一种炮弹加速飞船的转缆加速法的制作方法

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是速度增量目标，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炮弹，把炮弹发射出去。电磁炮可以通过调整磁场强度、电流强度，使得炮弹的发射速度可以精确调节。但是目前电磁炮的成本太高，体积重量大，无法装入坦克内，没有量产。电磁炮理论上的发射速度没有上限，未来达到1000km/s也完全可以。

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。

目前导弹、炮弹的制导技术已经非常精准，对运动目标的精度可以达到0.1米，有些导弹的命中率高达99%以上。自动分拣机器人，已经能够100%识别地面上的多余杂物。

技术实现要素：

本发明提供了一种转缆加速法，这种方法是：等待加速的飞船，与一个机械手，飞船系在一根缆绳的一端，机械手系在缆绳的另外一端，且飞船和机械手绕着缆绳上的、靠近飞船一端的某点转动。缆绳、飞船、机械手组成了一个自转系统，转动中心也是系统的质心。质心前进方向与飞船要加速的飞行方向相同。在自转过程中，当机械手的线速度方向与飞船要加速的飞行方向相同时，机械手所在的点称为机械手的同向点，此时线速度方向与质心的平动方向相同。当机械手的线速度方向与质心的平动方向相反时，机械手所在的点称为机械手的反向点。在自转系统所在的自转平面内，在机械手的同向点的正后方，部署了一个电磁炮，电磁炮在同向点切线上。

这个自转系统的加速过程是，电磁炮朝着同向点发射炮弹，炮弹朝着同向点飞行。在同向点，炮弹与机械手相遇，炮弹被机械手捕获，绕质心转动。炮弹绕质心转过奇数个180度后，在反向点机械手抛弃炮弹。在此过程中，炮弹的动量减少，飞船获得向前的冲量，提高速度。电磁炮发射多个炮弹，飞船在加速过程中依次捕获炮弹、丢弃炮弹，从而逐步加速。

炮弹是制导炮弹，炮弹内安装了导航设备、能够控制飞行方向和速度。类似地，飞船也有同向点。当机械手捕获到最后一个炮弹后，飞船可以在同向点时脱离缆绳，进一步提高了速度，独自往前飞行。通过这种方法，利用很少的资源消耗，飞船就可以获得很大的速度增量。

设质心平动的飞行速度是10000m/s，机械手的线速度是3000m/s，则炮弹的飞行速度是13000m/s，才能够被捕获。捕获后，炮弹在反向点脱离，飞行速度变为10000-3000=7000m/s。设炮弹的重量是1kg，则在此过程中，炮弹的动量减少了(13000-7000)*1=6000kg.m/s的动量，而自转系统则增加了6000kg.m/s的动量。飞船的质量是1000kg，加上缆绳、机械手等，自转系统的总质量是1200kg，那么一个炮弹可以使得质心的平动速度增加6000/1200=5m/s的速度。在整个加速过程中，电磁炮发射10000个炮弹，可以使得自转系统的速度增加5*10000=50000m/s的速度。

而10000个炮弹的总质量是10吨，而相同加速能力的运载火箭是1100万吨。可见，这种方法的资源消耗和成本远远小于运载火箭。

缆绳采用超高强度的聚乙烯纤维，而且靠近质心的截面积大、远离质心的截面积小。

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，自转系统。4，质心。5，缆绳。6，飞船。7，机械手。8，同向点。9，反向点。

有益效果

这种电磁炮弹和自转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)这种炮弹被自转系统接到、绕质心转动半周后脱离自转系统。如果线速度是v，炮弹质量是m，那么可以使得自转系统和飞船增加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，按照速度增量目标的次方来增长，速度增量目标大于3000m/s后，增加速度极高。而炮弹使用量是按照速度增量目标线性增长的，增长速度低，因此非常适合高速任务。

