本發(fā)明屬于航天領(lǐng)域，涉及一種快纜系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

當(dāng)前衛(wèi)星、宇宙飛船等航天器的發(fā)射采用火箭來實(shí)現(xiàn)，3噸重的衛(wèi)星等進(jìn)入太空需要100-300噸的火箭。火箭分級(jí)多，技術(shù)復(fù)雜，容易出事故，成本高昂，往往只有大國能夠承受。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種快纜系統(tǒng)，是運(yùn)行于太空的，由空間站、上纜、下纜、轉(zhuǎn)纜系統(tǒng)等組成。上纜、下纜垂直于地面，繞地球公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)周期小于24小時(shí)。利用這種系統(tǒng)，航天器經(jīng)過火箭發(fā)射到達(dá)下纜底端后，航天器吊掛于下纜底端，或者航天器被轉(zhuǎn)移到下纜，并被逐級(jí)提升。

快纜系統(tǒng)運(yùn)行于太空中，繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)，其公轉(zhuǎn)速度小于24小時(shí)；由下纜、上纜、空間站、上纜頂部的轉(zhuǎn)纜系統(tǒng)、多個(gè)提升艙組成;在公轉(zhuǎn)過程中下纜、上纜垂直于地面；下纜、上纜的截面積都是圓形，表面有保護(hù)層；下纜底端在海拔80千米以上；設(shè)地球質(zhì)量是M，引力常數(shù)是G，快纜系統(tǒng)繞地球公轉(zhuǎn)的角速度是w，則地心距是處的地球引力與離心力抵消，此處稱為平衡點(diǎn)，下纜、上纜在平衡點(diǎn)處對(duì)接，并且都是靠近平衡點(diǎn)處的截面積大、遠(yuǎn)離平衡點(diǎn)處的截面積??；空間站也在平衡點(diǎn)處。

設(shè)下纜底端為了吊掛航天器、提升艙等需要的最小截面積是S₀，下纜底端距地心距離是R，設(shè)在下纜里離下纜底端的距離是x處的下纜的截面積是S(x)，設(shè)下纜、上纜的密度是ρ、比強(qiáng)度(也就是抗拉強(qiáng)度除以密度ρ)是ε，保護(hù)層的厚度是d、密度是q，S(x)由下面式子確定：

其中；EXP[]表示自然對(duì)數(shù)的乘方運(yùn)算；如果下纜某一點(diǎn)需要增加額外的質(zhì)量，則在這一點(diǎn)需要重新計(jì)算下纜的最小截面積，并以該點(diǎn)的最小截面積、地心距離重新計(jì)算。

上纜分為兩根纜繩，每一根上纜的上纜底端的截面積A₀是下纜在平衡點(diǎn)處的截面積的一半；設(shè)上纜底端的地心距離是R₂，R₂=，在上纜里離上纜底端的距離是y處的每根上纜的截面積是A(y)， A(y)由下式確定

其中；

如果上纜在某一點(diǎn)需要增加額外的質(zhì)量，則在這一點(diǎn)需要重新計(jì)算上纜的最小截面積，并以該點(diǎn)的最小截面積、地心距離重新計(jì)算。

上纜的頂端處安裝有轉(zhuǎn)纜系統(tǒng)，轉(zhuǎn)纜系統(tǒng)是由軸、轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)、驅(qū)動(dòng)臂、四根主纜、配重組成；主纜是由高強(qiáng)度纖維材料制作而成，主纜、轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

轉(zhuǎn)纜系統(tǒng)里設(shè)軸的地心距是R_z，航天器繞軸自轉(zhuǎn)的角速度的目標(biāo)值是，主纜的長度是L、比強(qiáng)度是，設(shè)z是主纜上的位置，z=0是主纜末端，x=L是轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)處，x=0處每根主纜的截面積是D₀，每根主纜的截面積D(z)符合下面公式

下纜、上纜安裝有提升艙，提升艙是由太陽能帆板、減速器、絞車、電動(dòng)機(jī)、提升繩組成；上一個(gè)提升艙的提升繩的長度足以下垂到下一個(gè)提升艙處。

設(shè)提升繩底端需要的最小截面積是F₀，提升繩底端距地心距離是R₃，設(shè)在提升繩里離提升繩底端的距離是v處的截面積是F(v)，比強(qiáng)度是，提升繩的截面積需要符合下面函數(shù)：

