Способ ускорения космического аппарата и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к космической технике, в частности к способам ускорения космических аппаратов (КА) с помощью потока рабочего тела, истекающего из его двигателей. Предлагаемый способ включает извлечение из КА с помощью зонда рабочего тела (РТ) и его размещение в виде длинной дорожки вдоль пути требуемого ускорения КА. КА, направляемый по этой дорожке, захватывает РТ с помощью (магнитного) диффузора, после чего РТ направляется в двигатель, где сжигается и истекает через сопло, создавая тягу. Зонд может быть выполнен в виде барабана, на который наматывается дорожка РТ, и снабжен системой управления с двигательной установкой для отвода зонда от КА. Изобретение позволяет снизить энергозатраты на разгон рабочего тела, потребного для ускорения КА. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к космической технике, в частности к способам ускорения космических аппаратов с помощью потока рабочего тела, истекающего из его двигателей.

Известен способ ускорения сверхзвукового летательного аппарата /см. книгу Р. И. Курзинер. Реактивные двигатели для больших сверхзвуковых скоростей полета. М.: Машиностроение, 1989, с. 264, включающий захват вещества внешней среды и его поступление в вдигатель, нагрев вещества и истечение из двигателя с образованием силы воздействия на летательный аппарат.

Такие двигатели используются в широком диапазоне режимов полета, в том числе гиперзвуковых летательных аппаратов, летающих на больших высотах и малом давлении воздуха окружающей среды.

Однако в космических условиях давление ничтожно и не позволяет захватить большие количества вещества и получить большую силу тяги, и такой двигатель не может использоваться для ускорения космических аппаратов /далее сокращенно - КА/.

Известен способ ускорения космического аппарата /см. книгу В.П.Бурдаков, Ю. И. Данилов. Внешние ресурсы и космонавтика М.: Атомиздат, 1976, с. 207/, включающий захват вещества космической среды с помощью магнитного диффузора и ускорение захваченного вещества в двигателе КА с созданием на него силы воздействия, силы тяги.

Такой способ достаточно прост, не требует расхода рабочего тела, запасаемого в КА.

Однако для космического пространства, в том числе и около Земли, характерна низкая концентрация плазмы, поэтому для захвата больших количеств плазмы необходим мощный и тяжелый диффузор с массой до нескольких тонн и радиусом захвата плазмы в десятки километров. А это уменьшает получаемое ускорение КА и делает перспективным этот способ только для полета КА с длительным временем работы двигателя и большим путем разгона КА при малом ускорении.

Известен способ ускорения космического аппарата /см. патент Великобритании N 2002307, кл. B 64 G 1/00, НКИ B7 W, 21.02.79, включающий раскручивание КА тросом относительно корабля-носителя, а затем выбрасывание КА с полученным ускорением.

Такой способ предельно прост, эффективен, не требует расхода рабочего тела, а длина самого троса для раскручивания КА может достигать десятков километров.

Однако такой способ обеспечивает ограниченный прирост скорости КА из-за ограничений по прочности троса. Кроме того, здесь раскручиваемый КА должен быть по массе значительно меньше корабля-носителя, а это ограничивает возможности способа. Также, этот способ не универсален, так как не позволяет замедлить КА в космическом пространстве, так как там негде взять другой спутник.

Известен способ ускорения космического аппарата, принятый за прототип /см. книгу В.Ф.Сафранович, Л.М.Эмдин. Маршевые двигатели космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1980, с. 17/, включающий размещение запаса рабочего тела, например, химически активных веществ, на борту КА, затем нагрев и сжигание в двигателе КА рабочего тела и его истечение с созданием силы воздействия и ускорения КА.

Такой способ прост, универсален и широко используется.

Однако здесь используются химические реакции, энергия которых относительно невелика, и существующие химические двигатели обеспечивают сравнительно низкие скорости истечения рабочего тела, что требует использования больших количеств рабочего тела. При этом значительная часть энергии и массы рабочего тела тратится на разгон самого рабочего тела, что снижает эффективность такого способа.

Предлагаемое изобретение решает задачу по созданию искусственной внешней среды для ускорения КА, что приводит к техническому результату в виде уменьшения затрат энергии на разгон самого рабочего тела двигателя КА при его ускорении.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе ускорения космического аппарата, включающем размещение запаса рабочего тела на аппарате, затем нагрев в двигателе и его истечение с созданием силы воздействия и ускорения аппарата, из космического аппарата с помощью зонда извлекают рабочее тело, отделяют его и размещают в виде длинной дорожки по направлению ускорения аппарата, с длиной, соответствующей длине пути ускорения аппарата, при этом дорожка из рабочего тела имеет скорость движения, равную скорости движения аппарата до начала ускорения, и по этой дорожке направляют ускоряющийся космический аппарат, захватывающий рабочее тело дорожки и нагревающий его в двигателе с последующим истечением.

