[发明专利]运载火箭液体浮力助推发射法

权利要求书

1．一种新型运载火箭液体浮力助推发射法，其特征是：a．此法利用液体(水或其它低粘度液体)的浮力来帮助发射火箭，方法是利用沿置于深井中的垂直轨道C(导轨或导槽)向上高速运行的浮力助推器B来加速火箭A，使火箭A离开液面时获得一定的离液速度Vo，然后在此速度基础上再靠本身动力继续加速；b．液体浮力助推器B加速火箭有二种形式：一是向上拉；一是向上推，拉的意思是AB系统的浮力中心高于AB系统的重心，利用AB系统的浮力将火箭A向上拉；推的意思是AB系统的浮力中心低于AB系统的重心，利用AB系统的浮力将火箭A向上推。为使AB系统产生向上的加速度，AB系统的浮力必需大于或远大于AB系统的重力，因此采用推方式工作的AB系统在浮质中的稳定性比采用拉方式工作的AB系统要差，性能如何、能否使用，需由试验确定；c．液体浮力助推器B的结构形式可多种多样，如多体式、拖曳式、环抱式、上包式、下包式、全包式、磁吸式等，它们外形结构上的一个共同特点是，均由整体为低阻形的单个或多个密封园桶和安装在园桶外侧的若干个(数目与轨道数相同)起导向作用的重直侧翼所组成，侧翼外沿形状与轨道C的形状互相配合，使侧翼能卡在导轨上或陷在导槽内，使AB系统仅能沿轨道方向运动；d．由于液路S很长，竖井底部液压Ps很大，浮力助推器B需能承受得住最大液压P_Smax=ρ_E·S(ρ_B-浮质E密度)，为此B需采用高强度金属、合金或高强度非金属材料来制造，内部可采用极密的栅格和梁柱来进行加固，为制造能承受很大压力的B，也可使用比重小于浮质比重的金属、合金、泡沫合金和非金属材料来制造实心B或作B的填料；使用多体式、拖曳式和环抱式浮力助推器时，火箭A完全浸于浮质中，故整个A均需具有耐压密封外壳(可整箭密封，也可各级火箭和有效载荷舱各自独立密封，后者较可取)；使用上包式、下包式浮力助推器时，火箭A有一部分包藏在B中，故只需露在B外面那部分A需要密封；使用全包式和磁吸式浮力助推器时，火箭A没有浸在浮质中，故A完全不需要密封；e．运载火箭液体浮力助推发射系统AB在浮质中产生的向上总推力为

F_AB=P_AB-W_AB

=(M_AB-m_AB)g——(3)其中

g=9.81米/秒²—重力加速度；

P_AB=M_ABg—AB系统在浮质中受的总浮力(M_AB=M_A+M_B=ρ_E·V_AB为AB系统在浮质中所排开的浮质的总质量；M_A、M_B分别为A、B浸于浮质中所排开的浮质的质量；ρ_E为浮质的密度；V_AB为AB系统的排液体积)；

W_AB=m_ABg—AB系统的总质量(m_AB=m_A+m_B；m_A、m_B为A、B的质量)；f．液体浮力助推火箭系统AB在浮质中的加速度a和起始最大加速度a_max为 a = F AB - f m AB - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ( 4 ) ]]> a max = F AB m AB = M AB - m AB m AB g ]]> = ( α AB - 1 ) g - - - - - - - - - - - - - ( 6 ) ]]>其中

f—液路阻力： α AB = M AB m AB - - - - - - - ( 5 ) ]]> = ρ E · V AB m AB - - - - - - ( 7 ) ]]>为AB系统的结构质量比。

由于V_AB/m_AB受材料强度的限制不能无限增大，由(7)和(6)二式可知，AB系统存在一个不能超过的最大结构质量比α_ABmax、AB系统的最大加速度a_max有一个不能超过的最大值a_maxmax=(α_ABmax-1)g；g．在AB系统推力F_AB一定情况下，AB系统所能达到的离液速度V_o(即火箭在大气中运动的初速)取决于液路长度S与S_o之间的关系，S_o是液路阻力f由o增至最大值f_max=F_AB时，AB系统走过的最大加速路程，这时，a=0、AB系统的运动速度V达最大值V_max。如S≥S_o，离液速度V_o=V_max；如S＜S_o,V_o＜V_max；如S比S_o大得多，V_o也不可能超过V_max，故这时液路长度有浪费，如S比S_o小得多，V_o将比V_max小很多，故推力有浪费，因此，最佳液路长度是S≈S_o，这时液路长度S和推力F_AB均无大的浪费，此情形称液路长度与推力相“匹配”；h．根据对离液速度V_o的不同要求，液体浮力助推发射系统有二种不同的设计方法：

1．获得最大可能离液速度设计法

建造α_AB=α_ABmax推力为F_ABmax的AB系统和建造长度S＞S_omax，最好S≈S_omax的发射竖井，S_omax为a_max=a_maxmax时AB系统加速度降至0时走过的路程，这时离液速度V_o=V_maxmax，V_maxmax为a_max=a_maxmax时AB系统可能达到的最大运动速度；

2．获得一定离液速度V_ol设计法

①S与F_AB“匹配”设计法，建造α_AB＜α_ABmax(这时F_AB＜F_ABmax)的AB系统和建造S≈S_o的发射竖井，使这时的V_max=V_ol，可通过改变S或改变α_AB或二者均改变来实现；

②S与F_AB非“匹配”设计法，在竖井已建成，S不能变情形下，改变α_AB(和F_AB)的大小，使V_o=V_ol。如α_AB增至最大值α_ABmax(和F_AB增至F_ABmax)时，V_o仍达不到V_ol，说明此系统的离液速度无法达到V_ol，需降低V_ol值；ⅰ．运载火箭液体浮力助推发射法使用的液路可以是地下或地上发射竖井中的水或其它低粘度液体，也可以是深湖、深海中的湖水和海水，或建在深湖、深海中的竖井中的低粘度液体，低粘度液体可以是常温液体(如单长链高分子溶液)，也可以是低温和超低温液体(如液态空气、液氮、液氦等)，使用低温和超低温液体做浮质时，需使用低温或超低温保温发射竖井，如使用低于219°K粘度为0的超流体液氦Ⅱ做浮质，竖井深度不能超过1.747公里，否则最大液压将超过液氦Ⅱ的固化压力25个大气压，如需建长度超过1.747公里的液氦Ⅱ竖井，可在液氦下方竖井内灌注密度比液氦Ⅱ大的其它低温低粘度液体，如液氮、液态空气等；2根据权利要求1所述的运载火箭液体浮力助推发射法，其特征是，当火箭A的比重比浮质的比重小时，A可不使用浮力助推器来获得推力，可直接利用A本身产生的向上剩余浮力来作推力，可把这种利用剩余浮力作推力的火箭称为浮力火箭，将它置于浮质中，它本身便能向上浮动，它起导向作用的侧翼直接安装在火箭的外壳上，降低A比重的方法有：将A加长，中间留些段落不装或少装设备(为保证结构强度，可用比重小的固态填充物来填充这部分空间)；将A加粗，将A的外壳加厚做成空心结构形式；穿上比重小的固体外衣，出井后将外衣抛掉；将某些级(如①级)改为浮力推动级(内不装火箭发动机)等。