CN113460334A

CN113460334A - 低成本火箭

Info

Publication number: CN113460334A
Application number: CN202110344184.3A
Authority: CN
Inventors: 中松义郎
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2021-03-31
Publication date: 2021-10-01

Abstract

本发明的目的在于提供一种以低成本实现能够再使用的火箭的低成本火箭。所述低成本火箭由大气层内飞行部分和大气层外飞行部分构成，在大气层内通过所述大气层内飞行部分利用空气上升，使所述大气层内飞行部分与所述大气层外飞行部分在大气层外附近分离，所述大气层外飞行部分通过该火箭上升到大气层外，所述大气层内飞行部分利用空气下降并着陆。

Description

低成本火箭

技术领域

本发明涉及与以往的通常火箭或再使用火箭相比能够大幅地降低成本的低成本火箭。

背景技术

近年来，为了进行月亮或火星等宇宙中的调查、观测、开发等，发射了无人或有人的火箭或用于降低成本的再使用火箭。

图1～3是示出公知的火箭的一例的图。

图1是示出所谓的一次性的多级式火箭1a的图。

如图1所示，火箭1a构成为多级，在大气层内由设置在一级部分的发动机推进，当到达作为大气层外的宇宙空间时，将一级部分分离，二级部分能够利用设置在该二级部分以后的发动机在宇宙空间中推进。

一级部分在分离后落下到地球上，与二级部分以后同样地，不被再使用。

因此，一次性的火箭1a的成本性极差。

为了解决这样的一次性的火箭的问题而开发的火箭是再使用型宇宙往返型的火箭。

图2是示出美国国家航空航天局(NASA)开发的航天飞机1b的图，图3是示出SpaceX公司开发的大猎鹰火箭(BFR)1c的图。

根据这些火箭，由于构成为能够再使用机体的一部分或全部，所以能够期待成本的降低。

然而，在这样的以往的再使用型宇宙往返型火箭中，存在以下问题。

例如，关于航天飞机，虽然能够再使用轨道船，但外部燃料箱、固体燃料火箭是一次性的(参照图2)。

而且，由于一次性的部分的成本占整体的约80％，所以成本性绝对不好。

另外，轨道船需要牢固地构成以便再冲进大气层时不产生破损，相应的成本会增加。

BFR1c由助推器和宇宙船构成，均构成为能够再使用。

例如，助推器在BFR1c到达大气层外时分离，以相对于地上垂直的姿势着陆。

但是，仅通过逆喷射将细长形状的助推器保持在垂直姿势是困难的，确定性、可靠性、安全性存在担忧。

另外，由于同样的理由，使其准确地着陆到目的地也是困难的。

而且，为了进行这样的着陆，需要先进的控制技术，会产生巨额的开发、实验费用。

因此，即使是再使用型宇宙往返型火箭，也不一定能够降低成本，潜在有反而使成本增加的问题。

另外，以往的火箭从地上发射到大气层飞行期间消耗燃料的80％。

发明内容

本发明鉴于以上的情况而做出，其目的在于提供以低成本实现能够再使用的火箭的低成本火箭。

为了达成上述目的，本发明的低成本火箭由大气层内飞行部分和大气层外飞行部分构成，利用大气层的空气，用大气层内飞行部分的螺旋桨在大气层内上升，在大气层附近使所述大气层内飞行部分与大气层外飞行部分分离，用大气层外部分火箭发射，所述大气层内飞行部分利用所述螺旋桨在大气层内使用自动转动(auto-rotation)来下降，如果需要则在即将着陆前控制螺旋桨的俯仰(pitch)来软着陆。

此外，优选设置多组所述大气层内飞行部分的螺旋桨，并将它们配置为较宽地分散开的状态，由此，它们能够使所述大气层外飞行部分垂直上升，并垂直或以规定的角度发射分离，所述大气层内部分能够大致水平地下降着陆。

根据本发明，由于可以不使用公知火箭的燃料的80％，所以成本较低且变得小型，事故也变少。

附图说明

图1是示出一次性的多级型火箭的图。

图2是示出航天飞机的图。

图3是示出大猎鹰火箭的图。

图4是本发明的低成本火箭的外观图，(a)是侧视图，(b)是俯视图，(c)是仰视图。

图5是示出本发明的低成本火箭的发射时、上升时的动作的图。

图6是示出本发明的低成本火箭的着陆时的动作的图。

图7是示出其他实施方式的低成本火箭的发射时的动作的图。

附图标记的说明

1本发明的低成本火箭(火箭)

2大气层外用火箭(火箭主体)

3大气层内推进部

31大气层内上升下降螺旋桨(螺旋桨)

