一种电磁炮弹和转缆系统组成的加速系统及其加速办法的制作方法

本发明涉及太空、火箭、火箭发动机、化学燃料、电磁炮、轨道、望远镜、聚光灯、机械手、转缆系统等技术。

背景技术：

目前人类发射速度最快的航天器是新地平线号探测器，发射速度是16.3km/s，使用重约600吨的火箭，而探测器自身仅仅重约400公斤。即使该探测器速度如此之高，飞行到冥王星也花费了约10年才可以达到。目前即使是太阳系内的探测器，也往往受限于化学燃料消耗太多，而竭尽全力节省燃料。为了节省10%的火箭燃料而往往采用很复杂的轨道、借助行星引力加速，使得探测器飞抵目标星球的时间增加数倍，比如飞抵土星需要10年。

由齐奥尔科夫斯基火箭公式可知，火箭发射的时消耗燃料的质量的公式是：m=m0*exp(a*v/v0)，其中m0是飞船质量，v是目标速度，v0是火箭喷气速度，a是经验系数、一般可以取1.1-1.5，m是火箭初始质量。比如m0是1吨，v0是3.5km/s，v是20km/s，a取1.3，计算得到的m值是1683吨。如果v值是30km/s，那么m可达7万吨。如果v值是50km/s，那么m可达1100万吨。

造成火箭质量很大的主要是因为，多级火箭，下面级要消耗的大量燃料，才能够把上面级逐步加速。自60年前土星五号发射以后，受限于化学燃料和火箭原理的极限，火箭性能没有得到过大幅提升，飞船速度也没有得到过实质性的提升。

电磁炮是应用电磁发射技术的一种设备，电磁炮利用磁场或者安培力加速弹丸，把弹丸发射出去。电磁炮可以通过调整磁场强度、电流强度，使得炮弹出膛速度可以调节。

目前地面上最强的电磁炮，身管长度仅仅是5米左右，但是已经能够把炮弹加速到11km/s。未来通过加长身管、增加发射功率、采用超导技术，能够大大提高炮口速度，预计未来炮口速度可以提高到100-300km/s。

另外一种飞船加速方法是采用核反应堆发电，驱动离子推进器产生推力。然而离子推进器产生的推力很难超过10n，加速度很小，需要耗费5-10年才能够达到预定速度。核电的能量很大，但传热、涡轮、压气机、发电等部件容易磨损，气体易泄露，维护非常困难。

转缆系统是由配重、缆绳、捕获装置组成的，捕获装置系在缆绳的末端，捕获装置和缆绳绕着转动中心转动。转缆系统的质心一边直线飞行，转缆系统一边自转。捕获装置的线速度与质心飞行方向相同的点，称为捕获装置的同向点。捕获装置的线速度与质心飞行方向相反的点，称为捕获装置的反向点。每个周期内，捕获装置经过一次同向点、一次反向点。在转动中心的同一侧的不同物体甲、乙，如果甲在甲的同向点，那么此时乙也在乙的同向点。如果转缆系统是直线平飞的，则捕获装置的不同周期的同向点的连线，是一条直线。捕获装置只要在同向点或者反向点，就能够接收飞行器。

技术实现要素：

本发明提供了一种电磁炮弹-转缆系统的加速系统及其加速办法。本发明提供了一种加速系统及其加速办法，这种系统是由电磁炮、炮弹、飞船上的转缆系统组成，转缆系统绕着飞船转动转动转动，线速度可达2km/s以上。加速办法是，在太空中的电磁炮发射炮弹，炮弹有无线电通讯设备、能够精确控制飞行轨迹。在同向点，炮弹被飞船的转缆系统的缆绳末端捕获，绕转动中心转过180度后在反向点脱离。设飞船的飞行速度是10km/s，缆绳末端线速度是2km/s，则炮弹的飞行速度是12km/s，才能够被捕获。捕获后，炮弹在反向点脱离，飞行速度变为8km/s。在次过程中，炮弹的动量减少，飞船获得向前的冲量，提高速度。电磁炮发射几十几百个炮弹，飞船在加速过程中依次接收炮弹，从而一步步加速。

