CN106628251A - 组合航天器和轨道飞行器发射回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种组合航天器，该组合航天器包括硬式氦气飞艇和航天器本体，飞艇以可挂载并可解锁的方式与航天器本体连接，飞艇用于在携带航天器本体达到平流层后采用滑轨发射或投放发射方式将航天器本体高空发射，航天器本体上设置有能够将航天器本体送入轨道以及减速返航和姿态控制的火箭发动机。该组合航天器可以提高发射和回收的安全性、可靠性、便利性，实现可重复性发射，从而能够大幅降低航天发射和回收的成本。

Description

组合航天器和轨道飞行器发射回收方法

技术领域

本发明属于航天器的发射技术领域，特别是涉及一种组合航天器和应用该组合航天器的轨道飞行器发射回收方法。

背景技术

现在通常使用三级火箭发射航天器，耗资巨大，完全不能重复使用。美国的航天飞机只实现了部分的可重复使用，成本同样很高，而且出了两次机毁人亡的重大事故。可见航天飞机不是一种非常成功的设计。

美国艾龙·马斯克采用垂直回收法的猎鹰9号系列火箭也多次失败。可见其方案构想并不十分完善。

英国人理查德·布兰森，维珍银河太空船是世界上第一架商业太空船。其采用飞机和飞船组合的方式。但是，2014年10月31日，维珍银河太空船二号在美国加州莫哈韦沙漠试飞发生爆炸，两名飞行员一人跳伞逃生后受伤，一人死亡，太空船残骸散落在沙漠。后续机型至今也未成功。可见其方案构想同样并不非常理想。

发明内容

本发明为克服现有技术中存在的技术问题而提供组合航天器和利用该组合航天器的轨道飞行器发射回收方法，该组合航天器可以提高发射的安全性、可靠性、便利性，实现可重复性发射，从而能够大幅降低航天发射和回收的成本。

一种组合航天器，包括飞艇和航天器本体，飞艇以可解锁的方式与航天器本体连接，飞艇用于在携带航天器本体达到平流层后与航天器本体分离，航天器本体上设置有能够将航天器本体送入轨道的发动机。

传统的从地面发射的火箭，燃料占箭体总质量的90％以上，且大部分燃料都消耗在大气层内。本发明由于使用飞艇直接将飞船带入3万米高空发射，保守估计可以比传统火箭节约80％以上的燃料的费用，在同等质量下，可以发射更多有效载荷。

而且可以实现全域、全天候发射。由于飞艇本身可以机动，因而可以把带三角翼可重入大气层式飞船或单级火箭带入任何经纬度发射。由于风雨雷电等气候现象只发生在低空的对流层。平流层是最适合大气层内飞行的高度，不会受到风雨雷电的影响。地球大气的平流层水汽、悬浮固体颗粒、杂质等极少，天气比较晴朗，光线比较好，能见度很高，也便于高空飞行。平流层的大气上暖下凉，大气不对流，以平流运动为主，飞艇在其中受力比较稳定，便于飞行员操纵架驶。因而本发明依靠飞艇将带三角翼可重入大气层式飞船或单级火箭带入平流层内发射可以极大的提高发射的便利性和适用范围。

优选的技术方案，其附加特征在于：飞艇为硬式氦气飞艇。

硬式氦气飞艇升限高，可达2万至3万米。通过将飞船携带到如此的高度再发射，可以节约大量的飞船燃料，减少飞船的总质量和造价。而且，氦气飞艇在满足浮力要求的同时，安全性高。

进一步优选的技术方案，其附加特征在于：航天器本体为带三角翼可重入大气层式飞船或单级火箭。

更进一步优选的技术方案，其附加特征在于：

带三角翼可重入大气层式飞船包括飞船本体和载人舱，飞船本体和载人舱以可挂载可解锁的方式连接，飞船本体设有三角翼翼身和发动机，载人舱设有降落伞。

通过单独设置载人舱，可以在紧急时刻，将载人舱与飞船本体分离，单独使载人舱落地，从而大幅度的提高了成员的安全性。

优选的技术方案，其附加特征在于：飞艇上安装有航天器滑轨发射或投放发射系统。

通过滑轨发射的方式，能够让航天器以水平发射，前进一段距离后再向上转向。但发射架上需设置引流挡板，防止火箭发动机尾焰烧灼飞艇。

通过投放发射的方式，在航天器本体以自由落体方式离开飞艇一段距离后再空中点火，从而也能够避免航天器本体的尾焰伤及飞艇。但是航天器本体解锁离开飞艇的短暂瞬间姿态控制较难。