Устройство для ускорения космического аппарата, содержащее двигатель и магнитный диффузор, в котором дополнительно имеется зонд, выполненный в виде барабана, на который намотана дорожка из рабочего тела, и снабженный системой управления и двигательной установкой для отвода зонда от ускоряемого космического аппарата.

Вывод рабочего тела с борта КА и его превращение в дорожку из рабочего тела соответствует превращению дорожки в самостоятельное небесное тело, выполняющей роль внешней среды по отношению к КА. Такая дорожка имеет скорость движения, равную скорости КА до начала ускорения и практически не изменяет своей скорости при ускорении КА. И при старте КА, за счет небольшого толчка, сам КА движется по независимой от него дорожке из рабочего тела, "по внешней среде", захватывая при этом рабочее тело и нагревая его за счет химических реакций в камере сгорания двигателя КА, а затем нагретое рабочее тело истекает из двигателя, создавая силу тяги и ускоряя КА. Это позволяет отказаться от затрат энергии на ускорение самого рабочего тела.

Устройство содержит двигатель и магнитный диффузор, размещенные на КА, и для осуществления способа дополнительно вводят зонд, выполненный в виде барабана с намотанной на нем дорожкой рабочего тела, и этот зонд снабжен системой управления и двигательной установкой, обеспечивающей отвод зонда от КА и постепенное разматывание дорожки из рабочего тела в ожидаемом направлении ускорения КА.

На чертеже показан космический аппарат 1 с двигателем 2 и магнитным диффузором 3, от которых отходит дорожка из рабочего тела 4, прикрепленная к барабану 5 зонда 6, управляемый двигательной установкой 7 и системой управления 8.

При работе зонд 6 отходит от аппарата 1 и разматывает с барабана 5 дорожку из рабочего тела 4, направляемый по предполагаемой траектории ускорения с помощью двигательной установки 7 и системой управления 8, а перед началом ускорения зонд 6 уходит от дорожки 4, не препятствуя движению аппарата 1. Затем аппарат 1 начинает ускорение, при этом рабочее тело из дорожки 4 попадает в двигатель 2, направляемое магнитным диффузором 3, и в камере сгорания двигателя 2 рабочее тело 4 в результате химических реакций нагревается и затем истекает с созданием силы тяги на двигатель 2 и ускоряемый аппарат 1. При этом на чертеже положение аппарата 1 около "Земли" соответствует режиму движения с положительным ускорением и повышением скорости аппарата 1. А положение аппарата 1 около "Луны" соответствует режиму движения с отрицательным ускорением и снижением скорости аппарата 1, его замедление, при этом сама дорожка 4 как бы сама набегает, в силу большей скорости, на замедляющийся космический аппарат 1 и двигатель 2 с магнитным диффузором 3.

Пример. Рассмотрим межпланетный полет КА, стартующего с орбиты Земли и замедляющегося у Луны или другой планеты.

Для разгона КА дорожка из рабочего тела расстилается по ожидаемой траектории ускорения в направлении от Земли к планете, и по ней движется КА, двигатель которого заглатывает рабочее тело, искусственную внешнюю среду, неподвижно висящую в пространстве. И это рабочее тело в двигателе КА в результате химических реакций нагревается и истекает через сопло двигателя, создавая силу тяги, при этом истечение горячего тела происходит в сторону, прямо противоположную дорожке. При этом скорость КА превышает скорость дорожки, которая остается постоянной и примерно равной скорости КА до начала ускорения. Здесь положительная величина ускорения КА, и его скорость растет.

При приближении к Луне или планетам необходимо погасить скорость КА. При этом топливо из КА вытаскивается зондом /другим, так как первый зонд для ускорения от Земли безвозвратно потерян/ и вытягивается в дорожку. Затем КА, после первоначального толчка, со скоростью 0,1-1 м/с, начинает взаимодействовать с дорожкой. При этом дорожка сохраняет более высокую скорость, примерно равную скорости КА до начала замедления, и дорожка как бы заползает в двигатель замедляющегося КА, дорожка "набегает" на двигатель в силу более высокой скорости. При этом горячий поток рабочего тела из двигателя движется по направлению к планете, относительно которой замедляется КА. Здесь отрицательная величина ускорения КА и его скорость падает.

