炮弹加速飞船的时间控制的方法与流程

1.本发明涉及太空、火箭、火箭发动机、化学燃料、电磁炮等技术，尤其涉及炮弹加速飞船的方法。


背景技术：

2.专利2020108535240披露了一种炮弹加速系统及其加速办法，这种方法主要是：电磁炮依次发射一串炮弹，这种炮弹内含有喷气燃料；炮弹都向着飞船飞行，飞船依次接收到各个炮弹；飞船每接收到一个炮弹，就取出炮弹内的燃料，放入火箭发动机、向后喷气，从而使得飞船加速。这种方法统称炮弹加速飞船的方法，都是利用电磁炮依次发射一串炮弹，炮弹依次被飞船接收，然后飞船利用炮弹来加速。专利2021106280222披露了一种炮弹加速飞船的转缆加速法。这种方法与第一种方法类似。
3.电磁炮发射的炮弹，要保证炮弹与飞船相遇的时候，炮弹、飞船的速度相同。同时，约到发射阶段的后期，炮弹的发射速度越来越大，因此发射间隔越来越长。一般加速过程是采用加速渐减的办法，来计算炮弹发射时序。比如设定初始的加速度是20m/s，要求每接到一个炮弹，加速度就降低3%，或者每隔10分钟，加速度就降低5%，如此循环计算。然而实际表明，这种方法不能够适应电磁炮的电源功率、电容储电能力的要求。在初期电磁炮消耗的功率过小，电源得不到充分利用。到了后期，电源功率往往不够，电容的储电能力要求很大，超出了最大输出功率，或者超出了电容的储电能力。
4.电磁炮的电源一般是太阳能发电或者核能发电，这些电源的特点是几乎不消耗燃料，但是重量功率比很大，效率较低，比如太阳能帆板及相应设备的重量功率比是10kg/kw左右，核能发电设备的重量功率比更是高达50kg/kw左右。电磁炮系统的重量、体积庞大，建设成本巨大，必须想方设法降低电磁炮系统的重量和成本。


技术实现要素：

5.电磁炮依次发射许多炮弹，炮弹必须按照一定的时间间隔、时序来发射，才能够既保证炮弹能够被飞船接收到，又能够充分利用电源的电功率。
6.本发明提供了电磁炮发射炮弹的时间安排的方法，在发射功率要超过最大输出功率后，发射间隔等于“炮弹动能/最大输出功率”，从而电磁炮的发射功率等于输出功率。利用这种方法，电磁炮发射的炮弹数量设为n，则一般在第0.05n左右个的炮弹发射的时候，发射功率就达到了最大输出功率，并且在以后的0.95n个炮弹发射过程中的，都保持最大输出功率的状态来发射。通过这种的方法，能够最大限度地利用电源，使得电源最大限度地保持满功率的状态。通过这种方法，能够尽量降低电源的功率要求，从而减少建设规模和投资。
7.炮弹最短处理时间：是指飞船接收到一个炮弹后，需要花费的处理炮弹的最短时间，比如取出炮弹内的燃料、消耗掉燃料、捕获设备重新准备等。飞船接收到一个炮弹后，要经过炮弹最短处理时间后，才能够接收到下一个炮弹，否则飞船将没有充足的时间接收到下一个炮弹、或者储存炮弹的舱室过满。
8.接收间隔：本炮弹的接收间隔是指，前一个炮弹接收时刻起，到本炮弹接收时刻止，所经过的时间。只有第2个及以后的炮弹才有接收间隔，第1个炮弹没有接收间隔。第2个炮弹的接收间隔，是指第1个炮弹接收时刻起、直到第2个炮弹接收时刻止，所经过的时间。
9.发射间隔：下一个炮弹的发射间隔是指，本炮弹的发射时刻起，到下一个炮弹的发射时刻止，所经过的时间。第1个炮弹的发射间隔可以任意大，第2个炮弹的发射间隔是从第1个炮弹发射起、到第2个炮弹发射时的时间。在发射间隔内，电源需要向电容充电。
10.发射功率：是指本炮弹的动能，除以本炮弹的发射间隔，所得的数值。这个数值代表着，在发射间隔内，电磁炮发射的炮弹的动能除以发射间隔。第1个炮弹没有发射功率。
11.最大输出功率：电磁炮的发射的炮弹的动能，除以输入电能，称为工作效率。比如电磁炮输入1mj的电能，而发射的炮弹的动能一般只有0.3mj，0.3mj/1mj=0.3，0.3就是工作效率。最大输出功率是指电磁炮的电源以满功率供电时，电源功率乘以工作效率后的结果。例如电源满功率是1万kw，而电磁炮的工作效率是0.2，则最大输出功率是指1万kw*0.2=2000kw。最大输出功率代表着在单位时间内，电磁炮能够发射的炮弹的最多动能。
