CN1874930A - 有效载荷发射系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于发射有效载荷的系统。旋转的惯性轮(11)将传统设计的火箭(16)加速到很高的速度。来自惯性轮(11)的旋转能量以动能的形式通过螺旋表面和缆索(14)传递到火箭(16)。该系统包括较小的火箭(16)，该火箭承载较少的燃料，具有较小的第一级发动机。该系统的所有其它组件可重复使用。这导致更简单和更有效的火箭(16)的设计，并且导致发射成本的显著降低。

Description

有效载荷发射系统

技术领域

本发明涉及一种有效载荷发射系统，用于加速承载或不承载有效载荷的火箭，特别是但不局限于为了降低发射成本。

背景技术

在WO 0162534中描述了一种包括惯性轮和缆索的加速系统，所述惯性轮能够在轴上旋转，所述缆索的一个端部适用于可释放地与载荷连接，缆索的远端部能够与旋转的惯性轮接合。

所述惯性轮具有用于容纳缆索的远离所述端部的部分的表面，并且该表面具有弯曲的轮廓，该轮廓的径向尺寸从所述轴沿着所述轴的弧形(arcuate direction)的方向逐渐增大。缆索的远端部与惯性轮接合之后，然后缆索的远端部保持限制在惯性轮的中心的附近，并且缆索沿着弯曲的轮廓卷绕，加速所述载荷。

该加速系统为以均加速度加速重载荷提供了良好的解决方案，并且可以用于将航空器加速到起飞速度。

然而，考虑到火箭的顶部通常包括结构非常轻的锥形的罩盖，并且有时候包括例如遥感卫星的有效载荷，该加速系统没有描述加速可连接到缆索的火箭的实际的方式。

发明内容

所述有效载荷发射系统的目的是加速火箭。

根据本发明，提供一种有效载荷发射系统，其包括缆索、旋转元件和驱动装置，所述缆索的一个端部适用于可释放地与火箭连接，旋转元件适用于在轴上旋转，驱动装置适用于可脱离地接合旋转元件从而使所述旋转元件在所述轴上旋转，其特征在于，旋转元件具有用于容纳缆索的远离所述端部的部分的表面，并且该表面具有弯曲的轮廓，该弯曲的轮廓的径向尺寸从所述轴沿着所述轴的弧形方向逐渐增大。同样设置了用于当旋转元件旋转时使缆索的所述远端部与旋转元件接合的装置。该系统还包括多个位于缆索的远端部的传递装置，在加速过程中，所述传递装置在火箭上结构合适的位置处将缆索的牵引力传递到火箭。下面仅通过实例并参考附图来描述实施本发明的一个方法。

附图说明

附图中：

图1是示出在加速刚开始时有效载荷发射系统的优选实施例的示意性透视图。

图2是示出在加速结束时有效载荷发射系统的优选实施例的示意性透视图。

图3是示出加速后的短暂时刻有效载荷发射系统的优选实施例的示意性透视图。

图4是示出在加速刚开始时有效载荷发射系统的另一个实施例的示意性透视图。

图5是示出在加速刚开始时的旋转元件的示意性透视图。

图6是示出在加速结束时的旋转元件的示意性透视图。

图7是在加速过程中火箭和传递装置的示意性透视图。

图8是在加速过程中火箭的内部结构和传递装置的示意性透视图。

具体实施方式

现在参考附图中的图1、图2和图3，它们是示意性的概念图示，其中描述了包括轮子11的有效载荷发射系统10的一个实施例，轮子11可旋转地安装在轴12上并且被作用在轮子11上的动力源(未示出)驱动，从而在轴12上旋转。轮子11具有用于容纳缆索14的表面13。当从轴12的轴向观察时，表面13为弯曲的结构，该结构的轮廓沿着表面13的纵向并且从轴12沿着径向方向延伸，该轮廓从轴12沿着轴12的弧形方向逐渐增加。