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

5)加速系统是可以重复使用的。运载火箭多数无法回收，而电磁炮弹系统可以很简单地重复使用，造价相对而言不高。

总而言之，这种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。飞船、缆绳、机械手组成了一个自转系统。这个系统发射进入太空时还是在一个太空舱内，机械手还安装了一个小型的火箭发动机，火箭发动机喷气，把机械手和缆绳拖出、使得缆绳拉直。然后火箭发动机朝着机械手的线速度方向的反方向喷气，使得机械手增加线速度，从而自行系统加速自转。通过这种方法，自转系统就自转起来。

在自转系统所在的自转平面内，在自转系统的后方，部署了一个电磁炮，且电磁炮在机械手的一条切线上，电磁炮可以朝着切线方向发射炮弹，炮弹的轨迹线与机械手自转圆相切。

这个自转系统的加速过程是，电磁炮朝着同向点发射炮弹，炮弹朝着同向点飞行。在同向点，炮弹与机械手相遇，炮弹被机械手捕获，绕质心转动。炮弹绕质心转过奇数个180度后，在反向点机械手抛弃炮弹。在此过程中，炮弹的动量减少，飞船获得向前的冲量，提高速度。电磁炮发射多个炮弹，飞船在加速过程中依次捕获炮弹、丢弃炮弹，从而逐步加速。

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，从而可以为自转系统增加冲量。电磁炮的发射速度可调，以发射不同速度的炮弹。自转系统的质心处也安装了导航设备，能够引导炮弹飞行。

飞船重800kg，自转系统整体重量是1000kg。自转系统自转周期是1秒，机械手绕质心转动的线速度是1000m/s，机械手的转动半径是159m。开始加速时，机械手的同向点在电磁炮的前方，电磁炮是在同向点连线上。电磁炮对准机械手的同向点，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，遇到自转系统，被机械手在同向点捕获。然后机械手转过180度后，在反向点9分别抛出炮弹。炮弹的重量都是30kg。

第0秒时刻，自转系统质心相对于电磁炮的速度是100m/s，离电磁炮是10^5m，机械手是在同向点,因此在整数秒时，机械手都是在同向点。此时第1个炮弹被电磁炮发射出来，发射速度是2000m/s，在第100秒时炮弹与自转系统相遇，此时距离电磁炮2*10^5m处。此时炮弹遇到自转系统时，相对于机械手的速度为0，且是在同向点，因此能够被机械手捕获。炮弹随着机械手转动，绕质心转过180度后，到了反向点，机械手抛出炮弹。因此炮弹相对于飞船向后以速度1000m/s离开。在这个过程中，自转系统增加了向前的冲量，增加值是30*1000*2=60000kg.m/s，由动量守恒定律可得，自转系统的速度增加量是60000/1000=60m/s，变为1060m/s。

第2个炮弹在第50秒被发射，发射速度是2060m/s，则对接时炮弹相对于质心的线速度也是2060-1060=1000m/s。炮弹在约第197秒遇到飞船，此时距离电磁炮302820m。自转系统抛离第2个炮弹后，自转系统的平飞速度增加到1120m/s。

实施例2

其他与上一个实施例相同，不同之处是：

自转系统的自转周期是2秒。电磁炮安装了火箭发动机，火箭发动机持续往后喷气，抵消炮弹的反冲力，保持电磁炮在空间静止，位置不变。每个炮弹的重量是5kg，自转系统的总质量是100kg，速度增量目标增量是10000m/s。

质心的飞行速度是500m/s，机械手的线速度是5000m/s。第0秒的时候，电磁炮在自转系统的机械手同向点的正后方10000m处，且机械手到了同向点。第1个炮弹的发射速度，也就是飞行速度，是5500m/s。设第x秒的时候，炮弹可以追上自转系统，则500*x+10000=5500*x，计算得x=2，这样在第2秒的时候，在5500*2=11000米处，第1个炮弹追上自转系统。而且此时机械手又经过了1个自转周期，到了同向点，与炮弹相遇，从而捕获炮弹。每个炮弹对质心增加的冲量是2*5kg*5000m/s=500000kg.m/s，使得质心增加速度500000kg.m/s÷100=500m/s，一共需要10000/500=20个炮弹，炮弹共计重量是5*20=100kg。

