专利名称:运载火箭地球引力回转助推发射法的制作方法
运载火箭地球引力回转助推发射法是一种利用运载火箭本身的重力——地球对火箭的吸引力来发射或帮助发射火箭的新型火箭发射法，此法先利用运载火箭之外的能源和动力将火箭提升到离地面一定的高度，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冲，到达设定高度获得一定速度后使其改变方向回转向上飞离地面，以后再靠惯性和本身动力继续飞行，利用此法发射火箭，有可能减少或大大减少火箭本身的质量和推进剂的消耗、降低发动机功率、增大相对有效载荷，从而降低发射成本，也有可能增加发射频度和发射成功率。
迄今为止，人们发射火箭，都是将火箭的头朝上，尾朝下，利用放置在火箭尾部的火箭发动机的推力将火箭推上天空，这种发射方式，整枚火箭的重力均成为火箭发动机的负荷，火箭发动机的推力必需大于火箭的重力才能将火箭发射升空，由于火箭发动机消耗的大量推进剂——燃烧剂和氧化剂需贮存在火箭体内，它们占据了火箭总质量中的极大部分，真正需要发射升空的有效载荷相对很小，故用这种方式发射火箭，发射成本很高。
众所周知，物体的重力，即地球对物体的吸引力，也是一种可使物体作加速运动的力，不过它的作用方向是使物体向下运动(落向地面)，可不可以利用这种使物体(如火箭)向下运动的力来加速火箭，使它产生一定的速度获得一定的动能之后，再使它改变方向回转向上作离开地面的运动呢？如果可以的话，我们便可以将火箭重力——发射火箭时的负荷力转变为使火箭向上运动的“推力”，意味着我们可以利用火箭的重力来发射或帮助发射火箭，这一诱人的推论是否有可能实现呢？利用物体的重力使物体获得向上的运动速度朝离开地面的方向运动是有可能的，人们在日常生活的许多场合早已经这样做了，下面这些例子人们必定十分熟悉摆钟的钟摆在重力作用下可由一端高处摆至另一端高处；荡秋千，在人体重力作用下，可使秋千由一端高处荡至另一端高处；汽车司机下坡时关掉油门利用汽车的重力向下滑行，可使汽车轻易地冲上下一个山坡；现代化大型游乐场中的疯狂过山车，利用过山车的重力向下俯冲时产生的巨大冲力，可使它绕垂直于地面的螺旋轨道连续回转好几圈。
以上几则例子表明，利用火箭的重力来发射或帮助发射火箭是有可能的，并非痴心妄想，本专利尝试探讨这一可能具有重要意义的课题。
利用星球的引力来加速运载火箭和航天器并非什么新技术，早已在人类的航天实践中得到应用，例如
美国1972年3月2日发射的先驱者10号探测器，利用了木星的引力飞向土星，又借助土星的引力飞越冥王星轨道，向太阳系之外的宇宙深空飞去；美国1997年10月15日发射的卡西尼土星探测器，为了节约推进剂，它绕错综复杂的金星——金星——地球——木星轨道飞行，多次借助这些星球的引力来加速，然后再飞向土星。
本专利探讨的利用地球引力来发射或帮助发射火箭的方法，虽然也利用星球(地球)的引力来加速，但具体目的和原理与上述星球引力助推加速法不同，本法的具体目的是将原来在星球上的火箭“推”离星球，使用的是“外力提升回转法”；星球引力助推加速法则是利用朝星球方向飞行的航天器和星球的引力场发生“弹性碰撞”的方法来增加航天器的速度和改变它的飞行方向，不过二者最终目的相同，都是为了降低燃料消耗和发射成本。
本专利的目的是，提出一个利用运载火箭本身的重力——地球对运载火箭的吸引力来发射或帮助发射火箭的技术构想，探讨利用运载火箭本身的重力发射和帮助发射火箭的原理、效益和具体实现方法，供火箭科研和工程技术人员及感兴趣人士参考。
下面我们结合
图1～图10来作祥细描述图1运载火箭地球引力回转助推发射法工作原理图(一)；图2运载火箭地球引力回转助推发射法工作原理图(二)；图3运载火箭地球引力地面轨道回转助推发射场构造示意图；
