專利名稱：形狀像滑翔機(jī)并由普通飛機(jī)拖航到發(fā)射高度的航天器運載工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及將航天器送入地球軌道的運載工具，更具體地說，涉及的運載工具具有升力形成面，足以使運載工具像滑翔機(jī)一樣拖航在普通飛機(jī)的后面。這樣形狀的運載工具可以被認(rèn)為是用普通飛機(jī)進(jìn)行“空中發(fā)射”的，換一種說法，可以看成是由作為“零級”的普通飛機(jī)作補(bǔ)充的運載工具。
目前可以利用的將航天器送上地球軌道的各類運載工具，其數(shù)目是有限的。實際上，它們都是從固定的發(fā)射場以火箭發(fā)動機(jī)為動力發(fā)射的。這就限制了完成發(fā)射的速度。它要求發(fā)射場做好準(zhǔn)備工作，把運載火箭固定到發(fā)射臺，將航天器放進(jìn)運載工具中，加注推進(jìn)劑，測試系統(tǒng)的工作是否正常，然后才能進(jìn)行發(fā)射。當(dāng)要把把航天器投放到相對于恒星的特定軌道平面時，發(fā)射的時機(jī)就局限在該軌道平面越過發(fā)射場這樣一個很短暫的時間。這一時刻叫做最有利發(fā)射時間，如果要求的軌道平面與赤道的傾角很大而發(fā)射場的緯度又低，則可能只有幾秒鐘時間。
如果發(fā)射被耽誤了，則最有利發(fā)射時間錯過了，于是發(fā)射不得不推遲到下一次機(jī)會的來臨。發(fā)射作業(yè)的復(fù)雜性往往使運載火箭在作好另一次發(fā)射準(zhǔn)備之前，下一次希望的軌道平面就已經(jīng)出現(xiàn)了，保持一支現(xiàn)場發(fā)射隊伍并反復(fù)訓(xùn)練發(fā)射前操作，使航天器發(fā)射作業(yè)的費用可觀。
發(fā)射合發(fā)射的運載工具由于發(fā)射臺地理位置的緣故只能把航天器送到一定的軌道傾角。飛行器從已知發(fā)射臺發(fā)射的方向受以飛過住人的地區(qū)的安全問題的制約。因此飛行器能夠達(dá)到的最大軌道傾角也受到限制。從固定的發(fā)射臺發(fā)射所能實現(xiàn)的最小傾角由發(fā)射臺所在的地理位置決定并且就等于其地理緯度。雖然當(dāng)航天器進(jìn)入軌道開始動力推進(jìn)機(jī)動飛行可以改變軌道的傾向，但這樣做需要增加推進(jìn)劑重量，因而傾角變化不能超過5°左右。發(fā)射臺的建設(shè)費用是十分昂貴的，它的維護(hù)和發(fā)射后的清理工作也很費錢。這些費用反映在發(fā)射成本上。地球的地形特征使得只能在赤道上很少幾處可以發(fā)射任意傾角的軌道。對于不能接近這幾個位置的提供發(fā)射服務(wù)的單位必須在各地建造多個發(fā)射場才能把航天器送到任意傾角的軌道。多個發(fā)射場的造價過高，因此能夠射入任意傾角軌道的發(fā)射場是負(fù)擔(dān)不起的。但這樣所能承擔(dān)的任務(wù)也受到限制。
新近航天器發(fā)射有了手段上的改進(jìn)，運載工具攜帶在普通飛機(jī)上，飛機(jī)可以飛到任意地理位置上空，在那里將運載工具釋放，再使有效載荷(航天器)推入軌道。這一操作叫做“空中發(fā)射”，而運載工具則叫“空中發(fā)射的”運載工具。
空中發(fā)射的方法用能從地面起飛的運載火箭的觀點來看，可將運載飛機(jī)當(dāng)作“零級”。這種說法通常用在加到現(xiàn)有運載火箭上的推進(jìn)系統(tǒng)，其目的是在運載火箭本身的推進(jìn)系統(tǒng)點火之前先把運載火箭升到一定高度、達(dá)到一定速度，以提高其性能。這樣做，能減少現(xiàn)有運載火箭加給有效載荷所需的總能量，這部分能量或者可運送更大的有效載荷，或者可將同樣的有效載荷送到更高的軌道。把運載飛機(jī)看作“零級”的既可應(yīng)用到運載火箭本身能用自已動力從地面起飛的，也可用到運載火箭本身并未專門設(shè)計成在空中發(fā)射的。
