第 2.2 节 - 火炮和加速器
本节涵盖火炮和加速器。虽然细节多种多样，但它们共有的特点是较大的固定装置，用于对较小的弹丸或货物进行加速。如果您多次使用大型固定装置并且每次使用的维护量适中，那么它的建设是有道理的。
注意：由于页面大小限制，本节在 火炮和加速器 2 中继续。
顾名思义，该组使用装置结构的直接力。
其他名称
类型
描述：杠杆式弹射器使用相对较大的或较重的驱动器，通过机械方式以多个重力加速度加速较小的有效载荷。此类装置可以追溯到中世纪，但这是一个使用现代材料的更新版本。诸如多个滑轮组或齿轮系的装置将缓慢移动的大力转换为快速移动的小力，并将力沿着缆绳传递。机械优势产生的加速度超过一个重力。这个概念可能是最容易在小型规模上实现的。尽管该概念看似简单，但速度可达每秒几公里，这将大大减少提供平衡速度以进入轨道的火箭尺寸。由于连接到有效载荷的缆绳的重量、阻力和加热以及驱动力的强度（通过杠杆比划分以产生有效载荷上的力），该概念的性能会达到极限。
状态
变体
- 9a 下降重物 - 一个下落的质量通过一个多滑轮滑轮、不同直径的缆绳卷筒或连接到一个齿轮比与一个车辆相连。有两个类型的高度差很大的自然地点 - 河流峡谷和山峰。像大峡谷和哥伦比亚河峡谷这样的地点为下降重物提供了大量的垂直落差。在这些地点，重物可以由一个大的布袋组成，该布袋用底部河流中的水填充。袋子可以在撞击底部之前被清空。这减少了需要由制动系统停止的重量。对于山峰地点，下降重物沿着轨道运行，并通过撞击水体或沿着相反的山坡运行并可能使用轮式制动来停止。由于更高的发射高度，山峰位置可能更受欢迎。此示例假设一座山峰，其上有一个坚固的重物在轨道上滑动
我们假设一个使用 RL-10 发动机的 15,000 公斤低温火箭正在被抛射。假设人体健康状况良好并得到适当支撑，人体可以在 20 秒内加速到每秒 1200 米，此时人体可以承受每秒 60 米的加速度。在恒定加速度下，线性路径将为 12,000 米（7.5 英里）。牵引缆绳对火箭施加 900 千牛（202,000 磅）的力。高强度碳纤维的抗拉强度可达 6.9 吉帕斯卡（1,000 千磅力每平方英寸）。考虑到安全系数和围绕纤维束编织的包覆层（为了保护碳纤维免受磨损），我们假设工作应力为 3.45 吉帕斯卡（500 千磅力每平方英寸）。然后所需的横截面积为 0.00026 平方米，或直径为 0.0182 米（0.72 英寸）的圆形缆绳。
以每立方米 1840 公斤的密度计算，缆绳质量为每米 0.48 公斤。对于 12,000 米长的缆绳，在不考虑锥度的情况下，质量将为 5,760 公斤。由于缆绳也必须被加速，因此靠近驱动机构的末端必须能够施加足够的力来加速火箭以及火箭和末端之间的所有缆绳。作为一阶近似，末端必须比尾端横截面积大 40%，以说明缆绳本身的加速。然后缆绳的平均重量为每米 0.576 公斤，这使得缆绳质量为 7,000 公斤。缆绳完成加速车辆的工作后，必须对其进行处理。可以通过从驱动机构到起点（车辆在启动时所在的位置）将缆绳回环来处理它。发射完成后，回环缆绳以每秒 1200 米的速度移动，并逐渐被允许停止。当高速绕过滑轮转弯时，将需要一些方法来降低缆绳上的环向应力。
缆绳的返回部分必须能够以 6 个重力加速度加速驱动机构后面的缆绳部分。鉴于 7000 公斤的前导部分，我们得到 3200 公斤的质量。因此以 6 个重力加速度加速的总质量为 25,200 公斤，总加速力为 1.512 兆牛。鉴于山上 45 度的斜坡，我们假设下降重物以每秒 3 米的加速度向下加速。因此齿轮比为 20:1，下降重物对驱动系统的力必须为 30.24 兆牛。由于在这个斜坡上自由落体的重物将以每秒 7 米的加速度加速，因此由于驱动系统，存在每公斤 4 牛顿的阻力。因此下降重物必须为 7,560 吨。如果它是 4 平方米的钢块（大约与一辆铁路货车的横截面积相当），那么每米将重 124.8 吨，因此必须长 60.6 米。轨道必须长 12,000 米 / 20，即 600 米。
