一种滑轮组式火箭弹射发射方法及装置与流程

1.本发明实施例涉及航空航天技术领域，具体涉及一种滑轮组式火箭弹射发射方法及装置。


背景技术：

2.现有的火箭弹射方式主要是压缩空气弹射、燃气发射、蒸汽弹射、助推火箭弹射、电磁弹射等。由于由于运载火箭质量巨大，目前在用的弹射方式只有助推火箭一种。电磁弹射作为一种可行的技术方案目前仍处于技术开发阶段。
3.助推火箭的弹射方式存在性能极限，限制了运载火箭的运力提升。而运载火箭电磁弹射技术目前因电气设备功率限制等原因暂时无法进入实用阶段。


技术实现要素：

4.为此，本发明实施例提供一种滑轮组式火箭弹射发射方法及装置，以解决现有技术中助推火箭的弹射方式对运载火箭运力提升较低的问题。
5.为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
6.根据本发明实施例的第一方面，一种滑轮组式火箭弹射发射方法，其特征在于，所述滑轮组式火箭弹射发射方法包括以下步骤：
7.s1、采用绳索牵引，并于运载火箭发射架的一侧布置动滑轮组，将绳索的一端通过可控制分离的连接装置固定于运载火箭上，并将绳索的另一端通过动滑轮组与重物连接；
8.s2、分配动滑轮组包含的多个动滑轮，使动滑轮组沿竖直方向分为呈相对设置的上滑轮组和下滑轮组，并采用自外向内的绕线方式，将绳索远离运载火箭的一端依次绕在动滑轮组的动滑轮上，同时设动滑轮组的动滑轮数量为n，绕线数为n，则取n＝n+1；
9.s3、配备助力源，包括于动滑轮组的下方设置重物，将重物连接于下滑轮组的底端，通过重物受自重作用带动绳索牵引运载火箭沿竖直向上的方向预加速，同时设重物的质量为m，运载火箭的质量为m；
10.s4、数据模拟，包括设运载火箭的运动距离为s1，运动时间为t1，运动速度为v1，运动加速度为a1；
11.以及重物的运动距离为s2，运动时间为t2，运动速度为v2，运动加速度为a2；
12.基于忽略绳索、滑轮的重力和摩擦力的条件下，受力分析并取得：t1＝t2，s1＝ns2，v1＝nv2，a1＝na2；
[0013][0014]
另基于速度位移公式v2＝2as可得：
[0015][0016]
从而得出：
[0017]
进一步得出加速度公式：以及
[0018]
s5、数据代入，包括根据动滑轮的数量n，确定绕线数n，并根据运载火箭的质量m，按一定倍增比例确定重物的质量m，分别将绕线数n、运载火箭质量m以及重物质量m代入步骤s4的加速度公式并赋值，以分别确定运载火箭和重物的加速度；
[0019]
并再次基于速度位移公式v2＝2as，分别设定运载火箭和重物的运动距离并赋值，以分别确定运载火箭和重物的初速度；
[0020]
s6、根据步骤s5中加速度以及初速度的确定值，通过重物的自重使运载火箭加速运动，并在运载火箭达到初速度值后，解除运载火箭上的绳索，并点火发射。
[0021]
进一步地，所述滑轮组式火箭弹射发射方法还包括：所述动滑轮组的动滑轮数量为偶数，且上滑轮组的动滑轮数量与下滑轮组的动滑轮数量一致，另将上滑轮组和下滑轮组中的多个动滑轮分别通过连接杆连接，其中，所述上滑轮组的顶部通过悬挂的方式固定在建筑上，且下滑轮组的顶部通过悬挂的方式与绳索的末端连接。
[0022]
进一步地，所述滑轮组式火箭弹射发射方法还包括：所述绳索沿自下向上的方向，先绕过下滑轮组外侧的动滑轮，再绕过上滑轮组外侧的动滑轮，并依次绕绳，令绳索的末端绕过上滑轮组内侧的动滑轮后，向下延伸并连接在下滑轮组的顶部。
[0023]
进一步地，所述滑轮组式火箭弹射发射方法还包括：所述运载火箭与动滑轮组之间增设有导向静滑轮，所述导向静滑轮布置在下滑轮组的上方，且转动连接在建筑上，令绳索的端部先绕过导向静滑轮，再绕向下滑轮组的动滑轮。
[0024]
进一步地，所述滑轮组式火箭弹射发射方法还包括：在步骤s4中代入多组数据，根据多组数据确定的运载火箭和重物的初速度，选取有效范围的确定值，并反向确定动滑轮的数量n和重物质量m，再进行运载火箭的助力装配。
[0025]
进一步地，所述滑轮组式火箭弹射发射方法还包括：将重物选取为电磁推进的机车，并沿竖直方向搭建电磁轨道，令机车在电磁轨道上向下行驶，通过机车的自重和电磁推进力共同牵引运载火箭加速运动。
[0026]