空中發(fā)射比地面發(fā)射有不少優(yōu)點。發(fā)射位置可以選擇在不會對住人地區(qū)有危險的地方，航天器可以投放到任意傾角的軌道上。用這種飛機(jī)作為發(fā)射平臺所能完成的任務(wù)比從固定發(fā)射臺發(fā)射時要多得多。況且，只需購買一架飛機(jī)并在一個允許進(jìn)行這一作業(yè)的普通機(jī)場上起飛。這就相當(dāng)于有了一個“發(fā)射臺”(飛機(jī))，它能容易地飛到任何希望的地理位置。這種具有飛機(jī)作為零級的運載火箭系統(tǒng)相當(dāng)于以上述常規(guī)機(jī)場設(shè)施在世界各地有多個發(fā)射臺。
而且，當(dāng)要發(fā)射到大傾角的特定軌道時，飛機(jī)發(fā)射的飛行器，其最有利發(fā)射時機(jī)的持續(xù)時間只受飛機(jī)能待在空中時間的限制。要實施這一目的，可令飛機(jī)在一個緯度上向西飛，其飛行速度要跟得上在地球上方的軌道的步調(diào)。最有利發(fā)射時機(jī)錯過的可能性大大降低了。
如上所述，運載工具只需供給航天器較少的位能，因為運載工具開始動力飛行的高度比從地面發(fā)射臺發(fā)射要高。飛機(jī)的速度也加到運載工具的速度上，因此運載工具不必提供為達(dá)到軌道所需的全部速度。如果運載工具是火箭推進(jìn)的，這時的火箭發(fā)動機(jī)性能也比在地面發(fā)射時高，因為在發(fā)射高度上噴管的背壓較低的緣故。
最后，對給定的軌道傾角，運載工具可以從等于要求的軌道傾角的緯度向正東方向發(fā)射。這樣可將地球的自轉(zhuǎn)速度加到運載工具的初始速度上，使之盡可能高。這些因素都對運載工具有幫助。對給定的發(fā)射重量，它能比從地面發(fā)射時發(fā)送較重的航天器，若是相同的有效載荷則可送入更高的軌道。
運載工具上裝機(jī)翼可以獲得更好的性能。利用其空氣動力可補(bǔ)充運載工具推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的推力，有效地彌補(bǔ)了推進(jìn)系統(tǒng)在實際提供加速度之前首先必須抵消飛行器重量而帶來的性能損失。
目前唯一的飛機(jī)發(fā)射系統(tǒng)(軌道科學(xué)公司Orbital SciencesCorporation的PegasusTM)的機(jī)翼表面積在運載飛機(jī)飛行速度下只能部分補(bǔ)償運載工具的重量。當(dāng)運載工具加速，這時由于推進(jìn)劑的消耗使運載工具變輕，機(jī)翼才最終能克服運載工具的重量。因此機(jī)翼可能加以利用的性能增益是有限的。
PegasusTM由其運載飛機(jī)攜帶，直接附著在翼下外掛梁上或者附著在機(jī)身下特制的裝置上。其他推薦的由飛機(jī)發(fā)射的運載工具都設(shè)計成用同樣方式由飛機(jī)攜帶，或裝在飛機(jī)頂部或在機(jī)翼下或在貨艙內(nèi)。有的采用機(jī)翼，有的沒有，但在任何情況下也沒有一種設(shè)計，其運載工具在運載飛機(jī)的指示空速下飛行時的空氣動力升力大于或等于運載工具的重量。
這些運載工具都因同樣的問題而受損。第一，運載工具的最大重量限制在母機(jī)能安全地升到要求高度所攜帶的重量。這同樣給用這種運載工具發(fā)射的航天器的尺寸和重量加上絕對上限。這一重量限制未必等于母機(jī)的載貨重量。如果運載工具裝在飛機(jī)外面，則由此帶給飛機(jī)的干擾阻力需要額外的功率來克服。此外，加到飛機(jī)上的結(jié)構(gòu)載荷也比運載工具的重量大。運載工具上的阻力和慣性載荷因素大大增加作用到母機(jī)上的載荷。遠(yuǎn)在飛機(jī)載重能力達(dá)到之前就已到達(dá)結(jié)構(gòu)上的限制。