- 9b 机车驱动器 - 一组机车提供动力，该动力由齿轮机构放大到更高的速度。示例：以 3 个重力加速度将 20,000 磅的
车辆加速到每秒 1100 米。这需要 20 公里的直线轨道。所需的铁路车辆将包括
- 1 节油罐车用于车辆燃料
- 1 节特种车辆用于携带滑翔机
- 2-3 节有牵引绳导向器的车辆，用于将牵引绳保持在地面以上。
- 1 节滑轮系统车辆
- 30 节串联的机车。
我们假设机车最高速度约为每秒 27 米，因此 40:1 的齿轮比将为车辆提供所需的速度。机车牵引力平均每台发动机为 80,000 磅，或通过齿轮比降低后每台发动机为 2000 磅。减速机构和发射缆绳卷筒安装在一节平板轨道车辆上。这节车辆可以锚定在铁路轨道两侧的基础上，以便在机车组合牵引力施加时将其固定在适当位置。30 节机车的初始牵引力为 1800 吨。由于机车之间的联轴器可能不是为这种载荷设计的，因此在机车两侧使用了一组钢缆来将每台发动机的牵引力传递到齿轮机构。车辆通过一根 20 公里长的高强度缆绳连接到锚定的轨道车辆。在 3 个重力加速度下，需要这段距离才能加速到所需的速度。
有两三节轨道车辆均匀分布在 20 公里的轨道上，这些车辆上设有顶部的滑轮塔，用于引导缆绳并在初始加速期间将其保持在地面以上。车辆安装有滑翔机类型的机翼，这些机翼在获得速度时会产生升力，因此车辆在达到每秒 100 米左右的速度后将开始爬升。当车辆达到所需速度时，缆绳被释放，车辆继续在滑翔机的升力下爬升。最终，滑翔机放下车辆，车辆在火箭动力的推动下继续前进。虽然 30 节机车数量很多，但您只需要租用它们足够长的时间进行发射，之后它们就可以返回到正常的铁路使用。
小型原型将包括一节机车驱动器。1250 磅火箭 @ 4 个重力加速度峰值。最终速度 = 每秒 700 米。加速时间 = 17.5 秒，距离 = 0.5at2 = 6.1 公里。发动机牵引力 = 80,000 磅平均 @ 25:1 齿轮比。
- 9c 喷气式驱动器 - 这类似于机车案例，但齿轮比更低，因为喷气式飞机可以在起飞跑道上达到更高的速度。示例：一架 F-15 如果接近空载，可以牵引 40,000 磅的缆绳张力。@10:1 齿轮比可以以 4 个重力加速度加速 1000 磅的物体。飞机在甲板上的最高速度 = 每秒 300 米。理论上物体的最高速度将为每秒 3000 米。实际上会受到空气动力学和缆绳加热的限制（也许达到每秒 1500 米？限制尚不清楚）
参考文献
其他名称：离心弹射器
类型
描述: 原则上，这是一个放大版的投石索或飞镖，使用了航空航天材料。旋转的缆绳可以达到地球轨道速度的很大一部分，或者在较小的天体上达到全部轨道速度。驱动臂通过诸如电动机或安装在其顶端的喷气机之类的装置旋转。在更大的版本中，带有有效载荷连接到末端的缆绳随着系统加速而逐渐释放。驱动臂略微领先于缆绳，因此缆绳和有效载荷会受到持续加速它们的扭矩。当达到所需的有效载荷速度时，有效载荷释放并飞走。然后收回缆绳，驱动臂减速。当它停止时，将连接另一个有效载荷。在较小的版本中，货物可以直接连接到驱动臂，无需缆绳。
在真空中，例如月球表面，这在理论上是一个非常有效的系统，因为投石索可以由电动机驱动，机械损失可以保持在较低水平。通过某种方式回收手臂和缆绳的能量（例如，通过使用电机作为发电机将能量传递到第二个系统），理论上可以实现超过 60% 的效率。