图4运载火箭地球引力地下隧道回转助推发射场构造示意图；图5运载火箭地球引力水下管道回转助推发射场构造示意图；图6运载火箭地球引力空投——地下隧道回转助推发射场构造示意图；图7运载火箭地球引力垂直螺旋轨道回旋助推发射场构造示意图；图8运载火箭地球引力垂直圆周轨道回旋助推发射场构造示意图；图9运载火箭空投——空中自回转地球引力助推发射法发射过程示意图；图10运载火箭通天塔地球引力管道回转助推发射场构造示意图；运载火箭地球引力回转助推发射法基本工作原理如图1、图2所示，图1为单纯利用运载火箭本身重力来加速的情形；图2为既利用运载火箭本身重力又利用其它非重力推力——本身发动机推力、助推器推力、轨道车推力、轨道推力(如磁力、压缩空气推力等)来加速的情形，图中A——火箭；C——轨道(其中C1——下降段；C2——回转段；C3——上升段)；d——火箭升空点(火箭垂直或倾斜向上升空的开始点)；Pd——火箭升空平面；Ho——火箭重力(地球引力)助推落差；Vo、Vo′——火箭理论和火箭实际升空初速(考虑和不考虑下降和回转段轨道摩擦和空气阻力情形下火箭开始升空时的速度)；hf(vo)max——初速为Vo时不考虑空气阻力时火箭自由上升达到的最大高度；h′f(vo)max——初速为Vo时考虑空气阻力时火箭实际自由上升可达到的最大高度；hf(vo′)max——初速为Vo′时不考虑空气阻力时火箭实际自由上升达到的最大高度；h′f(vo′)max——初速为vo′时考虑空气阻力时火箭实际自由上升达到的最大高度。
采用地球引力回转助推发射法发射火箭，需事先利用运载火箭之外的能源和动力将火箭A提升至离升空平面Pd之上Ho的高度，并假定A不能或不宜在此处用常规发射方法发射，发射时，将A置于C1起点，然后令它在自身重力(图1)或自身重力和其它非重力推力一起(图2)作用下沿C1向下加速运动，获得一定的速度后沿回转段C2回转向上，在升空点d处升入空中，轨道上升段C3的用途有二一起A的导向作用；一用来回收第一级火箭、火箭助推器和盛载火箭的轨道车B(假定火箭后级或火箭在上升点d处与这几部分分离)。
火箭理论升空初速Vo可用以下方法进行近似计算设火箭A(如有助推器包括助推器)的质量为MA；轨道车B的质量为MB；下降段C1的长度为Sc1；C1与垂直线的夹角为α(为简单起见，我们这里假定轨道C1为直线，实际上可为曲线)；沿C1向下方向作用于A、B的非重力推力为Ff(Ff可为常力，也可为变力，这里为简单起见，我们假定Ff为常力)，可得
A、B的总质量M＝MA+MB…………………………………(1)(当Ff不消耗A、B上的燃料时，M为常量；当Ff消耗A或B上的燃料时，M为变量，下面为讨论简单起见，我们这里假定M为常量。)A、B的总重力P＝Mg＝(MA+MB)g………………………………(2)其中g为重力加速度，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的长度Sc1=Hocosα---------(4)]]>作用于A、B，沿C1向下方向的总作用力F′＝P′+Ff＝(MA+MB)gcosα+Ff…………………(5)由牛顿第二定律公式f＝ma，可得a=fm-----(6)]]>将(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)]]>由匀加速运动速度和路程公式V＝at…………………………………(8)S=12at2------(9)]]>可得V=2as------(10)]]>将(7)式a′、(4)式Sc1代替(10)式中的a、s，可得A、B运行至Sc1末端时的末速度Vsc1=2a′Sc1]]>=2(gcosα+FfMA+MB)Hocosα]]>=2(g+Ff(MA+MB)cosα)Ho--------(11)]]>令af↓=Ff(MA+MB)cosα------(12)]]>为非重力推力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)为A、B等效垂直向下总加速度，代入(13)式，有Vsc1=2a↓Ho------(15)]]>对图1情形，因无非重力推力作用于A、B，Ff＝0，有af↓＝0、a↓＝g，故有Vsc1=2gHo------(16)]]>(16)、(15)二式，即图1、图2二种情形下，不考虑轨道C1摩擦阻力和空气阻力情形下，A、B运行至轨道下降段C1末端时的速度。