一种可重复使用的水上起降航天发射运载载具和使用方法与流程

本发明涉及航空航天，具体涉及一种可重复使用的水上起降航天发射运载载具和使用方法。

背景技术：

1、为有效降低航天发射成本，人类进行了大量科学探索与实践，并在部分方向取得了较为显著的成效。现有技术中已经取得成效的方式主要有两类：一是利用大型飞机挂载运载火箭在万米高空发射；二是将液体燃料运载火箭的助推级、芯一级回收重复利用。

2、采用大型飞机挂载运载火箭在万米高空发射的方案，利用飞机相对低的飞行成本，赋予运载火箭一定的初速和高度，在相同的发射质量前提下，实现更大的有效载荷，进而达到降低成本的目的。如维珍轨道公司利用改造后的波音747-400飞机挂载“launcherone”两级液体燃料运载火箭，以约29t的发射质量，将500kg载荷送入近地轨道，而相同运载能力的液体燃料运载火箭从地面发射，起飞质量往往要超过50t。机载发射可以将火箭带到低纬度地区，利用地球自转线速度结合飞机飞行速度，使相同发射质量火箭的有效载荷运载能力提升，且由于火箭多在同温层发射，发射时机不受天气影响，当飞机飞到公海上空发射火箭，火箭一级可坠入海洋，减少了安全区选择的压力，火箭射向选择更为自由。但是由于飞机的运载能力，及挂载空间的限制，空中发射往往只适用于发射质量在数十吨以内的火箭，有效载荷限制在数百千克，实际发射单位质量成本并未有显著降低。此外，为了在空中发射更大质量的火箭，飞机需要制造的更大，能够适于此类大飞机起降的机场也成为制约其发展和使用的约束条件。

3、采用将液体燃料运载火箭的助推级、芯一级的回收重复利用的方式，因液体燃料运载火箭的助推级、芯一级的成本往往占到火箭总发射成本的60％以上，液体燃料仅占发射成本的1％不到，如能实现液体燃料运载火箭助推级、芯一级的回收再次使用，则将显著降低总体发射成本。spacex公司利用火箭垂直受控着陆技术在猎鹰9、重型猎鹰上分别实现芯一级、助推级及芯一级的回收，并在星舰上实现全级回收，结合整流罩的回收重复使用，可将单位质量有效载荷发射成本降低至传统火箭发射报价的20％-40％，具有极为可观的应用前景，也被世界各国跟踪模仿。然而，spacex公司所采用的技术途径也存在如下不足：一是无论猎鹰、重型猎鹰还是星舰，都必须有专用的发射场和发射塔架，为了便于陆上回收助推级及海上回收芯一级，还需要建设专用陆上回收场坪、海上回收平台；发射场地、发射塔架、回收场及海上回收平台的修建带来了额外建设、维护、保障等费用。二是发射场和发射塔架位置一旦确定，其所适合发射飞行器运行的轨道倾角也就确定，要满足发射顺行轨道、太阳同步轨道、极轨、地球静止同步轨道等不同任务的需求，要么投入大量资金在不同纬度建设多个发射场，根据任务需要选择不同发射场执行发射任务，要么就以付出更大运力、牺牲上面级变轨能力等为代价，难以针对不同发射任务匹配最优化的运载弹道。三是助推器、芯一级垂直回收需要姿态直接力控制系统、发动机动力输出精确控制，对控制系统设计、实现的技术难度大，工程可靠性要求高，带来了控制系统成本增高，且对回收过程的海情、风场环境也有较为严格的约束。四是载荷与火箭串联(并联)垂直装载发射的方式，有效载荷的重力全部作用于箭体在垂直方向有限尺寸的结构承力面积上，应力过于集中，随着有效载荷的增大，为确保结构强度需大幅增加火箭的机构质量，造成运载系数下降；五是火箭在垂直起降过程中发动机尾焰及其触地反向喷流对场坪、箭体造成高温高速冲刷、烧蚀，增加了场坪、箭体降温防护设计以及事后维护维修费用。

4、我国要成为世界科技强国和航天强国，在航天发射领域对标世界最前沿实现赶超，依靠跟踪研仿行不通，摆脱不了跟着别人后面跑的局面，必须另辟蹊径，寻求颠覆传统的概念创新，走差异化的发展路线，实现后来者居上。

5、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在于加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明提供一种可重复使用的水上起降航天发射运载载具和使用方法，能够负载飞船、空天往返飞行器、其他运载火箭或飞行器等载荷飞离地表并加速到预定飞行速度及飞行高度后与载荷分离，自主返航在水上水平降落，目的是解决现有技术中航天发射成本高，有效载荷上限难以提高的问题。