Отметим, что здесь дорожка используется на достаточно высокой орбите или в межпланетном пространстве, причем концы дорожки находятся практически на одной высоте орбиты, в невесомости, как и сам КА, поэтому разность скоростей на концах дорожки ничтожна и можно пренебречь ее влияниям, в том числе и на прочность дорожки. Поэтому здесь получают и используют дорожку практически любой длины, в десятки- сотни километров и более.

В качестве топлива применяют всякие виды компонентов и агрегатном состоянии - газообразные, твердые, жидкие, гелеобразные. Наиболее просты в эксплуатации при длительном хранении на борту КА - жидкие и твердые топлива. Поэтому дорожка из рабочего тела выполнена в виде кишки, тонкой металлической оболочки, в которой помещено топливо. В качестве материала оболочки используют алюминий или другой металл, горящий при взаимодействии с окислителем.

Специальным требованием к топливу является быстрое сгорание. Это предъявляет повышенные требования к периоду задержки воспламенения. Поэтому применяют различные составы, имеющие малое время воспламенения. Это и горючие - амины, типа триэтиламин, имеющий для смеси с азотной кислотой время задержки самовоспламенения τ_s = 0,013^oC0,015 с, а смесь гидразина и анилина имеет τ_s = 0,003 с. Также это и гидразин, НММГ, дающие самовоспламеняющуюся пару топлива с азотным тетраксидом. Интересны и бороводородные соединения типа пентаборана B₅H₉, имеющие самовоспламенение при взаимодействии с кислородом, и малую τ_s для других окислителей. Это и другие возможные сочетания горючего и окислителя. Такая кишка с жидким топливом выполняется в разных конструктивных модификациях: это и единая оболочка с перегородкой между отделениями для горючего и окислителя, или внутри одной кишки укладывают 2 прямоугольные оболочки с горючим и окислителем.

Для твердого топлива эффективна порошковая смесь алюминия и перхлората аммония, с добавками порошка бора, или комбинация гидрида бериллия и перхлората аммония и другие комбинации. Отличие этого топлива от известных только в необходимости применения специальных добавок, резко увеличивающих скорость горения топлива, таких, как гранулы нитроглицерина или тетранитрата, являющихся взрывчатыми веществами и имеющих скорость детонации до 5^oC7 км/с, что обеспечивает их быстрое горение и интенсивный нагрев топлива. А в принципе возможны и иные взрывчатые вещества, включающие добавки, обеспечивающие высокие энергетические характеристики топлива.

Принимаем, что КА ускоряется до прироста скорости, равного Δv_k = 3,5 км/с, при среднем ускорении a = 100 м/с. И тогда, без учета гравитационных и прочих потерь, идеальное время разгона КА равно τ_p = 35 с, при длине пути разгона S ≃ 62 км. Принимаем, что начальная сила тяги двигателя КА R₀ = 10 т = 100 кН, при массе топлива дорожки порядка 1^oC2 т, в зависимости от эффективности процесса ускорения КА.

Форма оболочки-кишки выполнена в виде конуса, и диаметр такого конуса определяется скоростью движения КА и захватываемым расходом рабочего тела. Для обеспечения примерно постоянного секундного расхода ≈28,6 кг/с для R₀ со скоростью рабочего тела 3,5 км/с для начала ускорения. При этом на начальном участке диаметр оболочки кишки дорожки составляет 50^oC100 мм, и учитывая ускорение КА, диаметр оболочки быстро спадает, в пределах нескольких сот метров, до 20 мм, и далее плавно уменьшается до 3 мм у зонда. В связи со сложностью профилирования диаметра дорожки, да в сущности, в этом и нет нужды, конус дорожки состоит из 2-х конусов: конус быстрого спада диаметра оболочки от 50^oC100 мм до 10 мм на длине ≈1 км, а далее конус плавного спада до 3 мм.

Отметим, что при толщине алюминиевой оболочки 0,02^oC0,2 мм масса оболочки составляет до 4^oC15% от массы топлива, что вполне допустимо, причем алюминий используется в качестве добавки в горючее, поэтому здесь оболочка не является балластом, а полезной составляющей.

Подобная оболочка, кишка, протягивается от КА зондом. Скорость вытягивания дорожки различна, от 1 до 50 м/с, и определяется конкретной конструкцией барабана. Для массы топлива 1 т объем кишки составляет 0,6^oC0,8 м³, и длина вытягивания со скоростью 10 м/с время развертывания кишки составляет ≈6,2·10³ с ≈ 1,7 ч. Число оборотов вращения барабана равно 3 об/с = 180 об/мин для скорости 10 м/с, что вполне реально. Раскрутку барабана и поддержание его вращения производят различными устройствами, например, электрическим двигателем от источника питания - батареи, или с помощью газовой турбинки. Затраты топлива на перемещение зонда с такой малой скоростью достигают 3^oC5 кг, а с учетом гашения скорости в конце вытягивания - масса топлива до 10 кг, при силе тяги двигателя зонда до 100^oC200 Н - 10^oC20 кг. При этом масса двигателя и запаса рабочего тела не превышает 20 кг, а учитывая газовую турбинку и массу рабочего тела для нее в 5^oC20 кг, имеем массу этих систем до 40^oC50 кг.