进一步地，所述滑轮组式火箭弹射发射方法还包括：于运载火箭和重物之间布置刹车模块，将绳索的部分绳体接入刹车模块，令运载火箭上的绳索解除后，由刹车模块通过绳索对重物构成牵引，以重物在刹车模块的牵引作用下减速至停止。
[0027]
根据本发明实施例的第二方面，一种滑轮组式火箭弹射发射装置，采用本实施例所述的滑轮组式火箭弹射发射方法，包括发射架、绳索、动滑轮组以及重物，所述发射架的一侧设有供运载火箭发射的通道，所述动滑轮组通过悬挂的方式安装在发射架另一侧的顶部，所述绳索的一端连接于运载火箭，另一端连接于动滑轮组，所述重物连接在动滑轮组的底部，以所述重物在自重的作用下通过绳索牵引运载火箭预加速。
[0028]
进一步地，所述发射架的顶部安装有导向静滑轮，所述绳索远离运载火箭的端部依次绕过导向静滑轮和动滑轮组。
[0029]
本发明实施例具有如下优点：提供一种采用滑轮组弹射发射的方式，利用重物的
自重，将运载火箭通过牵引的方式，在火箭点火前预加速至一定的初速度，以实现节约火箭燃料进而提升火箭的有效载荷。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
[0031]
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
[0032]
图1为本发明实施例提供的一种滑轮组式火箭弹射发射方法的方案一的结构示意图；
[0033]
图2为本发明实施例提供的一种滑轮组式火箭弹射发射方法的方案二的结构示意图；
[0034]
图3为本发明实施例提供的一种滑轮组式火箭弹射发射方法的方案三的结构示意图。
[0035]
图中：1、绳索；2、动滑轮组；21、上滑轮组；22、下滑轮组；3、重物；4、导向静滑轮；5、运载火箭。
具体实施方式
[0036]
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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做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。
[0037]
本发明实施例提供了一种滑轮组式火箭弹射发射方法，包括以下步骤：
[0038]
s1、采用绳索1牵引，并于运载火箭5的发射架一侧布置动滑轮组2，将绳索1的一端通过可控制分离的连接装置固定于运载火箭5上，并将绳索1的另一端通过动滑轮组2与重物3连接；
[0039]
s2、分配动滑轮组2包含的多个动滑轮，使动滑轮组2沿竖直方向分为呈相对设置的上滑轮组21和下滑轮组22，并采用自外向内的绕线方式，将绳索1远离运载火箭5的一端依次绕在动滑轮组2的动滑轮上，同时设动滑轮组2的动滑轮数量为n，绕线数为n，则取n＝n+1；
[0040]
其中，动滑轮组2的动滑轮数量为偶数，且上滑轮组21的动滑轮数量与下滑轮组22的动滑轮数量一致，另将上滑轮组21和下滑轮组22中的多个动滑轮分别通过连接杆连接，并将上滑轮组21的顶部通过悬挂的方式固定在建筑上，且将下滑轮组22的顶部通过悬挂的方式与绳索1的末端连接。基于该布置方式，绳索1沿自下向上的方向，先绕过下滑轮22组外侧的动滑轮，再绕过上滑轮组21外侧的动滑轮，并依次绕绳，令绳索1的末端绕过上滑轮组
21内侧的动滑轮后，向下延伸并连接在下滑轮组22的顶部；
[0041]
优选的，在运载火箭5与动滑轮组2之间增设有导向静滑轮4，导向静滑轮4布置在下滑轮组22一侧的上方，且转动连接在建筑上，令绳索1的端部先绕过导向静滑轮4，再绕向下滑轮组22的动滑轮。
[0042]
s3、配备助力源，包括于动滑轮组2的下方设置重物3，将重物3连接于下滑轮组22的底端，通过重物3受自重作用带动绳索1牵引运载火箭5沿竖直向上的方向预加速，同时设重物3的质量为m，运载火箭5的质量为m；
[0043]
s4、数据模拟，包括设运载火箭5的运动距离为s1，运动时间为t1，运动速度为v1，运动加速度为a1；
[0044]
以及重物3的运动距离为s2，运动时间为t2，运动速度为v2，运动加速度为a2；
[0045]
基于忽略绳索1、滑轮的重力和摩擦力的条件下，受力分析并取得：t1＝t2，s1＝ns2，v1＝nv2，a1＝na2；
[0046][0047]
另基于速度位移公式v2＝2as可得：
[0048][0049]
从而得出：
[0050]
进一步得出加速度公式：以及