12.最大充电时间：电磁炮的电源向电容充电，电容再瞬间释放电能来发射炮弹。电源满功率向电容充电，电容的电能从0到充满电，所经过的时间，称为最大充电时间。
13.有益效果这种炮弹发射时间安排的方法，在发射功率未达到最大输出功率时候，能够使得发射功率尽快达到最大输出功率，最大限度地利用了电源。在发射功率达到最大输出功率的时候，能够使得发射功率一直保持在最大输出功率的状态，最大限度地利用电源了电源。
14.其他方法的整个发射炮弹阶段，电源的利用率一般在60%以下，而这种方法的电源利用率一般可在97%以上。由于电源的利用率高，因此电源的建设规模要求、成本可以大幅减少，对太空活动而言非常重要。
实施例
15.实施例1一种太空中加速飞船的炮弹加速系统，部署在地球的第二拉格朗日点上。加速系统是由电磁炮、电源、电容、炮弹组成，系统运行在太空中；炮弹放置在电磁炮内发射，电磁炮由电源供电。炮弹内装有燃料，燃料是固态的氧和固态的煤油。电磁炮的发射速度可调，以发射不同速度的炮弹。飞船安装了火箭发动机、捕获设备，捕获设备可以捕捉飞到附近的炮弹。飞船内安装了火箭发动机，炮弹的燃料可用于火箭发动机点火喷气，产生推力，从而推动飞船加速。
16.炮弹在飞行过程中与电磁炮的通讯设备、飞船上的通讯设备联络，不断调整炮弹的飞行方向。所述捕获设备是一个网，飞船上安装了一个网，网的长宽分别是5米，网垂直于飞行方向。炮弹遇到飞船时，炮弹与飞船之间的速度差小于5m/s，以免撞击损坏网。各个炮弹追上飞船，被飞船捕获。炮弹在飞行过程中速度基本不变。
17.电源是太阳能帆板，太阳能帆板的最大供电功率是10kw，电磁炮的工作效率是0.2，最大输出功率是2000w。飞船重量是500kg，每个炮弹重1kg，每个炮弹的燃料经过飞船的火箭发动机点火喷射，可以使得飞船增速6m/s。开始加速时，飞船离电磁炮有一定距离，速度是50m/s。电磁炮对准飞船，依次发射炮弹。后一个炮弹比前一个炮弹的速度增加6m/s，
第1个炮弹的发射速度是50m/s，第2个炮弹的发射速度是56m/s，以此类推。炮弹最短处理时间是5秒，在发射功率小于最大输出功率时，每个炮弹的接收间隔设定为6秒。
18.设定一个初始的接收间隔，并以接收间隔倒推发射间隔，然后用炮弹的动能、发射间隔计算发射功率。如果发射功率小于最大输出功率，则前8个炮弹一直采用这个接收间隔（6秒）。
19.如果发射功率大于或等于最大输出功率，则炮弹的发射间隔等于：炮弹的动能，除以最大输出功率。通常地如果第m个炮弹的发射功率等于最大输出功率，则其后的炮弹的发射功率都等于最大输出功率。
20.以电磁炮发射第1个炮弹的时刻为第0秒。第2秒时飞船接到第1个炮弹，此时飞船离电磁炮100米。因此第2 6=8秒的时刻，第2个炮弹被飞船接到，此时飞船离电磁炮是400米（可以通过调节喷气速度，来调整这个距离数值），第2个炮弹的飞行时间是400
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56=7.14秒。由此可以推算第2个炮弹的发射时刻是8
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7.14=0.86秒。第2个炮弹的发射间隔等于0.86
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0=0.86秒，动能是0.5*1*56^2=1568j，而发射功率等于1568j/0.86=1829w，未超过最大输出功率。以此类推，第8个炮弹的发射功率是1888w。第1
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8个炮弹的发射功率，都未超过最大输出功率。通过这种办法来推算，确保接收间隔大于5秒。而如果第9个炮弹的接收间隔依然是6秒，则第9个炮弹的发射功率超过了最大功率。