由于回转段C2只改变A、B的速度方向，不改变速度的数值，故在不考虑C2引起的速度损失的情形下，可认为数值上火箭A的理论升空初速Vo＝Vsc1，即，对图1，有Vo=2gHo------(17)]]>对图2，有Vo=2a↓Ho------(18)]]>公式(17)、(18)未考虑在轨道回转段C2存在非重力推力加速情形(在回转段的下降和上升部分，因重力加速和重力减速可以相互抵消，故可不予考虑。)，如果在回转段C2也利用非重力推力来加速，火箭A的升空初速Vo显然将大于(17)、(18)二式的计算值，计算方法这里不作讨论，但实际设计时需考虑在内。
令(14)式等效垂直向下总加速度a↓＝g+af↓＝βg…………………………………(19)其中β=1+af↓g------(20)]]>为重力加速度倍数。
将(19)式代入(18)式，得Vo一般形式表一Vo～Ho、β对应关系数据表 Vo=2βgHo-------(21)]]>如β＝1，(即无非重力推力作用于A、B时)，(21)式即转化为(17)式。
表一列出Vo与Ho和β(＝1～5)之间的一些对应关系数据，供设计参考。
令火箭A在升空点d处与其第一级或与其助推器或与盛载它的轨道车B分离，此时A便以初速Vo向上运动，假如不考虑A向上运动时的空气阻力，A发动机不点火时A自由上升可达到的最大高度为hf(vo)max，hf(vo)max的值可由匀减速运动速度公式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时，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，对图1情形，因β＝1，代入(24)式，有
hf(vo)max＝Ho对图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与Vo之间的一些对应关系数据，供设计参考。
由于空气阻力是客观存在的，故A实际自由上升可达到的最大高度h′f(vo)max＜hf(vo)maxh′f(vo)max比hf(vo)max少多少，取决于火箭A的空气动力学性能和A的速度。
如A沿C1、C2下降和回转时，轨道摩擦和空气阻力引起的速度损失不能忽略，则A在升空点d处的实际升空初速Vo′＜Vo，在图1、图2中，分别用hf(vo′)max和h′f(vo′)max来表示此时A可自由上升达到的理论最大高度和实际最大高度，显然有hf(vo′)max＜hf(vo)max和h′f(vo′)max＜h′f(vo)max下面我们来粗略地估算一下，采用地球引力回转助推法与采用传统垂直发射法相比，火箭质量可以减少多少？相对有效载荷可以增加多少？为了进行比较，我们假设有二枚火箭A′和A″，前者用垂直表二hf(vo)max～Vo对应关系数据表
发射法、后者用地球引力回转助推发射法发射，二者初始质量分别为mo′和mo″；二者瞬时质量为m′和m″；二者发动机熄火时的质量相同mn′＝mn″＝mn(这里我们将发动机熄火时的质量视为火箭的有效质量)；末速相同Vn′＝Vn″＝Vn；火箭发动机的喷气速度也相同C′＝C″＝C；A′的起飞速度为0，A″的起飞速度为Vo。
为简化计算，我们假设A＇、A″离地升空后沿垂直于地面的轨道飞行，飞行时间分别为t＇、t″。