第二，攜帶運載火箭有著相關(guān)的危險。運載火箭含有大量會爆炸的推進(jìn)劑。裝到了載人的運載飛機(jī)上。從跑道到發(fā)射點中間的飛行時爆炸危險性不大。爆炸最大潛在因素是在運載火箭推進(jìn)系統(tǒng)點火時或點火后不久。部分是由于此原因，大多數(shù)空中發(fā)射要求運載火箭在其推進(jìn)系統(tǒng)點火前就從母機(jī)上自由落體，但這樣多少降低了可靠度，因為在運載火箭推進(jìn)系統(tǒng)被確定正確運轉(zhuǎn)之前它已與母機(jī)不可換回地脫離了。如果運載工具無機(jī)翼而又要求在自由下落時速度足夠大，則就會比地面發(fā)射時有凈的性能損失。
第三，運載火箭與飛機(jī)分離可能把動載荷作用到運載火箭上，這樣又會傳給航天器。這一載荷可能很大，因而使航天器的結(jié)構(gòu)變重。
第四，外部攜帶的運載火箭如果突出在自由氣流中就會受到母機(jī)發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的噪音和運載火箭周圍復(fù)升的氣流產(chǎn)生的噪音的干擾。這樣會使隨機(jī)推動作用到航天器上。振動強(qiáng)度比從地面發(fā)射臺發(fā)射時航天器所受到的要大，振動的持續(xù)時間長幾百倍。再有，航天器結(jié)構(gòu)做得較重，其精密儀器也須重新設(shè)計才能經(jīng)受得住。
第五，母機(jī)要作很化錢的修改才能攜帶運載火箭。隨著運載工具尺寸加大而修改得更多。事實上，這種修改比建一座發(fā)射臺還要復(fù)升而費錢，從而降低了利用飛機(jī)發(fā)射的熱情。
最后，飛機(jī)的機(jī)務(wù)人員在運載火箭與飛機(jī)分離時可能出現(xiàn)許多故障而有危險。作為一個例子，運載火箭控制系統(tǒng)可能因與母機(jī)的碰撞而兩敗俱傷。
雖然從飛機(jī)發(fā)射航天器運載工具比從地面發(fā)射有很大優(yōu)點，但現(xiàn)行設(shè)計有很大缺點。最重要的是對現(xiàn)行技術(shù)給航天器的尺寸和重量作限制。為了更充分認(rèn)識航天器運載工具飛機(jī)發(fā)射的優(yōu)點，并降低成本、減少危險及其他缺點，需要一種新的探索。
本發(fā)明通過把滑翔機(jī)技術(shù)應(yīng)用到運載工具而克服了現(xiàn)行飛機(jī)發(fā)射的航天器運載工具技術(shù)上的弱點。簡單地講，它包括在運載工具上裝機(jī)翼，使之在飛機(jī)速度小于等于普通飛機(jī)起飛速度時就能克服運載工具的發(fā)射重量。于是，在普通飛機(jī)后面用一根軟纜繩將運載工具拖航。拖航中的運載工具完全和攜帶在飛機(jī)上或飛機(jī)內(nèi)一樣的姿態(tài)飛行到任何希望到達(dá)的地理位置。在發(fā)射點，拖航繩松開，運載工具的推進(jìn)系統(tǒng)安全穩(wěn)定地開始工作，并將有效載荷送入軌道。
本發(fā)明可以是一內(nèi)裝一級或多級推進(jìn)級的滑翔機(jī)，也可以是附有合適機(jī)翼的由一級或幾級推進(jìn)級組成的運載工具。運載工具根據(jù)特定的運載要求可以是完全消耗型的，或是部分消耗型的，也可以是完全可重復(fù)使用的。它可以裝上起落架，以便在萬一不能發(fā)射時回收。在任何實施例中，它都有安裝點和拖航繩的分離機(jī)構(gòu)，還有一控制系統(tǒng)選擇自主飛行還是遙控飛行。
地面等待與起飛的完成是把運載工具裝在有輪子的車架上。車架有一剎車系統(tǒng)，萬一中止起飛就能將運載工具安全剎住、車架留在地面上以節(jié)省重量，當(dāng)運載工具已起飛時車架利用固定剎車系統(tǒng)能自動剎車。
拖航飛機(jī)對運載火箭只提供推力，不提供升力、商用寬體運輸機(jī)的發(fā)動機(jī)總推力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過飛機(jī)的阻力，因此發(fā)動機(jī)推力和飛機(jī)阻力的差值可直接作用的運載工具上，運載工具以其自身阻力反作用到牽引繩上?；铏C(jī)的最大重量只受自己的升阻比(L/D)的限制，大致等于施加的牽引力乘以L/D。為了給出專用例子，牽引時波音747-200B在36000英尺的巡航高度下其總的可用推力為67,500磅力，波音747重500,000磅，其L/D等于12，平衡巡航時的阻力為41,667磅，剩余25,900磅的凈力作用在牽引纜繩上。如果運載火箭的L/D為10，那么其最大重量可以達(dá)到259,000磅。相形之下，飛機(jī)機(jī)構(gòu)上可用的承力點(用于搬運備用發(fā)動機(jī))所能推帶的最大重量只有50,000磅。
上面的結(jié)論是，只需對飛機(jī)略作改動就可使它拖航重的負(fù)荷，這要比攜帶輕的負(fù)荷所作改動少得多。在上述例子中，259,000磅的運載火箭拖在飛機(jī)后面，而對飛機(jī)的作用力只有25,900磅、現(xiàn)有飛機(jī)承力點已能依用50,000磅的力。
從運載工具觀點，拖航減少對攜帶重的推進(jìn)系統(tǒng)的需要，也可使從跑道到動力加速爬升所帶燃料減少，這樣使運載火箭得到簡化，并且以和在飛機(jī)上攜帶運載工具相同的方式有效地把從起飛點到動力上升初始階段的負(fù)擔(dān)移交給拖航飛機(jī)。
由于運載工具上有能在飛機(jī)速度下起飛的機(jī)翼，因此，它在自己的動力下顯然也能起飛，但其性能下降了，因為它要克服較大的阻力、重力和背壓損失。這是一個將“零級”這個術(shù)語用于拖航飛機(jī)的適當(dāng)例子。將運載工具通過軟纜繩與零級綁在一起的方法能夠?qū)崿F(xiàn)靠的是運載工具的空氣動力升力，這種方法也為運載工具提供了技術(shù)水平的大進(jìn)展。
應(yīng)用上每所述那種高的空氣動力升力可以得到另外好處。在運載工具上應(yīng)用高升力裝置使它能完成在諸如PegasusTM那樣的低升力飛行器中不可能完成的任務(wù)。低升力飛行器必須有高推力才能把因克服重力造成的性能損失減到最小。對于給定的推進(jìn)劑量，推力持續(xù)時間和推力大小成反比。高推力意味著燃燒時間短，這樣就使飛行器在相對低的高度上達(dá)到相對高的速度，造成性能損失，這種損失不然是不會有的。
高升力飛行器能以較小角度爬升較長時間，因為它完全靠空氣動力支承。使升力飛行器需要有足夠好額外推力去平衡掉飛行器的重量，而高升力飛行器卻不同，其推力只要維持速度不變。燃燒同樣數(shù)量的推進(jìn)劑，高升力飛行器在獲得夠高的速度之前其爬高比低升力飛行器高，因此阻力損失小。提出需要時就有這樣大的力可利用對于形成軌道以減少重力損失，甚至對已經(jīng)獲得足夠速度后改變飛行航向都有助力，而不會有額外的性能損失。
在飛行結(jié)束時，若要收回滑翔機(jī)，則高升力可降低飛行器上的熱負(fù)荷，延長其航程。一旦第一級推進(jìn)劑用完，飛行器的翼載荷與它起飛時比是如此的低以致熱負(fù)荷及機(jī)動載荷比低升力飛行器的小得多。
拖航滑翔機(jī)式運載工具所固有的高升力平面形狀使它脫離了所有其他空中發(fā)射或空氣動力輔助概念。它與低升力飛行器在各自不同的飛行區(qū)工作。各有一些優(yōu)點。還有許多由拖航滑翔式運載工具帶來的實際好處，如上面已提過的飛機(jī)修改簡單。


圖1-A至1-D示出在此描述的那種運載工具的一個實施例。圖1-A是其平面圖，圖1-是側(cè)視圖，圖1-C和1-D是說明鉸接頭部艙蓋操作的側(cè)視圖。
圖2A至2D是本實施例的運載工具推進(jìn)系統(tǒng)的示意圖。
圖3-A至3-D說明運載工具及拖航機(jī)的起飛程序。
圖4A至4-C說明本實施例的運載工具上面級與第一級分離的方法。
圖1示出本發(fā)明的一個實施例的滑翔機(jī)，機(jī)體1上有機(jī)翼2和舵3，火箭推進(jìn)系統(tǒng)裝在機(jī)體內(nèi)，噴管4從其后端伸出。圖1-A是平面圖，顯示出倒海鷗式三角機(jī)翼。選擇這種翼型是為了在亞音速升阻比和高超音速阻力之間獲得最佳平衡，允許拖在普通飛機(jī)后面的重量最大，同時高速下阻力最小、其它圖形，包括可變后掠翼和X型翼也可適用。
圖1-B示出飛行器的側(cè)視圖，上面清楚指明方向舵3。圖1-C和1-D示出采用鉸接頭部艙蓋5裝卸上面級和航天器的一種可能方法。這種結(jié)構(gòu)類似于前部上貨的普通貨機(jī)貨艙門，為波音747-100F和C-5A運輸機(jī)。圖1-C所示是艙門半開的情況，圖1-D是全開情況。
圖2-A示出飛行器剖面圖。圖上指明綜合式推進(jìn)系統(tǒng)6～9，上面級及航天器的隔艙10，上面級及有效載荷的連接結(jié)構(gòu)11。本實施例中，機(jī)頭中的貯箱6和后面的貯箱8一樣都裝液氧(LOX)，中間貯箱7中裝煤油。選擇這種布置可使推進(jìn)劑沿飛行器長度方向輸送，使整個飛行狀態(tài)保持飛行器的重心在其壓力中心的前面。在從亞音速向超音速飛行的過渡期中，壓力中心明顯地前移，如果重力不與壓力中心保持一定關(guān)系，飛行器會變得不穩(wěn)定。當(dāng)推進(jìn)劑消耗時先用掉貯箱8中的液氧，重心即向前。在飛行中止的情況下，發(fā)動機(jī)熄火，飛行器隨即減速。壓力中心的位置相應(yīng)地后移，這可通過把剩下的液氧從前箱6向后箱8輸送得到彌補(bǔ)，使壓力中心和重心的重量保持著穩(wěn)定的關(guān)系。
圖2-B示出上面級和航天器組合件的部件。大的固體推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)12用作運載火箭的第二級，小的固體推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)13用作第三級，即末級。這兩臺發(fā)動機(jī)用一機(jī)架或其它結(jié)構(gòu)件14結(jié)合起來，航天器15再與第三級連接，于是形成圖2-C所示的航天器-上面級整體組合件16。該組合件裝進(jìn)第一級內(nèi)，見圖2-D。在地面操作時，上面級一航天器整體組合件通過打開的頭部艙門水平地裝入運載火箭中，就不需要吊車或其它通常發(fā)射臺發(fā)射的和運載火箭有關(guān)的大型起重設(shè)備，因而大大節(jié)省了設(shè)備成本和飛行前檢查裝置所費時間，消除了復(fù)雜手續(xù)。由于運載火箭的液體推進(jìn)劑直到起飛前才加注，所示的頭部貯箱6在安裝航天器和上面級組件16時是空的，因此鉸接結(jié)構(gòu)和打開機(jī)構(gòu)不需有大的強(qiáng)度和重量。
全部地面操作和運載火箭放在搬運發(fā)射車17上一起完成，見圖3-A至3-D。飛行器1與搬運車17的機(jī)械連接用爆炸螺栓或能使二者牢牢固定在一起的其它機(jī)構(gòu)，它們可根據(jù)指令松開。運載火箭用軟纜連接到拖航機(jī)上。此纜繩在運載火箭1處有合適的連接機(jī)構(gòu)和分離機(jī)構(gòu)，它還通過裝在拖航機(jī)重心處或其附近部位結(jié)構(gòu)20上的絞盤機(jī)構(gòu)連接到拖航機(jī)19上，這樣使拖繩作用到飛機(jī)上的傾覆力矩最小。
圖3-A示出起飛滑跑時的系統(tǒng)。兩架飛行器均在地面上，這一狀態(tài)一直保持到拖航機(jī)超過其抬起前輪的速度，這是起飛所需的速度。超過此速度，噴氣式飛機(jī)起飛所需的飛行準(zhǔn)備已經(jīng)達(dá)到，縱然飛機(jī)帶著嚴(yán)重的機(jī)械故障。這時，如圖3-B所示，搬運車上的液壓作動筒21伸長，將運載火箭的頭部抬高到發(fā)射角。于是，搬運車和運載火箭之間的機(jī)械連接開始分離，運載火箭按圖3-C所示起飛。當(dāng)運載火箭飛到適當(dāng)高度，拖航飛機(jī)開始轉(zhuǎn)入起飛，如圖3-D所示。
這種起飛步驟的安排是有二個原因。第一，一旦運載火箭升空，拖航機(jī)也必須起飛，即使它有了不能使它繼續(xù)完成任務(wù)的故障。在這種情況下，迅速將推進(jìn)劑從運載火箭排泄，以減輕其重量為了接著好回收。拖航飛機(jī)以在空中繞一周，帶著運載火箭回到跑道作緊急著落。這兩架飛行器于是平安回收，供以后使用。
第二個理由，即讓運載火箭先在空中，這是為了確保它脫離巨型飛機(jī)起飛時或者在大攻角下飛行時會發(fā)生強(qiáng)的翼梢渦流。當(dāng)上升到發(fā)射點時，運載火箭繼續(xù)在拖航機(jī)的上面飛行，以避免這些漩渦。
運載火箭被拖到要求的發(fā)射位置，在這段運輸期間，通過拖航機(jī)發(fā)射控制臺進(jìn)行遙測，完成必要的飛行前檢查。再由運載飛機(jī)上的飛行員采用標(biāo)準(zhǔn)的遙控飛行器(RPV)控制技術(shù)，對運載火箭進(jìn)行遙控駕駛。一當(dāng)達(dá)到要求的發(fā)射位置，第一級火箭發(fā)動機(jī)便點火，當(dāng)證實操作無誤后，拖繩便與運載火箭脫離。
運載火箭爬升到適當(dāng)高度和達(dá)到一定速度后，便進(jìn)入慣性飛行。在所示的實施例中，飛到350,000英尺左右的高空，速度達(dá)到每秒14,000英尺時，第一級推進(jìn)劑用完了。第一級熄火時，航跡傾角使它作慣性飛行到600,000英尺以上。飛行器慣性飛行到400,000英尺以上便脫離可感大氣層，空氣動力和自由分子加熱就不用再關(guān)心了。隨著鉸接頭部艙蓋的打開，航天器及上面級組合件便運載發(fā)射。
圖4-A至4-C顯示了第一級與航天器及一上面級組合件在飛行中的分離情況。在圖4-A中，飛行器處于慣性飛行狀態(tài)。在圖4-B中，頭部艙蓋處于打開位置。在圖4-C中，航天器一上面級組合件從第一級中彈射出去，這可以采用合適的彈簧分離機(jī)構(gòu)、液壓作動筒或其他合適的致動器完成。
分離后，航天器一上面級組合件作慣性飛行，離開第一級一定距離以防止第一級受到噴氣射流的沖擊而損壞、然后第二級和第三級火箭發(fā)動機(jī)順序點火，將航天器送入軌道、滑翔機(jī)艙蓋蓋緊，并重返大氣層作后續(xù)的滑翔飛行，回到回收機(jī)場降落。
以上是初期研制的推薦實施例，它代表了根據(jù)建設(shè)費和操作費的最經(jīng)濟(jì)有效的答案。商業(yè)上可買到的不可回收上面級可以采用，因而毋需開發(fā)費?？苫厥盏幕鸺七M(jìn)的滑翔機(jī)容易利用現(xiàn)有機(jī)身和推進(jìn)技術(shù)加以研制，制導(dǎo)和導(dǎo)航系統(tǒng)在商業(yè)上可以買到，可控制整個飛行階段中飛行器的工作，包括第一級自動著落和第三級的射入軌道。
液體推進(jìn)系統(tǒng)最好是可回收的火箭，因為與固體或固液火箭系統(tǒng)相比，它比較容易清洗和燃料的再加注。系統(tǒng)的安全性也得到加強(qiáng)，因為在中止飛行狀態(tài)，液體推進(jìn)劑可從飛行器中放掉，使之著落時減輕重量，并減少爆炸危險，固體推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)就做不到，固液發(fā)動機(jī)也只能部分這樣做。但本發(fā)明并不依靠任何專用的推進(jìn)技術(shù)，它所具有的優(yōu)點與采用推進(jìn)系統(tǒng)類別無關(guān)，選用何種系統(tǒng)只是根據(jù)給定的要求。在本優(yōu)選實施例中，主要目的是降低航天發(fā)射成本，選用推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)反映這一基本要求。
液體或固液推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)點是能隨意改變推力大小，因而能充分利用這種能力盡量減少由于長時間在小角度下爬升而帶來的重力損失，其辦法是減慢發(fā)動機(jī)中推進(jìn)劑的流動，雙組元液體推進(jìn)系統(tǒng)與固液發(fā)動機(jī)相比危險性大些，因為它有兩種液體。但液體推進(jìn)系統(tǒng)的貯箱容積在運載火箭中的布置可充分地利用有效容積并可控制飛行器重心位置。
運載火箭在拖航時和拖航飛機(jī)的距離可用絞盤機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)。由于拖航機(jī)和運載火箭拉開距離，飛機(jī)發(fā)動機(jī)噪音帶給航天器的隨機(jī)振動和拖航機(jī)尾跡帶來的空氣動力抖振均可降低。這和其他外部攜帶的空中發(fā)射飛行器形成明顯對照，后一種情況中發(fā)動機(jī)及空氣動力噪音加到航天器上的振動比運載火箭從地面發(fā)射臺起飛時不良的火箭噪音造成的還要嚴(yán)重。
運載火箭在拖航飛機(jī)后上方離得足夠遠(yuǎn)，故運載火箭推進(jìn)系統(tǒng)點火時牽引繩還連接的情況下不會危及拖航飛機(jī)上的機(jī)務(wù)人員。這樣也提高了運載系統(tǒng)的可靠性，因為在牽引繩不可收回地分離之前就已核實運載火箭發(fā)動機(jī)工作是否正常。如果運載火箭推進(jìn)系統(tǒng)正常起動失敗，它就關(guān)閉，拖航機(jī)及運載火箭于是安全返回發(fā)射場。甚至在推進(jìn)系統(tǒng)點火時運載火箭發(fā)生災(zāi)難性破壞，拖航機(jī)也能離開足夠遠(yuǎn)而防止由爆炸的過壓或碎片的彈著而損壞。迎面風(fēng)從拖航機(jī)吹向運載火箭的風(fēng)速為每小時幾百英里，也增強(qiáng)了拖航機(jī)的安全。
另一方面，利用不可重復(fù)使用的上面級也使本實施例研制工作簡單了，把推進(jìn)重?fù)?dān)的一半放在火箭發(fā)動機(jī)上，這又是商業(yè)上可以買得到的，因而不需對上面級作研制。但更重要的是它使飛行器可回收的第一級在爬升時，特別是再入時保護(hù)不受氣動熱影響的任務(wù)簡單化了。
火箭動力的滑翔機(jī)升高時在可感大氣層中未達(dá)到足夠大的速度，從而不會使氣動熱成為難解決的問題。第一級推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用節(jié)流使問題進(jìn)一步簡化，因為在長時間內(nèi)保持低速不會有不良后果，它使飛行器爬升到足夠高度讓它在相對短時間內(nèi)加快“飛奔”穿過高超音速飛行區(qū)。
這種滑翔機(jī)再入加熱比飛行器從軌道進(jìn)入大氣層要低得多，其原因有兩首先，第一級最大速度不需超過進(jìn)入軌道所需值的一半。這又意味著飛行器消耗的能量不到軌道運行體所具有能量的25％，從而可減慢到亞音速飛行。另外，滑翔機(jī)起飛重量必須是它在推進(jìn)劑用完后重量的3至5倍?；铏C(jī)的風(fēng)力負(fù)載又是它起飛時的1/3至1/4。這樣便把熱能在較大區(qū)域中消散，結(jié)構(gòu)的傳熱率也就比較低。用簡單耐用的隔熱材料即可使大部分結(jié)構(gòu)適應(yīng)熱負(fù)荷，滯止區(qū)則用耐熱材料。
總之，本實施例代表了主要目的是降低成本和減少危險的近期系統(tǒng)的開發(fā)費和危險，操作費和危險的最佳平衡。也可以采用其他形式的推進(jìn)系統(tǒng)，如滑翔機(jī)用沖壓系統(tǒng)和可回收的上面級。在此所述的實施例主要地并且采用飛機(jī)或運載火箭的最新技術(shù)，而是把二者以簡單方式結(jié)合起來卻產(chǎn)生了技術(shù)水平的重大進(jìn)步。
權(quán)利要求
1.航天器運載工具的組成部分-下面級它是由裝上空氣動力機(jī)翼的機(jī)身和火箭發(fā)動機(jī)或其它合適的推進(jìn)系統(tǒng)所組成；下面級的空氣動力面當(dāng)其速度小于等于普通飛機(jī)的起飛速度時所提供的升力足以使飛行器升在空中；如有必要中在其中裝上一個或一個以上的推進(jìn)上面級以便把有效載荷送入軌道；裝上使拖航軟纜繩接上或松開的機(jī)構(gòu)；利用由下面級的空氣動力面產(chǎn)生的升力來支承飛行器并沿著最佳小角度飛行路線爬升，使運載工具動力上升時的重力、空氣動力阻力和發(fā)動機(jī)背壓性能損失的總和為最小。
2.在權(quán)利要求1中提出的將飛行器送到合適的高度、位置、和合適的飛行速度的方法是用牽引軟纜繩將運載工具與合適的普通飛機(jī)連接起來；使作為滑翔機(jī)的飛行器拖在普通飛機(jī)后面，從普通跑道起拖到要求的地理位置、高度和具有要求的速度和航向，準(zhǔn)備發(fā)射；松開牽引纜繩，點燃運載火箭上的推進(jìn)系統(tǒng)；此后，運載火箭開始其主動上升。
3.航天器運載工具的組成部分-一個或幾個推進(jìn)級它能將航天器送入軌道；飛行器已經(jīng)附上空氣動力機(jī)翼；空氣動力面在小于等于普通飛機(jī)起飛時的速度下所提供的升力足以使飛行器升在空中；裝上使?fàn)恳浝|繩連接和松開的機(jī)構(gòu)；利用飛行器的空氣動力面產(chǎn)生的升力來支承飛行器并沿最佳小角度飛行路線上升，使運載工具主動上升時的重力、空氣動力阻力和發(fā)動機(jī)背壓性能損失的總和為最小值。
4.在權(quán)利要求3中提出的提高飛行器性能的方法利用飛機(jī)作為零級，且由以下幾步組成用牽引軟纜繩將運載工具和合適的普通飛機(jī)連起來；把作為滑翔機(jī)的飛行器拖在普通飛機(jī)后面，從跑道拖到要求的地理位置、高度和要求的速度和航向，準(zhǔn)備發(fā)射；松開牽引軟纜繩，點燃運載工具上的推進(jìn)系統(tǒng)；此后，運載工具開始它的動力上升。
5.權(quán)利要求1中提出的作為運送運載工具的普通飛機(jī)，即提高飛行器性能的零級，其修改方法包括在飛機(jī)升力中心附近的適當(dāng)結(jié)構(gòu)位置上掛一根絞盤纜繩到飛機(jī)上用以拖航滑翔的航天器運載工具。
全文摘要
軌道發(fā)射飛行器(1)上有空氣動力機(jī)翼(2),并作為滑翔機(jī)拖在普通飛機(jī)(19)的后面。該運載工具的拖航方法是用一根軟纜繩(18)把它與普通飛機(jī)(19)連接起來。這樣使航天器(15)送入低地軌道的成本比目前的軌道發(fā)射系統(tǒng)要便宜得多。從空氣動力機(jī)翼(2)產(chǎn)生的升力能夠使運載工具(1)用軟纜繩(18)以現(xiàn)有飛機(jī)從普通跑道上拖航。和“普通空中發(fā)射”的情況一樣,它使航天器可以符合公眾安全地從普通跑道出發(fā)而發(fā)射到軌道,而不必在能射到各種軌道傾角的地理位置上興建專用的發(fā)射臺。
文檔編號B64D5/00GK1173157SQ95197371
公開日1998年2月11日 申請日期1995年11月13日 優(yōu)先權(quán)日1994年11月21日
發(fā)明者邁克爾·S·凱利 申請人:凱利太空及技術(shù)公司