以上两种发射发射各有优劣，可以根据挂载航天器具体情况研究确定。

一种使用上述组合航天器的轨道飞行器发射回收方法，先由飞艇将航天器本体携带至平流层，然后航天器本体上的发动机点火，推动航天器本体进入运行轨道。

本发明由于使用飞艇直接将飞船带入3万米高空发射，保守估计可以比传统火箭节约80％以上的燃料的费用，在同等质量下，可以发射更多有效载荷。

优选的技术方案，其附加特征在于：所述带三角翼可重入大气层式飞船在返航时在赤道上空先围绕地球公转，其公转方向和地球自转方向同向；在返航大气层时，所述带三角翼可重入大气层式飞船启动火箭发动机的反向减速喷口将飞船的速度逐步降低，调低轨道高度以相对柔和的方式进入大气层，在所述带三角翼可重入大气层式飞船重返进入大气层后通过调整火箭发动机各个喷口的角度和力度结合飞船机翼产生的升力以及飞船各个舵面产生的控制力使飞船和受到的自身惯性、地心引力和空气阻力形成最佳可控的合力，使得飞船在大气层中盘旋，一圈一圈地逐步降低高度和速度，最终安全滑降在机场跑道上。

优选的技术方案，其附加特征在于：载人舱与飞船本体在紧急状况下分离。

通过使得载人舱与飞船本体在紧急状况下分离，可以使得载人舱单独落地，避免出现航天飞机的机毁人亡的问题。

附图说明

图1是本发明实施例1的组合航天器的结构示意图；

图2是本发明实施例1的发射和回收单级飞船的过程示意图。

图3是实施例2的组合航天器的结构示意图；

图4是本发明实施例2的发射单级火箭的过程示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并详细说明如下：

实施例1：

图1是本发明实施例1的组合航天器的结构示意图；图2是本发明实施例1的发射和回收单级飞船的过程示意图。需要说明的是，图中各个要素的相对比例大小，仅仅是为了表示清楚各个要素，并非代表真正的比例。例如，单级飞船的大小可能与地球相当，并不意味着单级飞船真需要有这么大。

图中，各个附图标记表示的含义如下；1、氦气飞艇；2、带三角翼可重入大气层式飞船；3、地球；4、大气层边缘；5、轨道；8、投放发射系统。

一种组合航天器，包括飞艇和航天器本体，飞艇以可解锁的方式与航天器本体连接，飞艇用于在携带航天器本体达到平流层后与航天器本体分离，航天器本体上设置有能够将航天器本体送入轨道的发动机。具体说来，航天器本体为带三角翼可重入大气层式飞船，内置火箭发动机，火箭发动机有多个可以调整方向的喷口，可以灵活控制飞船姿态2。

传统的从地面发射的火箭，燃料占箭体总质量的90％以上，且大部分燃料都消耗在大气层内。本发明由于使用飞艇直接将飞船带入3万米高空发射，保守估计可以比传统火箭节约80％以上的燃料的费用，在同等质量下，可以发射更多有效载荷。

而且可以实现全域、全天候发射。由于飞艇本身可以机动，因而可以把带三角翼可重入大气层式飞船2带入任何经纬度发射。由于风雨雷电等气候现象只发生在低空的对流层。平流层是最适合大气层内飞行的高度，不会受到风雨雷电的影响。地球3大气的平流层水汽、悬浮固体颗粒、杂质等极少，天气比较晴朗，光线比较好，能见度很高，也便于高空飞行。平流层的大气上暖下凉，大气不对流，以平流运动为主，飞艇在其中受力比较稳定，便于飞行员操纵架驶。因而本发明依靠飞艇将带三角翼可重入大气层式飞船2带入平流层内发射可以极大的提高发射的便利性和适用范围。