火箭发动机熄火时的末速Vn′、Vn″可按存在重力场和空气阻力情形下的齐奥科夫斯基公式来计算Vn′=Vn=CInmo′mn-gt′∫ot′D′m′dt--------(25)]]>Vn′′=Vn=CInmo′′mn-gt′′∫ot′′D′′m′′dt+Vo-------(26)]]>(25)、(26)式中等号右边第一项为理想情形下按齐奥科夫斯基公式计算的特征速度；第二项为重力损耗引起的速度损失；第三项为空气阻力D′、D″引起的速度损失；第四项为A″的初速。
由于A′、A″差别不是很大，为简化计算，我们假设，二枚火箭的重力耗损和空气阻力损耗引起的速度损失近似相同，即有gt′+∫ot′D′m′dt≈gt′′+∫ot′′D′′m′′dt]]>我们令gt′+∫ot′D′m′dt=gt′′+∫ot′′D′′m′′dt=K---(27)]]>(由于A″，质量小于A′的质量、A″的运动速度大于A′、有t″＜t′，这种简化导致计算结果偏坏，实际效果会更好一些)(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′初始质量比mo′′mo′=e-Voc-----(31)]]>火箭A′、A″的相对有效载荷N′、N″分别为A′、A″的有效载荷mn′＝mn，mn″＝mn与它们的初始质量mo′、mo″之比，故由(30)式可得A″、A′相对有效载荷比N′′N′=eVoc-----(32)]]>由(31)、(32)二式计算得到的一些A″、A′质量比 和相对有效载荷比
与
的对应关系数据示于表三。
由(31)、(32)二式和表三可知，Vo愈大、
愈大，发射表三
对应关系数据表 相同有效载荷获得相同未速时，A″的初始质量比A′小得愈多，相对有效载荷比A′增加得愈多。例如，喷气速度C＝3000米/秒时，Vo＝300、900、1500、1800、2100米/秒时，
分别为0.1、0.3、0.5、0.6、0.7，假设A′初始质量为10吨，A″的初始质量分别可降至9.1、7.4、6.1、5.5、5.0吨；相对有效载荷分别可增至1.11、1.35、1.65、1.73、2.01倍。
可以用较小型的火箭和较少的火箭推进剂将相同有效载荷发射升空，这便是运载火箭地球引力回转助推发射法的优点和主要经济效益所在。
虽然采用运载火箭地球引力回转助推法发射火箭仍需消耗能源将火箭A(较轻的A″及其前级或助推器、轨道车等，而不是较重的A′)提升至离升空平面Ho的高处，产生非重力推力也要消耗能源，但这时消耗的是A″之外的能源，且可以是一般普通能源，如汽油、柴油、电力、人力、畜力等，价格比火箭推进剂便宜得多，也安全得多。
下面我们来介绍几种运载火箭地球引力回转助推发射法的具体实现方法。
图3所示为运载火箭地球引力地面轨道回转助推发射场构造示意图，轨道C可傍高山山坡建造，L1、L2为地面和山顶火箭组装调试车间；T为运送火箭(或火箭部件)等的电梯(也可是公路、直升飞机等提升设施和设备)，火箭A与轨道接触方式可以是滑动式、滚动式和悬浮式，火箭A也可安放在轨道车B上，为使A和B能顺利回转，回转段需有足够大的回转半径。由于地球上的高山，海拔最高的是8848.13米的喜马拉雅山的珠穆朗玛峰，因此这种发射场的Ho值不可能大于此值(实际能达到的Ho值比此值要小很多)，为尽量增大Ho值选址时应选择在离地表(山脚)有较大落差的高山旁建造；图4所示为运载火箭地球引力地下隧道回转助推发射场构造示意图，由于高山离地表的高度有限，为增大Ho，可采用向地下延伸的方法，建造地下隧道式发射场，如需要隐蔽时也可建这种形式的发射场，将轨道C置于隧道O内，为便于工作需建垂直工作通道E1、E2和横向工作通道G。隧道式发射场有一个很大的优点，可以抽真空，因此可大大减少A、B在隧道中运行时的空气阻力，为减少抽真空的能耗，可在隧道O的进出口处设置带有可快速自动开闭闸门的密封过渡段，这时不必每次发射将全隧道重新抽真空，只需将头、尾二过渡段抽真空；图5所示为运载火箭地球引力水下管道回转助推发射场构造示意图，为避免挖掘隧道的困难，也可采用将管道O沉入水下的方法来建造发射场。