32螺旋桨驱动发动机(辅助发动机)

4大气层外用火箭发动机(主发动机)

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

图4是本发明的低成本火箭(以下，称为火箭1)的外观图，(a)是侧视图，(b)是俯视图，(c)是仰视图。

如该图所示，火箭1主要由作为大气层外飞行部分的火箭主体2和作为大气层内飞行部分的大气层推进部3构成。

对于火箭主体2而言，例如上部是有效载荷分区，下部是搭载燃料或火箭发动机4的分区，能够通过来自火箭发动机的喷射在大气层外得到推力。

作为火箭发动机4，能够使用液体燃料或固体燃料火箭发动机。

大气层内推进部3由螺旋桨31和驱动该螺旋桨31的往复式发动机或涡轮螺旋桨发动机32构成，在本实施方式中，例示搭载有4对螺旋桨31及其驱动发动机32的大气层内推进部3。

其中，搭载数没有限制，可以是1对、2对或3对，也可以是5对以上。设为具有使大气层外用火箭主体2和大气层内推进部3上升到大气层外的边界附近的推力。

各对能够独立地驱动，例如能够通过基于来自地面站的无线的远程操作，分别进行驱动控制。

利用驱动发动机32的输出使螺旋桨31旋转，通过该螺旋桨的旋转而得到大气层内的上升的推力。

螺旋桨发动机32除了往复式发动机、涡轮螺旋桨发动机以外，还能够追加喷气发动机、火箭发动机等其他发动机。

涡轮螺旋桨发动机是燃气涡轮发动机的一个形态，能够使用其输出能量的大部分使螺旋桨旋转，并且进一步施加喷气喷射并设为推力。

因此，大气层内推进部3在采用涡轮螺旋桨发动机作为螺旋桨用发动机32的情况下，利用螺旋桨用发动机32的输出使螺旋桨31旋转，能够仅利用该螺旋桨31的旋转力得到推进力。

此外，在部分或全部采用喷气发动机或火箭发动机作为发动机32的情况下，能够利用发动机32和螺旋桨31中的任一方或双方得到推进力。

图5是示出本发明的发射时、上升时的动作的图，图6是示出大气层内推进部3的着陆时的动作的图。

如图5所示，本发明的低成本火箭1从地上的发射到宇宙空间(即大气层内)利用大气层内推进部3的推进力上升，在到达大气层外附近，从大气层内推进部3发射火箭主体2。

然后，火箭主体2利用火箭发动机4的推力在大气层外即宇宙空间内飞行。

另一方面，如图6所示，大气层内推进部3上没有火箭主体2，利用空气和螺旋桨在大气层内下降，着陆到规定的着陆位置(例如原来的发射位置或其他着陆位置)。

大气层内推进部3的大气层内的下降例如能够通过将螺旋桨31的旋转抑制在一定转速以下来进行。

另外，能够使螺旋桨31从发动机断开，利用从下向上通过的空气使螺旋桨31旋转(空转)，通过所谓的自动转动使大气层推进部3下降、着陆。

当增大螺旋桨的长度或加宽宽度时，上升推力也变大，由自动转动产生的浮升力也变大。如图4、图5、图6所示，以包围火箭主体2且充分地分散开的方式在大气层内推进部配置螺旋桨和发动机。由此，大气层推进部能够不倾斜且稳定地上升或下降。通过自动转动，能够一边产生一定的浮升力一边使大气层推进部3平缓地下降、着陆。

另外，通过自动转动，能够使大气层推进部3着陆到地上而不消耗燃料。

另外，通过自动转动，即使在发动机发生故障的情况下，也能够进行下降、着陆。在通过自动转动来下降的情况下，能够在地表附近用集中杆(collecting lever)使螺旋桨的俯仰变化，提高浮升力来软着陆。

火箭1构成为火箭主体2与大气层推进部3的成本比率为80％：20％。

因此，由于能够再使用机体的80％，所以能够大幅地降低火箭1的成本。

另外，通过控制各个螺旋桨31的转速和各个螺旋桨的俯仰，从而也能够控制大气层推进部3的着陆位置。

因此，能够使大气层推进部3准确地着陆到规定的着陆位置。

另外，由于再使用的大气层推进部3不会高速地从宇宙空间再冲进大气层，所以没有由再冲进导致的破损，也无需花费成本使机体变牢固。

另外，由于本发明的低成本火箭大幅节省从地上发射到大气层内飞行的燃料，所以具有成本降低、燃料事故大体上消失、小型化、轻量化、容易搬运等许多效果。

图7是示出一并使用喷气发动机或火箭发动机作为发动机32的情况下的火箭1的发射时、上升时的动作的图。

在该情况下，火箭1也在从地上的发射到到达宇宙空间的大气层内利用大气层内推进部3的推进力上升到作为大气层外的宇宙空间，大气层外部的火箭主体2与大气层内推进部3分离。