[0051]
s5、数据代入，包括根据动滑轮的数量n，确定绕线数n，并根据运载火箭5的质量m，按一定倍增比例确定重物3的质量m，分别将绕线数n、运载火箭5质量m以及重物3质量m代入步骤s4的加速度公式并赋值，以分别确定运载火箭5和重物3的加速度；
[0052]
并再次基于速度位移公式v2＝2as，分别设定运载火箭5和重物3的运动距离并赋值，以分别确定运载火箭5和重物3的初速度；
[0053]
s6、根据步骤s5中加速度以及初速度的确定值，通过重物3的自重使运载火箭5加速运动，并在运载火箭5达到初速度值后，解除运载火箭5上的绳索1，并点火发射；
[0054]
优选的，在步骤s4中可代入多组数据，且根据多组数据确定的运载火箭5和重物3的初速度后，选取有效范围的确定值，并反向确定动滑轮的数量n和重物3质量m，再进行运载火箭5的助力装配。
[0055]
其中，重物3可为重块或电磁推进的机车，当重物3选取为电磁或电力推进的机车后，搭建电磁轨道，令机车在电磁轨道上行驶，从而通过机车的自重和电磁或电力的推进力共同牵引运载火箭5加速运动。此方案对电磁弹射装置的电气设备没有功率限制，可以直接利用现有的电磁技术，并且该方案可避免在运载火箭5上安装电磁装置对运载火箭5造成增重。
[0056]
如上所述：
[0057]
一种优选的实施方式一：当n＝0时，即动滑轮数量为0，此时绳索1远离运载火箭5的一端绕过导向静滑轮4后，直接与重物3连接，利用重物3向下的重力为运载火箭5向上加
速，如图1所示，并受力分析可得：
[0058]
将n＝0代入公式可得：
[0059]
当m＝2m时，
[0060]
当m＝10m时，
[0061]
结论：随着重物3的质量逐步增加，运载火箭5的加速度a1只能无限接近于g。
[0062]
其中，若将重物3选为为电磁机车，设机车的牵引力为f，则：
[0063]
f+mg
‑
mg＝(m+m)a1；
[0064]
即a1＝(f+mg
‑
mg)/(m+m)；
[0065]
在不考虑机车质量的情况下，
[0066]
即m＝0，则
[0067]
此时，若f>mg则a1＞0；
[0068]
若f>10mg则a1＞9g；
[0069]
假设m＝m时；
[0070]
a1＝f/2m；
[0071]
此时，若f>mg，则a1＞g；
[0072]
若f>10mg则a1＞5g；
[0073]
即此实施例方案中，重物的质量m越小越好。
[0074]
一种优选的实施方式二：当n＝1时，即动滑轮数量为1，此时绳索1远离运载火箭5的一端绕过导向静滑轮4后，通过一个动滑轮与重物3连接，利用重物3向下的重力为运载火箭5向上加速，如图2所示。设运载火箭5的运动距离为s1，运动时间为t1，运动速度为v1，运动加速度为a1；
[0075]
以及重物3的运动距离为s2，运动时间为t2，运动速度为v2，运动加速度为a2；
[0076]
结合图2，并将n＝n+1＝2代入可得：t1＝t2，s1＝2s2，v1＝2v2，a1＝2a2；
[0077]
根据能量守恒定律可得：
[0078]
其中：
[0079]
mgs1表示运载火箭5的重力势能变化；
[0080]
mgs2表示重物3的重力势能变化，由于其重力势能减少，所以用负号；
[0081]
表示运载火箭5的动能变化；
[0082]
表示重物3的动能变化；
[0083]
代入s1＝2s2，v1＝2v2于上式，化简可得
[0084]
由公式v2＝2as可得:
[0085]
且
[0086]
当m＝2m时，a1＝0；
[0087]
当m＝10m时，
[0088]
当m＝20m时，
[0089]
当m＝100m时，
[0090]
对比方案一，方案二能够通过增加重物3的重量实现加速度突破1g，但是无法突破2g。
[0091]
假设s＝1000米，当a1＝1.5g时，由公式v2＝2as可得：
[0092][0093]
如果将重物3改为电磁机车，设机车牵引力为f，则：
[0094]
f+mg
‑
2(mg+ma1)＝ma2；
[0095]
代入a1＝2a2可得：f+mg
‑
2(mg+2ma2)＝ma2；
[0096]
简化得：f+(m
‑
2m)g＝(m+4m)a2；
[0097][0098]
当m＝2m时，
[0099]
与方案一相比，方案二的电磁加速效果略差。
[0100]