2、一种可重复使用的水上起降航天发射运载载具，包括箭体、翼面、尾翼、推进发动机、姿控发动机、浮筒、安装支架、减速伞释放装置；

3、箭体采用尖头柱状体外形，依靠自身体积产生的排水量浮于水面；箭体内设置有燃烧剂、氧化剂以及导航、控制、能源供给等设备；

4、翼面成对安装在箭体两侧；浮筒对称挂载在两侧翼面下方，浮筒为中空结构，与运载载具的控制系统连接，按照指令执行解锁动作，与运载载具受控分离；

5、尾翼成对安装在箭体的尾部两侧，尾翼上安装有绕翼面旋转的舵面，舵面用于运载载具的姿态与飞行方向控制；

6、箭体末端安装有推进发动机，推进发动机为一组火箭发动机和/或航空发动机；箭体头部或尾部对称设置有一组姿控发动机；

7、安装支架沿轴向设置在箭体上侧，用于固定所运输的载荷，与运载载具的控制系统连接，按照指令执行解锁动作，释放所运输的载荷；

8、减速伞释放装置安装在箭体上侧，减速伞释放装置内收纳有减速伞，与运载载具的控制系统连接，根据指令释放出减速伞对运载载具进行减速。

9、进一步地，翼面有两片，成对安装在箭体两侧中部。

10、进一步地，浮筒有两个，对称挂载在两片翼面靠近翼梢侧。

11、进一步地，浮筒为中空结构，采用两端尖形中部圆柱状的对称外形，能够排开水产生浮力，并与箭体产生浮力一并使运载载具与载荷能够浮于水面。

12、进一步地，尾翼有两片，采用后掠翼，以倾斜的v字形成对安装在箭体的尾部两侧。

13、进一步地，姿控发动机为一组小型火箭发动机，通过高速喷射化学反应产物产生的反作用力作用于箭体形成改变运载载具姿态及飞行速度方向的力矩。

14、进一步地，支架有两个以上，沿轴向设置安装在箭体上侧。

15、基于相同的技术构思，本发明同时提出一种可重复使用的水上起降航天发射运载载具使用方法，包括以下步骤：

16、s1、将需要由水上起降航天发射运载载具发射的载荷与安装支架连接固定，依靠拖船整体转移至所需发射纬度水域，并完成射向水平对准；

17、s2、推进发动机点火驱动运载载具在水面高速前进，同时舵面偏转产生使运载载具抬头的力矩，箭体和翼面在高速气流作用下，产生使运载载具离开水面的升力；

18、s3、增大推进发动机推力提升运载载具飞行速度的同时，通过舵面偏转或姿控发动机喷射反应物形成对箭体的力矩，增大运载载具的俯仰角、攻角，直至箭体以接近垂直的角度高速飞向天空，运载载具主动释放浮筒以减小飞行阻力；

19、s4、运载载具在推进发动机的驱动下不断加速到预定飞行速度及飞行高度后，安装支架执行解锁动作与载荷分离，载荷在其自带的动力系统驱动下按设定程序飞行，运输载具在大俯仰角状态关停推进发动机，并在无动力状态依靠惯性飞行达到最高点后转为自由落体运动；

20、s5、运载载具在自由落体过程中，间歇启动推进发动机反推减小下坠速度；

21、s6、在运载载具进入稠密大气层后，通过姿控发动机结合舵面动作，减小运载载具的俯仰角、偏航角及攻角，同时推进发动机逐步熄火，依靠惯性、飞行攻角、翼面升力滑行/盘旋减速，不断降低飞行高度；

22、s7、当运载载具接近水面且飞行速度降至预定范围后，减速伞释放装置弹出减速伞，运载载具在减速伞作用下快速减速并平稳停泊在水面上，完成发射及回收流程。

23、本发明所取得的有益技术效果是：

24、本发明所述技术方案能够负载飞船、空天飞行器、其他运载火箭或飞行器等载荷飞离地表并加速到预定飞行速度及飞行高度后与载荷分离，自主返航水平水上降落。发射、回收无需专用地面或海面发射/回收场、发射塔架等支持、保障设施需求，能够根据轨道倾角从能量优化角度合理就近选择发射、回收位置，回收控制系统实现相对简单可靠。承载能力大、有效载荷对火箭箭体应力集中度低，发射使用成本低。与现有技术中利用大型飞机挂载运载火箭在万米高空发射的方式相比，运载能力大幅提高，可以在空中发射更大质量的火箭，有效载荷上限随之提高；与将液体燃料运载火箭的助推级、芯一级垂直起降回收重复利用的方案相比，利用水上起降航天发射运载载具替代助推级和芯一级的大部分功能，对支持、保障设施的需求大幅降低，可靠性提高，解决了现有技术航天发射成本高，有效载荷上限难以提高的问题，具有突出的实质性特点和显著的进步。

25、本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中特别指出的结构来实现和获得。