Воздушно-космический летательный аппарат многоразового применения

 

Изобретение относится к космической технике, а именно к конструкции летательных аппаратов многоразового применения. Целью изобретения является повышение надежности и грузоподъемности аппарата. Летательный аппарат, содержащий корпус -. . а 1, ракетные двигатели, дополнительно снабжён кольцевыми камерами сгорания 6, рулевыми секционными соплами, кольцевыми соплами-рассекателями Зим ноголопастной системой 9 с прибором, выполненным в биде турбины торообразной формы, и устройство поворота лопастей, а корпус аппарате выполнен в виде усечённого конуса горообразной формы со сквозным центральным каналом 2 по оси аппарата и камерами воздушного охлаждения ракетного двигателя, сообщенными с центральным каналом 2, причём дополнительные кольцевые камеры сгорания расположены вокруг основных кольцевых камер сгорания двигателя. 2 з.п. .ft ф-лы, 3 ил. . . .-. L СЛ сх fO н со СЛ

СОЮЗ СО8ЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (Я)з В 64 G 1/14

ГОСУДАРСТВЕ НЮЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4701207/23 (22) 05.06.89 (46) 15,06.93. Бюл. М 22 (75) Д.К.Бердин и Г.К.Бердин (56) Волков Е.Б, "Ракетные двигатели", М.: Воениздат, 1969, с.11-102. (54) ВОЗДУШНО-КОСМИЧЕСКИЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ МНОГОРАЗОВОГО

ПРИМЕНЕНИЯ (57) Изобретение относится к космической технике, а именно к конструкции летатель-. ных аппаратов многоразового примейеййя.

Целью изобретения является повышение надежности и грузоподьемности аппарата.

Летательный аппарат, содержащий корпус

° 5U, 1821435 А1

1, ракетные двигатели, дополнительно снабжен кольцевыми камерами сгорания 6, руле-. выми секционными соплами, кольцевыми соплами-рассекателями 3 и многолопастной системой 9 с прибором, выполненным в виде турбины торообрэзной формы, и устройство поворота лопастей; а корпус аппарата выполнен в виде усеченного конуса торообразйой формы. со сквозным центральным каналом 2 по оси аппарата и камерами воздушного охлаждения ракетного двигаталя, сообщенными с центральным каналом 2, причем дополните»льйые кольцевые камеры сгорания расположены. вокруг основных, кольцевых камер сгорания двигателя. 2 з.п.

/у ф-лы, 3 ил.

1821435

Изобретение относится к авиакосмической технике, а именно к конструкциям летательных аппаратов многоразового применения.

Целью изобретения является повышение надежности и грузоподъемности аппарата.

На фиг,1 изображен общий вид аппарата, содержащего две кольцевые камеры сго10 рания; на фиг.2 — схема лопасти многолопастной системы; на фиг.3 — второе исполнение корпуса аппарата со значительным расширением сквозной полости, вдоль оси аппарата, куда установлена многолопастная система с килями и содержащий три и более кольцевые камеры сгорания.

Воздушно-космический летательный аппарат содержит корпус 1, выполненный в виде усеченного конуса торообразной формы, в центральной. части которого, вдоль оси

20.аппарата, имеется сквозная полость 2, расширяющаяся от середины корпуса к его торцам.

В верхней части корпуса установлен рассекатель воздуха 3, выполненный в виде устройства, состоящего из нескольких звеньев, собранных в кольцевое сопла, имеющего два положения: при первом положении сопловая часть направлена вперед, в 30 сторону движения аппарата с поверхности земли на орбиту, и второе положение, после новлен в нижней части аппарата и содержит две кольцевые камеры сгорания: основную

5, и дополнительную 6, частичное центральное тело 7, выполненное в виде продолжения одной стороны сопла. Кольцевое сопло основной камеры сгорания 5, во время старта направлено в противоположную сторону движения аппарата и развернуто к оси аппарата на угол 15+. 1О. Сопло дополнительной кольцевой камеры сгорания 6 в момент

50 старта также направлено в противоположную сторону движения аппарата и развернуто на угол 15 + 1О к оси аппарата. После выхода аппарата на орбиту земли сопловая 55 часть дополнительной кольцевой камеры сгорания 6 разворачивается от первона- чального положения на периферию на угол

3P + выхода аппарата на орбиту земли, при котором сопловая часть развернута на периферию на угол 90 и 5 градусов. 35

В нижней части аппарата, с наружи корпуса установлено нижнее рулевое сопло 4, состоящее из звеньев, сопловые части которых направлены на периферию на угол

90 5 к оси аппа. рата. 40

Жидкостной ракетный двигатель уста-

Для охлаждения нагревающихся элементов аппарата, жидкостной ракетный двигатель содержит воздушно-космическую

"рубашку" 8, выполненную в виде камер, охватывающих коЛьцевые камеры сгорания, частичные центральные тела. Система охлаждения состоит из трех основных элементов: всасывающей с воздухозабором от сквозной центральной полости аппарата, самой "рубашки", охватывающей нагревающиеся элементы аппарата и выхлопной частью, соединяющую "рубашку" с местом выхода нагретого рабочего тела кольцевых камер сгораний.

С наружи корпуса аппарата выше общего центра тяжести аппарата, установлена многолопастная система 9; привод которой осуществляется с помощью турбин торообразной формы 10 по соосной схеме. Под каждой парой турбин, имеющих противоположные направления вращений, и на торцах центральной сквозной полости 2 установлены кили 11, 12, 13, прикрепленные к корпусу аппарата, по 4 штуке на каждом уровне, имеющие угол между собой и по отношению к оси аппарата 90 + 5 .На фиг.2 изображена схема лопасти многолопастной системы 9, снабженная раструбами 14, соплами 15, 16, авторегуляторами 17, 18, 19, устройством изменения геометрии лопасти 20.

Раструбы 14, выполненные в виде сплюснутой воронки, проходят сквозь лопасть снизу кверху (при нахождении лопасти на ребре) загнуты сужающейся частью влево от оси лопасти на угол 45 + 10 между направлениями в сторону турбины торообразной формы и стороны самопроизвольного раскручивания лопасти под действием потока воздуха, действующего на него при посадке на землю.

Тормозное сопло 15 и сопло ускоренного раскручивания многолопастной системы

16 установлены на конце лопасти, сквозь которую происходит их соединение с турбиной торообразной формы через авторегуляторы 17. 18, 19, Тормозное 15 и разгонное

16 сопла 16 развернуты между собой на угол

90 + 5О, а тормозное сопло 15, по отношению к вертикали (при нахождении лопасти на ребре) имеет угол 45 +. 1О.

Клапаны авторегулятора 17, 18, 19 выполнены в виде цилиндра, заглушенного по торцам, внутри которого помещен поршень с возвратной пружиной. Поперек цилиндра по диаметру имеется проход рабочему телу.

Клапаны 18 и 19 имеют два положения ."Открыто" и "Закрыто", клапан 17 — три положения поршня; при крайних положениях

1821435

"Открыто" а в среднем положении "Зэ- ния лобового сопротивления с помощью крыто". кольцевого сопла, направленного в сторону

Устройство автоматического изменения движения аппарата, через которое поступалопасти находится на расстоянии 1/4 дли- ет узкий пучок рабочего тела. После выхода ны лопасти от турбины торообразной фор- 5 аппарата из атмосферы разворачивается мы и состоит из поднимающейся части сопловаячастьЗнаугол90 5 наперифелопасти с его основанием и возвратной пру- рию и увеличивается пучок рабочего тела, жины 20, установленной в клинообразной выходящего через сопло. В последующем прорези (при нахождении лопасти на ре- до самой посадки аппарата на землю оно бре). Изменение геометрии лопасти про- 10 выполняет функцию верхних реактивных руисходит путем поднятия лопасти нэ угол лей.Поворотверхнейчастиаппзратэпроиэ30 «5 . водится за счет отключения одной иэ секций

На фиг.3 изображено второе исполне- кольцевого сопла. ние корпуса аппарата 22. По сравнению с Включается в работу дополнительная его первым (вышеуказанным) второе испол- 15 кольцевая камера сгорания 6 жидкостного нение имеет значительно расширенную .ракетного двигателя, сопловэя часть котосквозную полость вдоль оси аппарата, где рой установлена йа стартовый режим рабоустановлены многолопастная система 23 с ты и имеет направление выхода рабочега килями 24. Кили 25, 26 имеют. большие раз- тела в противоположную сторону движения меры по сравнению с размерами килей 12, 20 аппарата, т.е, смещена к оси аппарата на

13 (фиг.1). Многолопастная система при угол 15 "- 1 с целью использования эффекпервом исполнении корпуса аппарата име- та частичного центрального тела (аналогичет форму "ромашки", а во втором исполне- но разработке проекта рэкеты "Нексесс"). нии — "звездочки". Торообразное С включением в работу основной кольисполнение корпуса аппарата позволяет 25 цевой камеры сгорания 5 она направлена в применять две и более кольцевые камеры противоположную сторону движения аппасгорания. В качестверассекателя воздуха,э рата и смещена к оси аппарата на угол также верхних рулей применяется секцион- 15+ 1 также с целью использования эфное кольцевое сопло 27. В качестве привода фекта частичного ценгрального тела, Аппа- . многолопэстной системы используется тур- 30 рат начинает ускоренное движение вверх;: бина торообразной формы 28. Одновременно с начала работы кольце- .