多个传递装置15设置在缆索14的另一端。传递装置15被设计成在加速过程中它们在火箭的结构上的合适位置处从缆索向火箭16传递牵引力。图8示出了传递装置的设计和火箭结构上的所述位置的一个实例，其中在所述位置处，它们能够将缆索的牵引力传递到火箭。装置(未示出)被设置用于朝着轮子11沿着轮子11的轴向方向推压缆索14的端部，从而缆索14的远离火箭16的远端被限制在轮子11的中心附近，并且缆索14的所述端部位于所述型表面13上。

在起始位置，缆索14的端部被保持离开轮子11的型表面13。动力源然后被操作从而转动轮子11。当旋转能量足以提供能量以加速传递装置15和火箭16时，那么所述装置被操作以朝着轮子11推压缆索14的远端，从而缆索14的远离火箭16的远端被限制在轮子11的中心的附近，并且缆索14的端部位于型表面13上。表面13的轮廓的作用是使得缆索14沿着朝着轮子11的方向牵拉传递装置15和火箭16，初始速度低，并且然后随着表面13的轮廓离轴12的径向距离增加，速度逐渐增加。

现在参考附图中的图4，图4是示意性的概念图示，其中示出了根据本发明的用于加速火箭的有效载荷发射系统20的一个实施例。该系统包括轮子21，轮子21可旋转地安装在轴22上并且被作用在轮子21上的动力源驱动，从而在轴22上旋转。轮子21具有用于容纳缆索24的表面23。当从轴22的轴向观察时，表面23为弯曲的结构，该结构的轮廓沿着表面23的纵向并且从轴22沿着径向方向延伸，该轮廓从轴22沿着轴22的弧形方向逐渐增大。缆索24的另一端部连接在另外的旋转元件25上，旋转元件25适用于在第二轴26上旋转。第二缆索27在它的一个端部连接到所述另外的旋转元件25，并且在它的另一个端部上连接到火箭29。设置一种装置(未示出)用于将缆索24的一个端部沿着轮子21的轴向方向朝着轮子21推压。

在初始位置，缆索27的远离所述另外的旋转元件25的一个端部连接到传递装置28，而缆索24的远端被保持离开轮子21的型表面23。动力源然后被操作，从而旋转轮子21。当旋转能量足以提供能量以加速传递装置28和火箭29时，那么所述装置被操作以朝着轮子21推压缆索24的远端，从而缆索24的远离所述另外的旋转元件25的端部被限制在轮子21的中心处，并且缆索24的远端位于型表面23上。这种设置使得所述另外的旋转元件25比轮子21具有更轻的结构，并且可以设置成使得比所述型表面23更容易地容纳缆索27的长度。

现在参考附图中的图5和图6，它们是示意性的概念图示，其中示出了系统30，系统30根据上面参考附图中的图1、图2和图3所描述的原理而操作。动力源、火箭和传递装置未示出。

缆索33的远端设置有球35。至此，缆索34被保持离开在轴32上旋转的轮子31，并且现在被所述接合装置沿着轴向方向朝着轮子31推压，从而使球35位于轮子31中提供的并且位于轮子31的中心附近的空间中。球35现在与旋转的轮子31一起被限制，并且利用轮子31牵引缆索34。

随着轮子31继续旋转，缆索34位于弯曲的型表面33上，使火箭加速。

在图6中，旋转的轮子31现在处于有效载荷发射系统的操作的结束位置中；轮子31已经完成了大约

圈完整的旋转，并且缆索34被卷绕在弯曲的型表面33上，并且完成了加速。

火箭然后继续它的轨道，并且轮子31利用它的剩余的旋转能量而继续旋转。

图7是火箭16、29和传递装置15、28的示意性透视图，其中在加速过程中，所述传递装置连接到缆索14、24。

现在参考附图中的图8，其中示出了传统设计的火箭的视图，在该特定实例中，所述火箭包括两级，并且在该特定实例中，包括两个利用液氧和液氢发挥作用的发动机；第一级包括第一级发动机、容纳液氢(H)的燃料箱和容纳液氧(O)的燃料箱，并且第二级包括第二级发动机、容纳液氢(H)的燃料箱和容纳液氧(O)的燃料箱。

