Космический корабль

 

Использование: в космической технике. Сущность изобретения: космический корабль состоит из корпуса, выполненного из материала - накопителя электроэнергии, и дополненный наборами контуров - одним вертикальным и двумя горизонтальными, при движении жидкости по которым возникает сила, дающая ускорение космическому кораблю. В движение жидкость приводится насосом высокого давления (по одному на каждый набор контуров) с приводом от турбовинтового двигателя и электромотора. 6 ил.

Изобретение относится к ракетостроению, а в частности, к космическим кораблям. Аналогом является космический корабль многоразового пользования "Буран", запущенный в Советском Союзе [1].

Прототипом является реактивный самолет, стоящий на вооружении Российских вооруженных сил, МИГ-31 [2]. Самолет (корабль) состоит из корпуса с крыльями двигателей, реактивных сопел, пульта управления. Недостаток: скорость самолета ограничена и он не может выйти на околоземную орбиту. Формула Циолковского для движения космического корабля в безвоздушном пространстве (См. формулу: V_max = V₀ + V_r·ln(1 + m^o_газ /m_кор) показывает, что предельная скорость летательного аппарата в безвоздушном пространстве ограничена и зависит от начальной скорости, от относительной скорости вылета продуктов горения, при этом возникает реактивная тяга, зависящая от соотношения.

Из этой формулы видно, что предельная скорость ракеты зависит от соотношения запаса топлива к массе корпуса и относительной скорости вылета газов.

Целью предлагаемого изобретения является повышение скорости. Поставленная цель достигается тем, что с целью повышения скорости, космический корабль является самолетом МИГ-31, корпус которого является накопителем электрической энергии для электродвигателей, внутри которого расположены наборы контуров (всего три набора контуров), два горизонтальных набора и один вертикальный набор контуров, при этом ускоряющие контуры дополнены уравновешивающими контурами, соединенными между собой.

Кроме того, самолет МИГ-31 дополнен тремя турбовинтовыми двигателями (по одному на каждый набор контуров), каждый из которых дополнен электродвигателем на общих валах, которые служат для привода водометных насосов, встроенных в уравновешивающие контуры. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый космический корабль отличается тем, что корабль является самолетом МИГ-31, корпус которого является накопителем электрической энергии с регулирующим блоком, выдающим электрический ток нужной силы тока, напряжения для электродвигателей. Также внутри корпуса расположены наборы контуров, два горизонтальных и один вертикальный набор, каждый набор состоит из двух уравновешивающих контуров и двух контуров, дающих ускорение (все они имеют ребра жесткости), соединенных в общий водовод, а также наполненные наборы контуров тремя турбовинтовыми двигателями, каждый из которых дополнен электродвигателем, и получающих электрическую энергию от корпуса накопителя электроэнергии, вращающих общие валы, через которые приводятся водометные насосы, встроенные в уравновешивающие контуры, при этом газы от турбовинтовых двигателей выводятся через дополнительное сопла. Таким образом, предлагаемый космический корабль соответствует критерию "новизна". Сравнение предложенного решения с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники, не позволило выявить в них признаки, отличающие предлагаемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

На фиг. 1-2 изображен общий вид (разрез корабля, показывающий наборы контуров); на фиг. 3 - набор контуров, два ускоряющих контура соединены с двумя уравновешивающими контурами; на фиг. 4 - схема привода водометного насоса, встроенного в уравновешивающий контур; на фиг. 5 дана методика расчета сил, действующих на контур, дающих ускорение; на фиг. 6 изображено действие сил от набора контуров, дающих ускорение при выходе в космическое пространство и возвращение на Землю.

Корабль состоит из корпуса, который выполнен из материала с солнечными элементами, накопителя электрической энергии 1, двух реактивных стандартных двигателей 2, дополнительного сопла 3, от отводящего отработанные газы от турбовинтовых двигателей горизонтальных наборов контуров 4 и 4а, вертикальных ускоряющих контуров 5, каждый набор контуров состоит из двух ускоряющих контуров, выполненных из двух труб одинакового диаметра, согнутых по форме окружности, имеющих одинаковый радиус и параллельных друг другу, соединенных уравновешивающими контурами 6, трубы которого выгнуты по форме окружности для уравновешивания возникающих сил при движении жидкости по контуру, в контуры 6 встроены водометные насосы 7, разгоняющие жидкость 8 по замкнутому водоводу, образующими которого являются контуры двух горизонтальных контуров 4: 4а и вертикального набора контуров 5:6:, водометный насос 7 соединен с валом 9, который соприкасается с уплотнением 10 встроенного в корпус уравновешивающего контура 6. Вал 9 приводится электромотором 11 и турбовинтовым двигателем 12. Электродвигатель 11 получает электрическую энергию от регулирующего блока 13, который собирает электрическую энергию накопителя 1 и выдает электрический ток нужных параметров, т.е. силы тока, напряжения. Пульт управления 14, находящийся в кабине (космонавта, пилота), воздействующего на обороты электродвигателей 11 и турбовинтовых двигателей 12, а также их пуск и остановку. Пластины 15, 16 являются ребрами жесткости для контуров 4, 4а, 5, 6.

Устройство и развитие больших скоростей космическим кораблем. Методика расчета.

Фиг. 1,2 - это общий вид. Разрез показывает расположение двух наборов контуров, а также дополнительное сопло 3, отводящее отработанные газы от турбореактивных двигателей 12.