优选的，飞艇为硬式氦气飞艇1。

氦气飞艇1升限高，可达2万至3万米。通过将飞船携带到如此的高度再发射，可以节约大量的飞船燃料，减少飞船的总质量和造价。

三角翼载人飞船2包括飞船本体和载人舱，飞船本体和载人舱以可解锁的方式连接，飞船本体设有三角翼翼身和发动机，载人舱设有降落伞。

通过单独设置载人舱，可以在紧急时刻，将载人舱与飞船本体分离，单独使载人舱落地，从而大幅度的提高了成员的安全性。

优选的，飞艇上安装有航天器滑轨发射或投放发射系统8。航天器发射机构，可以选用类似与战斗机发射导弹的发射机构，只不过需要将相应的结构放大。

一种使用上述组合航天器的单级飞船2发射回收方法，

先由飞艇将单级飞船2携带至平流层，用抛射机构使单级飞船2与飞艇分离，然后带三角翼可重入大气层式飞船2上的发动机点火，推动带三角翼可重入大气层式飞船2进入轨道5。

本发明由于使用飞艇直接将飞船带入3万米高空发射，保守估计可以比传统火箭节约80％以上的燃料的费用，在同等质量下，可以发射更多有效载荷。

优选的，带三角翼可重入大气层式飞船2在返航时先围绕地球3公转；在进入大气层时，带三角翼可重入大气层式飞船2速度调整到和地球大气层3自转的速度同步，以相对柔和的速度进入大气层，在带三角翼可重入大气层式飞船2重返进入大气层后在大气层中盘旋，一圈一圈地逐步降低高度和速度。

优选的，载人舱与飞船本体在紧急状况下分离。

通过使得载人舱与飞船本体在紧急状况下分离，可以使得载人舱单独落地，避免出现航天飞机的机毁人亡的问题。

本发明应用前景广阔，市场大，经济效益显著。据美国航天基金会发布的《航天报告》，2015年全球航天经济总量达3353亿美元，其中76％的份额为商业航天领域。也就是说，全球的商业航天市场，至少超1.72万亿元人民币规模。按照市场的逻辑，随着低成本、多应用场景的新型航天器的出现，商业航天的蛋糕极有可能继续变大。廉价发射是现今航天发射的主流发展趋势。本发明因为技术独到巧妙、成熟度高、可操作性强、发射成本低，因而完全可以在创造极大经济效益。

实施例2：

图3是实施例2的结构示意图；图4是本发明实施例2的发射单级火箭的过程示意图。

图中，与上述实施例所使用附图相同的附图标记，仍然沿用上述实施例对于该附图标记的定义。图中新出现的附图标记所表示的含义如下：6、单级火箭；7、卫星。

本实施例与实施例1的区别在于：

采用飞艇发射单级火箭6，单级火箭脱离飞艇之后点火，将诸如卫星7等目标载荷送入到预定轨道5中。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，例如：①除了上述实施例所列举的在载人舱设置降落伞的方案之外，载人舱也可以通过反推来实现制动和着陆；②氦气飞艇除了挂载载人带三角翼可重入大气层式飞船以外，还可以挂载无人货运带三角翼可重入大气层式飞船、各型号火箭和其他航天器；③除了实施例1中的投放发射系统之外，还可以采用滑轨发射系统。这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种组合航天器，其特征在于：包括飞艇和航天器本体，所述飞艇以可挂载并可解锁的方式与所述航天器本体连接，所述飞艇用于在携带所述航天器本体达到平流层后与所述航天器本体分离，所述航天器本体上设置有能够将所述航天器本体送入轨道以及减速返航和姿态控制的火箭发动机。

2.根据权利要求1所述的组合航天器，其特征在于：所述飞艇为硬式氦气飞艇。

3.根据权利要求1或2所述的组合航天器，其特征在于：所述航天器本体为带三角翼可重入大气层式飞船或单级火箭。

4.根据权利要求3所述的组合航天器，其特征在于：

所述带三角翼可重入大气层式飞船包括飞船本体和载人舱，所述飞船本体和载人舱以可解锁的方式连接，所述飞船本体设有三角翼翼身和所述发动机，所述载人舱设有降落伞。

5.根据权利要求1所述的组合航天器，其特征在于：

所述飞艇上安装有航天器水平滑轨发射或投放发射系统。

6.一种使用权利要求4所述的组合航天器的轨道飞行器发射回收方法，其特征在于：

先由所述飞艇将所述航天器本体携带至平流层，然后所述航天器本体上的发动机点火，推动所述航天器本体进入运行轨道。

7.根据权利要求6所述的轨道飞行器发射回收方法，其特征在于：所述带三角翼可重入大气层式飞船在返航时先在地球赤道上空围绕地球公转，其公转方向和地球自转方向同向；在返航大气层时，所述带三角翼可重入大气层式飞船启动火箭发动机反向减速喷口将飞船的速度逐步降低，调低轨道高度以相对柔和的方式进入大气层，在所述带三角翼可重入大气层式飞船重返进入大气层后通过调整火箭发动机各个喷口的角度和力度结合飞船机翼产生的升力以及飞船各个舵面产生的控制力使飞船和受到的自身惯性、地心引力和空气阻力形成最佳可控的合力，使得飞船在大气层中盘旋，一圈一圈地逐步降低高度和速度，最终安全滑降在机场跑道上。

8.根据权利要求6所述的组合航天器，其特征在于：所述载人舱与所述飞船本体在紧急状况下分离。