提升繩底端有滑車，滑車由支架、滑輪及其彈簧組成；滑輪扣住下纜或上纜，并綁定航天器。

下纜底端、空間站處、上纜頂端都安裝有離子發(fā)動(dòng)機(jī)；快纜系統(tǒng)的建設(shè)辦法是：先把快纜系統(tǒng)的所有部件運(yùn)送到平衡點(diǎn)所在的圓周軌道上，然后利用上纜頂部的離子發(fā)動(dòng)機(jī)往上拉動(dòng)上纜并使上纜公轉(zhuǎn)線速度增加，利用下纜底端的離子發(fā)動(dòng)機(jī)往下拉動(dòng)下纜并使下纜公轉(zhuǎn)線速度減少，直至下纜、上纜伸直。

應(yīng)用快纜系統(tǒng)，能夠大大降低航天成本，促進(jìn)航天事業(yè)的發(fā)展，使得航天稱為一個(gè)商業(yè)活動(dòng)。

附圖說明

圖1是快纜系統(tǒng)的前視圖。

圖2是上纜、下纜的截面、保護(hù)層的示意圖。

圖3是轉(zhuǎn)纜系統(tǒng)的示意圖。

圖4是提升艙的示意圖。

圖5是提升繩下端的滑輪、電動(dòng)機(jī)的示意圖。

圖6是提升繩下端的滑輪的示意圖。

圖7是快纜系統(tǒng)繞地球公轉(zhuǎn)的示意圖。

1，下纜。2，上纜。3，空間站。4，太陽能帆板。5，減速器。6，絞車。7，電動(dòng)機(jī)。8，提升繩。9，提升艙。10，航天器。11，轉(zhuǎn)纜系統(tǒng)。12，軸。13，轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)。14，驅(qū)動(dòng)臂。15，主纜。16，上纜或下纜的截面。17，保護(hù)層。18，下纜底端。19，上纜底端。20，配重。22，滑輪。23，支架。24，彈簧。25, 桁架。26，滑車。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

快纜系統(tǒng)運(yùn)行于太空中，繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)，其公轉(zhuǎn)速度小于24小時(shí)；由下纜1、上纜2、空間站3、上纜2頂部的轉(zhuǎn)纜系統(tǒng)11、多個(gè)提升艙9組成;在公轉(zhuǎn)過程中下纜1、上纜2垂直于地面；下纜1、上纜2的截面積都是圓形，表面有保護(hù)層17；下纜底端18在海拔80千米以上；設(shè)地球質(zhì)量是M，引力常數(shù)是G，快纜系統(tǒng)繞地球公轉(zhuǎn)的角速度是w，則地心距是處的地球引力與離心力抵消，此處稱為平衡點(diǎn)，下纜1、上纜2在平衡點(diǎn)處對(duì)接，并且都是靠近平衡點(diǎn)處的截面積大、遠(yuǎn)離平衡點(diǎn)處的截面積小；空間站3也在平衡點(diǎn)處。

設(shè)下纜底端18為了吊掛航天器10、提升艙9等需要的最小截面積是S₀，下纜底端18距地心距離是R，設(shè)在下纜1里離下纜底端18的距離是x處的下纜1的截面積是S(x)，設(shè)下纜1、上纜2的密度是ρ、比強(qiáng)度(也就是抗拉強(qiáng)度除以密度ρ)是ε，保護(hù)層17的厚度是d、密度是q，S(x)由下面式子確定：

其中；EXP[]表示自然對(duì)數(shù)的乘方運(yùn)算；如果下纜1某一點(diǎn)需要增加額外的質(zhì)量，則在這一點(diǎn)需要重新計(jì)算下纜1的最小截面積，并以該點(diǎn)的最小截面積、地心距離重新計(jì)算。

上纜2分為兩根纜繩，每一根上纜2的上纜底端19的截面積A₀是下纜1在平衡點(diǎn)處的截面積的一半；設(shè)上纜底端19的地心距離是R₂，R₂=，在上纜2里離上纜底端19的距離是y處的每根上纜的截面積是A(y)， A(y)由下式確定

其中；

如果上纜2在某一點(diǎn)需要增加額外的質(zhì)量，則在這一點(diǎn)需要重新計(jì)算上纜2的最小截面積，并以該點(diǎn)的最小截面積、地心距離重新計(jì)算。

上纜2的頂端處安裝有轉(zhuǎn)纜系統(tǒng)11，轉(zhuǎn)纜系統(tǒng)11是由軸12、轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)13、驅(qū)動(dòng)臂14、四根主纜15、配重20組成；主纜15是由高強(qiáng)度纖維材料制作而成，主纜15、轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)13繞軸12轉(zhuǎn)動(dòng)。

轉(zhuǎn)纜系統(tǒng)11里設(shè)軸12的地心距是R_z，航天器10繞軸12自轉(zhuǎn)的角速度的目標(biāo)值是，主纜15的長度是L、比強(qiáng)度是，設(shè)z是主纜15上的位置，z=0是主纜15末端，x=L是轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)13處，x=0處每根主纜15的截面積是D₀，每根主纜15的截面積D(z)符合下面公式

下纜1、上纜2安裝有提升艙9，提升艙9是由太陽能帆板4、減速器5、絞車6、電動(dòng)機(jī)7、提升繩8組成；上一個(gè)提升艙9的提升繩8的長度足以下垂到下一個(gè)提升艙9處。

設(shè)提升繩8底端需要的最小截面積是F₀，提升繩8底端距地心距離是R₃，設(shè)在提升繩8里離提升繩8底端的距離是v處的截面積是F(v)，比強(qiáng)度是，提升繩8的截面積需要符合下面函數(shù)：

提升繩8底端有滑車26，滑車26由支架23、滑輪22及其彈簧24組成；滑輪22扣住下纜1或上纜2，并綁定航天器10。

下纜底端18、空間站3處、上纜2頂端都安裝有離子發(fā)動(dòng)機(jī)；快纜系統(tǒng)的建設(shè)辦法是：先把快纜系統(tǒng)的所有部件運(yùn)送到平衡點(diǎn)所在的圓周軌道上，然后利用上纜2頂部的離子發(fā)動(dòng)機(jī)往上拉動(dòng)上纜2并使上纜2公轉(zhuǎn)線速度增加，利用下纜底端18的離子發(fā)動(dòng)機(jī)往下拉動(dòng)下纜1并使下纜1公轉(zhuǎn)線速度減少，直至下纜1、上纜2伸直。

快纜系統(tǒng)繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)，繞地球公轉(zhuǎn)的周期是2-10小時(shí)，公轉(zhuǎn)過程中上纜2、下纜1垂直于地面，也就是上纜2、下纜1指向地心方向。下纜1長0.15到1.5萬公里，上纜2長0.05到2萬公里。下纜底端18的截面積只有幾平方毫米，而靠近空間站3處的截面積是0.5-3平方厘米?？臻g站3位于距離地心處，此處地球引力與公轉(zhuǎn)離心力平衡。

上纜2、下纜1都是由高強(qiáng)度纖維材料制作而成，表面有由鋁箔或者鍍鋁、鍍鎂薄膜材料制造而成的保護(hù)層17，保護(hù)層17厚約0.01毫米，圖2說明了上纜、下纜的截面16、保護(hù)層17。

下纜底端（18）的截面積S₀可以通過來計(jì)算，k是安全系數(shù)。

上纜2、下纜1里每隔數(shù)百公里有一個(gè)提升艙9，提升繩8長達(dá)數(shù)百公里，可以把航天器10接力往上提升。下纜底端18通常位于海拔80-200公里處，以盡量遠(yuǎn)離稠密大氣層，該處有提升艙9和提升繩8。下纜1的提升繩8是往下垂的，也就是提升艙9在提升繩8上面；上纜2的離心力大于地球引力，提升繩8則是往上垂的，也就是提升艙9在提升繩8下面。

上纜2可以安裝桁架25，以把上纜的兩根纜繩隔離開來。

在下纜底端18、空間站3、轉(zhuǎn)纜系統(tǒng)11處，分別安裝有大功率離子發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠糾正快纜系統(tǒng)的姿態(tài)、公轉(zhuǎn)速度、公轉(zhuǎn)軌道。

提升繩8下端的滑車26的滑輪22有多個(gè)，以減少單個(gè)滑輪22對(duì)下纜1、上纜2的壓力。有一個(gè)滑輪22在提升繩一側(cè)，另外的滑輪22在下纜1的另外一側(cè)?；?6的作用，是使得航天器10在被提升/下放的過程中，使得航天器10得到橫向的加速/減速，從而保證公轉(zhuǎn)線速度與該處的下纜一致。必要時(shí)可以給滑輪加上電動(dòng)機(jī)，使得滑輪面的線速度與提升速度相同，減少磨損。

應(yīng)用上述快纜系統(tǒng)，航天器發(fā)射成本可以大大降低，公轉(zhuǎn)軌道不必限定于赤道平面，并且用途很廣，為低成本太空旅游、太空運(yùn)輸打下基礎(chǔ)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。