处是数平方厘米，在下端3和上端4是数平方毫米，重量可达数十吨到三百吨。两根快缆1的间距 也就是横管5的长度是10-30厘米。每隔数米就有一根横管5，是空心细管,外径是1毫米左右，使用轻质绝缘材料。地心距是处，地球引力与公转离心力抵消，此处称为平衡点2。

快缆1的截面积，自平衡点2到上端4、下端3，都是连续变化的，一般地是先估算好平衡点2处的截面积，再按照上述公式，分段依次循环推算上端4、下端3的截面积。快缆1、提升绳11、引导线12都是使用轻质高强度纤维制成。扣环13允许所扣的快缆1上下自由移动，而不是扣紧这根快缆1。

金属层21的厚度是0.05-0.2毫米，一般是由铝、银、铜等金属材料制成，以保护快缆1、避免太阳光照射，同时输送电力，输送电压可达数十万伏，输送功率可达100千瓦以上。

引导线12的截面积是0.1平方毫米的量级，长度是30-70公里，其卷扬机14的功率是数百瓦到数千瓦。提升绳11的作用是吊着航天器15上下运动，其截面积是数平方毫米，长度是200-400公里，能够跨越数根引导线12，其卷扬机14的功率是数十千瓦以上。提升绳11上下移动时，下端的滑轮19扣在引导线12上，以免提升绳11上的航天器15偏离快缆1。引导线12到了下一个卷扬机14处后，将被固定在该卷扬机14处。滑轮19的直径为几厘米。

平衡点2处的太阳能帆板9的供电功率可达600-3000千瓦，并且有超级电容电池，以储存电力。旋转接头33可以使得太阳能帆板9始终正对太阳、获得更多电力。离子发动机，是航天中的一种利用电力加速离子、形成喷射流，从而获得推力的发动机，平衡点2、下端3、上端4的离子发动机功率可达50千瓦以上，推力可达30牛顿以上。

快缆1下端3的提升绳11的对接火箭29，与运载火箭32的对接火箭29，相向运动、加速，对接在一起。两个对接火箭29的对接线33长数十米到数百米，分别连接快缆1下端3的提升绳11和运载火箭32。通过这种办法，运载火箭32内的航天器15被转移到快缆1下端3的提升绳11，由提升绳11逐级往上提升。喷口30向外侧倾斜，以免火箭尾焰烧伤对接线33。

在绕地球公转过程中，快缆1的下端3前后摆动，但是快缆1主体上还是垂直于地面。

通过上述双线电力快缆系统，航天发射成本得以大幅降低，能够极大促进航天事业发展。