地球海洋的深度一般在几十米～几千米之间，最深的太平洋马利亚纳海沟，水深达10916米，可见，采用水下管道方法建造发射场，增大Ho有很大潜力，不过建水下管道发射场需克服巨大的水压，海平面之下水深每增加10米，水压增加一个大气压，水深5000米时，水压可达500个大气压，管道O、工作通道E、G的深水段必需承受得住该处的水压。
为了进一步增大Ho，也可将图3、4、5发射场串接起来，这时Ho有可能达5000～10000米；图6所示为运载火箭地球引力空投——地下隧道回转助推发射场构造示意图，本发射场采用另一种办法来增加Ho，它先利用飞艇、气球、飞机等提升工具将A提升至离地面很高的高度(假如A不能或不宜在此高度上直接进行发射)，然后对准下面一个在高山中部开挖成的漏斗形接纳器I将A扔下，A落入I后沿I壁滑入地下的回转隧道O中，最后从隧道O的出口处飞出地面。此法的优点是Ho可以比地面上的高山的高度h高很多，因此有可能获得很大的升空初速Vo，例如，火箭A被提升至离地面20～30公里处扔下(这是有可能的)，下降时如单纯用重力加速(即β＝1)，回转后的升空初速Vo可达626～767米/秒(见表一)，如在下落时和在隧道O中再进行非重力加速，则可获得更大的Vo值。
空投法的主要技术困难是，如何保证A能落入I中和如何防止高速下落的A与I壁接触时不遭到损坏，前者利用先进的电子导航定位技术不难解决；后者应使漏斗口直径φ与山高h之比尽可能小和采用优质防撞材料来覆盖漏斗壁，当然增加A的结构强度也是一个办法，最理想的做法是，在I壁上建立一强磁场覆盖层和在隧道O中建立一强移动磁场，使A不与I、O壁直接接触，悬浮着通过I、O，并在O的移动磁场作用下进一步加速。
空投法虽然是一种增加Ho的比较简单的方法，但有较大的危险性，火箭从高空扔下，犹如一枚重磅炸弹从天而降，万一失手后果十分严重，因此需采用各种有效安全防范措施，如发射场应远离居民区(可在海上孤岛上建造)，火箭下落时应跟踪测量其轨迹，如发现偏离漏斗口，则应使其自动或遥控其打开降落伞减速，安全降落地面或海面，如来不及打开降落伞，可在空中将它引爆；
图7、图8所示为运载火箭地球引力垂直螺旋轨道和垂直圆周轨道回旋助推发射场构造示意图，这二种形式的发射场采用另一种办法来增加Ho，即多次循环使用同一高度落差——螺旋和圆周轨道的直径φ来多次利用地球对运载火箭的引力来加速运载火箭，这二种发射场的等效Ho′为Ho′＝nφ…………………………………………(33)其中n，对螺旋轨道，为螺旋圈数；对圆周轨道，为火箭回旋圈数。
图7和图8的区别是，图7螺旋的圈数n比较少为固定值，故Ho增大的值不很大，但轨道构造较简单；图8圆周轨道的回旋圈数n可以很大，且理论上不受限制，故Ho的增加值可以很大，但轨道构造较复杂，出入口处需设置快速轨道转换装置。图8所示垂直圆周回旋轨道在构造上有些类似于大型高能物理实验装置粒子回旋加速器，主要的区别是，后者轨道平面与地面平行；前者轨道平面与地面垂直。
为了多次重复利用同一落差φ的地球引力来加速在螺旋和圆周轨道中运行的火箭A，图7、图8发射系统需满足一个基本条件，即在轨道上升半圈Yi″，轨道需向A提供至少等于A重力的推力，以抵消A沿上升半圈Yi″运行时A的重力引起的速度损失，这样，A运行至轨道最高点X1时便可保持它沿轨道下降段Yi″下落至最低点X2时所获得的线速度Vx2i，即有Vx1(i+1)＝Vx2i…………………………(34)(34)式中的Vx1(i+1)为A下一圈的起始速度，即第i+1圈下降段Yi+1′的初速。
下面我们来计算图7、图8A的离轨升空初速Vo。