一种加速系统及其加速方法，任务是利用加速系统给飞船加速。加速系统是由电磁炮、炮弹、转缆系统组成，加速系统部署在太空中；炮弹可以通过电磁炮发射。所述炮弹是由弹体、无线电通信设备、姿态控制器、电池组成，电池给无线电通信设备、姿态控制器供电。

飞船安装在一个转缆系统内，转缆系统是由飞船、缆绳、捕获装置组成；飞船上系着一根缆绳，缆绳的另外一端连接着一个捕获装置，且捕获装置、飞船分别在转动中心的两端；缆绳和捕获装置绕着飞船质心转动；飞船系统一边往前平飞，一边自转，自转轴线垂直于平飞的方向；

开始加速时，捕获装置的同向点在电磁炮的前方，电磁炮对准捕获装置的同向点。电磁炮依次发射多个炮弹，越往后发射的炮弹的速度越大。各个炮弹往前飞行，遇到转缆系统，被捕获装置在同向点捕获，然后飞船在反向点抛出炮弹。

作为对上述加速系统及其加速办法的改进，炮弹安装了喷气发动机；在被捕获装置接到前，通过喷气来调整速度。

作为对上述加速系统及其加速办法的改进，炮弹安装了聚光灯；电磁炮上安装了望远镜；在炮弹飞离电磁炮的过程中，望远镜监测炮弹的飞行方向，调整炮弹的飞行方向。

作为对上述加速系统及其加速办法的改进，炮弹安装了聚光灯；转缆系统安装了回转台，回转台安装在转动中心处的缆绳上，或者安装在飞船上；回转台的轴线是平行于转缆系统的自转轴线；回转台上安装了望远镜、雷达，回转台使得望远镜、雷达持续向后观测。

作为对上述加速系统及其加速办法的改进，缆绳末端的回转台的外端安装了第2个回转台，第2个回转台上安装了望远镜；当望远镜在同向点时，向后观测炮弹，调整炮弹的飞行方向。

作为对上述加速系统及其加速办法的改进，缆绳末端线速度大于2km/s；末端离心加速度大于200m/s^2；飞船系统转动周期小于15秒。

作为对上述加速系统及其加速办法的改进，从第1个炮弹到最后一个炮弹，炮弹的质量越来越小；从第1个炮弹到最后一个炮弹，电磁炮发射炮弹的时间间隔越来越大。

作为对上述加速系统及其加速办法的改进，捕获装置接到最后一个炮弹后，当炮弹转到反向点时，飞船脱离缆绳，往前飞行。

作为对上述加速系统及其加速办法的改进，电磁炮安装了火箭发动机，火箭发动机的喷气方向与炮弹飞行方向相反；电磁炮的电源是燃气轮机和发电机，燃气轮机使用液氧和煤油、或者是液氧和液氢作为燃料；燃气轮机的排气方向，与炮弹飞行方向相反。

作为对上述加速系统及其加速办法的改进，系统部署在地球的第二拉格朗日点上，或者部署在月球的第一拉格朗日点上，或者是部署在月球表面上。

附图说明

图1，系统发射炮弹加速飞船的示意图。

附图标记

1，电磁炮。2，炮弹。3，转缆系统。4，质心。5，缆绳。6，飞船。7，捕获装置。8，同向点。9，反向点。

有益效果

这种电磁炮弹和转缆系统组成的加速系统和加速方法，通过电磁炮来发射数量众多、体积重量小的炮弹，飞船再使用炮弹内的燃料，加速体积重量大的飞船。使用这种电磁炮加速飞船的原因和优点是：

1)比起纯化学燃料火箭发动机加速的办法，只需要6吨左右的炮弹就可以使得飞船加速到30km/s，只需要约10吨炮弹就可以使得飞船加速到50km/s，比化学燃料火箭节省成本数千到数千万倍。

2)这种炮弹被转缆系统接到、绕转动中心转动半周后脱离转缆系统。如果线速度是v，炮弹质量是m，那么可以使得转缆系统和飞船增加2mv的冲量，相当于炮弹的等效比冲是2v。通常地v可达3km/s以上，相应地等效比冲可达6km/s以上，远比普通的化学燃料高得多。由于比冲大，炮弹消耗少，电磁炮消耗的能源也少很多。

3)化学火箭的质量和造价，按照自然对数e的目标速度的指数倍来增长，增加速度极高，因此要达到20km/s以上时造价是非常高昂的。而电磁炮系统的质量和造价，按照目标速度的倍数增长的，在高速任务时增长不大，因此非常适合高速任务。

4)这种办法的加速时间仅为5-20小时就能够达到目标速度，比纯粹的核电和离子推进器的方法节省上千倍时间。

5)系统部署在太空中，电磁炮的长度不受地面或者载体的限制，炮管长度可以长达100乃至1000米以上，通过增加炮管长度，炮弹发射速度可以极大提高。电磁炮还可以通过增加磁场强度、电流强度、提高精密度，炮弹发射速度可以提高到数十km/s，未来有可能提高到1000km/s以上，潜力极大。这个是化学火箭远远不能比拟的。

6)加速系统是可以重复使用的。如果要达到20km/s以上速度，则化学火箭需要分为4级甚至9级以上，由于一般最多只能够回收第1级，其他都无法回收，因此成本高昂。电磁炮弹加速系统可以很简单地重复使用，折旧多，造价相对而言不高。

总而言之，电磁炮弹和转缆系统组成的加速系统及其加速办法，为未来的太空旅游、星际飞行提供了一种非常好的途径。

实施例

实施例1

一种加速系统及其加速方法，任务是利用加速系统给飞船加速。

加速系统是由电磁炮1、炮弹2、转缆系统3组成，加速系统部署在地球的第二拉格朗日点上；

所述炮弹是由弹体、无线电通信设备、聚光灯、姿态控制器、电池组成，电池给无线电通信设备、姿态控制器供电。炮弹放置在电磁炮内发射。弹体是铝合金制造的，具有质量，从而可以为转缆系统增加冲量。电磁炮的发射速度可调，以发射不同速度的炮弹。转缆系统安装了通讯设备、捕获装置，捕获装置是一个机械手，可以捕捉飞到同向点的炮弹。

飞船6安装在转缆系统3内，转缆系统是由飞船、缆绳5、捕获装置7组成。飞船重800kg，转缆系统整体重量是1000kg。飞船上系着一根缆绳，缆绳的另外一端连接着一个捕获装置，且捕获装置、飞船分别在转动中心的两端。缆绳和捕获装置绕着飞船质心4转动。转缆系统一边往前平飞，一边自转，自转轴线垂直于平飞的方向。因此同向点8连线是一条直线。转缆系统自转周期是1秒，捕获装置绕质心转动的线速度是1km/s，捕获装置的转动半径是0.159km。

转缆系统质心在同向点连线上的投影，该投影与电磁炮的距离、相对速度，分别称为转缆系统的距离、速度。一般地，由于转缆系统离电磁炮很远，缆绳很短，所以质心相对于电磁炮的距离、速度，分别等于转缆系统的距离、速度。

开始加速时，捕获装置的同向点在电磁炮的前方，电磁炮是在同向点连线上。电磁炮对准捕获装置的同向点，依次发射3个炮弹，越往后发射的炮弹的速度越大。各个炮弹往前飞行，遇到转缆系统，被捕获装置在同向点捕获。然后捕获装置转过180度后，在反向点9分别抛出炮弹。这3个炮弹的重量都是30kg。

第0秒时刻，转缆系统质心相对于电磁炮的速度是1km/s，离电磁炮是100km，捕获装置是在同向点。因此时间是整数秒时，捕获装置都是在同向点。此时第1个炮弹被电磁炮发射出来，发射速度是2km/s，炮弹相对于转缆系统的速度是1km/s。炮弹在约第100秒时炮弹与转缆系统相遇，此时距离电磁炮200km。炮弹遇到转缆系统时，相对于捕获装置的速度为0，且是在同向点，因此能够被捕获装置接到。炮弹绕质心转过180度后，到了反向点，捕获装置抛出炮弹。因此炮弹相对于飞船向后分离，与转缆系统的速度也是3km/s。在这个过程中，转缆系统增加了向前的冲量，增加值是30*1*2=60kg.km/s，转缆系统的速度增加量是60/1000=0.06km/s，变为1.06km/s。