一种优选的实施方式三：采用一组动滑轮悬挂重物3，例如，如图3所示，设定动滑轮的数量为四个，即n＝n+1＝5时，此时绳索1远离运载火箭5的一端绕过导向静滑轮4后，通过一组动滑轮与重物3连接，利用重物3向下的重力为运载火箭5向上加速。
[0101]
设运载火箭5的运动距离为s1，运动时间为t1，运动速度为v1，运动加速度为a1；
[0102]
以及重物3的运动距离为s2，运动时间为t2，运动速度为v2，运动加速度为a2；
[0103]
结合图3，并将n＝n+1＝5代入可得：t1＝t2，s1＝5s2，v1＝5v2，a1＝5a2；
[0104]
则且
[0105]
当m2＝5m1时a1＝0。
[0106]
当m2＝10m1时
[0107]
当m2＝20m1时
[0108]
当m2＝100m1时
[0109]
对比方案二，方案三能够通过增加重物3的重量实现加速度突破了2g，但是无法突破5g。由此，我们可以得出结论，滑轮组的力矩放大倍数越大，则可以得到的加速度越大，但是需要的重物3质量也越重。
[0110]
如果将重物3选为电磁机车，设机车牵引力为f，则：
[0111]
f+mg
‑
5(mg+ma1)＝ma2；
[0112]
代入a1＝5a2可得：f+mg
‑
5(mg+5ma2)＝ma2；
[0113]
简化得：f+(m
‑
5m)g＝(m+25m)a2；
[0114][0115]
当m＝5m时，
[0116]
与方案一相比，方案三的电磁加速效果很差，由此，可得出结论，方案一更适合于电磁加速，方案三更适合于重力加速。
[0117]
另外，在方案三中，假设s1＝1000米，当a1＝1.67g时，由公式v2＝2as可得：
[0118]
假设s1＝4000米，当a1＝3.8g时，由公式v2＝2as可得：
[0119]
此处以“长征五号”为例，“长征五号”起飞重量约为643吨，近地轨道的运载能力能约25吨。火箭发射至近地轨道大约飞行时间为600秒。(引自百度)根据以上参数可以粗略推算出火箭的燃料重量约为600吨，按近地轨道发射飞行时间600秒计算，起飞后平均每秒钟消耗燃料约1吨。由第一宇宙速度为7.9km/s可求得火箭的平均加速度约为13.17m/s2。如果运载火箭5能够在点火前预加速到183m/s，大约相当于13.89吨燃料燃烧产生的速度，则运载火箭5可以少添加13.89吨燃料，而将有效载荷提高13.89吨，即有效载荷可以增加56％。如果运载火箭能够在点火前预加速到551m/s，则运载火箭5的有效载荷可提高约41.84吨，即有效载荷可以增加167％，因此本申请的滑轮组式火箭弹射发射方法对运载火箭5发射有着极大的实用价值。
[0120]
另一种优选的实施方式包括：于运载火箭5和重物3之间布置刹车模块，将绳索1的部分绳体接入刹车模块，令运载火箭5上的绳索1解除后，由刹车模块通过绳索1对重物3构成牵引，以重物3在刹车模块的牵引作用下减速至停止。
[0121]
另一种优选的实施方式包括：本发明实施例还提供了一种滑轮组式火箭弹射发射装置，参考图1基于本实施例的滑轮组式火箭弹射发射方法，包括发射架、绳索1、动滑轮组2以及重物3，发射架的一侧设有供运载火箭5发射的通道，动滑轮组2通过悬挂的方式安装在发射架另一侧的顶部，绳索1的一端连接于运载火箭5，另一端连接于动滑轮组2，重物3连接在动滑轮组2的底部，以使重物3在自重的作用下通过绳索1牵引运载火箭5预加速。另外为了确保绳索1牵引的稳定性，在发射架的顶部安装有导向静滑轮4，将绳索1远离运载火箭5的端部依次绕过导向静滑轮4和动滑轮组2，并可在运载火箭5的两侧分别设置一组滑轮组式火箭弹射发射装置。其中，应选择地质稳定，相对高度较高的山体作为发射架本体，或建设一座高度达到上千米的发射架(可借助现有的高山或峡谷)。
[0122]
优选的，本实施例的装置调整安装角度后，以弹簧或电机牵引，可弹射飞机，且飞
机在自身发动机推力和牵引力的共同作用下将缩短滑跑距离，提升起飞载荷，节约飞机燃油，延长飞行时间。
[0123]
本发明实施例采用滑轮组弹射发射的方式，利用重物3的自重，将运载火箭5通过牵引的方式，在火箭点火前预加速至一定的初速度，以实现节约火箭燃料进而提升火箭的有效载荷，且本实施例的方案也可作为航母或山洞机库的飞机弹射技术方案。
[0124]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。