[发明专利]运载火箭液体浮力助推发射法

摘要

运载火箭液体浮力助推发射法是一种利用液体的浮力来帮助发射火箭的新型火箭发射法,它利用沿置于深井中的垂直轨道向上高速运行的浮力助推器来加速火箭,使火箭离开液面时获得一定的速度,然后在此速度基础上再靠本身动力继续加速,利用此法发射火箭,有可能减少火箭本身的质量和级数、增大相对有效载荷、减少燃料消耗和增加发射频度,因此有可能较大幅度降低发射成本和增大发射成功率。离液速度随材料强度增加和液路阻力减小而增加。

主权项

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PSmax=ρE·S(ρB-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FAB=PAB-WAB=(MAB-mAB)g——(3)其中g=9.81米/秒2—重力加速度；PAB=MABg—AB系统在浮质中受的总浮力(MAB=MA+MB=ρE·VAB为AB系统在浮质中所排开的浮质的总质量；MA、MB分别为A、B浸于浮质中所排开的浮质的质量；ρE为浮质的密度；VAB为AB系统的排液体积)；WAB=mABg—AB系统的总质量(mAB=mA+mB；mA、mB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amax为a=FAB-fmAB-------------------(4)amax=FABmAB=MAB-mABmABg=(αAB-1)g-------------(6)其中f—液路阻力：αAB=MABmAB-------(5)=ρE·VABmAB------(7)为AB系统的结构质量比。由于VAB/mAB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αABmax、AB系统的最大加速度amax有一个不能超过的最大值amaxmax=(αABmax-1)g；g．在AB系统推力FAB一定情况下，AB系统所能达到的离液速度Vo(即火箭在大气中运动的初速)取决于液路长度S与So之间的关系，So是液路阻力f由o增至最大值fmax=FAB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Vmax。如S≥So，离液速度Vo=Vmax；如S＜So,Vo＜Vmax；如S比So大得多，Vo也不可能超过Vmax，故这时液路长度有浪费，如S比So小得多，Vo将比Vmax小很多，故推力有浪费，因此，最佳液路长度是S≈So，这时液路长度S和推力FAB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Vo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αAB=αABmax推力为FABmax的AB系统和建造长度S＞Somax，最好S≈Somax的发射竖井，Somax为amax=amaxmax时AB系统加速度降至0时走过的路程，这时离液速度Vo=Vmaxmax，Vmaxmax为amax=amaxmax时AB系统可能达到的最大运动速度；