第2个炮弹在第50秒被发射，发射速度是2.06km/s，则对接时炮弹相对于质心的线速度也是1km/s。炮弹在约第197秒遇到飞船，此时距离电磁炮302.82km。炮弹安装了喷气发动机，在被捕获装置接到前，通过喷气来调整速度，使得炮弹能够被对接上。转缆系统抛离第2个炮弹后，转缆系统的平飞速度变为1.12km/s。

实施例2

其他与上一个实施例相同，不同之处是：

本次任务中还发射第3个炮弹，第3个炮弹发射速度是1.12+1=2.12km/s。预定第3个炮弹是在第400秒时与转缆系统相遇，此时转缆系统离电磁炮302.82+(400-197)=530.18km。设第3个炮弹是在第t时刻发射，则由距离关系可得2.12*(400-t)=530.18，t是149.9秒。第3个炮弹对接时相对于质心的线速度也是1km/s，而此时接收设备在同向点，因此能够接收到炮弹。同样地，第3个炮弹使得转缆系统平飞速度增加到1.18km/s。

从第1个到第3个炮弹，电磁炮共持续149.9秒。正是由于能够分散为多个炮弹，逐一发射，电磁炮的体积重量、功率、发射能力都可以采用小规模的，提高经济性。如果一次发射全部的炮弹，或者一次发射飞船到目标速度，则电磁炮必然需要很大规模，以致无法实现。

每个炮弹可以使得转缆系统平飞速度增加一个确定值，因此后一个炮弹的发射速度是可以确定的，也就是等于转缆系统利用前一个炮弹后得到的平飞速度。设第i个炮弹被捕获后，使得转缆系统平飞速度增加到了vi，则第i+1个炮弹的发射速度是vi。并且可以根据接收第i个炮弹的时间、离电磁炮距离、第i+1个炮弹发射速度，解方程可以求得第i+1个炮弹与转缆系统汇合的相遇点，并进一步倒推其发射时间。

实施例3

其他与实施例1相同，不同之处是：

第3个炮弹安装了火箭发动机，火箭发动机作为喷气发动机的其中一种。第3个炮弹在第100秒被发射，发射速度是2.12km/s，则对接时炮弹相对于质心的线速度也是1km/s。炮弹预计在第294.18秒与转缆系统相遇。由于第294.18秒时捕获装置不在同向点，不能接收炮弹，因此改为第294秒相遇，彼时转缆系统离电磁炮302.82+(294-197)*1.12=411.46km。为此，第3个炮弹在飞行过程中，其火箭发动机点火、向后喷气，使得炮弹速度增加0.1km/s，并持续t秒，然后再次点火向前喷气、使得炮弹速度恢复到2.12km/s。则有方程(294-100-t)*2.12+(2.12+0.1)*t=411.46，t=1.8秒。接着炮弹在离电磁炮411.46km处于转缆系统相遇，时间是第294秒，此时接收设备在同向点，因此能够接收到炮弹。

一般的任务中电磁炮需要发射数十乃至数百个炮弹，由于预测误差、控制误差、观测误差，可能导致炮弹不能够如期飞到同向点处，或者捕获装置彼时不在同向点上。炮弹安装了喷气发动机，临近转缆系统时能够调整飞行速度，从而能够保证在某个同向点被接住。即使转缆系统的自转周期高达10秒，这种方法也适合，能够大大提高了捕获装置接住炮弹的成功率。

实施例4

本实施例其他与实施例1相同，不同之处是：

炮弹安装了聚光灯，所述聚光灯是一种led灯，led灯安装了反光罩，发光角度小于2度。电磁炮上安装了望远镜，该望远镜的直径是2米。在炮弹飞离电磁炮的过程中，望远镜监测炮弹的飞行方向，通过无线电通知炮弹，炮弹通过姿态控制器，调整炮弹的飞行方向。

