[发明专利]一种用于轮式水平起降运载器的地面辅助起飞跑道及方法

说明书

本发明提供了一种用于轮式水平起降运载器的地面辅助起飞跑道及方法，该跑道包括依次相连接的停机坪、势能转化段、水平加速起飞段和紧急制动段，停机坪设置在水平加速起飞段的上部且与水平加速起飞段之间具有设定高度差，势能转化段与水平加速起飞段呈夹角设置，势能转化段包括依次相连接的第一转弯段、倾斜下滑段和第二转弯段，第一转弯段分别与停机坪和倾斜下滑段光滑连接，第二转弯段分别与倾斜下滑段和水平加速起飞段光滑连接，第一转弯段的转弯半径R₁根据获取，第二转弯段的转弯半径R₂根据获取。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中重复使用水平起降空天往返运载器结构质量占比与推进剂质量占比之间的尖锐矛盾的技术问题。

技术领域

本发明涉及航天运载技术领域，尤其涉及一种用于轮式水平起降运载器的地面辅助起飞跑道。

背景技术

当前航天运载正在向低成本、高可靠性和快速发射的方向发展，航天运载器也正在从一次性使用向部分重复使用、部分重复使用向完全重复使用方向发展，航天发射方式则正在从垂直发射向水平起飞方向过渡。与火箭发动机相比，吸气式组合动力(无需携带氧化剂或是携带少量氧化剂)可以利用大气中的氧气与自身携带的燃料组织燃烧，发动机比冲得到大幅提升，因此相对于运载火箭，组合动力推进的空天往返运载器的推进剂质量占比(推进剂质量与运载器初始起飞质量之比)可以大幅降低，结构质量占比(结构质量与运载器初始起飞质量之比)得到较大增加，运载器结构强度大幅提升，使空天往返运输的水平起降和重复使用成为可能。有研究表明，通过轮式水平起降方式实现航天运载器的多次重复使用，有望将航天运载发射成本降低一个数量级。

组合动力重复使用空天往返运载器是指采用吸气式组合动力，能够在稠密大气层、临近空间、轨道空间自由往返飞行的重复使用航天运输系统，具备水平起降、快速响应、按需发射、快速入轨、可重复使用和经济性能好的特点，是降低航天运输成本、提高安全可靠性、实现快速进出空间的理想飞行器，因此其也是天地往返运输系统重要发展方向，将在未来的航天运载中发挥重要的桥梁作用。

飞行器结构质量占比是一个统计学数据，也是表征机体结构强度的重要参数。在同等设计水平下，飞行器结构质量占比越高，机体结构强度越大。对于航天运载器而言，运载器结构质量占比越高，推进剂质量占比就越低，当为了满足机体结构强度要求而使推进剂质量占比太小时，运载器将无法完成入轨飞行，因此在满足入轨质量、入轨高度和结构强度要求的前提下，运载器的结构质量占比越低，运载效率越高，航天发射的运载成本就越低。

与运载火箭依靠箭体轴向挤压实现推力传递的路径不同，轮式水平起降航空器和空天往返运载器，通过机翼产生的升力克服飞行器重力，剪切升力通过机翼传递给机身，该种受力形式和传递路径对飞行器的机体结构强度提出了较高的要求，例如运载火箭的结构质量占比一般只有10％，有的甚至更低；美国F-22战斗机的结构质量占比为28％，波音787、空客A380的结构质量占比在25％左右；而为了完成入轨飞行，组合动力推进的水平起降两级入轨空天往返运载器的结构质量占比仅为22.4％，同时其还要承受高超声速飞行时的严酷气动加热，因此水平起降重复使用航天运载器的结构质量占比和能量需求(推进剂质量占比)之间的矛盾异常尖锐，是制约水平起降空天往返运载器研制的重要核心关键技术。轮式水平起降航空航天器结构质量占比数值具体见表1。

表1轮式水平起降航空航天器结构质量占比数值统计表