在地球等有大气层的天体上，系统受到空气阻力的阻碍。减少阻力的一种方法是在缆绳材料上连接一个气动形状，以便与圆形缆绳相比降低阻力。另一种方法是将驱动臂安装在高塔的顶部，这样缆绳就不会在稠密的空气中移动。第三种方法是在缆绳或有效载荷处产生升力，提高其高度。靠近有效载荷的快速移动的缆绳部分的阻力更小。
在货物的不平衡载荷会给枢轴和支撑结构带来过大压力的情况下，需要配重。配重与货物同时释放。由于陀螺效应，旋转的缆绳将试图保持其旋转轴固定。当连接到地球等旋转体时，缆绳的位置和安装方式必须考虑到这一点。
设计示例
此示例适用于一个地面投石索，其尖端速度为 1800 m/s，约为地球轨道速度的 24%，有效载荷为 10,000 kg，包括用于进入轨道的推进系统。
- - 假设对于非生物货物，尖端加速度为 10 个重力加速度（100 m/s2）。
- - 那么 r = 32,400 米。
- - 对于末端的 10,000 kg 抛射体，缆绳张力为 1 MN。如果使用碳纤维，其设计应力为 3400 MPa，则缆绳面积为 1/3400 m2，约为 3 cm2。
- - 缆绳质量为 0.6 kg/米，在尖端增加了 60 N/米。这意味着比例尺长度为 16.67 公里。加速度随半径线性下降，因此对于载荷而言，有效半径为 16.2 公里，缆绳质量比为 2.8:1。因此，缆绳质量为 18,000 公斤。
- - 要在 1 小时内旋转起来，我们需要平均加速力为 0.5 m/s2，或 5000 牛顿。
- - 阻力抵消了加速力。假设缆绳的形状为 1 厘米高，3 厘米深。由于阻力与速度的平方成正比，而速度随半径线性变化，因此整个长度上的阻力将是尖端阻力的 1/3。尖端阻力为 0.5 Cd rho A v2。对于形状气动外形，Cd = 0.04。海平面 rho = 1.225 kg/m3。A = 0.01 m2。v = 1800 m/s。那么尖端阻力 = 2381 N/m，或 1/3 x 32,400 m x 2381 N/m = 25.72 MN（海平面）。
- - 如果我们假设我们的驱动电机可以产生平均加速力的 4 倍的峰值，那么峰值阻力最多可以达到 15,000 牛顿。然后驱动电机以保持比阻力高 5000 牛顿的剩余力。由于海平面阻力高出 1715，所以我们希望进入密度降低那个系数的高度，或 7.14 x 10-4 kg/m3。这个密度位于 53 公里的高度。缆绳由于径向力和重力的共同作用而呈曲线状垂下，因此塔的高度需要约 60 公里。
状态: 投石索和飞镖是古代装置。据了解，目前还没有建造用于太空运输的现代投石索。
变体
- 10a 喷气式投石索 - 将喷气发动机安装到旋转臂上，以获得高启动扭矩。发射速度由货物半径与距枢轴点的喷气机半径的比率增加。
- 10b 两级投石索 - 在第一个旋转缆绳或臂上安装第二个旋转缆绳或臂，以降低整个系统的质量比。这增加了复杂性，因此只有在单级版本的质量比变得过于极端的情况下才具有优势。
参考文献
火炮自公元 1300 年左右起就在西方使用。一种“太空炮”仅仅是足够大，且具有足够高的枪口速度，可以用于太空运输。它还需要指向地平线上方足够的高度，以使弹丸不撞击地形，并减少穿过空气的距离。最早使用大炮进入轨道的图示来自艾萨克·牛顿的《自然哲学的数学原理》，他当时正在阐释重力和轨道概念。因此，这个想法与轨道力学一样古老。在 20 世纪，火箭被开发用于弹道导弹，然后将有效载荷送入轨道。它们能够以较低的最高加速度和当时的基建达到更高的速度。尽管火炮的历史悠久，而且火炮和火箭都仍在军队中使用，但在太空时代早期，它们就被淘汰了。
其他名称
类型