Барабан, на который намотана кишка, выполнен из магниевого сплава или композиционных материалов, и его масса до 10^oC20 кг. И этот барабан разматывается, причем скорость разматывания кишки достаточно велика и превышает скорость движения зонда на 0,1^oC0,5 м/с, тем самым удается избежать натягивания оболочки и возможности разрыва оболочки, то есть кишка оболочки провисает. И лишь после организации дорожки, прямо непосредственно перед стартом, осуществляется выпрямление кишки до прямой линии. Для этого на КА установлен, например, лазерный источник излучения с мощностью 0,01^oC0,1 Вт, который посылает лазерный луч на зонд, и по этому лучу и выставляется кишка. Отметим, что для толщины оболочки 0,1 мм минимальное сечение алюминиевой оболочки до 1 мм², что при допустимой прочности на разрыв для алюминия 10 кг/мм² соответствует нагрузке до 100 Н = 10 кг. Поэтому для выпрямления кишки включают двигатель зонда на 0,4^oC0,9 с, один или несколько импульсов, при этом под действием инерции импульсов кишка распрямится. И общая масса зонда со всеми системами до 50^oC150 кг, без учета массы рабочего тела дорожки.

Старт КА осуществляют за счет поджигания торца дорожки, размещенного внутри камеры, на расстоянии 0,5^oC1 м от входного отверстия, и закрепляющегося с помощью демпфирующих устройств, например, резиновыми легко деформирующимися тросиками, позволяющими избежать натяжения дорожки и ее разрыва при развертывании дорожки зондом.

Подчеркнем, что перед началом ускорения КА зонд отходит от дорожки на 10^oC100 м, чтобы случайно не повредить ускоряющийся КА, и сам зонд теряется безвозвратно.

Сама конструкция камеры сгорания двигателя КА аналогична используемым в авиации гиперзвуковым прямоточным двигателям, ГПВРД, и выполнена из жаропрочных материалов. Диаметр камеры до 0,3^oC1 м при длине 1^oC3 м, и масса до 100 кг, вместе с соплом двигателя.

Двигатель прикреплен к КА, и используется многократно или однократно - согласно программе полета. При многократном ускорении на КА размещены несколько зондов с барабанами, которые по мере надобности автоматически подводятся к двигателю, и затем осуществляется цикл развертывания дорожки и ускорении КА. Сама конструкция двигателя предельно проста и аналогична ГПВРД.

Ответственным оригинальным элементом двигателя является магнитный диффузор, выполненный в виде ряда постоянных магнитов, длиной до 0,5^oC1 м, и максимальным диаметром до 10 м, расположенными на штангах, трубах, и уменьшающиеся у входа в камеру двигателя до диаметра 0,2^oC0,3 м, и общая масса магнитов и штанг /из магниевых сплавов/ до 50 кг. Суть его ввода в том, что любое электропроводное тело, попадая в поле магнитного диффузора, будет оттесняться в зону минимального поля, то есть к центру магнитной системы. Значит, металлическая электропроводная оболочка дорожки при попадании в магнитное поле диффузора отжимается к центру магнитной системы, к центру входа в камеру сгорания. Тем самым компенсируют неизбежный уход кишки дорожки от прямолинейного положения, а также компенсируют изгибы кишки до 1 м. Причем зона начала действия магнитного поля начинается в 10^oC50 м от входа, и поэтому магнитное поле обеспечивает надежность работы захвата и поступления кишки в камеру сгорания двигателя КА. В магнитном диффузоре используют постоянные магниты, как обеспечивающие долговечность и стабильность магнитного поля, например, магниты из сплавов типа Dy_2,5Nd₁₅Fe₇₅B_7,5.

Для повышения надежности работы двигателя вход в камеру сгорания имеет больший диаметр, чем диаметр оболочки, равный 200^oC300 мм. При этом, чтобы избежать истечения газов из двигателя в сторону дорожки, вход закрыт несколькими шторками, которые могут открываться в сторону камеры под действием давления оболочки дорожки, однако не могут открываться под действием газов в камере в сторону дорожки. