一种基于火箭动力的洲际快速抵达运输系统的制作方法

1.本发明涉及航天运输系统的运载器，尤其涉及一种基于火箭动力的快速抵达运输系统及其运作方法。


背景技术：

2.随着科技日趋进步和世界航天运输系统的迅猛发展，将火箭动力的航天运载器概念引入地球表面洲际运输系统设计中，有望带来革命性的变化。目前地球表面的快速抵达运输主要依靠高铁和飞机，高铁时速约350公里，民航飞机时速1000公里，要实现10000公里以上的洲际运输，飞机最快需要十几个小时。而基于火箭动力的航天运输系统，发射入轨速度甚至可以达到7.9km/s，即时速超过2.8万公里。基于火箭动力的航天运输系统一般在宇宙空间环境中地球对空间轨道运输时使用，将其引入到地球表面洲际运输中，可以实现运输速度的大幅提升。
3.目前为止，地球表面洲际快速抵达运输主要依靠飞机，航天运输系统还未应用到地球表面运输中去，主要存在问题归纳为：
4.1、飞机进行洲际快速抵达运输需要时间较长，10000公里航程需要10小时以上，且只能在大气层中飞行，飞行高度一般在10km以下；
5.2、基于火箭动力航天运输系统主要用于地球对空间轨道或者地外天体的运输，飞行环境较为严酷，一般采用垂直发射模式，运载器一般采用单程飞行模式，缺少进行地球表面洲际运输的现有产品。
6.因此，寻求一种高速度(飞行速度是民航飞机10倍以上)、全空域(覆盖整个亚轨道高度，飞行高度在阻力更小的稀薄大气中)、航班化(能使用机场跑道进行频繁水平起降)、经济可承受(满足经济可承受的特定客户群需求)的地球表面洲际快速抵达运输系统已迫在眉睫。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种基于火箭动力的洲际快速抵达运输系统，其特征在于，所述洲际快速抵达运输系统采用两级带翼升力式构型，分别包括助推级飞行器和载荷级飞行器，其中，所述助推级飞行器和载荷级飞行器均采用液体火箭发动机提供动力，所述洲际快速抵达运输系统采用在机场跑道水平起飞和降落的模式；所述助推级飞行器用于将载荷级飞行器以一定的速度送入预定高度；所述载荷级飞行器装载有效载荷进行洲际飞行任务；所述助推级飞行器和载荷级飞行器独立执行任务。
8.优选地，所述助推级飞行器采用翼尖舵布局设计，背驮载荷级飞行器。
9.优选地，所述助推级飞行器的升阻比为3
‑
3.5。
10.优选地，所述载荷级飞行器采用大升阻比升力式外形，升阻比为3.5
‑
4。
11.优选地，所述助推级飞行器的飞行高度不超过100km，最大速度不超过10ma。
12.优选地，所述载荷级飞行器的飞行高度不超过200km，最大速度20ma左右。
13.优选地，所述载荷级飞行器设置有高性能热防护系统。
14.本发明还提供了一种基于火箭动力的洲际快速抵达运输系统的运输方法，其特征在于，基于火箭动力的洲际快速抵达运输系统依靠火箭动力发动机在机场水平起飞，经过动力爬升到达预定高度，进入有动力高超声速巡航飞行，达到预定速度后关机，进行无动力亚轨道飞行；
15.飞行过程中利用自身携带的反作用控制rcs系统调整飞行姿态，特定状态下结合翼舵气动控制手段进行复合控制；
16.到达预定高度和速度要求时，助推级飞行器与载荷级飞行器分离，载荷级飞行器发动机点火，继续飞向目的地；
17.助推级飞行器与载荷级飞行器，满足根据航程预先设定好的高度、速度后再入大气层，依靠气动力滑翔返回预定地点或者目标地点附近的机场，最终实现水平降落。
18.本发明的有益效果包括：
19.本发明提供了一种基于火箭动力的洲际快速抵达运输系统，与飞机相比，飞行速度大幅提升(飞行速度是民航飞机速度的10倍以上)，洲际运输时间可以缩短为1/10；
20.本发明提供了一种基于火箭动力的洲际快速抵达运输系统，将航天运载器用于地球表面洲际运输，采用火箭动力进行亚轨道高度的弹道式飞行，探索形成与公路、铁路、船舶、航空同等重要的新型运输模式。
21.本发明提供了一种基于火箭动力的洲际快速抵达运输系统，采用机场跑道水平起降并进行航班化运营，优化了飞行环境，降低了单次飞行的费用。
附图说明
22.图1为本发明的基于火箭动力的洲际快速抵达运输系统组成图；
23.图2助推级构型示意图；
24.图3载荷级构型示意图；
25.图4为以上海到洛杉矶航线为例的全程弹道海拔高度
‑
时间曲线图；
26.图5为以上海到洛杉矶航线为例的全程弹道速度
‑
时间曲线图。
具体实施方式
27.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
28.本发明针对现有洲际快速抵达运输系统的不足，提出一种基于火箭动力的洲际快速抵达运输系统方案，主要针对洲际远距离补给物资、人员的快速运输与快速抵达等需求，采用两级带翼升力式构型，包括助推级(一级)和载荷级(二级)。助推级和载荷级都是可独立执行飞行任务的飞行器，助推级由结构/防热、推进、姿态控制、gnc、着陆等系统组成；载荷级由结构/防热、推进、姿态控制、gnc、着陆及有效载荷系统等组成。助推级3
‑
3.5采用翼尖舵布局设计，液体火箭发动机提供动力，背驮载荷级(载荷为货舱或乘员舱)。载荷级采用3.5
‑
4大升阻比升力式外形，液体火箭发动机提供动力。快速抵达运输系统采用在机场跑道水平起飞和降落的模式，可重复使用，按照高可靠、高安全标准设计。
29.本发明提供了一种基于火箭动力的洲际快速抵达运输系统，其特征在于，所述洲
际快速抵达运输系统采用两级带翼升力式构型，分别包括助推级飞行器2和载荷级飞行器1，其中，所述助推级飞行器和载荷级飞行器均采用液体火箭发动机提供动力，所述洲际快速抵达运输系统采用在机场跑道水平起飞和降落的模式；所述助推级飞行器用于将载荷级飞行器以一定的速度送入预定高度；所述载荷级飞行器装载有效载荷进行洲际飞行任务；所述助推级飞行器和载荷级飞行器独立执行任务。
30.根据本发明的一个实施例，所述助推级飞行器采用翼尖舵布局设计，背驮载荷级飞行器。
31.根据本发明的一个实施例，所述助推级飞行器的升阻比为3
‑
3.5。
32.根据本发明的一个实施例，所述载荷级飞行器采用大升阻比升力式外形，升阻比为3
‑
4。
33.根据本发明的一个实施例，所述助推级飞行器的飞行高度不超过100km，速度不超过10ma。飞行时间较短，可自主起飞与降落。
34.根据本发明的一个实施例，所述载荷级飞行器的飞行高度不超过200km，速度20ma左右。
35.根据本发明的一个实施例，所述载荷级飞行器高超声速飞行时间较长，设置有高性能热防护系统。
36.本发明还提供了一种基于火箭动力的洲际快速抵达运输系统的运输方法，其特征在于，基于火箭动力的洲际快速抵达运输系统依靠火箭动力发动机在机场水平起飞，经过动力爬升到达预定高度，进入有动力高超声速巡航飞行，达到预定速度后关机，进行无动力亚轨道飞行；
37.飞行过程中利用自身携带的反作用控制rcs系统调整飞行姿态，特定状态下结合翼舵气动控制手段进行复合控制；
38.到达预定高度和速度要求时，助推级飞行器与载荷级飞行器分离，载荷级飞行器发动机点火，继续飞向目的地；
39.助推级飞行器与载荷级飞行器，满足根据航程预先设定好的高度、速度后再入大气层，依靠气动力滑翔返回预定地点或者目标地点附近的机场，最终实现水平降落。
40.以上海
‑
洛杉矶洲际航线为例，全程飞行航程约为11600km。目前该路线民航飞机最快需要10小时以上。快速抵达洲际运输系统飞行时间弹道计算值为3356s，小于1小时。快速抵达洲际运输系统组合体在上海机场起飞后，助推级将组合体助推至预定速度高度后关机、与载荷级分离，助推级无动力滑行并依靠气动力调整航向，飞行1240s后在山东威海机场降落。载荷级分离后点火加速至ma20以上进行高超声速无动力滑行，提高飞行距离，最终将载荷运输至美国西海岸洛杉矶机场。
41.显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。