在加速过程中，机械手每隔一段时间接到一个炮弹，且接到炮弹的时间间隔，越来越大。在本实施例里，接到第1个炮弹后，间隔40秒才接到第2个炮弹，而后每个炮弹的时间间隔，比前一个炮弹的时间间隔多40秒。因此第1、2、3、4个炮弹之后的时间间隔，分别是40秒、80秒、120秒、160秒，以此类推。接到第1个炮弹的时间为第2秒，则接到第2个炮弹的时间是第2+40=42秒，接到第3个炮弹的时间是第42+80=122秒，接到第4个炮弹的时间是第52+120=172秒。

在机械手接到第1个炮弹之后，质心飞行速度变为500+500=1000m/s，在之后的40秒内，质心飞行了1000*40=40000m，到了11000+40000=51000m处。第2个炮弹的发射速度是1000+5000=6000m/s，飞行时间是51000/6000=8.5秒，发射时刻是第42-8.5=33.5秒。

接到第2个炮弹后，质心的飞行速度变为1000+500=1500m/s，之后的80秒内，质心飞行了1500*80=120000m，到了第122秒时质心到了120000+51000=171000m处。第3个炮弹的发射速度是1500+5000=6500m/s，飞行时间是171000/6500=26.3秒，发射时刻是第122-26.3=95.7秒。同理，可以推算出来第4个及之后的炮弹的发射速度是7000m/s、发射时刻、相遇地点等信息。

通过这种办法，在加速之前，电磁炮可预先制定发射计划，在加速过程中，电磁炮只需要按照这个计划发射炮弹，就可以确保每个炮弹能够被捕获，且质心和飞船的飞行速度越来越大。

在本实施例里，如果在太空中用火箭给飞船加速，则需要(exp(1.4*10000/4000)-1)*100=3321kg的火箭燃料。而进入太空后的物质都很昂贵，火箭燃料、炮弹两者的单位重量的价格都差不多，因此，使用本发明方法消耗的资源仅仅是火箭的1/33，节省数十倍成本。

实施例3

在一次加速任务中，电磁炮一共需要发射1000个炮弹。第500秒时发射第10个炮弹，自第10个炮弹起，发射每个炮弹的时间间隔越来越大。第11、12、13、14、15个炮弹的发射时刻分别是第550、610、680、770、870，第11、12、13、14、15个炮弹的发射时间间隔分别是550-500=50、610-550=60、680-610=70、770-680=90、870-770=100秒。

越往后的发射时间间隔越大，机械手捕获的时间间隔越来越大，这种安排能够降低电磁炮的功率要求，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。

一般的任务中电磁炮需要发射数十乃至数万个炮弹，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，或者机械手彼时不在同向点上。炮弹安装了微型的喷气发动机（微型的火箭发动机），在飞行过程中自转系统时能够微调飞行速度、飞行方向，从而能够保证在某个同向点被接住。这种方法能够大大提高了机械手接住炮弹的成功率，成功率可达99%以上。

并且，相邻两个炮弹之间的速度差，一般只有10-60m/s，电磁炮会多发射10%的炮弹。在前后相邻的20个炮弹内，如果有1个没有被捕获到，那么前后20个炮弹有2个是多余的，只需利用其中1个多余的，就可以弥补到预定速度了。冗余的炮弹可以大大提高整个系统的成功率，使得加速任务的成功率在80%以上。

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，炮弹通过制导设备，调整炮弹的飞行方向、速度。

自转系统安装了回转台，回转台安装在质心处的缆绳上。回转台的轴线是平行于自转系统的自转轴线。回转台上安装了望远镜、雷达。这样自转系统虽然不断自转，但是回转台使得望远镜、雷达一直对准后方，持续向后观测炮弹。在炮弹临近自转系统的数百、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自转系统的自转平面内。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自转系统相遇。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，自转系统、电磁炮安装了望远镜，能够大大提高在深空中自转系统捕获炮弹的成功率。

缆绳上靠近飞船一端处安装了微型炸药，接到最后一个炮弹后，当飞船在同向点时，引爆炸药，炸断缆绳。飞船就与缆绳分离，继续往前飞行，且得到进一步提速。

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。