阅读说明：本技术 一种基于真空管道加速的航天发射系统管道与发射方法 (Aerospace launching system pipeline based on vacuum pipeline acceleration and launching method ) 是由 张耀平 青山 赵勇 于 2020-05-25 设计创作，主要内容包括：一种基于真空管道加速的航天发射系统管道与发射方法,包括依山体而建的管道,管道出口位于山体顶部,管道内设置有车辆,车辆上装载有火箭/航天器；管道为真空管道,由始发段、加速段和发射段组成,始发段和加速段之间设有第一气闸门,加速段和发射段之间设有第二气闸门,始发段初始端头设置入口门,发射段结尾端头设置出口门,始发段、加速段和发射段均配有抽真空的真空泵；车辆为真空管道交通车辆,去掉车厢,保留底盘改造而成；车辆与火箭/航天器之间设置成可自动分离形式,进入发射段后,车辆减速,火箭/航天器脱离车辆,在贯性作用下冲出发射段的出口进入天空；本发明提高航天发射效率,降低航天发射成本。(A space launching system pipeline based on vacuum pipeline acceleration and a launching method thereof comprise a pipeline built according to a mountain, wherein a pipeline outlet is positioned at the top of the mountain, a vehicle is arranged in the pipeline, and a rocket/spacecraft is loaded on the vehicle; the pipeline is a vacuum pipeline and consists of an initial section, an acceleration section and a launching section, wherein a first air gate is arranged between the initial section and the acceleration section, a second air gate is arranged between the acceleration section and the launching section, an inlet door is arranged at the initial end of the initial section, an outlet door is arranged at the tail end of the launching section, and the initial section, the acceleration section and the launching section are all provided with vacuum pumps for vacuumizing; the vehicle is a vacuum pipeline transportation vehicle, a carriage is removed, and a chassis is reserved for transformation; the vehicle and the rocket/spacecraft are arranged in an automatic separation mode, after entering a launching section, the vehicle decelerates, the rocket/spacecraft is separated from the vehicle, and rushes out of an outlet of the launching section to enter the sky under the action of inertia; the invention improves the space launching efficiency and reduces the space launching cost.)

一种基于真空管道加速的航天发射系统管道与发射方法

技术领域

本发明属于真空管道交通与航天工程技术领域，具体涉及一种基于真空管道加速的航天发射系统管道与发射方法。

背景技术

真空管道交通是在地上或地下建设气密性管道，管道内铺设磁悬浮轨道，并抽成一定真空，磁悬浮车辆在其中行驶。由于同时消除了空气阻力和机械摩擦，真空管道磁浮车辆速度可以达到超音速，理论上可以接近第一宇宙速度7.9km/s，实现地面的太空旅行。

在地面旅行速度越来越快的同时，人类的步伐已经迈向了太空。在前期太空探索项目不断取得成功的基础上，太空开发与应用的步伐越来越快。

然而，当前的技术水平尚不能满足人类大规模太空开发的需要，其中最大的瓶颈和制约在于：运载火箭的发射效率太低，发射成本太高，而且这些火箭都是一次性使用。虽然现在已经研制出可重复使用的火箭，但无法改变火箭起飞时燃料比重过大和发射过程中燃料消耗很大的现状。

现有的航天发射都是从地面垂直发射，由静止状态开始点火，由于起飞时总质量最大，这一阶段也成为航天发射燃料消耗率最大的阶段。对于三级火箭，当加速到2km/s，一般第一级火箭燃料耗尽，使命完成。而一级火箭质量通常占总质量的一半左右。如果航天发射过程在离开地表时即能获得一个较高的初速度，则可以节省一级火箭部分重量，提高发射效率，降低发射成本。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于真空管道加速的航天发射系统管道与发射方法，提高航天发射效率，降低航天发射成本，为大规模太空开发创造条件。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于真空管道加速的航天发射系统管道，包括依山体3而建的管道1，管道1出口位于山体3顶部，跟水平面呈仰角α；管道1内设置有车辆2，车辆2上装载有火箭/航天器4，管道1配有抽真空的真空泵6。

所述的管道1为真空管道，由始发段11、加速段12和发射段13组成，始发段11和加速段12之间设有第一气闸门51，加速段12和发射段13之间设有第二气闸门52，始发段11初始端头设置入口门111，发射段13结尾端头设置出口门131，始发段11、加速段12和发射段13均配有抽真空的真空泵6。

所述的车辆2为真空管道交通车辆，去掉车厢，保留底盘改造而成；车辆2为磁悬浮车辆，搭载有火箭/航天器4的车辆2能够达到2km/s以上的高超音速。

所述的车辆2与火箭/航天器4之间设置成可自动分离形式，进入发射段13后，车辆2减速，火箭/航天器4脱离车辆2，在贯性作用下冲出发射段13的出口131进入天空。

所述的山体3海拔大于7000m，使发射的火箭/航天器4能够直接进入小于0.4atm(约40000Pa)稀薄气体空间。

利用所述的一种基于真空管道加速的航天发射系统管道的发射方法，包括以下步骤：

步骤1：始发段11和加速段12之间的第一气闸门51处于关闭状态，加速段12和发射段13之间的第二气闸门52处于关闭状态，发射段13出口门131处于关闭状态，启动真空泵6，为加速段12和发射段13抽真空，直至达到所需的真空度；

步骤2：将搭载有火箭/航天器4的车辆2送入始发段11，关闭入口门111；

步骤3：给始发段11抽真空，直至达到所需的真空度；

步骤4：打开始发段11和加速段12之间的第一气闸门51，打开加速段12和发射段13之间的第二气闸门52；

步骤5：启动搭载有火箭/航天器4的车辆2，驶入加速段12并持续加速；

步骤6：搭载有火箭/航天器4的车辆2驶过第二气闸门52后，车辆2减速制动，火箭/航天器4脱离车辆2冲向出口门131；

步骤7：火箭/航天器4接近出口门131时，火箭/航天器4的气动冲压作用力冲开出口门131，火箭/航天器4冲出出口门131进入天空；与此同时，火箭/航天器4点火，开始为火箭/航天器4自身提供推力；

步骤8：火箭/航天器4冲出出口门131后，出口门131立即关闭，同时车辆2退回到始发段11；

步骤9：关闭第一气闸门51和第二气闸门52，启动真空泵6，对加速段12和发射段13进一步抽真空，直至达到所需的真空度，准备下一次发射任务。

所述的加速段12末端和发射段13设置成具有曲率半径R的竖曲线线形，以增大其发射仰角α’，α’最大可达到90°。

本发明的有益效果是：

利用地面7000m以上的山体3为支撑建设管道1，工程费用省；马上进入高海拔空气较稀薄的大气层中，比现有的低海拔火箭发射场的气动阻力小；通过管道1和车辆2为火箭/航天器4提供初始加速度，使火箭/航天器4离开地表时就具有较高初速度，可省去现有多级火箭的一级火箭部分燃料及其重量；用于加速火箭/航天器4的车辆2可重复使用。本发明可有效降低航天发射成本，加快发射周期，为大规模太空开发提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明的示意图，其中管道1为直线线形，图中火箭/航天器4处于待发射状态，第一气闸门51和第二气闸门52尚未打开。

图2为本发明的示意图，图中火箭/航天器4处于即将发射状态，第一气闸门51和第二气闸门52已经打开。

图3为本发明的示意图，图中车辆2开始制动，火箭/航天器4已经跟车辆2脱离。

图4为本发明的示意图，图中车辆2已经制动停止，火箭/航天器4已经冲出管道1。

图5为本发明的示意图，图中火箭/航天器4已经发射完毕，车辆2已经退回到始发段11，第一气闸门51和第二气闸门52即将关闭。

图6为本发明的示意图，其管道1的末端(发射段13)为半径为R的曲线，发射仰角α’大于图1-图5中的发射仰角α，图中火箭/航天器4处于待发射状态，第一气闸门51和第二气闸门52尚未打开。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。

如图1所示，一种基于真空管道加速的航天发射系统管道，包括依山体3而建的管道1，管道1出口位于山体3顶部，跟水平面呈仰角α；管道1内设置有车辆2，车辆2上装载有火箭/航天器4(如卫星、宇宙飞船、太空探测器等)，管道1配有抽真空的真空泵6。

所述的管道1为真空管道，由始发段11、加速段12和发射段13组成，始发段11和加速段12之间设有第一气闸门51，加速段12和发射段13之间设有第二气闸门52，始发段11初始端头设置入口门111，用于跟外界气密性隔离和供车辆2、火箭/航天器4进入；发射段13结尾端头设置出口门131，用于跟外界气密性隔离和供火箭/航天器4发出；始发段11、加速段12和发射段13均配有抽真空的真空泵6。

所述的车辆2为真空管道交通车辆，去掉车厢，保留底盘改造而成，用于搭载火箭/航天器4，为火箭/航天器4提供初始加速度；车辆2为磁悬浮车辆，由于消除了空气阻力和机械摩擦，搭载有火箭/航天器4的车辆2能够达到2km/s以上的高超音速。

所述的车辆2与火箭/航天器4之间设置成可自动分离形式，进入发射段13后，车辆2减速，火箭/航天器4脱离车辆2，在贯性作用下冲出发射段13的出口131进入天空；所述的山体3海拔大于7000m，以便管道1有足够的加速长度，也使发射的火箭/航天器4能够直接进入小于0.4atm(约40000Pa)稀薄气体空间，降低火箭/航天器4在大气中飞行时的气动阻力。

利用所述的一种基于真空管道加速的航天发射系统管道的发射方法，包括以下步骤：

步骤1：始发段11和加速段12之间的第一气闸门51处于关闭状态，加速段12和发射段13之间的第二气闸门52处于关闭状态，发射段13出口门131处于关闭状态，启动真空泵6，为加速段12和发射段13抽真空，直至达到所需的真空度；

步骤2：将搭载有火箭/航天器4的车辆2送入始发段11，关闭入口门111，如图1所示；

步骤3：给始发段11抽真空，直至达到所需的真空度；

步骤4：打开始发段11和加速段12之间的第一气闸门51，打开加速段12和发射段13之间的第二气闸门52，如图2所示；

步骤5：启动搭载有火箭/航天器4的车辆2，驶入加速段12并持续加速；

步骤6：搭载有火箭/航天器4的车辆2驶过第二气闸门52后，车辆2减速制动，火箭/航天器4脱离车辆2冲向出口门131，如图3所示；

步骤7：火箭/航天器4接近出口门131时，火箭/航天器4的气动冲压作用力冲开出口门131，火箭/航天器4冲出出口门131进入天空，出口门131的工作原理类似于潜水艇发射管从水下发射鱼雷和导弹的方法；与此同时，火箭/航天器4点火，开始为火箭/航天器4自身提供推力，如图4所示；

步骤8：火箭/航天器4冲出出口门131后，出口门131立即关闭，避免大量空气进入发射段13内，同时车辆2退回到始发段11，如图5所示；

步骤9：关闭第一气闸门51和第二气闸门52，启动真空泵6，对加速段12和发射段13进一步抽真空，直至达到所需的真空度，准备下一次发射任务。

如图6所示，所述的加速段12末端和发射段13设置成具有曲率半径R的竖曲线线形，以增大其发射仰角α’，图中α’>α，且α’最大可达到90°。