Фиг. 3 показывает общий вид набора контуров и сил, действующих при движении жидкости, которую разгоняет насос 7, при этом видно, что в уравновешивающих контурах 6 силы равномерно распределены и направлены из центра контура при h=0, а жидкость, текущая из контуров, попадает в контуры 5, дающие ускорение по оси. При этом возникают силы, равномерно распределенные F^уск = F действующие на наружную стенку ускоряющего контура. Фиг. 4 - показана схема привода насоса 7 (встроенного в водовод 8), который разгоняет жидкость по набору контуров, насос 7 приводится в движение через вал 9, который имеет с корпусом 6 общее уплотнение 10, вал 9 приводится во вращательное движение электродвигателем 11 и турбовинтовым двигателем 12. При этом электродвигатель 11 получает электрический ток с регулирующего блока 13, который собирает электрический ток с корпуса 1 накопителя и выдает нужную силу тока и напряжения.

Обороты вала 9 управляются с пульта управления 14, находящегося в кабине, путем воздействия на электродвигатель 11 (изменение тока, напряжения) и турбореактивный двигатель 12 (регулируя подачу топлива). Чтобы не было деформации водовода, т.е. контуров 4, 4а, 5, 6, приварены пластины жесткости 15 и 16. .

Фиг. 5 - показана методика расчета сил, действующих на наружную стенку ускоряющего контура 5, при движении жидкости (вода, топливо, ртуть) со скоростью V. Раскладка сил одинакова в ускоряющих контурах 4, 4а ввиду того, что два ускоряющих контура 5 при сложении образуют тор. Вычислим объем тора по формуле: K = 2·π²·R·r²= 19,74·R·r² (1) где R - радиус тора, r - радиус трубы. Разделим объем тора на тридцать шесть частей и найдем массу одного объема, нужного для расчета: K = K₁ = ... = K₉ K = 19,74/36·R·r² = 0,55·R·r² (2) Найдем массу объема жидкости m = m₁ = ... = m₉ m = K·ρ = 0,55·R·r²·ρ (3) где ρ - плотность кг/м³. Найдем центростремительное ускорение по формуле:
a = V²/R (4)
где
V - скорость движения жидкости по набору контуров;
R - радиус тора (м), образуемого двумя ускоряющими контурами 5 и где он примерно равен радиусу центров тяжести R ≈ R_ц.т.. Найдем радиальную силу, действующую при движении жидкости по контуру на стенку каждым из объемов: K = K₁ = ... = K₉ массой m = m₁ = ... = m₉ по формуле:
F = m·a (5)
Подставим в формулу 5 значения формул 3 и 4, получим:
F = 0,55·R·r²·ρ·v²/R = 0,55·r²·ρ·v² (6)
а силы: F = F^уск. = F₁ = F₂ = ... = F₉;

Разложим эти силы на оси y и z. Для этого рассмотрим силы F₅ и . На фиг. 5 видно, что F_5z и направлены в разные стороны, равны, симметричны относительно оси y, поэтому сумма этих векторов равна 0. Силы F_5y и имеют одно направление, равны, поэтому сложение дает положительный результат. Найдем результирующую силу одной половины, т.е. 1/4 силу наборов контуров, где: S₁; S₂; . . . S₉ - центры тяжести объемов K = K₁ = ... = K₉, имеющих шаг в секторе в 10^o. При этом центры тяжести будут 5^o; 15^o; ... 85^o;
.

где: F = F₁ = F₂ = ... = m·a.

отсюда
для набора контуров, имеющих два ускоряющих контура 5.

F^р_y^ез = 4·5,68·m·a = 22,72·m·a (7)
Из формулы 6 видно: m·a = 0,55·r²·ρ·v²
Найдем окончательную формулу результирующей силы, дающей ускорение контуру:
Фиг. 6 - совместная работа контуров 4, 4а с контуром 5. При взлете и выходе в космос будут работать контуры 4 и 5. Возникает сила

При работе контуров 4а, 5 будет торможение с силой - F^рез. возвращение на Землю, реактивные двигатели 2 выключены.

Сила притяжения, действующая на корабль
P = m_k·a,
где m_k - масса корабля, a - ускорение свободного падения 9,8 м/с². При взлете корабля возможны три случая:
Рассмотрим последний случай для наглядности возьмем F^рез. = 2P, из этого уравнения видно, что, отключив стандартные реактивные двигатели 2, на включенных ускоряющих контурах, мы добьемся ускорения 9,8 м/с². При этом масса станет как-бы отрицательна.

Исследуем движение корабля при включенных реактивных двигателях, взяв формулу Циолковского:
V_max = V₀ + V_r·(1 + m^o_газ /m_кор.)
из нее видно, что соотношение m^o_газ /m_кор. стремится к бесконечности при m_кор _→ 0 . Практически скорость значительно возрастает. При выходе в космическое пространство, где интенсивность света большая, корабль может развить скорость на электродвигателях 11, при этом турбовинтовые двигатели 12 выключены. Для наглядности сделаем расчет для наборов контуров.

F^р_y^ез = F^р_x^ез .

Для топлива.

Данные: V = 50 м/с; r = 0,12 м; ρ_т = 800 кг/м³ .

Для ртути.

Данные: V = 30 м/с; r = 0,07 м; ρ_рт = 13600 кг/м³. .

Взлетная масса заправленного топливом МИГ-31: m = 41000 кг.

с ПТБ m = 46200 кг.

Формула изобретения

Космический корабль, содержащий корпус с крыльями, двигатели, реактивные сопла, пульт управления, отличающийся тем, что корпус выполнен из материала с солнечными элементами и накопителем электроэнергии, а корабль снабжен горизонтальными и вертикальными наборами контуров, каждые из которых состоят из двух уравновешивающих и двух дающих ускорение контуров, все они соединены с одним общим водоводом-трубопроводом, при этом в полости уравновешивающих контуров встроены водометные насосы, соединенные с валами электродвигателей, последние соединены с валами двигателей и связаны через регулирующий блок с накопителем электроэнергии.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6