Способ выведения полезного груза на орбиту

 

Применение: космонавтика, для запуска ракет-носителей. Способ включает полет аппарата-носителя в район старта последующих ступеней транспортной системы, старт и автономный полет этих ступеней по траектории выведения, при этом выведение полезного груза осуществляют в период существования атмосферного струйного течения в районе старта последующих ступеней, при этом аппарат-носитель вводят в атмосферное струйное течение и старт последующих ступеней транспортной системы осуществляют в струйном течении при полете в направлении, в котором струйное течение увеличивает путевую скорость транспортной системы. Старт последующих ступеней транспортной системы с аппаратом-носителем осуществляют в циркумполярном струйном течении на географической широте 20-50 градусов на высоте 5000-20000 м. 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области космической техники, конкретно к способам выведения полезного груза на орбиту с помощью транспортных космических систем (ТКС), преимущественно с помощью авиационно-космических систем (АКС).

Известен способ выведения полезного груза на орбиту с помощью АКС, включающий полет самолета-носителя в район старта второй ступени, старт и автономный полет последующих ступеней по траектории выведения на орбиту [1, 2] Недостатком известного способа является ограничение выводимой массы располагаемыми бортовыми ресурсами АКС.

Задачей изобретения является устранение указанного недостатка.

Задача изобретения решается тем, что в способе выведения полезного груза на орбиту, включающем полет аппарата-носителя в район старта последующих ступеней транспортной системы, старт и автономный полет этих ступеней по траектории выведения, согласно изобретению выведение полезного груза осуществляют в период существования атмосферного струйного течения в районе старта последующих ступеней, при этом аппарат-носитель вводят в атмосферное струйное течение и старт последующих ступеней транспортной системы осуществляют в струйном течении при полете в направлении, в котором струйное течение увеличивает путевую скорость транспортной системы.

Старт последующих ступеней транспортной системы с аппаратом-носителем осуществляют в циркумполярном струйном течении на географической широте 20-50 градусов на высоте 5000-20000 м.

Перед стартом с аппарата-носителя последующих ступеней определяют параметры струйного течения и по полученным данным уточняют точку старта.

Аппарат-носитель в струйное течение вводят с частично заправленными одной или несколькими последующими ступенями, которые пополняют топливом от самолета-танкера при полете в струйном течении.

Известно, что в верхней тропосфере и нижней стратосфере на высотах, близких к тропопаузе, периодически возникают мощные струйные течения глобальных масштабов. Эти течения характеризуются следующими параметрами: скорость до 200 м/с, вертикальная протяженность поперечного сечения струи 4-10 км, а горизонтальная сотни километров, ось струи чаще всего располагается на высотах 9-14 км. Существуют как периодически возникающие, так и относительно стабильные струйные течения. Например, наиболее устойчивым и интенсивным является циркумполярное (субтропическое) струйное течение. Зимой оно возникает обычно в зоне между 25 и 35, а летом между 35 и 50 градусами широты и может существовать сутками, неделями, а в некоторых районах, претерпевая незначительные изменения, почти круглый год. Зоны наибольшей повторяемости и интенсивности субтропического струйного течения наблюдаются над западной частью Атлантического океана, районом от Египта до Индии, и в районе Японии над Тихим океаном. Здесь скорость ветра довольно часто достигает 90-120 м/с и более. Энергия струйных течений может быть использована для увеличения массы полезного груза, выводимого на орбиту ТКС.

При реализации предлагаемого изобретения запуск полезного груза планируется на период с большой вероятностью появления струйного течения в зоне досягаемой для самолета-носителя. При необходимости может быть выбран соответствующий аэродром базирования самолета-носителя, в частности можно использовать один из аэродромов, расположенных на Дальнем Востоке России. Старт второй ступени целесообразно производить в циркумполярном струйном течении, располагающемся на географической широте 20-50 градусов на высоте 5000-20000 м над уровнем моря, в частности над акваторией Тихого океана восточнее или северо-восточнее Японских островов. Перед запуском АКС уточняют наличие струйного течения и его параметры. Это делают по данным метеорологических наблюдений и, желательно, в результате разведки с помощью специального самолета или самолетов, совершающих рейсовые полеты в интересуемом районе. После анализа параметров струйного течения определяют точку старта второй ступени АКС. При этом учитывают положение ядра струйного потока, положение областей повышенной турбулентности, дальность полета самолета-носителя, расположение запасных аэродромов и ряд других факторов. После этого самолет-носитель взлетает, совершает полет в район старта, входит в околоосевую зону струйного течения, характеризующуюся максимальной скоростью потока, и при достижении требуемых координат при полете с заданными параметрами (высота, скорость, траекторный угол) осуществляют старт второй ступени, которая, совершая автономный полет, выводит полезный груз на заданную орбиту. Для выбора оптимального местоположения АКС в струйном потоке может быть использовано бортовое оборудование, в частности инфракрасная или лазерная аппаратура, определяющая параметры воздушного потока.

В качестве самолета-носителя может быть использован самолет АН-124 (грузоподъемность 150 т, дальность полета 4500 км), дооборудованный для транспортировки и старта второй ступени АКС. В этом случае старт второй ступени осуществляется на высоте 9000-10000 м при воздушной скорости 700-800 км/ч. Принимая скорость струйного течения равной 100 м/с, воздушную скорость носителя 200 м/с, имеем путевую скорость в момент старта второй ступени равную 300 м/с, т. е. на 50% большую, чем при старте вне струйного течения. Следует отметить, что полученный выигрыш скорости по величине приблизительно равен потерям характеристической скорости АКС на аэродинамическое сопротивление.

Расчеты показывают, что при старте в струйном течении, имеющем скорость 100 м/с, вторая ступень массой 140 т, снабженная двигательной установкой с удельным импульсом 350 с, при прочих равных условиях может выводить полезный груз с массой, увеличенной на 3% т.е. примерно на 110 кг. Исходя из среднемировой цены выведения полезного груза на орбиту 10000 долл./кг, получаем экономический эффект от использования изобретения 1,1 млн. долл. В случае наличия ограничений по грузоподъемности самолета-носителя способ позволяет при неизменной массе выводимого полезного груза уменьшить стартовую массу второй ступени. В частности, при указанных выше условиях стартовая масса уменьшается на 5,42 т.

При необходимости входа в струйный поток через области с высокой турбулентностью уменьшают полетную массу АКС путем уменьшения запаса топлива самолета-носителя и второй, а в случае наличия возможно и последующих ступеней. При этом после введения АКС в струйный поток вторую и при необходимости последующие ступени дозаправляют от самолета-танкера при полете в струйном потоке, а самолет-носитель после старта второй ступени в любой приемлемой точке при полете на аэродром посадки.

Как следует из вышеизложенного, реализация изобретения позволяет без внесения каких-либо существенных изменений в конструкцию АКС повысить на несколько процентов массу выводимого ею полезного груза и соответственно увеличить ее экономическую эффективность.

Формула изобретения

1. Способ выведения полезного груза на орбиту, включающий полет аппарата-носителя в район старта последующих ступеней транспортной системы, старт и автономный полет этих ступеней по траектории выведения, отличающийся тем, что выведение полезного груза осуществляют в период существования атмосферного струйного течения в районе старта последующих ступеней, при этом аппарат-носитель вводят в атмосферное струйное течение и старт последующих ступеней транспортной системы осуществляют в струйном течении при полете в направлении, в котором струйное течение увеличивает путевую скорость транспортной системы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что старт последующих ступеней транспортной системы с аппаратом-носителем осуществляют в циркумполярном струйном течении на географической широте 20 50^o на высоте 5000 20000 м.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что перед стартом с аппарата-носителя последующих ступеней определяют параметр струйного течения и по полученным данным уточняют точку старта.

4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что аппарат-носитель в струйное течение вводят с частично заправленными одной или несколькими последующими ступенями, которые пополняют топливом от самолета-танкера при полете в струйном течении.