描述: 此方法使用爆炸性装药，该装药在炮管内弹丸后方汽化。由此产生的高气压加速弹丸至高速。传统火炮的速度约为 1000 m/s。要达到比这更高的速度很困难，因为在更高的压力下炮管质量会变得极端，而由此产生的气体温度和分子量会限制气体内部声速，进而限制枪口速度。
状态: 火炮历史悠久，应用广泛。高空研究探测器项目将两个海军炮管串联在一起，并使用相对轻的炮弹来实现比传统火炮更高的枪口速度。
变体
参考文献
- 牛顿，艾萨克，《自然哲学的数学原理》。
- 凡尔纳，儒勒，《从地球到月球》。
其他名称
类型
描述: 这类似于传统的固体推进剂火炮，只是将液体推进剂计量到燃烧室，然后点火。液体推进剂已被研究，因为它们产生更轻的分子量燃烧产物，这会导致更高的枪口速度，而且因为散装液体比炮弹可以更紧凑地储存，并且需要更少的装弹设备。将推进剂流量计量到炮管中会降低相对于爆炸的峰值压力，从而导致更轻的炮管。
状态
变体
参考文献
其他名称
类型
描述: 将燃料和氧化剂的混合物引入燃烧室，然后点燃。这类似于汽车发动机的运行方式。此方法涵盖了直接由由此产生的高温气体驱动的弹丸。间接驱动枪在下一页的轻气炮中介绍。在基本概念中，点火器是一个单独的装置。一种称为冲压喷气发动机炮的替代版本使用弹丸本身作为移动的点火器。它必须以超音速移动，以防止点火前沿领先于它，因此它在开始时需要一个气体喷射器来使它足够快地移动。
状态: 研究原型。甲烷/空气混合物被用作利弗莫尔两级气炮的驱动器。燃烧驱动一个 1 吨重的活塞，进而压缩氢气工作气体。华盛顿大学的 Adam Bruckner 教授正在进行冲压喷气发动机炮的研究。研究枪位于该建筑物的地下室。
变体
- 13a 冲压喷气发动机炮（冲压加速器） - 弹丸在炮管中移动时，炮管中存在的燃料/氧化剂混合物燃烧。如果弹丸的形状类似于两个底对底的圆锥体，就像一个反向冲压喷气发动机一样，气体就会在弹丸主体和炮管壁之间压缩。燃烧发生在最大压缩点之后，并在后部产生比前部压缩更大的压力。这种压力差提供了加速弹丸的净力。
该概念的一个吸引力在于，弹丸可以进行高加速度发射，而无需使用机载推进剂。如果弹丸具有进气口/喷嘴形状（中间是空心的），它可以通过将燃料注入到仅空气进入的流动中来继续在大气中加速，从而将性能扩展到仅枪支所能达到的性能之外。该概念的另一个吸引力在于发射器的简单性，它只是一个能够承受燃烧过程中产生的内部压力的简单管道。
参考文献
- A. Hertzberg, A.P. Bruckner 和 D.W. Bogdanoff，“冲压加速器：一种将弹丸加速到超高速的新化学方法”，《美国航空航天学会杂志》，第 26 卷，第 2 期，1988 年 2 月。（最初的冲压喷气发动机炮论文）
- P. Kaloupis 和 A.P. Bruckner，“冲压加速器：一种化学驱动的质量发射器”，《美国航空航天学会论文 88-2968》，《美国航空航天学会/美国机械工程师学会/汽车工程师学会/美国工程教育学会第 24 届联合推进大会》，1988 年 7 月 11 日至 13 日，马萨诸塞州波士顿。（地面到轨道的发射应用）
- Breck W. Henderson，“冲压加速器证明了超高速研究和轻型发射的潜力”，《航空周刊与空间技术》，1991 年 9 月 30 日，第 50-51 页。
- J.W. Humphreys 和 T.H. Sobota，“超越火箭：冲压加速器”，《航空航天美国》，第 29 卷，1991 年 6 月，第 18-21 页。
其他名称：'
类型
描述：在枪管末端安装火箭发动机，产生热气体加速弹丸。在传统枪械中，所有气体在发射药爆炸时同时产生。在这个概念中，气体是由火箭发动机产生的，并在弹丸沿枪管运动时充满枪管。与传统枪械相比，峰值压力更低，因此枪管更轻。
状态
变体
参考文献
- 注意：枪械和加速器将在下一页继续。