第 2.2 節 - 火炮和加速器
本節涵蓋火炮和加速器。雖然細節多種多樣，但它們共有的特點是較大的固定裝置，用於對較小的彈丸或貨物進行加速。如果您多次使用大型固定裝置並且每次使用的維護量適中，那麼它的建設是有道理的。
注意：由於頁面大小限制，本節在 火炮和加速器 2 中繼續。
顧名思義，該組使用裝置結構的直接力。
其他名稱
型別
描述：槓桿式彈射器使用相對較大的或較重的驅動器，透過機械方式以多個重力加速度加速較小的有效載荷。此類裝置可以追溯到中世紀，但這是一個使用現代材料的更新版本。諸如多個滑輪組或齒輪系的裝置將緩慢移動的大力轉換為快速移動的小力，並將力沿著纜繩傳遞。機械優勢產生的加速度超過一個重力。這個概念可能是最容易在小型規模上實現的。儘管該概念看似簡單，但速度可達每秒幾公里，這將大大減少提供平衡速度以進入軌道的火箭尺寸。由於連線到有效載荷的纜繩的重量、阻力和加熱以及驅動力的強度（透過槓桿比劃分以產生有效載荷上的力），該概念的效能會達到極限。
狀態
變體
- 9a 下降重物 - 一個下落的質量透過一個多滑輪滑輪、不同直徑的纜繩捲筒或連線到一個齒輪比與一個車輛相連。有兩個型別的高度差很大的自然地點 - 河流峽谷和山峰。像大峽谷和哥倫比亞河峽谷這樣的地點為下降重物提供了大量的垂直落差。在這些地點，重物可以由一個大的布袋組成，該布袋用底部河流中的水填充。袋子可以在撞擊底部之前被清空。這減少了需要由制動系統停止的重量。對於山峰地點，下降重物沿著軌道執行，並透過撞擊水體或沿著相反的山坡執行並可能使用輪式制動來停止。由於更高的發射高度，山峰位置可能更受歡迎。此示例假設一座山峰，其上有一個堅固的重物在軌道上滑動
我們假設一個使用 RL-10 發動機的 15,000 公斤低溫火箭正在被拋射。假設人體健康狀況良好並得到適當支撐，人體可以在 20 秒內加速到每秒 1200 米，此時人體可以承受每秒 60 米的加速度。在恆定加速度下，線性路徑將為 12,000 米（7.5 英里）。牽引纜繩對火箭施加 900 千牛（202,000 磅）的力。高強度碳纖維的抗拉強度可達 6.9 吉帕斯卡（1,000 千磅力每平方英寸）。考慮到安全係數和圍繞纖維束編織的包覆層（為了保護碳纖維免受磨損），我們假設工作應力為 3.45 吉帕斯卡（500 千磅力每平方英寸）。然後所需的橫截面積為 0.00026 平方米，或直徑為 0.0182 米（0.72 英寸）的圓形纜繩。
以每立方米 1840 公斤的密度計算，纜繩質量為每米 0.48 公斤。對於 12,000 米長的纜繩，在不考慮錐度的情況下，質量將為 5,760 公斤。由於纜繩也必須被加速，因此靠近驅動機構的末端必須能夠施加足夠的力來加速火箭以及火箭和末端之間的所有纜繩。作為一階近似，末端必須比尾端橫截面積大 40%，以說明纜繩本身的加速。然後纜繩的平均重量為每米 0.576 公斤，這使得纜繩質量為 7,000 公斤。纜繩完成加速車輛的工作後，必須對其進行處理。可以透過從驅動機構到起點（車輛在啟動時所在的位置）將纜繩迴環來處理它。發射完成後，迴環纜繩以每秒 1200 米的速度移動，並逐漸被允許停止。當高速繞過滑輪轉彎時，將需要一些方法來降低纜繩上的環嚮應力。
纜繩的返回部分必須能夠以 6 個重力加速度加速驅動機構後面的纜繩部分。鑑於 7000 公斤的前導部分，我們得到 3200 公斤的質量。因此以 6 個重力加速度加速的總質量為 25,200 公斤，總加速力為 1.512 兆牛。鑑於山上 45 度的斜坡，我們假設下降重物以每秒 3 米的加速度向下加速。因此齒輪比為 20:1，下降重物對驅動系統的力必須為 30.24 兆牛。由於在這個斜坡上自由落體的重物將以每秒 7 米的加速度加速，因此由於驅動系統，存在每公斤 4 牛頓的阻力。因此下降重物必須為 7,560 噸。如果它是 4 平方米的鋼塊（大約與一輛鐵路貨車的橫截面積相當），那麼每米將重 124.8 噸，因此必須長 60.6 米。軌道必須長 12,000 米 / 20，即 600 米。
- 9b 機車驅動器 - 一組機車提供動力，該動力由齒輪機構放大到更高的速度。示例：以 3 個重力加速度將 20,000 磅的
車輛加速到每秒 1100 米。這需要 20 公里的直線軌道。所需的鐵路車輛將包括
- 1 節油罐車用於車輛燃料
- 1 節特種車輛用於攜帶滑翔機
- 2-3 節有牽引繩導向器的車輛，用於將牽引繩保持在地面以上。
- 1 節滑輪系統車輛
- 30 節串聯的機車。
我們假設機車最高速度約為每秒 27 米，因此 40:1 的齒輪比將為車輛提供所需的速度。機車牽引力平均每臺發動機為 80,000 磅，或透過齒輪比降低後每臺發動機為 2000 磅。減速機構和發射纜繩捲筒安裝在一節平板軌道車輛上。這節車輛可以錨定在鐵路軌道兩側的基礎上，以便在機車組合牽引力施加時將其固定在適當位置。30 節機車的初始牽引力為 1800 噸。由於機車之間的聯軸器可能不是為這種載荷設計的，因此在機車兩側使用了一組鋼纜來將每臺發動機的牽引力傳遞到齒輪機構。車輛透過一根 20 公里長的高強度纜繩連線到錨定的軌道車輛。在 3 個重力加速度下，需要這段距離才能加速到所需的速度。
有兩三節軌道車輛均勻分佈在 20 公里的軌道上，這些車輛上設有頂部的滑輪塔，用於引導纜繩並在初始加速期間將其保持在地面以上。車輛安裝有滑翔機型別的機翼，這些機翼在獲得速度時會產生升力，因此車輛在達到每秒 100 米左右的速度後將開始爬升。當車輛達到所需速度時，纜繩被釋放，車輛繼續在滑翔機的升力下爬升。最終，滑翔機放下車輛，車輛在火箭動力的推動下繼續前進。雖然 30 節機車數量很多，但您只需要租用它們足夠長的時間進行發射，之後它們就可以返回到正常的鐵路使用。
小型原型將包括一節機車驅動器。1250 磅火箭 @ 4 個重力加速度峰值。最終速度 = 每秒 700 米。加速時間 = 17.5 秒，距離 = 0.5at2 = 6.1 公里。發動機牽引力 = 80,000 磅平均 @ 25:1 齒輪比。
- 9c 噴氣式驅動器 - 這類似於機車案例，但齒輪比更低，因為噴氣式飛機可以在起飛跑道上達到更高的速度。示例：一架 F-15 如果接近空載，可以牽引 40,000 磅的纜繩張力。@10:1 齒輪比可以以 4 個重力加速度加速 1000 磅的物體。飛機在甲板上的最高速度 = 每秒 300 米。理論上物體的最高速度將為每秒 3000 米。實際上會受到空氣動力學和纜繩加熱的限制（也許達到每秒 1500 米？限制尚不清楚）
參考文獻
其他名稱：離心彈射器
型別
描述: 原則上，這是一個放大版的投石索或飛鏢，使用了航空航天材料。旋轉的纜繩可以達到地球軌道速度的很大一部分，或者在較小的天體上達到全部軌道速度。驅動臂透過諸如電動機或安裝在其頂端的噴氣機之類的裝置旋轉。在更大的版本中，帶有有效載荷連線到末端的纜繩隨著系統加速而逐漸釋放。驅動臂略微領先於纜繩，因此纜繩和有效載荷會受到持續加速它們的扭矩。當達到所需的有效載荷速度時，有效載荷釋放並飛走。然後收回纜繩，驅動臂減速。當它停止時，將連線另一個有效載荷。在較小的版本中，貨物可以直接連線到驅動臂，無需纜繩。
在真空中，例如月球表面，這在理論上是一個非常有效的系統，因為投石索可以由電動機驅動，機械損失可以保持在較低水平。透過某種方式回收手臂和纜繩的能量（例如，透過使用電機作為發電機將能量傳遞到第二個系統），理論上可以實現超過 60% 的效率。
