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运载工具发射系统和方法

阅读：624发布：2020-12-08

专利汇可以提供运载工具发射系统和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本公开涉及一种发射系统和方法。该发射系统和方法可以至少包括初步加速器管系统(PAT)，其可以与主加速器管系统(MAT)组合。单独的PAT或与MAT组合的PAT可用于发射用于测试和/或输送有效载荷的运载工具。，下面是运载工具发射系统和方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于发射运载工具的发射系统，所述发射系统包括：
初步加速器管系统(PAT)，包括：
构造成接收气体的预加速室和构造成加热所述气体的电加热器；
在所述预加速室下游并与所述预加速室流体连通的阀组件，所述阀组件包括至少一个压力可释放阀；和
在所述阀组件下游并且与所述阀组件流体连通的预加速器管，所述预加速器管构造成容纳所述运载工具；
其中，所述阀组件的至少一个压力可释放阀的打开产生足以通过所述预加速器管使所述运载工具加速的压力波。
2.根据权利要求1所述的发射系统，其中，所述预加速室被构造用于相对于通过所述预加速器管使所述运载工具加速的方向反向的纵向运动。
3.根据权利要求2所述的发射系统，还包括与所述预加速室相关联的一个或多个反冲控制元件。
4.根据权利要求1所述的发射系统，其中，所述预加速室位于一个或多个支撑件的顶部上，所述支撑件构造成稳定所述预加速室的纵向运动。
5.根据权利要求1所述的发射系统，其中，所述预加速室包括至少一个外部结构支撑层和位于所述外部结构支撑层内部的绝缘层。
6.根据权利要求1所述的发射系统，其中，所述预加速室包括内部加热系统。
7.根据权利要求1所述的发射系统，其中，所述预加速室包括穿过其延伸的一个或多个馈通通道，并且包括位于所述馈通通道内的一个或多个电触头，其中，所述一个或多个馈通通道是电绝缘和压力密封的。
8.根据权利要求1所述的发射系统，其中，所述预加速室包括外部加热系统。
9.根据权利要求1所述的发射系统，其中，所述阀组件包括具有入口阀和出口阀的细长管，其中，所述入口阀和所述出口阀中的一个或两个是压力可释放阀。
10.根据权利要求9所述的发射系统，其中，所述阀组件的入口阀和出口阀中的一个或两个包括爆破隔膜。
11.根据权利要求9所述的发射系统，其中，所述阀组件包括互连管线和阀，所述互连管线和阀构造用于来自所述阀组件的气体的流入和流出中的一者或两者。
12.根据权利要求1所述的发射系统，还包括预加速器装载器，所述预加速器装载器定位在所述阀组件的下游和所述预加速器管的上游，所述预加速器装载器构造用于将所述运载工具装载到所述PAT中。
13.根据权利要求12所述的发射系统，其中，所述预加速器装载器包括至少一个管段，所述至少一个管段能在与所述阀组件和所述预加速器管对齐的位置和与所述阀组件和所述预加速器管不对齐的位置之间平移。
14.根据权利要求1所述的发射系统，还包括位于所述预加速器管下游的气体剥离器管，其中，所述气体剥离器构造用于从其中去除气体。
15.根据权利要求1所述的发射系统，还包括出口门，所述出口门包括多个闸阀。
16.根据权利要求15所述的发射系统，其中，所述出口门还包括位于所述多个闸阀下游的膜单元。
17.根据权利要求1所述的发射系统，还包括位于所述PAT下游的主加速器管系统(MAT)。
18.根据权利要求17所述的发射系统，其中，所述MAT包括主管，所述主管至少由两个同心的导电管形成，所述主管构造用于将电能输送到所述运载工具。
19.一种用于发射运载工具的方法，所述方法包括：
将加压气体加入压力容器中直至达到初步压力；
加热所述压力容器中的气体，以使得所述气体达到比所述初步压力大至少2倍的传播压力；和
调节所述阀组件中的压力，所述阀组件包括至少一个压力可释放阀，所述阀组件位于所述压力容器的下游并通过所述压力可释放阀与所述压力容器流体连通，其中，所述阀组件中的压力的调节足以打开所述至少一个压力可释放阀；
其中，所述至少一个压力可释放阀的打开使来自所述压力容器的气体通过所述阀组件并加速位于所述阀组件下游的运载工具。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述初步压力为至少2巴。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述加压气体在所述压力容器中被加热至约
500K至约3000K的温度。
22.根据权利要求19所述的方法，其中，在所述调节之前，所述阀组件中的压力小于所述压力容器中的压力，并且大于所述运载工具位于所述阀组件下游处的压力。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述运载工具位于所述阀组件下游处的压力小于1巴。
24.根据权利要求19所述的方法，其中，所述至少一个压力可释放阀包括爆破隔膜。
25.根据权利要求19所述的方法，其中，从所述压力容器通过的气体足以使所述运载工具加速到至少1000m/s的速度。
26.根据权利要求19所述的方法，还包括使所述运载工具通过包括多个闸阀的出口门。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述出口门还包括位于所述多个闸阀下游的膜单元。
28.根据权利要求26所述的方法，还包括使所述运载工具传送到软捕获系统，所述软捕获系统包括：
飞行管，所述飞行管构造用于所述运载工具通过的纵向运动；和
所述飞行管内存在的至少一个部件，所述至少一个部件构造成使所述运载工具减速。
29.根据权利要求19所述的方法，还包括使所述运载工具通过主加速器管系统(MAT)，所述主加速器管系统包括至少由两个同心的导电管形成的主管，所述主管构造用于将电能输送到所述运载工具。
30.一种软捕获系统，包括：
飞行管，所述飞行管构造用于所述运载工具通过的纵向运动；和
所述飞行管内存在的构造成使所述运载工具减速的至少一个部件。
31.根据权利要求30所述的软捕获系统，其中，所述飞行管内存在的构造成使所述运载工具减速的所述至少一个部件包括所述飞行管的填充有多种气体的多个部分，所述多种气体基于恒定压力下的密度、成分、分子量和温度中的一个或多个而不同。
32.根据权利要求31所述的软捕获系统，其中，所述飞行管的填充有多种气体的所述多个部分通过密封膜与所述飞行管的较低压部分分离。
33.根据权利要求31所述的软捕获系统，还包括通气管，所述通气管至少围绕所述飞行管的填充有所述多种气体的所述多个部分。
34.根据权利要求31所述的软捕获系统，其中，所述飞行管的填充有所述多种气体的所述多个部分包括多个通风孔。
35.根据权利要求30所述的软捕获系统，其中，所述飞行管内存在的构造成使所述运载工具减速的所述至少一个部件包括消融材料，所述消融材料构造成与存在于所述运载工具的至少一部分上的气体轴承带相互作用。
36.根据权利要求35所述的软捕获系统，其中，所述消融材料被构造为所述飞行管内的斜坡。
37.根据权利要求35所述的软捕获系统，其中，所述消融材料定位在沿着所述飞行管的长度形成的至少一个槽内。

说明书全文

运载工具发射系统和方法

技术领域

[0001] 本公开涉及用于发射运载工具的系统、方法和设备。更具体地，本公开提供了一种利用预加速管来快速加速运载工具的发射系统和方法。

背景技术

[0002] 现有的轻气体炮系统和相关的软捕获系统在本领域中是公知的。实例包括美国专利No.3,678,745，美国专利No.3,940,981，美国专利No.7,954,413，美国专利No.8,536,502，美国专利No 8,979,033和“使用仪器式磁轨炮射弹的加速度测量(“Measurement of Acceleration Using an Instrumented Railgun Projectile”)”(DTIC ADA253366，1992年6月)。

[0003] 现有技术的系统和方法至少受到以下限制，其中许多限制彼此相互关联：1)高的炮加速度；2)高的炮推动压力；3)高的室壁与直径厚度比；4)高的发射管壁与直径厚度比；5)有限的发射管直径；6)有限的发射管长度；7)有限的射弹大小和质量；8)有限的射弹速度；9)高的软捕获减速度；以及10)对射弹的软捕获损坏。

[0004] 除了通过火箭增强的自由飞行测试之外，这些限制会防止在较大或全尺度上进行高超声速测试，火箭增强的自由飞行测试是非常昂贵的并且仅允许遥测和长距离测量。使用复杂的地基范围仪器可能无法提供详细的近距离测量。此外，可以存在商业和军事应用，用于在短时间内将高优先级包裹快速物流递送到长距离。本领域仍然存在对于解决上述一个或多个问题的发射系统和方法的需要。发明内容