21.第9个炮弹的发射速度是98m/s，动能是4802j，因此第9个炮弹的发射间隔是：4802/2000=2.4秒。第9个炮弹被飞船接上的时候是离电磁炮3508米，接收间隔是6.07秒。此后的炮弹的动能越来越大，发射间隔都是“动能/最大输出功率”。在第9个炮弹之后的炮弹，发射间隔、接收间隔都是越来越大。
22.这样的结果是，自第9个炮弹起，电磁炮的发射功率都是2000w，满功率发射，已经是最大的效果了。如果发射间隔过大，则输出功率小，没有充分利用电磁炮电源。而发射功率也不可能超过最大输出功率，因此这是一种最理想的状态。
编号炮弹发射时刻,s速度,m/s与电磁炮距离,m炮弹飞行时间,s接收时刻,s炮弹动能，j发射功率,w发射间隔,s接收间隔，s10.00501002.002.00125000020.86564007.148.0015681829.30.866.0032.136273611.8714.0019221511.11.276.0043.7168110816.2920.0023121466.21.586.0055.5174151620.4926.0027381514.71.816.0067.5080196024.5032.0032001610.91.996.0079.6386244028.3738.0036981737.92.136.00811.8792295632.1344.0042321887.92.246.00914.2798350835.8050.07480220002.406.071016.97104410339.4556.42540820002.706.361120.00110476343.3063.30605020003.036.881223.36116552047.5970.95672820003.367.651327.08122640852.5279.61744220003.728.651431.18128746458.3189.49819220004.109.881535.67134872965.14100.81897820004.4911.321640.571401024573.18113.75980020004.9012.941745.901461205782.58128.481065820005.3314.73
23.表中的速度是指炮弹发射速度，也是飞船接上炮弹时飞船的速度。与电磁炮距离，是指飞船接上炮弹时飞船、炮弹离电磁炮的距离。接收时刻，是指飞船接上炮弹的时刻。
24.实施例2其他与上一个实施例相同，不同之处是：
炮弹最短处理时间是4秒；在发射功率小于最大输出功率的时候，接收间隔设定为4.5秒。接收间隔越接近炮弹最短处理时间，发射功率就越快速增长到最大输出功率，电源的利用率就越高。
25.电磁炮的最大充电时间是4.5秒。因此电磁炮发射完毕第16个炮弹后，就停止发射，在此情况下，飞船可以获得的最大速度是140m/s。电磁炮的电容经过最大充电时间后，将会充满电且无法进一步充电，因此炮弹的速度无法再进一步提升，飞船的目标速度也是140m/s。
26.实施例3电磁炮的最大输出功率是2万kw，飞船重量是500kg。在加速的初始阶段的5分钟内，平均加速度可达15m/s^2，而过后加速度逐步降低到0.1m/s^2。
27.飞船安装了两个火箭发动机，其中一个火箭发动机的推力大、一个火箭发动机的推力小。在加速阶段，先使用推力大的火箭发动机，这个火箭发动机消耗炮弹的燃料快、产生的加速度大，能够适合加速阶段初期的状况。而后，丢弃推力大的火箭发动机，减轻飞船的质量，启用推力小的火箭发动机。越往后，接收间隔越来越大，平均加速度越来越小，使用推力小的火箭发动机正好适合这种情况。
28.在整个加速过程中，电磁炮发射一共1000个炮弹。其中飞船在第8000秒接到第900个炮弹，第8500秒接到第901个炮弹。飞船收到第900个炮弹后，并不马上利用第900个炮弹的燃料来加速，而是接到第901个炮弹之前的第8450秒，才开始利用第901个炮弹的燃料来加速。燃料燃烧需要45秒，当第900个炮弹的燃料燃尽后的第5秒时，也就是第8500秒时，接上第i 1个炮弹。通过延迟燃料点火时间，能够使得第901个炮弹尽快追上飞船，被飞船捕获。通过这种方法，能够一定程度上减少加速任务的总路程。
29.实施例4一种电磁炮加速的时间安排的方法。电磁炮最大输出功率是5000kw，每个炮弹质量是30kg，飞船质量是1000kg。第2
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11个炮弹的接收间隔是固定的，是6秒。而后的炮弹的发射功率达到了最大输出功率，因此炮弹的发射间隔等于，炮弹的动能除以最大输出功率。
编号炮弹发射时刻,s速度,m/s与电磁炮距离,m炮弹飞行时间,s接收时刻,s炮弹动能，kj发射功率,kw发射间隔,s接收间隔，s10.00501002.002.00380.4100.006.0025.141404002.868.0029457.25.146.0038.6123012405.3914.00794228.93.476.00411.8132026208.1920.001536479.43.206.00514.93410454011.0726.002522809.63.116.00618.00500700014.0032.0037501220.23.076.00721.055901000016.9538.0052221711.53.056.00824.096801354019.9144.0069362283.53.046.00927.127701762022.8850.0088942936.53.036.001030.148602224025.8656.00110943670.33.026.001133.169502740028.8462.00135384485.13.026.001236.401040.003310031.8368.23162245000.03.246.231340.231130.003957935.0375.26191545000.03.837.031444.701220.004752238.9583.65223265000.04.478.391549.851310.005776044.0993.94257425000.05.1510.291655.731400.007123750.88106.61294005000.05.8812.671762.391490.008897859.72122.10333025000.06.6615.491869.881580.0011206370.93140.80374465000.07.4918.701978.241670.0014160684.79163.04418345000.08.3722.242087.541760.00178738101.56189.09464645000.09.2926.052197.801850.00224595121.40219.21513385000.010.2730.11
22109.091940.00280306144.49253.58564545000.011.2934.38
30.飞船安装了燃料箱，燃料箱内储存了部分燃料，燃料箱的容积是40l，40小于500的20%。在加速过程中，飞船可能接收一个炮弹失败，则会导致飞船低于预定速度。此时飞船消耗燃料箱的燃料来增加速度，从而能够跟得上后面的炮弹的速度、能够在预定的位置与炮弹对接，避免了“一个炮弹对接不了，之后的所有炮弹都对接不了”的事故。
31.在加速过程中，预计只需要接收到95%的炮弹，就可以达到目标速度。但是可能实际上接收成功率很高，从而接收到的炮弹很多，飞船速度高于预定速度。此时把新接收到的炮弹的燃料储存在燃料箱内，不放入火箭发动机内消耗，避免速度高于预定速度。
32.通过燃料箱，能够确保飞船的速度、位置控制更加精准、符合预设的速度位置关系，不会因为错失一个炮弹或接收的炮弹过多而偏离飞船预定的速度位置关系。