在地球等有大氣層的天體上，系統受到空氣阻力的阻礙。減少阻力的一種方法是在纜繩材料上連線一個氣動形狀，以便與圓形纜繩相比降低阻力。另一種方法是將驅動臂安裝在高塔的頂部，這樣纜繩就不會在稠密的空氣中移動。第三種方法是在纜繩或有效載荷處產生升力，提高其高度。靠近有效載荷的快速移動的纜繩部分的阻力更小。
在貨物的不平衡載荷會給樞軸和支撐結構帶來過大壓力的情況下，需要配重。配重與貨物同時釋放。由於陀螺效應，旋轉的纜繩將試圖保持其旋轉軸固定。當連線到地球等旋轉體時，纜繩的位置和安裝方式必須考慮到這一點。
設計示例
此示例適用於一個地面投石索，其尖端速度為 1800 m/s，約為地球軌道速度的 24%，有效載荷為 10,000 kg，包括用於進入軌道的推進系統。
- - 假設對於非生物貨物，尖端加速度為 10 個重力加速度（100 m/s2）。
- - 那麼 r = 32,400 米。
- - 對於末端的 10,000 kg 拋射體，纜繩張力為 1 MN。如果使用碳纖維，其設計應力為 3400 MPa，則纜繩面積為 1/3400 m2，約為 3 cm2。
- - 纜繩質量為 0.6 kg/米，在尖端增加了 60 N/米。這意味著比例尺長度為 16.67 公里。加速度隨半徑線性下降，因此對於載荷而言，有效半徑為 16.2 公里，纜繩質量比為 2.8:1。因此，纜繩質量為 18,000 公斤。
- - 要在 1 小時內旋轉起來，我們需要平均加速力為 0.5 m/s2，或 5000 牛頓。
- - 阻力抵消了加速力。假設纜繩的形狀為 1 釐米高，3 釐米深。由於阻力與速度的平方成正比，而速度隨半徑線性變化，因此整個長度上的阻力將是尖端阻力的 1/3。尖端阻力為 0.5 Cd rho A v2。對於形狀氣動外形，Cd = 0.04。海平面 rho = 1.225 kg/m3。A = 0.01 m2。v = 1800 m/s。那麼尖端阻力 = 2381 N/m，或 1/3 x 32,400 m x 2381 N/m = 25.72 MN（海平面）。
- - 如果我們假設我們的驅動電機可以產生平均加速力的 4 倍的峰值，那麼峰值阻力最多可以達到 15,000 牛頓。然後驅動電機以保持比阻力高 5000 牛頓的剩餘力。由於海平面阻力高出 1715，所以我們希望進入密度降低那個係數的高度，或 7.14 x 10-4 kg/m3。這個密度位於 53 公里的高度。纜繩由於徑向力和重力的共同作用而呈曲線狀垂下，因此塔的高度需要約 60 公里。
狀態: 投石索和飛鏢是古代裝置。據瞭解，目前還沒有建造用於太空運輸的現代投石索。
變體
- 10a 噴氣式投石索 - 將噴氣發動機安裝到旋轉臂上，以獲得高啟動扭矩。發射速度由貨物半徑與距樞軸點的噴氣機半徑的比率增加。
- 10b 兩級投石索 - 在第一個旋轉纜繩或臂上安裝第二個旋轉纜繩或臂，以降低整個系統的質量比。這增加了複雜性，因此只有在單級版本的質量比變得過於極端的情況下才具有優勢。
參考文獻
火炮自公元 1300 年左右起就在西方使用。一種“太空炮”僅僅是足夠大，且具有足夠高的槍口速度，可以用於太空運輸。它還需要指向地平線上方足夠的高度，以使彈丸不撞擊地形，並減少穿過空氣的距離。最早使用大炮進入軌道的圖示來自艾薩克·牛頓的《自然哲學的數學原理》，他當時正在闡釋重力和軌道概念。因此，這個想法與軌道力學一樣古老。在 20 世紀，火箭被開發用於彈道導彈，然後將有效載荷送入軌道。它們能夠以較低的最高加速度和當時的基建達到更高的速度。儘管火炮的歷史悠久，而且火炮和火箭都仍在軍隊中使用，但在太空時代早期，它們就被淘汰了。
其他名稱
型別
描述: 此方法使用爆炸性裝藥，該裝藥在炮管內彈丸後方汽化。由此產生的高氣壓加速彈丸至高速。傳統火炮的速度約為 1000 m/s。要達到比這更高的速度很困難，因為在更高的壓力下炮管質量會變得極端，而由此產生的氣體溫度和分子量會限制氣體內部聲速，進而限制槍口速度。
狀態: 火炮歷史悠久，應用廣泛。高空研究探測器專案將兩個海軍炮管串聯在一起，並使用相對輕的炮彈來實現比傳統火炮更高的槍口速度。
變體
參考文獻
- 牛頓，艾薩克，《自然哲學的數學原理》。
- 凡爾納，儒勒，《從地球到月球》。
其他名稱
型別
描述: 這類似於傳統的固體推進劑火炮，只是將液體推進劑計量到燃燒室，然後點火。液體推進劑已被研究，因為它們產生更輕的分子量燃燒產物，這會導致更高的槍口速度，而且因為散裝液體比炮彈可以更緊湊地儲存，並且需要更少的裝彈裝置。將推進劑流量計量到炮管中會降低相對於爆炸的峰值壓力，從而導致更輕的炮管。
狀態
變體
參考文獻
其他名稱
型別
描述: 將燃料和氧化劑的混合物引入燃燒室，然後點燃。這類似於汽車發動機的執行方式。此方法涵蓋了直接由由此產生的高溫氣體驅動的彈丸。間接驅動槍在下一頁的輕氣炮中介紹。在基本概念中，點火器是一個單獨的裝置。一種稱為衝壓噴氣發動機炮的替代版本使用彈丸本身作為移動的點火器。它必須以超音速移動，以防止點火前沿領先於它，因此它在開始時需要一個氣體噴射器來使它足夠快地移動。
狀態: 研究原型。甲烷/空氣混合物被用作利弗莫爾兩級氣炮的驅動器。燃燒驅動一個 1 噸重的活塞，進而壓縮氫氣工作氣體。華盛頓大學的 Adam Bruckner 教授正在進行衝壓噴氣發動機炮的研究。研究槍位於該建築物的地下室。
變體
- 13a 衝壓噴氣發動機炮（衝壓加速器） - 彈丸在炮管中移動時，炮管中存在的燃料/氧化劑混合物燃燒。如果彈丸的形狀類似於兩個底對底的圓錐體，就像一個反向衝壓噴氣發動機一樣，氣體就會在彈丸主體和炮管壁之間壓縮。燃燒發生在最大壓縮點之後，並在後部產生比前部壓縮更大的壓力。這種壓力差提供了加速彈丸的淨力。
該概念的一個吸引力在於，彈丸可以進行高加速度發射，而無需使用機載推進劑。如果彈丸具有進氣口/噴嘴形狀（中間是空心的），它可以透過將燃料注入到僅空氣進入的流動中來繼續在大氣中加速，從而將效能擴充套件到僅槍支所能達到的效能之外。該概念的另一個吸引力在於發射器的簡單性，它只是一個能夠承受燃燒過程中產生的內部壓力的簡單管道。
參考文獻
- A. Hertzberg, A.P. Bruckner 和 D.W. Bogdanoff，“衝壓加速器：一種將彈丸加速到超高速的新化學方法”，《美國航空航天學會雜誌》，第 26 卷，第 2 期，1988 年 2 月。（最初的衝壓噴氣發動機炮論文）
- P. Kaloupis 和 A.P. Bruckner，“衝壓加速器：一種化學驅動的質量發射器”，《美國航空航天學會論文 88-2968》，《美國航空航天學會/美國機械工程師學會/汽車工程師學會/美國工程教育學會第 24 屆聯合推進大會》，1988 年 7 月 11 日至 13 日，馬薩諸塞州波士頓。（地面到軌道的發射應用）
- Breck W. Henderson，“衝壓加速器證明了超高速研究和輕型發射的潛力”，《航空週刊與空間技術》，1991 年 9 月 30 日，第 50-51 頁。
- J.W. Humphreys 和 T.H. Sobota，“超越火箭：衝壓加速器”，《航空航天美國》，第 29 卷，1991 年 6 月，第 18-21 頁。
其他名稱：'
型別
描述：在槍管末端安裝火箭發動機，產生熱氣體加速彈丸。在傳統槍械中，所有氣體在發射藥爆炸時同時產生。在這個概念中，氣體是由火箭發動機產生的，並在彈丸沿槍管運動時充滿槍管。與傳統槍械相比，峰值壓力更低，因此槍管更輕。
狀態
變體
參考文獻
- 注意：槍械和加速器將在下一頁繼續。