[0005] 在美国专利No.9,463,881和美国专利No.9,617,016中描述了运载工具、发射系统和发射有效载荷的方法，其公开内容通过引用结合在本文中。本公开涉及包含其中描述的许多相同原理的发射系统和方法。特别地，本公开描述了一种系统和方法，其中运载工具通过管加速以进行收纳或自由飞行发射。除了先前已描述的内容之外，本公开更具体地涉及发射管系统的单独的元件和相关部件。特别地，本公开描述了一种初步加速器管系统(PAT)，其可以与主加速器管系统(MAT)组合使用以用于发射运载工具。

[0006] 在与运载工具的自由飞行释放(例如，用于物流输送)相关的一个或多个实施例中，运载工具可以以相对小的角度(例如，水平面上方约1度至水平面上方约20度)、水平地或甚至相对较小的向下轨迹(例如，水平面下方约1度至水平面下方约10度)来发射。在此进一步描述了其它合适的发射角。然后，自由飞行器使用其内部引导、导航和控制系统向上和侧向俯仰到达在其飞行结束时所期望终点所需的轨迹。有利地，不需要建造像在现有技术系统中那样在斜坡或山坡一侧或悬挂在水中的发射系统。水平或向下倾斜的建造需要运载工具主动上升以防止自毁，从而提供确保故障安全的飞行轮廓的附加方法。

[0007] 在各个实施例中，本发射系统和方法提供了与之前提到的限制有关的显著改进。表1提供了根据本公开的实施例的由本发射系统和方法及其近似量级方案(magnitude)实现的示例性改进。然而，表1中提供的实例应被视为必然限制本公开的范围。相反，本公开涵盖本文包括的所有实施例。本发射系统和方法尤其可以实现更低成本、更频繁和更好的测试和物流输送。

[0008] 表1：

[0009]

[0010]

[0011] 在一个或多个实施例中，本公开因此可以提供一种用于发射运载工具的发射系统。作为非限制性示例，发射系统可以包括：初步加速器管系统(PAT)，包括：预加速室，被构造为接收气体；以及电加热器，被构造为加热气体；在预加速室下游并与预加速室流体连通的阀组件，阀组件包括至少一个压力可释放阀；在阀组件下游并与阀组件流体连通的预加速器管，预加速器管构造成容纳运载工具；其中，阀组件的至少一个压力可释放阀的打开产生足以通过预加速器管使运载工具加速的压力波。在另外的实施例中，可以关于以下陈述中的一个或多个来定义发射系统，其可以以任何数量和顺序组合。

[0012] 预加速室可以构造用于相对于通过预加速器管使运载工具加速的方向反向的纵向运动。

[0013] 发射系统还可包括与预加速室相关联的一个或多个反冲控制元件。

[0014] 预加速室可以定位在一个或多个支撑件的顶上，该支撑件构造成稳定预加速室的纵向运动。

[0015] 权利要求1的发射系统，其中，所述预加速室可包括至少外部结构支撑层和位于所述外部结构支撑层内部的绝缘层。

[0016] 预加速室可包括内部加热系统。

[0017] 预加速室可以包括穿过其延伸的一个或多个馈通通道，并且可以包括位于馈通通道内的一个或多个电触头，其中，一个或多个馈通通道可以是电绝缘的和压力密封的。

[0018] 预加速室可包括外部加热系统。

[0019] 阀组件可包括具有入口阀和出口阀的细长管，其中，入口阀和出口阀中的一个或两个可以是压力可释放阀。

[0020] 阀组件的入口阀和出口阀中的一个或两个可包括爆破隔膜。

[0021] 阀组件可包括互连管线和阀，其构造用于来自阀组件的气体的流入和流出中的一者或两者。

[0022] 发射系统还可以包括位于阀组件下游和预加速器管上游的预加速器装载器，预加速器装载器构造用于将运载工具装载到PAT中。

[0023] 预加速器装载器可包括至少一个管段，该管段可在与阀组件和预加速器管对齐的位置和与阀组件和预加速器管不对齐的位置之间平移。

[0024] 发射系统还可包括位于预加速器管下游的气体剥离器管，其中，气体剥离器构造用于从其中去除气体。

[0025] 发射系统还可包括出口门，出口门包括多个闸阀。

[0026] 出口门还可包括位于该多个闸阀下游的膜单元。

[0027] 发射系统还可包括位于PAT下游的主加速器管系统(MAT)。

[0028] MAT可以包括主管，该主管至少由两个同心的导电管形成，主管被构造用于将电能输送到运载工具。

[0029] 在一个或多个实施例中，本公开可以提供一种用于发射运载工具的方法。在一个非限制性示例中，该方法可以包括：将加压气体添加到压力容器中直到达到初步压力；加热压力容器中的气体，以使得气体达到比初步压力大至少2倍的传播压力；以及调节包括至少一个压力可释放阀的阀组件中的压力，阀组件定位在压力容器的下游并且通过压力可释放阀与压力容器流体连通，其中，阀组件中的压力调节足以打开该至少一个压力可释放阀；其中，该至少一个压力可释放阀的打开使来自压力容器的气体通过阀组件并加速位于阀组件下游的运载工具。在另外的实施例中，该方法可以关于以下陈述中的一个或多个来定义，这些陈述可以以任何数量和顺序组合。

[0030] 初步压力可以至少为2巴。

[0031] 加压气体可在压力容器中加热至约500K至约3000K的温度。

[0032] 在所述调节之前，阀组件中的压力可以小于压力容器中的压力，并且可以大于运载工具位于阀组件下游处的压力。

[0033] 运载工具位于阀组件下游处的压力可小于1巴。

[0034] 至少一个压力可释放阀可包括爆破隔膜。

[0035] 从压力容器通过的气体可足以使运载工具加速到至少1000m/s的速度。

[0036] 还可以包括使运载工具通过包括多个闸阀的出口门。

[0037] 出口门还可包括位于多个闸阀下游的膜单元。

[0038] 该方法还可以包括将运载工具传送到软捕获系统，该软捕获系统包括：飞行管，其构造用于运载工具通过的纵向运动；以及飞行管内存在的至少一个部件，其被构造为使运载工具减速。

[0039] 该方法还可以包括使运载工具通过主加速器管系统(MAT)，该主加速器管系统可以包括主管，该主管至少由两个同心的导电管形成，该主管被构造用于将电能输送到运载工具。

[0040] 在一个或多个实施例中，本公开可以涉及一种软捕获系统。作为一个非限制性示例，软捕获系统可包括：飞行管，其构造用于运载工具通过的纵向运动；以及飞行管内存在的构造成使运载工具减速的至少一个部件。在另外的实施例中，软捕获系统可以关于以下陈述中的一个或多个来定义，这些陈述可以以任何数量和顺序组合。

[0041] 飞行管内存在的构造成使运载工具减速的至少一个部件可包括飞行管的填充有多种气体的多个部分，这些气体基于恒定压力下的密度、成分、分子量和温度中的一个或多个而不同。

[0042] 飞行管的填充有多种气体的该多个部分可以通过密封膜与飞行管的较低压部分分离。

[0043] 软捕获系统还可包括通气管，该通气管至少围绕飞行管的填充有多种气体的多个部分。

[0044] 飞行管的填充有多种气体的该多个部分可包括多个通风孔。

[0045] 飞行管内存在的构造成使运载工具减速的至少一个部件可包括消融材料，该消融材料构造成与存在于运载工具的至少一部分上的气体轴承带相互作用。

[0046] 消融材料可以构造为飞行管内的斜坡。

[0047] 消融材料可以定位在沿着飞行管的长度形成的至少一个槽内。

[0048] 在一些实施例中，本公开可以涉及一种通过将冷的轻的气体或液体和预热元件快速引入轻气加速器的后膛区域来快速点燃轻气加速器的方法。

[0049] 在一些实施例中，本公开可以涉及一种通过在外部预热之后被快速引入轻气加速器的后膛区域中的元件来实现轻气加速器中的较高速度的方法。附图说明

[0050] 已经用前面的通用术语描述了本公开，现在将参考附图，附图不一定按比例绘制，并且其中：

[0051] 图1是根据本公开的实施例的发射系统的示意图，其包括初步加速器管(PAT)系统和主加速器管(MAT)系统，其中氢和氮的使用的指示是示例性的，并且不排除使用其它气体，如氩气，氦气等；

[0052] 图2是根据本公开的实施例的整体发射系统的各种元件的示意图；

[0053] 图3是示出根据本公开的实施例的PAT的放大视图的示意图；

[0054] 图4是根据本公开的实施例的预加速室和相关部件的图示；

[0055] 图4a是图4的预加速室的端视图，示出了连接到预加速室的端部的反冲活塞；

[0056] 图5a是根据本公开的实施例的预加速室的局部截面，特别示出了示例性的壁结构；

[0057] 图5b是来自图5a中所示的预加速室的壁的一部分的放大视图；

[0058] 图6a示出了穿过根据本公开的实施例的预加速室的顶部截面视图；

[0059] 图6b示出了穿过图6a的预加速室的垂直截面；

[0060] 图6c是来自图6a中所示的预加速室的壁的截面的放大视图；

[0061] 图7a是根据本公开的公开内容的PAT的局部视图，特别示出了阀部分；

[0062] 图7b是穿过根据本发明的实施例的图7a的阀部分的入口阀和/或出口阀的截面，示出了处于打开位置的阀的夹具；

[0063] 图7c是穿过根据本发明的实施例的图7a的阀部分的入口阀和/或出口阀的截面，示出了处于关闭位置的阀的夹具；

[0064] 图8a是根据本公开的实施例的预加速器装载器的局部视图；

[0065] 图8b是根据图8a的预加速器装载器的局部截面图，示出了翻转机构；

[0066] 图8c是根据图8a的预加速器装载器的局部截面图，示出了备选的翻转机构；

[0067] 图9a是根据本公开的实施例的出口门的图示；

[0068] 图9b是图9a的出口门端部处的膜夹具的局部截面；

[0069] 图10是根据本公开的实施例的出口门的进一步图示，示出了可与其组合的附加部件；

[0070] 图11a是根据本公开的实施例的、连接到推杆塞时以及与推杆塞断开连接之后两种情况下的发射管中的测试运载工具的部分截面；

[0071] 图11b是穿过其中有测试运载工具的图11a的发射管的垂直截面；

[0072] 图12是根据本公开的实施例的软捕获系统的局部截面图；

[0073] 图13是根据本公开的实施例的软捕获系统的局部截面图；

[0074] 图14a是提供根据本公开的实施例的软捕获系统的一部分的俯视图的局部截面图；

[0075] 图14b是穿过图11a的软捕获系统的垂直截面；

[0076] 图15是根据本公开的实施例的软捕获系统的各种部件的图示；以及[0077] 图16a提供了根据本公开的实施例的软捕获系统的俯视图的局部截面；

[0078] 图16b示出了穿过图16a的软捕获系统的垂直截面，示出了处于缩回位置的减速臂；

[0079] 图16c示出了穿过图16a的软捕获系统的垂直截面，示出了处于伸出位置的减速臂；以及

[0080] 图17示出了根据本公开的PAT的另外的实施例。

具体实施方式

[0081] 现在将在下文中参考其示例性实施例更全面地描述本公开。描述这些示例性实施例，使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。实际上，本公开可以以许多不同的形式体现，并且不应该被解释为限于本文阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了使本公开满足适用的法律要求。如说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一”、“一个”、“该”包括复数指示物，除非上下文另有明确说明。

[0082] 本公开提供了运载工具发射系统和方法。在一些实施例中，本公开可涉及轻气加速器和利用轻气加速器实施发射的方法。根据一个或多个实施例，射弹(下文中称为“运载工具”或“模型”)可通过轻气加速器(下文称为初步加速器管单元-“PAT”)发射并进入主加速器管单元-“MAT”。运载工具或模型可以离开MAT以进行大气发射。在一些实施例中，PAT可用于将运载工具或模型发射到测试区段和软捕获区段中，或直接发射到自由大气飞行中。

[0083] 图1中提供了根据本公开的实施例的发射系统100的示意图，发射系统100包括PAT200和MAT300。如图中看到的，PAT200包括预加速室205、具有入口阀211和出口阀212的阀部分(或阀组件)210、预加速器装载器215，、装载器闸阀216、预加速器管220和气体剥离器230，它们都是基本上对齐的。如图3中进一步示出的，预加速室闸阀213可以包括在预加速室205和入口阀211之间进入阀部分210。在一些实施例中，入口阀211和出口阀212可以是爆破隔膜或快速阀中之一或两者。存在第一液体N2供应240并且其通过阀241和管线242将液体N2提供给第一N2 蒸发器243，使得N2气体从管线244通过泵245、加压管线246和阀247进入预加速器装载器215。泵245可以构造成用于将N2泵入和泵出预加速器装载器。存在液体H2供应250并且其在管线251中通过阀252提供液体H2，且然后在进入H2蒸发器254之前提供到泵253。H2气体通过阀255离开H2蒸发器254并且在泵256中被泵送到增加的压力。加压的H2气体通过管线257和阀258进入预加速室205，优选地靠近其上游部分。可选地或另外地，来自液体H2供应250的液体H2通过管线261、阀262、泵263和阀264，以传送进入预加速器装载器215，用于填充运载工具10的燃料箱，例如本文进一步描述的。

[0084] MAT300包括主管305、过渡管310和出口门315，出口门315包括通向出口门的第一闸阀316和导出出口门的第二闸阀317。存在第二液体N2供应320，并且其通过阀321和管线322将液体N2提供到第二N2蒸发器323中。N2气体通过管线324到达泵325，加压的N2气体从泵
325通过管线326和阀327进入过渡管310。

[0085] 如图1所示的发射系统100还包括气体平衡系统，由此可以根据需要从系统中移除发射系统中的H2气体。优选地，在每次发射后从PAT发射管中除去H2气体，以便在发射管内重新建立基本真空，以便能够发生另一次发射。由于产生诸如爆炸或火灾等安全隐患，该H2通常不能安全地释放到空气中。因此，其通常必须通过用适当的空气混合物点燃以将H2转化为H2O而不产生一氧化氮污染物来安全地燃烧。通常最佳的做法是将从PAT发射管中移除的H2暂时存储在压载舱中，以便可以独立于H2气体去除速率控制燃烧速率。这允许调节气体燃烧速率以便于规划方便的、最有效的和安全的操作，并且避免产生一氧化氮。具体地，H2可以存储在H2压载舱110中并且根据需要通过管线111、阀112和管线113进入泵115和泵117，然后传送通过管线118进入H2处理单元125(例如，H2燃烧)。来自PAT和/或MAT的一个或多个部分的H2可以从泵140(来自管线142和阀145)、泵150(来自管线152和阀155)、泵160(来自管线162和阀165)、泵170(来自管线172和阀175)和泵180(来自管线182和阀185)中的任何一个或多个通过公共管线130传送进入H2压载舱110。阀145与预加速器管220流体连通，阀155与气体剥离器230流体连通，阀165与主管305的上游部分流体连通，阀175与主管305的中间部分流体连通，且阀185与主管305的下游部分流体连通。用于H2燃烧的氧121可以在泵
119中泵送到管线120，以输送到H2处理单元125。因此，氧121可以被压缩，以便以适当的速率与H2混合，以实现安全且基本上无污染的燃烧。

[0086] 尽管氢和氮是关于发射系统100而被例示的，这些材料不应被解释为限制性的。例如，在各种实施例中，诸如氩气、氦气等气体可以与氮气和氢气中的任一种或两种组合使用，或作为其替代来使用。

[0087] 发射系统100的附加元件在图2中示出。PAT200可以包括PAT电源270，例如电池组271。类似地，MAT300可以包括MAT电源340。在所示实施例中，可以使用电池组341并且其可以与PAT电池组271或单独的电池组相同。如图所示，储能感应器342与MAT电池组341以及爆炸开关保持器343(尽管也可以使用备选的开关类型)组合。图2还示出了存在于MAT300内的运载工具10和用于有效载荷准备和发射操作的操作建筑物90。可以提供范围系统单元80，用于监视和控制发射的运载工具并提供用于辅助发射操作的数据。

[0088] 本公开的发射系统和方法提供优于已知系统的多个优点。例如，本公开可以特别提供低压、低G气体加速器。例如，在一个或多个实施例中，本公开的发射系统和发射方法可以被构造成用于以小于10000PSI、小于、小于5000PSI或小于2000PSI的内部压力操作。更具体地，内部压力可以在约10PSI至约10000PSI、约20PSI至约5000PSI、约50PSI至约2000PSI、约100PSI至约1000PSI、或约200PSI至约800PSI的范围内。在一个或多个实施例中，在运载工具的加速和/或减速期间的重力可小于2000G、小于1500G、或小于1000G。更具体地，运载工具上的重力可以是大约2G到大约2000G、大约2G到大约1000G、大约2G到大约500G、或大约2G到大约200G的重力。迄今为止，根据现有技术，由于至少以下原因，这种装置是不可能的：
低加速度下的速度限制；非常高的长度与直径比下的摩擦损失；以及不能具有处于非常高的压力和非常高的温度下的气室。

[0089] PAT200的预加速室205在图4中更详细地示出。如在其中看到的，预加速室205包括用于容纳氢气的开放内部205a。从预加速室释放加压气体可引起显著的反冲(即，以与运载工具被加速的方向相反的方向进行的纵向运动)，且因此PAT200可包括构造成控制反冲的元件。如图所示，多个反冲活塞2051附连到预加速室205的后部。嵌入图4a示出了通过预加速室205的后部的局部截面图，其中具有反冲活塞2051。反冲活塞2051在第一端处附连到预加速室205，并且在第二相对端处附连到反冲止回器2052，反冲止回器2052可由典型的结构材料(例如，钢和/或混凝土)形成。预加速室205可以搁置在一个或多个支撑件2053或类似元件的顶上，该元件构造成在反冲期间稳定预加速室的纵向运动。示例性支撑件包括衬套、轨道和手推车、摇摆支撑件和弹性体元件的任何种类或组合。支撑件2053可以设置在稳定的基座2054(例如，混凝土板)上，其本身可以直接定位在地面2056或其它中间支撑元件上。滑动密封件2055直接定位在预加速室205的下游和预加速室闸阀213的上游。在备选实施例中，反冲活塞2051可以用弹性体反冲垫替换(或补充)。

[0090] 预加速室205可以由适于容纳高压气体的任何结构形成。在图5a和图5a中所示的实施例中，预加速室205具有三层结构-内层205b、中间层205c和外层205d。该三层结构对于在预加速室205的开放内部205a中容纳热加压的H2特别有效。在优选实施例中，内层205b可由不锈钢(例如，316ss)形成，并且外层205d同样可以由钢制成。外层205d优选地由适于提供压力容器的结构强度并且能够容纳如本文所述的压力下的材料的材料形成。因此，外层205d可以表征为结构支撑层。分隔两个钢罐壁的中间层205c可以是绝缘体，例如模制的氧化铝、氧化锆和本领域已知的其它抵抗高温和断裂以及高速气流腐蚀的绝缘体。形成中间层205c的绝缘体可以是多孔的并且间隔开，使得在通过激活爆破隔膜启动发射时加压的H2不会被捕获在它们下面。预加速室205的开放内部205a中的加压H2可以由主电池组突然加热到大约1500K。然后启动发射，并且在预加速室205的外壁205d发生显著加热之前释放热H2。

[0091] 在一些实施例中，预加速室205可包括用于加热其中的H2的内部加热系统。例如，如图6a至图6c中所示，预加速室205可包括至少一个位于开放内部205a内的加热线205g。如图所示，加热线205g包括螺旋盘绕的钨丝；然而，也可以使用其它导线。预加速室205可以形成有多个延伸穿过外层205d的馈通通道205e，且电触头205h延伸穿过该馈通通道。电触头205h连接到位于预加速室205的中间层205c附近或内部的汇流条205f，用于与加热线205g进行电接触。来自PAT电池组271的电能因此经由电触头205h传递到汇流条205f和加热线
205g，用于电加热预加速室205的开放空间205a内的H2，以便膨胀和进一步加压。在这样的实施例中，可以将H2加热到非常高的温度，同时外室壁保持处于室温或接近室温。这允许使用低成本的钢而不是耐高温金属合金(其花费可能高得多)来形成预加速室205的外壁。另一方面，这样的实施例可能需要使用耐高温的内部加热器，其暴露于H2，经受快速重复的温度循环，并且在发射过程期间暴露于H2的高速剪切流。这些问题也可以应用于用于形成预加速室的中间层205c的绝缘材料。此外，馈通通道205e必须是电绝缘的并且是压力密封的。

[0092] 在一个或多个实施例中，预加速室205可以利用外部加热器系统，且因此放弃了对内部加热器和可选的绝缘层205c的需要。合适的外部加热器可以是构造成将整个预加速室205加热到必要的操作温度的任何系统。为了避免温度循环和过多的能量消耗，预加速室
205可以持续地保持在期望的操作温度，除了用于维护的偶尔冷却时段或者在发射之间出现长的时间段时。预加速室205的加热和冷却时间可以相当长(例如，可长达几小时或甚至几天)，以避免由于不同的热膨胀引起的内应力。

[0093] 可以在预加速室中将H2加热至约300K至约3000K的范围中的温度。加热温度可以影响优选的加热类型(内部与外部)，并且可以取决于所需的发射速度。这些因素在表2中显而易见。在一些实施例中，外部加热对于空间发射(例如，其中对于具有组合的额外增强的应用，1250m/s的速度足够)、短程亚轨道发射(例如，其中对于没有额外增强的应用，1250m/s的速度足够)、和远程亚轨道发射(例如，其中对于具有组合的额外增强的应用，1250m/s的速度足够)可能是优选的。在其它实施例中，内部加热对于中间范围亚轨道发射(例如，其中2020m/s提供中间范围而不用额外的增强)可以是优选的。

[0094]

[0095]

[0096] 本公开的系统和方法有利地不受先前认为是现有技术限制的内容阻碍，例如需要使用显著高压和显著高温的气室。例如，本公开可以关于以下中的任何一个或多个来表征。

[0097] 在一些实施例中，本发明利用显著大的室，同时保持低压并将室保持在相对低的温度。例如，形成预加速室的压力容器可在优选实施例中具有约35,000立方英尺的内部容积。在示例性实施例中，形成预加速室的压力容器的内部容积可高达约10000立方英尺、高达约25000立方英尺、或高达约50000立方英尺，例如约20立方英尺至约50000立方英尺、约50立方英尺至约45000立方英尺、约100立方英尺至约40000立方英尺、或约1000立方英尺至约35000立方英尺。为此，压力容器可具有约10英尺至约200英尺、约20英尺至约150英尺、或约40英尺至约100英尺的直径，并且压力容器可具有约100英尺至约5000英尺、约500英尺至约4500英尺、或约1000英尺至约4000英尺的长度。

[0098] 由于不能生产厚壁的大管，因此认为缩放到相当大的直径是不可能的。根据本公开，不需要厚壁，因为根据本公开的系统和方法实现的低G力仅需要相应低的室压力。作为一个非限制性示例，直径为80”的预加速室可具有360PSI的内部压力以在9000磅的射弹上产生200G的加速度。相对低成本的钢可以表现出足够的强度以承受10000PSI的最大压力，并且安全系数为4将给出2500PSI的可用钢强度。在这种示例性条件下，预加速室的壁因此需要约为6英寸厚。这是可以实现的合理的制造厚度。在具有10000G加速度的传统气体炮中，驱动压力需要为18000PSI，并且所得到的壁厚将为大约300英寸。由于这种极端厚度，压力容器设计中必须包含额外的乘法因子，使得实际所需的厚度将接近600英寸。因此，与已知装置相比，本公开的系统和方法提供了更简单的制造要求，以实现有用和有效的发射系统和方法。

[0099] 压力容器的操作压力可以如本文针对发射系统另外描述的那样。压力容器的加热温度可根据所用加热的类型而变化。对于内部加热的压力容器(即，预加速室)，操作温度可以在约300K或接近环境空气温度的范围内，特别是在室被隔热并保持相对凉的情况下。如果需要，可以利用外部水冷来除去热量。对于外部加热的室，可以优选高达约700K的温度，因为可以使用低成本的钢。重要的是要注意，本系统和方法适合于在较高室温下操作，例如高达1000K，高达1,500K，或处于表2中另外公开的任何温度。然而，由于必须使用耐受较高温度的金属来形成压力容器，特别是对于较大尺寸的容器，成本会变得过高。

[0100] 在一些实施例中，预加速室的内部是绝缘的，以便最小化室的热气加热。如上所述，这可以有利于降低操作温度，并且另外改善所公开的系统和方法的操作。

[0101] 在一些实施例中，脉冲电加热用于在热量行进通过绝缘体之前快速加热气体然后放电。优选地，电脉冲相对较长，以便最小化电源成本；然而，在本系统和方法中使用的电脉冲通常明显短于室的内部绝缘的热传导时间常数。例如，在内部加热的实施例中，电脉冲可具有约100s至约3000s、约200s至约2500s、或约500s至约2000s的持续时间。在优选实施例中，电脉冲的功率可以是几兆瓦(MW)的量级。例如，脉冲功率可高达1000MW、高达2000MW、或高达5000MW，例如约10MW至约5000MW、约20MW至约4000MW、或约50MW至约2000MW。脉冲的电压和电流可取决于加热器设计，但典型的电压将在约100V至约5000V、约250V至约3000V、或约480V至约2000V的范围内。然后电流可为必要的，以便达到所需的功率和加热速率水平，以实现所需的脉冲加热时间。

[0102] 有利地，可以利用低成本电池电源来为大规模快速加热提供能量和功率。电池构造需要仅必须来满足本文另外描述的功率需求。

[0103] 使用如本文所述的分层技术(例如具有内部绝缘体的压力容器的外壳和在压力电容器内部的电加热层)可以有利于允许较低的操作温度，如本文中另外描述的。

[0104] 如本文所讨论的，在本公开的实施例中利用经由电馈通的电加热来解耦热和机械设计约束。在已知的系统中，内层中的化学燃烧加热器不能以这种方式解耦，并且外压力壳上的化学燃烧加热器了保持其冷却的目的。这是进一步有益的，因为本公开可以利用穿过室壁并穿过绝缘体的低阻力馈通。此外，汇流条可以用在预加速室内部，以高效地分配电流，因为它们受到绝缘体保护。在一些实施例中，形成压力室本身的金属可用于分配电流-例如，与使用单独的汇流条相反。在其中压力容器内壁用于分配电流的一些实施例中，金属室壁可以是分段的，并且一个或多个绝缘层可以存在于段之间。在一些实施例中，高电阻仅可用于内部电加热层。在优选实施例中，与预加速室一起使用的加热器可以是耐氢的、非常高温的加热器，例如钨、碳或类似材料。更具体地，可以使用碳涂覆的、非常高温的材料，例如硼化铪。

[0105] 在一个或多个实施例中，可以使用诸如激光器或微波的射束能量加热器来加热预加速室。这可以有利于直接加热室气体，而不需要必须承受高温氢和高速气体流率的内部电极以及连续的温度循环。可以使用短波紫外激光器和共振微波频率，其中氢吸收辐射能量。备选地，可以使用小质量分数的碳或其它纳米球来提供氢中的增加的吸收率。这可以有利于允许使用较宽范围的激光和/或微波频率或这种加热。

[0106] 在一些实施例中，本方法和系统可以构造为加热氢气以产生原子氢。这可能是有益的，因为原子氢提供气体分子量两倍的减少且因而提供声速和潜在发射器速度的两倍增加的平方根。在形成原子氢的情况下，将预加速室内的操作构造成远离压力容器表面的原子氢可能是有益的。例如，在一些实施例中，这可以通过旋转外部氢层来实现，这将使单原子氢(H1)朝向压力容器的中心部分“浮动”。通过快速旋转气体，离心效应将较轻的H原子分离到中心，而较重的H2分子将分离到外壁。这个H2的外层可以有效地屏蔽系统元件的内表面，并防止H原子与室壁相互作用，这种相互作用可以使原子迅速重新组合回分子氢。

[0107] 在一个或多个实施例中，可能有用的是在发射管的入口处通过蒸腾、对流和/或薄膜冷却注入额外的H2，以沿着发射管的长度的至少一部分向下产生“涂抹”的保护冷却气体薄膜。运载工具及其气体承载(如本文中进一步描述的)可有效地将这种如此形成的保护气体夹带并拖曳到发射管下，以帮助防止室出口和发射管入口部分的消融和腐蚀。

[0108] 在一些实施例中，可以加热氢气以产生等离子体形式的氢。例如，这可以如上所述的通过用微波加热来实现。此外，可以使用变化的磁场通过感应加热来加热等离子体，并使其通过感应涡流相互作用快速旋转。可以基本上防止等离子体氢与预加速室的内壁接触，例如通过旋转外部氢层。类似于上面的讨论，这种旋转可以有效于使等离子体材料(即H+和e-)有效地“浮动”到压力容器的中心部分。较热的等离子体密度将较小，且具有低于氢原子和分子氢的有效分子量。因此，室将通过离心力分层成等离子体的最内部区域、氢原子的中间区域和分子氢的外部区域。

[0109] 在一个或多个实施例中，压力室可以安装在轨道上的滚动车上，以使得相当大的室能够抵抗反冲阻尼活塞而反冲，如上文另外描述的。也可以使用允许压力室纵向运动同时优选地限制或防止垂直或横向运动的类似方法。

[0110] PAT200的阀部分210(位于预加速室205的下游)在图7a至图7c中更详细地示出，并且可以另外将其称为阀组件。特别地，阀部分210基本上是细长管(例如，由不锈钢等形成)，其中入口阀211和出口阀212(或类似元件)位于其相对的端部。如图7a所示，阀部分210可包括通风孔/填充管线210a和居间的流动阀210b，以控制来自阀部分210的气体的流入和/或流出。例如，通风孔-填充管线210a可与管线246或阀247互连作用，使得可以使用泵245将N2泵入或泵出阀部分210。

[0111] 在图7b和7c中更详细地示出了入口阀211和出口阀212的实施例。具体地，每个阀可包括前板2101和后板2102，前板2101和后板2102分别由前夹紧环2104和后夹紧环2105滑动地接合。爆破隔膜2103位于前夹紧环2104和后夹紧环2105之间，如图7b中所示的装载阶段中所看到的。然后，前夹紧环2104和后夹紧环2105易位，以使爆破隔膜2103接合而处于发射准备阶段，如图7c所示。前夹紧环2104和后夹紧环2105可以液压地致动，以便快速更换爆破隔膜。爆破隔膜的使用代表了用于提供压力可释放阀的一个实施例。可以使用任何类型的将打开或以其它方式释放的阀，以便在充分的压力变化(例如，阀一侧的压力快速下降或快速增加)时阀将被打开或释放。应当理解，在提到液压夹具的所有情况下，可以使用其它机构，例如气动夹具、电磁夹具等。

[0112] 预加速器装载器215(位于阀部分210的下游)可以构造成用于将运载工具10装载到PAT200中。如图8a和图8b中所示，预加速器装载器215可以具有铰接构造，使得预加速器装载器可以从“外部”或装载位置旋转到“内部”或发射位置。因此，预加速器装载器215可包括固定部分215a和可动部分215b，这两个部分通过翻转铰链2151或任何另外合适的铰接机构相对于彼此可旋转地附连。可动部分215b可以表征为管段。预加速器装载器215还可包括上游和下游夹紧装置，用于在发射位置密封地接合固定部分215a和可动部分215b。如图8a所示，上游板2152可以由上游夹紧环2154可运动地接合，并且下游板2153可以由下游夹紧环2155可运动地接合。相应的夹紧环可以远离预加速器装载器215的固定部分215a和可动部分215b运动，以允许可动部分被翻转打开以装载运载工具10。在运载工具10已经装载，并且可动部分215b已被翻转回到发射位置之后，相应的夹紧环可朝向固定部分215a和可动部分215b运动，以密封地接合所述部分，以通过PAT对其预加速。如图8a中所示，运载工具10的装载从可动部分215b的后端发生；但是，要理解，如果需要，可以从前端进行装载。

[0113] 运载工具10可以在被运动到预加速器装载器215中之前用液体H2填充和冷却，例如在定位在装载托盘上时。液压凸轮可用于使运载工具10从翻转打开的预加速器装载器中的装载托盘偏置。在图8b中所示的实施例中，液压凸轮将运载工具10偏置到预加速器装载器的可动部分215b中。在图8c中示出的另一实施例中，固定部分215a不存在，并且可动部分215b(即，管段)单独可运动地附连到翻转打开的铰链2151上。这样，显然，预加速器装载器
215可至少包括可在与阀组件210和预加速器管220对齐的位置和与阀组件和预加速器管不对齐的位置之间平移的管段。

[0114] 在操作中，来自液体H2供应250的液体H2在H2蒸发器254中蒸发，然后通过泵256被泵送到预加速室205中。H2被添加到形成预加速室205的压力容器中直到达到了初步压力。一旦预加速室205中的初步压力达到期望水平(例如，至少2巴、至少3巴、至少4巴、至少5巴、或至少6巴，优选最大限度为约10巴、约15巴或约20巴，包括所有中间范围-例如，约2巴至约
20巴、约2巴至约15巴、或约2巴至约10巴)，氢被脉冲加热约5秒至约60秒、约10秒至约45秒、或约15秒至约30秒的时间至所需温度范围。H2气体可以以约225K至约500K、约250K至约
400K、或约275K至约350K的温度下进入预加速室205。在预加速室内，H2气体优选被加热至高达约5000K、高达约4000K、或高达约3000K、优选约500K至约3000K、约750K至约2500K、或约1000K至约2000K的范围。在加热过程中，H2的压力增加到至少2倍、至少3倍、至少4倍、或至少5倍，优选达到约20巴至约80巴、约20巴至约60巴、或约25巴至约40巴的压力。该压力可以被称为传播压力，因为它是形成预加速室205的压力容器内的气体压力，该预加速室205将通过PAT传播以加速运载工具10。

[0115] 预加速室205、阀部分210和预加速器装载器215中的相对压力可以变化。当在加入和加热H2期间升高预加速室205时，阀部分210中的压力可以在约2巴至约50巴、约5巴至约30巴或约10巴至约20巴的范围内。同时，预加速器装载器215中的压力可小于2巴、小于1巴或小于0.1巴。优选地，在预加速室205的加热期间，预加速器装载器中的压力基本上为零(例如，约0.001巴)，例如在真空下。在示例性实施例中，当预加速室中的压力为约30巴时，阀部分210中的压力可为约15巴，并且预加速器装载器215中的压力可为约0.001巴。

[0116] 因此，通过预加速室205内的H2的加热、预加速室205内的相关压力增加以及随后的阀部分210内的压力的快速降低来控制发射启动。例如，参照图7a，流量阀210b可以打开，以使阀部分210中存在的填充气体通过通风孔/填充管线210a去除。阀部分210内的压力可以迅速降低到例如约1巴，这使得入口阀211中的爆破隔膜2103破裂。当高压气体快速离开预加速室205时，入口阀211中的爆破隔膜2103的破裂引起压力波。压力波传播通过阀部分210并撞击出口阀中212中存在的爆破隔膜2103，导致它破裂。然后压力波膨胀到接触运载工具10的预加速器发射器中，使其从静止状态快速加速到至少1000m/s、至少1500m/s或至少1800m/s的第一级速度，例如在约1200m/s至约3500m/s、约1500m/s至约3000m/s、或约
1800m/s至约2500m/s的范围内。如此加速的运载工具10穿过预加速器管220，同时达到上述最大的第一级速度，且然后进入气体剥离器230，该剥离器230基本上是管，并且可以由与预加速器管220相同的结构和材料形成。在传送通过气体剥离器的过程中，来自预加速室压力波的H2气体使用泵150经过阀155和管线152被去除。气体剥离器230有效于防止来自PAT的背压降低MAT300中的火箭马达的性能。气体剥离器230也有效于防止空气动力学测试中的干扰，例如当PAT200用于将运载工具或模型注入飞行管以进行高超音速测试时。

[0117] 离开气体剥离器230的运载工具10然后运动到MAT300中。在传送通过主管305期间，运载工具10进一步加速，如先前在美国专利No.9,463,881和美国专利No.9,617,016中所述的，其公开内容通过引用结合在本文中。简而言之，主管305可包括两个导电管和两个绝缘管。管可以是同心的和共线的，并且可以依次包括内绝缘管、内导电管、外绝缘管和外导电管。外导电管和内导电管的壁可以具有一个或多个不同几何形状的开槽轨道，适于接收一个或多个滑动触头。开槽轨道提供外导电管和外滑动触头的电连接。内滑动触头与内导电管电连接。对齐臂可以与滑动触头物理接触，并且还与运载工具的电加热器物理接触。在特定实施例中，滑动接触垫可以构造成用作等离子刷。MAT300利用电加热来通过主管305推进运载工具。具体地，来自推进剂罐的气体可以被输送到电燃烧室(或电火箭)以形成燃烧气体，该燃烧气体推动运载工具通过主管305。用于燃烧的电能通过对齐臂和滑动触头从形成主管305的导电管输送到电燃烧室。

[0118] 在使用中，电能经由电线从电能源(例如电池组341)传递。电能从电线传递到外导电管，经由等离子弧触头传递到滑动触头并通过对齐臂传递到电加热器。电路径经由等离子弧触头通过从电加热器经由对齐臂和滑动触头到达内导电管来完成。来自运载工具推进剂罐的推进剂在电加热器中被加热并通过喷嘴膨胀以通过MAT300的主管305加速发射器。在这样的实施例中，推进可以被表征为通过由等离子体介质化的电流传导来提供动力的电动火箭推进来进行。特别地，等离子体介质化的传导发生在导电管和滑动触头之间的等离子弧接触处。

[0119] 因此，使用由管传导电能促进的电加热形成的热膨胀气体的力，使运载工具10通过MAT的主管305加速。更具体地说，可以通过加热气体高于5000K并获得由单独的氢原子组成的排出气体来提供轻的气体、固体或液体(例如，可以以气体、液体或固体形式开始的氢气)的膨胀。在一些实施例中，加热可高达100000K，这可导致排气速度高达77000m/s。来自MAT的发射速度可高达150000米/秒或约为排气速度的两倍。最大速度可以局限于在太空中使用，因为从地球表面发射的实际限制是大约100000米/秒，这是因为在该速度下的空气动力，其可以达到大约1000000PSI。

[0120] 在一些实施例中，发射器10可包括有效载荷(也称为滑翔机，其可以是包括货舱(cargohold)的飞行器)、推进剂罐、电加热器和膨胀喷嘴。可选地，发射器可包括一个或多个轴承，其构造成帮助在发射管内对齐发射器。在一些实施例中，运载工具10可包括高加速度麦克斯韦火箭(HAMR)。

[0121] 在通过主管305之后，行进穿过MAT的运载工具10穿过过渡管310。其中，可以注入不同压力的气体以在运载工具10上施加初步的空气动力以测试用于运载工具的空气动力学控制和引导系统的适当功能。例如，来自罐320的氮气可以在一个或多个点处泵送通过泵325进入过渡管310，以在管内获得所需的压力。除了测试功能之外，可以在足够的压力下输入气体，以使滑翔机与运载工具10的其余部分(例如推进火箭和推进剂罐)初步分离。

[0122] 在离开发射系统之前，运载工具10穿过出口门315，其可以构造成提供以下任何一个或多个益处：滑翔机与运载工具的其余部分的平稳可靠的分离；主管内滑翔机的自由飞行试验；提供飞行仪表；从主管到大气层的平滑的滑翔机过渡；滑翔机后的运载工具的剩余部分的顺利退出；氢排放；氢均衡；和氢关闭。出口门315可以基本上为管的形式，并且可以由与用于预加速器管220的类似的结构和材料形成。例如，出口门315可以是不锈钢管或包括其它结构材料，例如其它金属合金、混凝土等。

[0123] 在一些实施例中，如图9a和图9b中所示，出口门315包括多个阀，特别是多个闸阀。如图所示，出口门315包括通入出口门的第一闸阀316和通出出口门的第二闸阀317。因此，第二闸阀位于第一闸阀的下游。出口门315可具有约0.1至约100米的总长度。然而，如果需要，出口门315的长度可以大于100米。因此，第一闸阀316和第二闸阀317可定位在形成出口门315的管的任一端处或附近。在第二闸阀317的下游，出口门315还包括膜单元318，膜单元
318由膜周向保持器318a和在盘形保持器之间伸展的膜318b形成。优选地，膜318b是薄的高强度柔性膜(举例来说，例如Spectra 纤维膜)，其安装在盘形保持器上，该保持器可以手动或自动地放置在出口门315的大气出口315a上。

[0124] 在图9a的图示中，为了说明的目的，第一闸阀316和第二闸阀317都处于打开位置。当准备启动时，第一闸阀316和第二闸阀317两者都在关闭位置准备好，其中每个阀的上部降低以接合每个阀的下部。在发射之前，打开第二闸阀317，同时第一闸阀316保持关闭，使得出口门315内的压力从大气压降低到大气压和约1毫巴的加速器管压力之间的中间压力。
这可以通过远程控制来实现，并且可以有效地检查膜318b的完整性。具体地，如果膜318b由于制造缺陷而发生故障，则仅将相对短的出口门315通到大气中。在这种情况下，更换膜
318b，直到获得成功的压力隔离一段合适的时间，以确保可靠的压力隔离和密封。一旦确认了膜318b的完整性，就可以打开第一闸阀316。

[0125] 为了通过PAT和/或MAT帮助控制运载工具，运载工具可以构造成沿着PAT和/或MAT的至少一部分向下传输遥测信号。例如，在发射之前，并且优选地在整个发射期间持续地，运载工具将遥测信号沿着至少MAT的长度向下发送到出口门。该遥测信号可包含完整的运载工具健康状况和状态数据，包括但不限于六自由度(6DOF)遥测、6DOF速率、振动、罐压力、发动机压力、推进剂流量以及所有其它相关运载工具系统健康状况和状态数据。该遥测优选地例如恰当地以载波传输频率(GHz或光学)上的100kHz速率(至少100MBPS数据速率)发送，以穿透任何等离子体鞘并沿发射管从发射始发点向下传输到出口门。在一些实施例中，如果在任何点，接收的数据没有主动满足期望，则出口门控制单元可以启动到主发射控制系统的关闭序列，优选地在100微秒(10个数据包周期)内。主启动控制系统(参见图2中的元件91)可以构造有等同启动关闭的默认情况，并且在这种默认构造下，主动标称数据接收是一种避免在整个启动序列中完全关闭的要求。

[0126] 在运载工具穿过MAT的过程中，通过用电流(I)为电动火箭提供动力来加速运载工具。鉴于MAT的管段具有电感(L)，MAT中存储的磁能可通过以下公式计算：

[0127] 存储的磁能＝0.5x L x I2。

[0128] 在典型的示例性实施例中，电流可以在约2×E6的范围内，并且L可以在约3×E-5的范围内。基于以上公式，储存的能量可以在约60兆焦耳的范围内。这是令人惊讶的低水平的储存能量，因为本公开的系统是专门构造的，使得发射系统呈现低电感。相比之下，在根据现有技术的平行轨道构造中，预计L将大约大100倍，因此预期存储的能量将在大约6000兆焦耳的范围内。

[0129] 尽管本系统和方法在发射管中提供显著较低水平的储存能量，但是提供用于在沿着MAT的长度在一个或多个点处去除该能量的元件可能是有益的。例如，可以提供一个或多个电阻器(例如，炮口开关)以缓慢且可控制地将所存储的磁能作为热量耗散，而不是像发射管端部的大电弧那样爆炸性地耗散。

[0130] 在运载工具到达出口门之前不久，主发射控制系统可以构造为降低MAT功率，并关闭MAT炮口开关。当运载工具飞出MAT的动力部分(例如，主管305)时，飞行器的滑翔机部分与运载工具的其余部分分离。这种分离可以在过渡管310和出口门315中的一个或两个中发生。

[0131] 出口门315可包括一个或多个接收站3151，其构造成用于接收上面讨论的运载工具遥测传输。关于运载工具提供的机载数据系统可以精确地测量滑翔机的状态并继续将其传输到一个或多个接收站3151。当滑翔机进入出口门315时，一个或多个接收站3151可以提供详细的诊断数据以验证滑翔机状态。

[0132] 如关于图9a和图9b所描述的那样，运载工具的滑翔机部分在出口门315的端部处穿过膜318b，并从出口门中的中间压力过渡到大气压力。在运载工具的滑翔机部分离开后不久，运载工具的其余部分(例如，推进剂罐和火箭马达)从出口门出来。由于空气动力和加热，运载工具的这些剩余部分的固有空气动力学不稳定性导致它们在大约一公里内翻滚和分解。在运载工具从出口门离开之后，氢排放可以进行有限的持续时间(例如，持续大约仅几秒钟直到多达几分钟)。如图10中所示，一个或多个烟火装置3152可以定位在出口门315的大气出口315a附近，以在从大气出口离开时立即提供任何排出氢气的点燃和燃烧。在该排气过程接近结束时，第一闸阀316和第二闸阀317关闭，以防止空气进入出口门315或主管305。此后，可将主管305抽空至期望的约为1毫巴的低压状态。在抽空后，用钻孔骑架传感器系统(bore riding sensor system)开始管检查，完成任何必要的修理，且此后管压力保持在约1毫巴。

[0133] PAT和MAT的长度可以根据需要变化。在一个或多个实施例中，PAT可具有至少100米、至少500米或至少1000米的总长度。在某些实施例中，总PAT长度可为约100米至约10000米、约200米至约5000米、或约500米至约3000米。MAT可具有至少2000米、至少5000米、至少10000米、或至少20000米的总长度。在某些实施例中，总MAT长度可为约5000米至约50000米、约10000米至约40000米、或约15000米至约35000米。

[0134] 发射系统100可以构造成传输必要范围的电流，同时产生或诱导强度小于约1.25特斯拉、小于约1特斯拉、小于约0.5特斯拉、小于约0.25特斯拉、或者小于约0.2特斯拉的磁场。在一些实施例中，磁场可以限制为约0.2特斯拉至约1.2特斯拉的强度。

[0135] 在一个或多个实施例中，本发射系统可用于与专用货物的发射分开的测试目的。例如，可以通过MAT中的电火箭在有或没有增加加速度的情况下进行从PAT到飞行管的运载工具的发射以进行高超声速测试。图11a中示出了用电火箭增压器直接喷射的示例。如图中所示，支撑在运载工具保持器11a中的运载工具11利用推杆塞380代替推进剂罐和火箭马达(否则它们将用于推动发射运载工具通过MAT300)来加速通过预加速器管220。在进入测试部分之前，推杆塞380与模型(或测试运载工具)井分离，使得空气动力学测量不会受到推杆塞的影响。

[0136] 运载工具或模型可以安装在固定或铰接的钉上，以使运载工具向前运动，同时避免支撑支柱的任何干扰空气动力学效应。铰接式钉可具有多个自由度和多个关节，以允许在飞行测试中进行航空操纵。本领域技术人员已知的致动器和气体喷射相互作用推进器和其它已知的控制装置可以使运载工具能够在所有自由度上运动。如图11b所示，运载工具11由多个支柱12支撑，支柱12附连到中空圆筒13，中空圆筒13具有基本上接近预加速器管220的内径的外径。作为说明性示例，预加速器管220可以具有约2m的内径(例如，约1m至约10m、约1m至约5m、或约1.5m至约4m)。中空圆筒的外径优选比预加速器管的内径小约1％至约10％、约1％至约8％、或约2％至约5％。

[0137] 在离开PAT200之后，运载工具10飞过测试管，在那里进行空气动力学测量。在此之后，通常希望使运载工具慢下来并以可靠的方式回收。可以使用各种方法来实现这一目的。例如，根据一个或多个实施例，发射系统可包括软捕获系统。

[0138] 在一些实施例中，如图12中所示，软捕获系统，可以使用具有不同原子或分子量的冷的恒压气体通过管沿着限定的距离提供密度梯度。在图12中，软捕获系统500包括软捕获飞行管505，其被封闭在较大的通气管510内。软捕获飞行管505包括三个气体部分(511a，511b，511c)，它们基于恒定压力下的密度成分、分子量和温度中的一种或多种而不同。软捕获飞行管505还包括一个或多个具有合适大小和位置的通风孔512，以允许来自软捕获飞行管内的气体排出到通气管510的开放内部。提供通风孔512以从运载工具11前方排出冲击引起的超压，以保持所需的减速曲线。这改进了现有技术，因为减速度比现有技术更低且更恒定。通风孔512的数量和位置可以基于给定部分中存在的气体。例如，如图所示，与气体部分
511b和气体部分511a相比，在气体部分511c的区域中存在较多数量的通风孔512。通过薄的密封膜515将气体部分与低压测试部分511d分开。被动缓冲件520位于气体部分的后面，并且可包括任何缓冲材料，例如可变密度泡沫。位于被动缓冲件520后面的是主动缓冲件525。
在所示实施例中，主动缓冲件525是反冲活塞。主动缓冲件525靠在止回器530上，止回器530可用作反冲块、基座和/或紧急停止装置。在软捕获系统500中提供入口门535，以允许人员进入以获取运载工具和/或例行维护。

[0139] 图13中示出了另一示例性软捕获系统600。其中，软捕获飞行管605包括沿着管长度的一部分存在的消融锥形斜坡607。主动缓冲件625再次与止回器630一起存在。如果需要，也可以存在被动缓冲件。在该实施例中，与其它软捕获系统相比，运载工具11的前端和前缘经受显著较少的气热加热和潜在的消融。力仅施加在消融锥形斜坡607的边缘和存在于运载工具保持器11a上的气体轴承带609上。运载工具11仅受到真空和减速力。可以使用任何合适的方法将消融锥形斜坡607应用到软捕获飞行管605。如图14a和图14b中所示，可以使用机械化方法来应用用于使运载工具减速的消融锥形斜坡607。消融锥形斜坡607通过在软捕获飞行管605的内侧上喷射期望的一种或多种消融材料而形成。用于形成消融锥形斜坡607的合适材料的非限制性示例包括聚乙烯、水、氩及其组合。软捕获飞行管605可以被冷却，使得所应用的材料(一种或多种)在接触发生时将固化。在所示实施例中，喷射器640沿着软捕获飞行管605在一个或多个导轨641上纵向运动。喷射器可以是旋转孔孔骑架喷射器(rotating bore riding sprayer)，其沿着软捕获飞行管605的长度平移，同时旋转以便将消融材料喷到软捕捉飞行管的壁的内表面上。

[0140] 消融材料的功能在图15中示出。具体地，运载工具保持器11a包括前缘刮削斜坡11b。每个气体轴承带609位于形成在运载工具保持器11a中的凹槽11a'内。当气体轴承带
609沿着消融锥形斜坡607拖曳时，由消融材料形成高压高阻气体轴承660。可以改变消融斜坡材料、厚度和斜坡角度的选择以实现期望的减速轮廓。

[0141] 由于预计会吹过低压轴承的高驱动压力，因此认为使用低压低阻气体轴承是不可能的。根据本公开，利用低(例如，低至并且包括零)驱动压力并且不期望其吹过低压轴承。如上所述，通过用多个“O形环”状塑料带环绕射弹和/或通过将气体注入加速射弹和MAT或PAT驱动管之间的区域，低压气体轴承可以在PAT和MAT中围绕加速物体周向地形成。尽管上面关于软捕获系统对此进行了讨论，但是应当理解，气体轴承的形成可以在通过如本文所述的PAT和/或MAT的任何单个部分期间或以PAT和MAT的部分的任何组合的方式应用于运载工具。尽管通过阀部分的减压从预加速室释放压力形成的压力波可以非常高，但是压力波在其沿着PAT运动时同样可以表现出强度的快速降低。例如，当运载工具到达PAT的端部时，运载工具后面的压力可以减小大约1/2倍、大约1/5、大约1/8倍、大约1/10倍、大约1/15倍、或大约1/20倍。此外，尽管PAT的长度很长，但是由于压力波引起的运载工具的加速度是足够显著的，因此运载工具可以在小于30秒、小于15秒、小于10秒、小于5秒或小于2秒的时间内穿过该距离。作为一个示例性实施例，通过阀部分离开预加速室的气体的典型压力可以是大约360PSI，并且当运载工具在大约1秒钟时间中穿过PAT的距离时压力可以下降到大约
40PSI。

[0142] 关于图16a至图16c示出了又一软捕获系统700的实施例。软捕获系统700包括软捕获飞行管705，其具有沿着软捕获飞行管的长度附接的多个减速槽770。在进一步的实施例中，至少一个槽770可沿着飞行管705的长度的至少一部分定位。在这些实施例中，推杆塞380包括多个臂381，其从推杆塞的基部快速延伸，并且接合附接在软捕获飞行管705的外侧上的减速槽770。减速槽770可以填充消融材料707，并且臂381可以在其上包括气体轴承带
709。这使得能够在该软捕获系统中使用与所有其它测试相同的气体轴承发电机带。槽可以以与上述软捕获系统相同的方式填充和成型，其中诸如聚乙烯、水和氩的材料为固体形式。
在图16b中，臂381在运载工具11的试飞期间处于缩回模式。在图16c中，臂381处于伸展模式以进行软捕捉减速。

[0143] 在一个或多个实施例中，PAT可以具有如上另外所述的备选布置。有利地，根据本公开的任何PAT可以构造用于提供快速启动速率和/或非常高的加热温度。在图17中所示的实施例中，PAT可以被构造用于实现这些优点中的任一个或两个。

[0144] 如图17所示，PAT2000包括加速器管2200，其具有围绕其至少一部分的可选冷却系统2900。代替包括专用压力容器，加速器管2200可以被构造用于在如本文中另外描述的压力下容纳气体至少一段时间，以用于快速加速运载工具2010。如图17所示，发射管2200的至少后部2201具有增加的厚度，以适应接近快速膨胀的气体2903的增加的压力。

[0145] 加速器管2200包括后膛部分2990，后膛部分2990包括气室2000a和加热器室2000b。气室2000a和加热器室2000b可任选地通过易碎密封件2904分开。此外，可选地存在第二易碎密封件2905以将加热器室200b与加速器管2200的下游部分分开。加热器元件2902可以可运动地定位在加热器室2000b内或周围，以便于快速加热气体2903。因此，PAT2000包括气室2000a，其最初包括冷的轻的气体、液体或固体2903以及外部或内部加热器元件
2902，其可以被预热，然后快速引入由气室2000a和加热器室2000b限定的后膛区域2990。然后，冷的轻的气体、液体或固体2903迅速与加热器元件2902发生接触，且从而迅速加热到足以使运载工具2010加速到所需高速的温度。

[0146] 可以通过本领域技术人员将认识到的各种方法将冷的轻的气体、液体或固体2903和加热器元件2902引入后膛区域2990。例如，可以从后膛端部、后膛区域2990的侧面或后膛区域的前部引入一者或两者。加热器元件2902是可以快速引入的单独元件，使得它可以方便地保持在非常冷的状态，直到需要启动发射过程。冷的轻的气体、液体或固体2903同样可以保持与气室2000a分开，然后快速引入，以便它可以方便地保持在非常热的状态，直到需要启动发射过程。

[0147] 可以存在可选的易碎密封件2904，以便于气室2000a和加热器室2000b的分离，直到所需的启动时刻。然后，由于被动压力效应或由于诸如电加热或爆炸效应的主动方法，易碎密封件2904的破裂可引发发射。可以存在另外的可选的易碎密封件2905，以便于后膛区域2990与加速器管2200分离，直到期望的发射时刻。然后，由于被动压力效应或由于诸如电加热或爆炸效应的主动方法，易碎密封件2905的破裂可引发发射。

[0148] 可选的冷却系统2900可以围绕后膛区域2990或作为后膛区域2990的一部分而结合，特别是为了防止后膛区域的温度升高到期望水平以上。冷却系统2900可以根据需要延伸超过后膛区域2990，以便也为加速器管2200的一部分或全部提供冷却。本文关于PAT另外描述的操作压力、温度、加速度、重力和速度也可以应用于图17的实施例。同样地，可以理解，通过加速器管2200加速的运载工具2010可以进入如本文中另外描述的MAT300、如本文中另外描述的出口门315、或者如另外描述的软捕获系统(500,600,700)。

[0149] 在一个或多个实施例中，本公开因此涉及包括加速器管的PAT，加速器管包括后膛区域，后膛区域被构造用于接收轻的气体、液体或固体，并且被构造用于接收用于快速加热轻的气体、液体或固体的预热的加热元件。后膛区域可包括后膛区域中的一个或多个易碎密封件。后膛区域可包括气室，其中轻的气体、液体或固体被加热以最终提供加压的加热气体并且可包括单独的加热器区域。加热器可以输入加热器区域的内部，或者可以位于加热器区域中的加速器管的外部。气室可以通过易碎密封件与加热器室分开。加热器室可通过易碎密封件与加速器管的下游部分分离。冷却系统可以围绕加速器管的至少一部分构造，优选地在气室的区域中或至少在后膛区域周围。

[0150] 软捕获系统的实施例的各种组合可以由本领域技术人员有益地用于某些应用中。另外，通过使用超导技术，可以使用电磁装置代替流体动力装置来使运载工具减速。

[0151] 本公开相关的领域的技术人员将想到本公开的许多修改和其它实施例，其具有前述描述和相关附图中呈现的教导的益处。因此，将理解的是，本公开不限于本文公开的具体实施例，并且修改和其它实施例旨在包括在所附权利要求的范围内。尽管本文中采用了特定术语，但是它们仅用于通用和描述性意义，而非用于限制的目的。

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运载工具发射系统和方法

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