Принцип действия аппарата заключает- вых камер сгораний начинает работать сис- . ся в следующем. тема охлаждения 8, производящая

Стартовый запуск аппарата. охлаждение кольцевых камер сгораний 5, 6 . Во время стартового запуска аппарата 35 и частично центральное тело 8 с помощью приводится во вращательное состояние .воздушно-космической рубзш.-.и 8. Рабочее многолопастнзя система 9 (фиг.1) лопасти тело, выходящее от кольцевых камер сгоракоторой находятся в рабочем положении(не ний 5, 6, создает разрежение в выхлопной на ребре) путем подачи рабочего тела в тур- части воздушно-космической рубашки, при бину 10торообрззной формы. Рабочее тело, 40 этом забор воздуха производится из сквозпоступившее в турбину, одновременно с ной центральной полости 2, предназначендействием на лопатки турбины, проходит ной для охлаждения нагревающихся вдоль лопасти через клапан 17, открываю- элементов аппарата. щий проход рабочему телу в двух случаях.

: При вращении лопасти ниже номинальной 45 Управление аппаратом производится скорости или выше нее проходит через клэ- . несколькими способами. пан 19, который находится в открытом поло- Кольцевой камерой сгорания 6, состояжении до тех пор, йока многолопзстнзя щей из нескольких отдельных секций, путем система не наберет номинальную угловую отключения той секции, в сторону которой скорость. При таком положении клапана 19 50 необходимо осуществить поворот аппарата. рабочее тело выходит наружу через сопло Реактивным рулем 4, состоящим из от- .

16,создаваяприэтомдополнительнуютягу дельных секций, путем включения или отмноголопэстной системе по принципу "сег- ключения группы или отдельной секции для, нерово колесо". После установления номи- корректировки положения аппарата. нальной угловой скорости клапаны 17, и 19 55 Кольцевым соплом 3 после того, как перекрывают проход рабочему телу к со- аппарат выйдет за пределы атмосферы и плзм 15, 16, после чего остаются в закрытом будет развернуго сопло на периферию на положении. угол 90 +5 путем включения или отключеВключэется в работу рассекатель возду- ния отдельных секций. ха З(фиг.1), предназначенный для уменьше1821435

Многолопэстной системой (s пределах атмосферы) путем поворота плоскости верхней пары турбин торообраэной формы в сторону необходимого перемещения.

С помощью килей 11, 12, 13,24, 25, 26.

Для осуществления поступательного перемещения аппарата с помощью килей 11, 26, расположенных на одной прямой в противоположных сторонах от оси аппарата, их необходимо повернуть в одну и ту же сторону, э если кили 11, 12, 13, 24, 25, 26, расположенные на одной прямой в противоположных сторонах от оси аппарата, повернуть в

10 разные стороны, то будет производиться вращательное движение аппарата. 15 . Торможение аппарата.

Во время посадки аппарата на землю корпус 1 находится в таком же положении, как и при старте, рулевое кольцевое сопла

3, (27) находится в верхней части, а кольце- 20 вое сопло 4 в нижней и расположено ближе к поверхности земли; Направление оси аппарата должно совпадать с направлением действия воздушного потока, воздух проходит сквозь полость 2. - 25

Перед посадкой аппарата на землю необходимо перевести лопасти многолопастной системы из рабочего положения в положение на ребро; кольцевые сопла камер сгорания, которые работают в тормоз- 30 ном режиме, разворачиваются от, первоначально стартового положения на угол 30+ 1О на периферию 6, фиг,1.

Торможение аппарата производится за счет включения в работу тормозных кольце- 35 вых камер сгорания 6 и 29, направленных в сторону движения аппарата;

Для защиты многолопастной системы от разрушающего действия воздушного потока, под;корпусом аппарата образуется 40 воздушная, которая образуется за счет раз- движения кольцевого сопла 6, на периферию на угол 30 +. 1О, при котором рабочее тело, выходящее из кольцевой камеры сгорания 6, образует газовую оболочку (юбку), 45 под которой образуется воздушная подушка, Для защиты многолопастной системы

23 и килей 24. 25, 26 кольцевое сопло 29 от вертикального положения разворачивается 50 на угол 15 + 1, эа счет чего образуется газовый конус, который предохраняет аппарат от разрушающего действия воздушного потока.

Принцип действия многолопастной сис- 55 темы.

При входе аппарата в атмосферу в первоначальный момент многолопастная система выполняет пассивную функцию самосохранения, лопасти установленные на ребро, могут перенести значительные нагрузки. После преодоления больших скоростей лопасти разворачиваются на угол

90 + 1О и устанавливаются в рабочее положение, при котором сопла 15, 16 и раструбы

14 направлены к верху.

Из-зэ наличия раструбок 14 при расположении лопасти на ребре уменьшается лобовое сопротивление воздушного потока, действующего на него снизу. Вместе с тем путем рекуперации энергию воздушного потока, проходящего сквозь раструбы, направляют таким образом, чтобы силы, возникающие при этом, противодействовали черезмерному раскручиванию лопасти под действием потока огибающей лопасть с обеих сторон поверхности, вместе с тем противодействовали силам, поднимающим лопасть кверху. После разворота лопасти в рабочее состояниэфункции раструбов иэ активного состояния переходят в пассивное, На фиг.2, а изображено устройство автоматического изменения геометрии лопасти под действием сил воздушного потока, оказывающих давление на лопасть снизу, поднимающих лопасть кверху (при нахождении лопасти на ребре).

Под действием воздушного потока, огибающего лопасть, многолопастная система приводится во вращательное движение в левую сторону, если смотреть на сечение

"А-А" фиг.2, б, С помощью шарнира 21 лоnacTb под давлением воздушного потока поднимается кверху, при этом сжимает возвратную пружину 20, установленную в клинообразной прорези лопасти.

На приподнятую лопасть, приведенную во вращательное движение, действует центробежная сила, направленная от турбины торообраэной формы на периферию, и центростремительная, удерживающая лопасть с помощью шарнира 21 на окружности. В результате векторного сложения этих сил получается результирующая действующая сила Рд фиг.2,э, возвращающая приподнятую лопасть в перпендикулярное по отношению к оси аппарата положение.

FA чб+ цс

С целью ускоренного раскручивания многолопастной системы и в случаях экстренного торможения многолопастной системы по принципу "сегнерово колесо" применяется дополнительный привод многолопастной системы с помощью сопл 15, 16, Поступление рабочего тела к соплам 15, 16 происходит через клапаны 17, 18, 19 авторегулятора, открытие и закрытие которых происходит в зависимости от центробежной

1821435

Р силы, т.е. угловой скорости многолопастной Многолопастная система и кили перенесены иэ наружной стороны корпуса аппараВ начальный момент, когда угловая ско- та в центральную полость. рость многолопастной системы меньше но- Многолопастная система (фиг,Ц имеет минального значения, клапан 19 5 форму ромашки, а в другом случае(фиг.3)— ускоренного раскручивания многолопаст- форму звездочки. ной системы и клапан 17 общий находятся в Кольцевая камера сгорания 6 (фиг.1) пеоткрытом положении. С поступлением рабо- ред работой в тормозном режиме раздвига чего тела в турбину 10 и оказанием действия ется на периферию, а камера 29 (фиг.З) — к на ее лопатки приводят турбину во враща- 10 оси аппарата. тельное движение, а вместе с тем из турби- Конструкция корпуса аппарата имеет ны через клапаны 17, 19 рабочее тело болееустойчивое равновесие, возможность проходит к соплу 16, создавая при этом до- применения нескольких камер сгораний 29, полнительную тягу по принципу "сегнерово 30. 31, а следовательно. и большую грузоколеса" для ускоренного раскручивания 15 подъемность, многолопастной системы. Под действием Изобретение отличается новым выполугловой скорости многолопастной систе- нениемкорпусалетательногоаппарата, вымы при номинальном ее значении и цент- полненного в виде усеченного конуса робежной силы поршни клапанов 17 и 19,, торообразной формы с установленным в сжимая возвратную пружину клапана, пе- 20 верхней его части рассекателем воздуха, рекрывают поступление рабочего тела к выполненным в аиде кольцевого сопла, соплам 15 и 16. направленного в сторону движения аппаВ случае превышения угловой скорости рата для уменьшения лобового сопротивлемноголопастной системы его номинального ния воздуха, значения под действием центробежной си- 25 Предлагаемый аппарат имеет следуюлы поршни клапанов 17 и 18 перемещаются щие преимущества по сравнению с прототивправо, открывая при этом проход рабочему пом: не имеет ускорителей одноразового телу к соплу 15, который за счет выпускае- применения; имеет большие возможности мого рабочего тела противодействует через- увеличения грузоподъемности аппарата; мерному раскручиванию многолопастной 30 значительно уменьшено лобовое сопротивсистемы и вместе с тем оказывает давление ление воздуха; за счет геометрической форна лопасть, возвращая ее в перпендикуляр- мы аппарата повышена прочность корпуса; ное по отношению к оси положению, По повышена маневренность аппарата; тормодостижении номинального значения угло- жение аппарата при посадке его на землю вой скорости поршни клапанов 17, 18 пере- 35 осуществляется без применения парашютмещаются влево, тем самым перекрывают ной системы; для посадки аппарата на эемпроход рабочему телу к соплу 15, за счет лю не требуется специальная чего прекращается процесс торможения. дорогостоящая посадочная полоса; увелиаким образом на складывающуюся на чение срока службы кольцевых камер сгора3/4 части лопасти действует несколькосил, 40 ний и частичного центрального тела возвращающих лопасть в перпендикуляр- достигается путем применения воздушноное по отношению к оси аппарата положе- космического охлаждения. ние. Результирующая сила состоит из Ф о р мул а из о 6 р ете н и я следующих величин: 1. Воздушно-космический летательный

45 аппарат многоразового применения, содергде Fgn — сила действия возвратной пружи- жащий корпус с установленными в нем раны; кетным двигателем с кольцевыми камерами

Еp — сила действия раструбов; сгорания и центральным телом, приводы и д — результирующая сила сложения кили, отличающийся тем, что, с целью центробежной и центростремительных сил, 50 повышения надежности и грузоподъемновращающейся приподнятой лопасти; стиаппарата, он снабжен дополнительными

F<-давление, оказываемое рабочим те- кольцевыми камерами сгорания, рулевыми лом, выпускаемым через сопла 15, 16, кольцевыми секционными соплами, кольцеНа фиг,3, изображено другое исполне- . выми соплами-рассекателями и многолопание аппарата, имеющее следующие осо- 55 стной системой с приводом, выполненным в бенности . по сравнению с виде турбины торообраэной формы, и устпредшествующим: ройством поворота лопастей, при этом корЦентральная сквозная полость аппара- пус аппарата выполнен в виде усеченного та имеет значительно большие размеры в конуса торообразной формы со сквозным центральным каналом по оси аппарата и

1821435

1У камерами воздушного охлаждения ракетного двигателя, сообщенными с центральным каналом. причем дополнительные кольцевые камеры сгорания расположены вокруг основных кольцевых камер сгорания двигателя под углом 15 + 5О относительно оси аппарата с возможностью их поворота нэ угол 30 и 1 от оси аппарата, кольцевые сопла — рэссекэтели установлены в верхней части корпуса по направлению от центра аппарата навстречу воздушному потоку, рулевые кольцевые сопла прикреплены к нижней части корпуса аппарата по периметру в плоскости, перпендикулярной к его оси. многолопвстная система установлена по периметру вокруг корпуса вппарэта выше центра его тяжести, э ее лопасти выполнены шарнирными с возможйостью:поворота на

3/4 их концевых частей на угол 30 «++ 55.

2, Ап.1.отличающийся тем, что многолопастнэя система снабжена дополнительным реактивным приводом и авторегулятором, причем реактивные при5 воды выполнены в виде двух сопл, расположеннык нэ концах лопастей под углом

96 + S между собой и на угол 45 и 5 к вертикали, э авторегулятор выполнен в виде заглушенного цилиндра с тремя клапанами, 10 подпружиненнйм поршнем и сквозными поперечными отверстиями.

3. Аппэратпоп.1.отличающийся тем, что кили установлены. под углом между

15 собой, перпендикулярно к оси аппарата и. расположены под турбинами торообразной формы, а также в верхней и нижней частях центрального канэлэ корпуса;

Составитель В. Горбатов

Редактор С. Кулакова Техред M,Moðãåíòàë Корректор И. Муска

Заказ 2089 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101