为简化起见，我们先来讨论，在轨道上升半圈Yi″由轨道提供的推力所产生的速度增量正好与A在这半圈因重力导致的速度损失相抵消(此假设仅为了计算方便，实际上并不需要这样做)、在轨道下降半圈Yi′无非重力作用于A这种情形，这时(34)式成立，轨道上升段Yi″的作用可以忽略，可视为不存在。
下面我们来讨论A在第(i+1)圈下降半圈的能量变化情况，假设A下降时的空气阻力和轨道摩擦阻力引起的速度损失可以忽略，则A下降至X2点时的动能Ex2=12mAVX2(i+1)2-------(35)]]>应等于A在X1点时的动能EX1=12mAVX1(i+1)2=12mAVX2i2------(36)]]>与A由X1点落至X2点地球引力对A所作的功(即A位能的减少值)Wφ＝mAgφ……………………………(37)二者之和，即有EX2=EX1+Wφ------(38)]]>将(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离开垂直螺旋和垂直圆周轨道的升空初速Vo数值上等于A在第n圈最低点X2处的速度
，即有Vo=Vx2n=2gnφ------(42)]]>表四列出Vo与n、φ之间一些对应关系数据，供设计参考。对比(42)和(17)式，令Ho′＝nφ…………………………………………………………(43)为垂直螺旋和垂直圆周轨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连续施于火箭A的情形下(这表四Vo～n、φ对应关系数据表 时非重力推力可以不限于轨道推力，也可以是火箭第一级的推力、助推器和轨道车的推力，但以轨道提供推力的效果最好)，在轨道的下降半圈Yi′，A利用重力和非重力的合力来加速；在轨道的上升半圈Yi″，A利用非重力与重力之差来加速，这时，火箭A的离轨升空初速Vo将大于或远大于(43)式的计算值。
表四为理论值，实际上要得到很大的Vo值是不容易的，尤其是火箭A的质量很大时，原因是火箭A的质量远远大于基本粒子的质量，数量级在几十公斤至几十吨之间，它沿圆周轨道运动时产生的离心力极大，轨道系统的结构必需十分坚固，否则速度增加到一定程度，整个系统将会分崩离析，这虽然属于工程建造工艺技术方面的问题，因它关系到本发射系统能否建造成功，故这里特别予以强调，以引起人们的注意。显然，这种发射系统用来发射微型和小型火箭比较合适，技术难度较低，比较容易建造。
垂直螺旋和垂直圆周轨道发射场不一定建造在地面之上，也可建在山体内部或地面之下，或部分建在地面之上，部分建在地面之下，轨道也可置于管道内，为减少空气阻力，管道内也可抽真空。非重力推力最好采用轨道或管道推力(如磁力)，如采用火箭第一级、助推器和轨道车推力，由于完全在地球大气层内运行，火箭第一级、助推器和轨道车上的发动机可使用空气喷气发动机，只需消耗价格比较便宜的汽油等燃料，不必消耗昂贵的火箭推进剂；图9所示为运载火箭空投——空中自回转地球引力助推发射法发射过程示意图。此法与以上几法不同，它利用运载火箭本身的动力在空中自行实现回转。建造轨道、隧道、管道式发射场，工程十分浩大，技术相当复杂，投资很大，如果我们可以令火箭在空中实现回转，便可避免建造发射场，节约大笔工程费用。运载火箭有无可能在空中自行实现回转呢？利用火箭发动机的强大推力是有可能的。我们知道，有些技术高超的航空特技飞行员，可以令飞机垂直或几乎垂直地向地面高速俯冲，快接近地面时，迅速拉起机头，使飞机回转向上，以雷霆万钧之势直冲云霄。运载火箭空投——空中自回转发射过程与此特技飞行动作类似，它先利用可在地球稠密大气层内飞行的运输工具(如气球、飞机、飞艇)等将运载火箭A提升至离地面Hd+Ho的高度(Hd为升空平面Pd离地面的高度)，然后令A在地球引力(也可和本身发动机推力或助推器推力一起)作用下向地面高速俯冲，到达离地面Hd的高度时，改变发动机的喷气方向，使A回转向上，并在升空点d处垂直或倾斜地飞离地面，为利用空气动力学特性增加A向上回转时的升力，A可带固定或可伸缩的侧翼；图10所示为运载火箭通天塔地球引力管道回转助推发射场构造示意图，这是一种为未来人类设计的火箭发射场，假如人类未来能够建造成功高度极高穿越地球稠密大气层的“通天塔”(本文不讨论通天塔的建造方法)，我们便可以利用通天塔的巨大塔高落差(如10～100公里)来发射或帮助发射火箭。