火箭还包括例如遥感卫星的有效载荷和顶部上的锥形的罩盖，所述锥形罩盖封闭和保护有效载荷，并且为火箭提供良好的空气动力学特性。图中示出了许多传递装置中的两个，在该特定实例中，所述传递装置在位于火箭的第一级之后并且在第二级之后的位置处从缆索向火箭传递牵引力。

有效载荷发射系统的优点：

传递装置能够在火箭的结构上的合适位置处将缆索的牵引力传递到火箭。任何类型的火箭可以与有效载荷发射系统一起使用，但特别的是，可以使用传统设计的火箭。图8所示的该传统设计对于大多数应用是最为有效的。传递装置在火箭的前部的后面将缆索的牵引力传递到火箭。

火箭以很高的速度开始它的轨道。因为在发射开始时很高的能量被传递给火箭，因此可以使用较小的火箭，承载较少的燃料，由较小尺寸的第一级发动机驱动。这导致更简单和更有效的火箭设计，并且允许例如选择那些具有最高的特定推动力和生产更为昂贵的燃料，因为它们的用量较少。所有这些导致更为有效的操作和相当低的成本。

有效载荷发射系统的不足：

由于在较低的、密度较大的大气层中的很高的速度，火箭的顶部上的锥形罩盖和火箭的结构承受较高的载荷。然而由于锥形罩盖和火箭它们各自的几何结构，它们可以得到有效的加强。

在有效载荷发射系统的各种优选实施例中：

有效载荷发射系统的一个特定实施例还可包括用于将缆索14、24从传递装置15、28分离的装置。在有效载荷发射系统的另一个特定实施例中，这些装置包括爆炸装置。

有效载荷发射系统的一个特定实施例还可包括探测装置，用于在某些选定的位置处探测火箭的通过，并且操作所述用于使缆索14、24从传递装置15、28分离的装置。这些探测装置可位于所述系统上或者在地面上。

井坑可以与有效载荷发射系统一起使用；轮子可以在并坑的顶部，并且火箭在靠近井坑的底部的起始位置中。或者轮子可以在结构的顶部，并且火箭在位于所述结构下面的地面上或者井坑的底部的起始位置中。

一种如下所述的结构可以与有效载荷发射系统一起使用，该结构位于大量的液体例如水中，并且在加速过程中为火箭提供足够的空间以在它的内部移动。该结构可以位于最合适的位置和范围处。

在有效载荷发射系统的一个特定实施例中，传递装置不与火箭一起继续飞行；如图3所示，火箭独自继续它的轨道。

在一个实施例中，传递装置被设计成使得在加速后某一时刻，它们移动离开火箭。

在另一个实施例中，传递装置在火箭的一些位置处与火箭连接，并且设置用于分离传递装置的装置。

在另一个实施例中，用于使传递装置从火箭分离的装置包括爆炸装置。

有效载荷发射系统的一个特定实施例还可包括探测装置，用于在某些选定位置处探测火箭的通过，并且操作所述用于使传递装置从火箭分离的装置。这些探测装置可位于该系统上或者地面上。

一种空气动力学结构可以设置在传递装置上以牵引传递装置离开火箭。在加速过程中或之后，由于火箭的运动造成的空气流动在空气动力学结构上产生空气动力，该空气动力牵引传递装置离开火箭。

在一个特定实施例中，传递装置可以设计成容纳靠近燃料箱的火箭的外部结构，从而由于加速产生的横向压力，火箭在该位置的结构基本不会增加。

位于地面附近的网或者传递装置上的降落伞可用于在加速之后回收传递装置。

在火箭的下面可以设置空间以允许火箭第一级发动机点火时在加速刚开始时废气在该空间中累积。

可以设置用于当第一级发动机点火时在加速刚开始时将火箭保持在合适位置的装置。

在有效载荷发射系统的一个特定实施例中，可以设置外部存储燃料箱以有利于操作。

用于使缆索的一个端部与旋转的轮子接合的装置的一个特定实例是将所述端部朝着轮子推压的人工操作者。

联轴器可以设置在驱动装置和轮子之间。

在原理上，在加速开始时使第一级发动机点火不是必需的；第一级发动机可以在加速过程中或者加速后的任何时刻点火。

在有效载荷发射系统的一个特定实施例中，如图5和图6所示，缆索的端部的球将缆索限制在轮子的中心处；在有效载荷发射系统的另一个实施例中，缆索的端部的形状被设计成通过多个位于轮子的中心附近的间隔的凸起被限制。

在有效载荷发射系统的一个特定实施例中，设置用于当惯性轮在旋转时使缆索从惯性轮分离的装置。这些装置特定但不限于允许使缆索和惯性轮为另一个操作迅速地做好准备。

定义：术语缆索包括链条。链条可用于代替缆索。

术语火箭包括任何由反作用式发动机驱动的结构。所述结构可包括翼片、机翼、方向舵、人控或非人控座舱、用于着陆的轮子或滑板，或者它们的任何组合；术语反作用式发动机包括任何利用化学燃料或具有空气的化学燃料的发动机，并且将它喷出远离发动机以提供推进力。术语反作用式发动机还包括任何通过利用电能或核能将任何物质喷出远离它的发动机。

术语有效载荷包括任何用于在火箭的轨道上导向火箭的导向系统、任何用于传感或通讯或者照相的电子系统、或者将在太空中释放的例如人造卫星的任何系统。

表述“火箭的前部”是指对应于火箭的运动方向的在火箭的前面的部分。

表述“火箭的前部的后面”是指对应于火箭的运动方向位于火箭的前部的后面的位置。即对应于火箭的运动方向，具有：首先是前部，然后是前部后面的部分，然后是火箭的后部。

表述“第一级的后面的位置”是指第一级的距离火箭的前部最远的部分。

表述“第二级的后面的位置”是指第二级的距离火箭的前部最远的部分。

评价：

在所讨论的和所有附图所示的有效载荷发射系统的特定实施例中，所述结构上合适的位置位于火箭的前部的后面，其中在所述合适的位置处，传递装置将牵引力从缆索传递到火箭。

即传递装置在火箭上位于火箭的前部的后面的位置处将牵引力从缆索传递到火箭。

在这些特定实施例中，传递装置为刚性的金属结构，所述结构从缆索的端部延伸到火箭的后部。它们的形状被设计成使得它们不会与火箭的前部发生干涉，如图7和图8所示。在它们将牵引力传递到火箭的位置处，这些金属结构的形状被设计成它们包括在它们的结构上的延伸部分，所述延伸部分恰好位于火箭承受牵引力的部分的下面。在这些实例中，这些传递装置没有附加到火箭。所述延伸部分的形状被设计成它们具有钩子的形状，并且由于它们特定的形状，只要牵引力从缆索传递到火箭，它们就被限制到火箭。在所有附图所示的这些特定实施例中，火箭被竖直地加速，并且一旦从缆索到火箭的牵引力的传递停止，传递装置将脱离火箭落下。

Claims (14)

1.一种有效载荷发射系统，包括缆索(14)、旋转元件(11)以及驱动装置，其中缆索(14)的一个端部适用于可释放地与火箭(16)连接，旋转元件(11)适用于在轴(12)上旋转，驱动装置用于可脱离地与旋转元件(11)接合，从而在轴(12)上旋转所述旋转元件(11)，并且旋转元件(11)具有用于容纳缆索(14)的远离火箭(16)的部分的表面(13)，并且表面(13)具有弯曲的轮廓，该轮廓的径向尺寸从所述轴(12)沿着所述轴(12)的弧形方向逐渐增加，所述有效载荷发射系统还包括用于当所述旋转元件在旋转时将所述缆索(14)的远离火箭(16)的部分与旋转元件(11)接合的装置，从而所述缆索(14)的远离火箭(16)的部分位于所述表面(13)上，同时所述缆索(14)的远离火箭(16)的端部被限制在旋转元件(11)上靠近旋转元件(11)的中心的位置处，其特征在于，在缆索(14)和火箭(16)之间设置有传递装置(15)，所述传递装置(15)适用于从缆索(14)向所述火箭(16)传递牵引力。

2.一种有效载荷发射系统，包括缆索(27)、旋转元件(21)、驱动装置、另外的旋转元件(25)以及第二缆索(24)，其中缆索(27)的一个端部适用于可释放地与火箭(29)连接，旋转元件(21)适用于在轴(22)上旋转，驱动装置用于可脱离地与旋转元件(21)接合，从而在轴(22)上旋转所述旋转元件(21)，所述另外的旋转元件(25)适用于在第二轴(26)上旋转，并且所述缆索(27)的远离火箭(29)的端部连接到所述另外的旋转元件(25)，第二缆索(24)的一个端部连接到所述另外的旋转元件(25)，并且旋转元件(21)具有用于容纳所述缆索(24)的远离所述另外的旋转元件(25)的部分的表面(23)，并且表面(23)具有弯曲的轮廓，该轮廓的径向尺寸从所述轴(22)沿着所述轴(22)的弧形方向逐渐增加，所述有效载荷发射系统还包括用于当所述旋转元件(21)在旋转时将所述缆索(24)的远离所述另外的旋转元件(25)的部分与所述旋转元件(21)接合的装置，从而所述缆索(24)的远离所述另外的旋转元件(25)的部分位于所述表面(23)上，同时所述缆索(24)的远离所述另外的旋转元件(25)的端部被限制在旋转元件(21)上靠近旋转元件(21)的中心的位置处，其特征在于，在缆索(27)和火箭(29)之间设置传递装置(28)，所述传递装置(28)适用于从缆索(27)向所述火箭(29)传递牵引力。

3.如权利要求1或者2所述的有效载荷发射系统，其特征在于，设置适用于由所述系统加速的火箭(16，29)。

4.如上述权利要求中任一项所述的有效载荷发射系统，其特征在于，所述传递装置(15，28)适用于在位于火箭(16，29)的第一级的后面的至少一个位置处从缆索(14，27)向火箭(16，29)传递牵引力。

5.如上述权利要求中任一项所述的有效载荷发射系统，其特征在于，所述传递装置(15，28)适用于在位于火箭(16，29)的第二级的后面的至少一个位置处从缆索(14，27)向火箭(16，29)传递牵引力。

6.如上述权利要求中任一项所述的有效载荷发射系统，其特征在于，所述传递装置(15，28)适用于在位于火箭(16，29)承载的有效载荷的后面的至少一个位置处从缆索(14，27)向火箭(16，29)传递牵引力。

7.如上述权利要求中任一项所述的有效载荷发射系统，其特征在于，设置用于将缆索(14，27)从至少一个传递装置(15，28)分离的装置。

8.如上述权利要求中任一项所述的有效载荷发射系统，其特征在于，所述用于使缆索(14，27)从至少一个传递装置(15，28)分离的装置包括爆炸装置。

9.如权利要求3至8中任一项所述的有效载荷发射系统，其特征在于，所述火箭(16，29)在它的结构上包括至少一个这样的位置，在所述位置处，至少一个传递装置(15，28)能够从缆索(14，27)向火箭(16，29)传递牵引力。

10.如权利要求中3至9中任一项所述的有效载荷发射系统，其特征在于，所述火箭(16，29)在它的结构上包括这样的位置，在所述位置处，至少一个传递装置连接到火箭(16，29)。

11.如上述权利要求中任一项所述的有效载荷发射系统，其特征在于，设置用于使传递装置(15，28)从火箭(16，29)分离的装置。

12.如上述权利要求中任一项所述的有效载荷发射系统，其特征在于，用于使传递装置(15，28)从火箭(16，29)分离的装置包括爆炸装置。

13.如上述权利要求中任一项所述的有效载荷发射系统，其特征在于，设置用于将传递装置(15，28)移动离开火箭(16，29)的装置，从而火箭(16，29)能够继续它的轨道而不受传递装置阻碍。

14.如上述权利要求中任一项所述的有效载荷发射系统，其特征在于，所述用于使传递装置(15，28)移动离开火箭(16，29)的装置包括位于传递装置(15，28)上的空气动力学结构。

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