具体而言，能够使用发动机32的推进力和螺旋桨31的推进力中的任一方或双方使火箭1上升。

在大气层内推进部3中采用喷气发动机或火箭发动机且在上升时不使用螺旋桨的情况能够是如下情况：由于上升时降低由螺旋桨导致的空气阻力，所以在使大气层推进部3与火箭主体2发射分离之前，以没有空气阻力的方式设置螺旋桨的俯仰，在下降时改变俯仰，进行使用了螺旋桨的在空气中的自动转动的螺旋桨的俯仰控制，或者，所述喷气发动机或火箭发动机的下方推力也运转来下降。

另外，也可以无自动转动地用发动机使螺旋桨转动来着陆，这也包含于本发明。

关于在本发明说明书中所说的“自动转动”，本发明人是东京大学航空研究会会长，作为乘坐直升飞机飞行日本一周的新记录保持者，准确地进行说明。

“自动转动”是直升飞机操纵技术的重要飞行法，在直升飞机飞行员资格试验中最后必定进行，是在空中发动机停止的事故时不驱动旋翼(螺旋桨)而安全地着陆到地上的操纵法。

具体而言，是使发动机与旋翼(螺旋桨)的离合器分离，一边使旋翼(螺旋桨)空转一边下降，在地上附近在即将着陆前抬升左手拿着的集中俯仰杆(右手为操纵杆)，增强旋翼(螺旋桨)的俯仰而提高升力来软着陆的操纵法，本发明通过有人或无线的方式进行该操纵。在本发明中，设为适合于“自动转动”的螺旋桨的长度、幅宽、个数、配置。

如果直译“自动转动”，是“自动旋转”，但“自动转动”的含义并不是“自动旋转”。因此，即使喷气发动机中的涡轮叶片由于空气而旋转，也并不是“自动转动”。因此，在喷气发动机中无法进行“自动转动”。

如以上说明的那样，本发明的火箭1由具有大气层内推进部3的大气层内飞行部分和具有火箭主体2的大气层外飞行部分构成，在大气层内通过所述大气层内飞行部分的螺旋桨利用空气上升，上升到大气层外，将所述大气层外飞行部分分离，用火箭4释放到宇宙中，所述大气层内飞行部分利用空气通过螺旋桨的自动转动而下降、着陆。

即，由于在存在空气的大气层中利用螺旋桨等进行上升、下降，在不存在空气的大气层外(宇宙空间)利用火箭发动机等进行移动，从而高效地得到推进力，所以不需要大气层内飞行火箭燃料，且大气层内飞行部分也能够多次使用。

并且，由于火箭主体2的地上发射大气层飞行重量、成本、事故大幅减少，另外，不需要再冲进大气层，所以不需要耐热部分，且也没有由再冲进导致的损伤，且能够大幅地降低火箭1的成本。另外，发射故障基本消失，发射费用大幅降低。

产业上的可利用性

由于本发明与以往的任何方法相比，火箭及其发射成本大幅下降，所以能够使宇宙航空产业飞跃地发展。

Claims

1.一种低成本火箭，其特征在于，

所述低成本火箭由大气层内飞行部分和大气层外飞行部分构成，在大气层内通过所述大气层内飞行部分利用空气上升，使所述大气层内飞行部分与所述大气层外飞行部分在大气层外附近分离，所述大气层外飞行部分通过该火箭上升到大气层外，所述大气层内飞行部分利用空气下降并着陆。

2.根据权利要求1所述的低成本火箭，其特征在于，

不使用地上发射用火箭及其燃料，而是利用空气，用螺旋桨或喷气发动机在大气层内上升，在大气层外附近，使所述大气层内飞行部分与所述大气层外飞行部分分离，利用所述大气层外飞行部分的火箭，使所述大气层外飞行部分在大气层外飞行，所述大气层内飞行部分在大气层内利用空气，使用螺旋桨的自动转动下降，如果接近地上，则根据需要控制螺旋桨的俯仰来抑制下降并安全着陆，能够重复使用所述大气层内飞行部分。

3.根据权利要求1所述的低成本火箭，其特征在于，

通过将配置所述大气层内飞行部分的多个螺旋桨的位置设置成分散开的宽幅的状态，从而所述大气层内飞行部分能够上下左右稳定地上升、下降及着陆，能够使所述大气层外飞行部分的火箭垂直或以规定的角度发射。