转缆系统安装了回转台，回转台安装在转动中心处的缆绳上。回转台的轴线是平行于转缆系统的自转轴线。回转台上安装了望远镜、雷达。这样转缆系统虽然不断自转，但是回转台使得望远镜、雷达对准后方，持续向后观测炮弹。在炮弹临近转缆系统的数百、数万km时，回转台上的望远镜可以观测到炮弹的聚光灯，从而通过无线电通知炮弹调整飞行方。

炮弹的姿态控制器使得炮弹的聚光灯向前或向后照射，稳定照射方向。缆绳末端的回转台的外端安装了第2个回转台，第2个回转台上安装了望远镜，回转台使得望远镜的指向持续在转缆系统的自转平面内。当望远镜在同向点时，向后观测炮弹，调整炮弹的飞行方向，使得炮弹对准缆绳的同向点飞行。太空中以质心正后方的一个恒星为校正反向，望远镜只需要观测该炮弹偏离该恒星的角度，就可以探测到炮弹的偏离情况，引导炮弹的飞行。同时通过测量无线电收发时间，可以判断炮弹的距离。

在实际的一次加速方法中，电磁炮可能要发射几十、几百个炮弹，炮弹可能要飞行几百万公里后才能够与转缆系统相遇。通常地，直径2米的望远镜，可以观测到1亿km外的聚光灯。炮弹安装了聚光灯，转缆系统、电磁炮安装了望远镜，能够大大提高在深空中转缆系统捕获炮弹的成功率。

实施例5

充电功率是指电磁炮在两次发射间隔内充电时的平均功率，显然在上一个实施例里，各次时间间隔的充电功率越来越大。由于越往后发射的炮弹，速度越大，炮弹单位质量的动能就越大，后期对充电功率提出很高要求。

加速系统的电磁炮，长度是500米。在加速方法里，转缆系统的线速度是3km/s，则每个炮弹的等效比冲是6km/s，远高于任何化学燃料。电磁炮需要发射500个炮弹。其中第1-300个炮弹的重量是30kg。从第301个炮弹2起到最后一个炮弹，炮弹质量越来越小，最后一个炮弹的质量是5kg。从第1个炮弹到最后一个炮弹，电磁炮发射炮弹的时间间隔越来越大。第1、2个炮弹的发射间隔是50秒，第2、3个炮弹的发射间隔是51秒，第499、500个炮弹的发射间隔是200秒。

在本次加速方法中，电磁炮工作20小时，最大充电功率是20万千瓦。第500个炮弹的发射速度是63km/s，发射后经过30小时与飞船相遇，相遇点离电磁炮1170万km，最后把飞船加速到60km/s。转缆系统（含飞船）的总重量是1动能，炮弹捕获成功率是95%，消耗炮弹是1*60/6/0.95=10.5吨。如果使用普通火箭，则火箭的初始重量和燃料消耗是1亿吨以上。

越往后的发射时间间隔越大，炮弹质量越来越小，这种安排能够降低充电功率要求，使得电磁炮和电源规模不需要太大。在整个加速方法过程中，充电功率比较均衡，资源利用率高。如果后期发射炮弹的间隔很短、炮弹质量同样很大，则电磁炮的发射能力要求很高。

飞船总是安装在转动中心的与缆绳相反的一侧，也就是：捕获装置在缆绳的一端，飞船在缆绳的另外一端。捕获装置接到最后一个炮弹后，当炮弹转到反向点时，也就是飞船在同向点时，飞船脱离缆绳，往前飞行。在此时脱离，飞船能够得到向前的线速度，脱离后的速度比较高。

电磁炮安装了火箭发动机，火箭发动机的喷气方向与炮弹飞行方向相反，在工作时能够产生向前的推力，防止电磁炮后退。电磁炮的电源是燃气轮机和发电机，燃气轮机使用液氧和煤油、或者是液氧和液氢作为燃料。燃气轮机的排气方向，与炮弹飞行方向相反。

系统部署在地球的第二拉格朗日点上，这样的系统不绕地球公转，可以长时间保持电磁炮的方向不变。