众所周知，将火箭从地面移至高空(如通天塔顶)去发射也有可能比在地面发射节约很多推进剂，但如果我们利用图10(a)～(d)形式的通天塔，使用地球引力回转助推法时令β＞1，则有可能比在塔顶用传统发射法节约更多的推进剂，当β＝1时，即单纯利用地球引力来加速时，二者理论上节约推进剂的效果是相同的，而且，如果存在空气阻力，地球引力回转助推法还不如塔顶直接发射法好，这点不难理解，因火箭单纯在重力作用下坠落至塔底时获得的速度，在不存在空气阻力时，正好与它从塔底上升至塔顶时因重力引起的速度损失相互抵消，在存在空气阻力时，落至塔底时获得的速度小于它上升至塔顶时因重力引起的速度损失和因空气阻力引起的速度损失二者之和；但如果β＞1，即A下落时(回转和上升时也可以)不仅利用地球引力来加速，还利用其它非重力推力来加速，如本身发动机推力、助推器推力，尤其是轨道和管道提供的推力来加速，则地球引力回转助推法节约推进剂的效益就有可能比在塔顶用直接发射法时好得多，表一数据可以说明这一点。
图10(a)～(c)为单通天塔型发射场；(d)为双通天塔型发射场，(a)型塔内有一垂直管道O，火箭A沿O(或沿置于O内的轨道C)在自身重力和其它非重力推力一起作用下不断加速坠向地面，经地下回转段回转后，从地面出口处发射升空；(b)型塔内有一垂直管道O，与(a)不同，A沿它下落回转后再次返回此O上升，最后从塔顶升空；(c)型塔内有二条垂直管道，A由一管下落经地下回转段回转后由另一管上升，最后由塔顶升空；(d)型每塔均有一垂直管道，A由一塔垂直管道下降经地下回转段回转后由另一塔垂直管道上升，最后由此塔塔顶升空。为减少空气阻力，O管和回转段管道内均可抽真空，也可在O管和回转管管壁上建立强磁场或移动强磁场，使A悬浮着在其中运行。
在建造通天塔内的垂直管道O和轨道C时，有一个问题需要引起注意，由于通天塔很高，地球自转时塔顶和塔底线速度的不同不能忽略，塔顶和塔底线速度的不同会导致A下落和上升的轨迹不完全垂直于地面，故O、C与垂线之间应有一小的倾角，大小与塔高和塔的地理纬度有关，也和A在O内的运行时间有关。
从以上介绍可知，如果我们发射火箭时，改变一下传统的做法，将它的方向颠倒过来，让它的头朝下，尾朝上，先利用它本身的重力，即地球对它的吸引力和其它非重力推力，使它获得一个升空初速，我们便有可能在一定程度上或在较大程度上降低火箭本身的质量和推进剂的消耗量，达到降低发射成本的目的。
运载火箭地球引力回转助推发射法的工作原理虽然十分简单，实现起来却并不那么容易，尤其是Ho和φ很大的发射场，工程规模很大，可靠性要求极高，因为火箭从高处向下俯冲，冲力极大，速度极快，有很大的危险性，尤其是β＞1，相当于汽车下坡时再加大油门，汽车司机很少这样做的，但考虑到相同推力向下加速火箭比向上加速火箭可使火箭获得多2g的加速度，因此为了尽量增大火箭的升空初速，提高本法效益，需要时使β＞1是有必要的，为了较大幅度降低发射成本，这个险是值得冒的。
为了慎重起见，建议有兴趣实施者，先进行Ho和φ不太大的微型和小型模型火箭发射试验，模索规律、积累经验、增强信心、初步成功后再增大Ho、φ和火箭直径，完全成功并确认有较大效益后再进行正式火箭发射试验，这样安排可能比较合适。
权利要求
1.一种新型运载火箭地球引力回转助推发射法，其特征是a.采用此法发射火箭时，先利用运载火箭之外的能源和动力将火箭提升到离地面一定的高度，然后令火箭在自身重力(地球对火箭的吸引力)或和其它非重力推力一起作用下向地面高速俯冲，到达设定高度获得一定速度后使其改变方向回转向上飞离地面，以后再靠惯性和本身动力继续飞行；b.运载火箭地球引力回转助推发射法可有以下几种具体实施形式地面轨道回转助推发射场；地下隧道回转助推发射场；水下管道回转助推发射场；空投——地下隧道回转助推发射场；空投——空中自回转地球引力助推发射法；通天塔管道回转助推发射场；垂直螺旋轨道和垂直圆周轨道回旋助推发射场等，为了增大火箭重力(地球引力)助推落差H，不同形式发射场可串接起来使用；c.地面轨道、地下隧道、水下管道、空投——地下隧道、空投——空中自回转和通天塔管道回转助推发射场的火箭重力(地球引力)助推落差Ho为火箭被提升点至火箭升空平面Pd的垂直距离，火箭A在升空点d处获得的升空初速Vo=2a↓Ho=2βgHo-----------(21)]]>其中a↓＝g+af↓＝βg(19)为火箭A和轨道车B的等效垂直向下总加速度af↓=Ff(MA+MB)cosα-----(12)]]>为非重力推力Ff引起的A、B等效垂直向下加速度(其中MA、MB为A、B的质量；α为Ff与垂线之间的夹角)；β=1+af↓g-----(20)]]>为重力加速度倍数；g＝9.81米/秒2——重力加速度。如在回转段也有非重力推力作用于A、B，则A的升空初速将大于(21)式计算值；d.垂直螺旋和垂直圆周轨道回旋助推发射场的等效火箭重力(地球引力)助推落差Ho′＝nφ……………………………………………(33)其中φ为螺旋轨道和圆周轨道的直径；n，对螺旋轨道，为螺旋圈数；对圆周轨道，为火箭回旋圈数。垂直螺旋和垂直圆周轨道地球引力回旋助推发射系统工作时需满足一个基本条件在轨道上升半圈，轨道需向火箭A提供至少等于A重力的推力，以抵消A沿上升半圈运行时A的重力引起的速度损失，在轨道提供的推力产生的速度增量正好可以抵消火箭重力引起的速度损失的情形下，垂直螺旋和垂直圆周轨道地球引力回旋助推发射系统火箭A的离轨升空初速Vo=2gnφ-------(42)]]>=2gHo′-------(44)]]>在轨道上升半圈向火箭提供的非重力推力(不限于轨道的推力)产生的速度增量大于火箭A的重力引起的速度损失和非重力推力持续地作用于A的情形下，火箭A的离轨升空初速Vo将大于(42)、(44)式计算值；e.运载火箭地球引力回转助推发射系统施予火箭A的非重力推力可以是火箭第一级发动机推力、火箭助推器推力、轨道车推力、轨道推力(如磁力、压缩空气推力等)，如发射系统完全处于地球稠密大气层内，A下降、回转和回旋时使用的发动机可以是普通的空气喷气发动机，只需消耗价格比较便宜的汽油等燃料，不必使用火箭发动机，消耗昂贵的火箭推进剂；f.运载火箭A和盛载它的轨道车B与地球引力回转助推发射系统的轨道、管道、隧道之间的接触方式，可以是滑动式、滚动式和悬浮式，如A、B在管道和隧道中运行，为减少运行时的空气阻力，可将管道、隧道内部抽成真空。
专利摘要
运载火箭地球引力回转助推发射法是一种利用运载火箭本身重力来发射或帮助发射火箭的新型火箭发射法,此法先利用运载火箭之外的能源和动力将火箭提升到离地面一定的高度,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冲,到达设定高度获得一定速度后使其改变方向回转向上飞离地面,以后再靠惯性和本身动力继续飞行,利用此法发射火箭,可减少火箭质量和推进剂消耗、降低发动机功率、增大相对有效载荷,从而降低发射成本。
文档编号F41F3/04GKCN1369683SQ01103158
公开日2002年9月18日 申请日期2001年2月17日
发明者林宇威 申请人:林宇威导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan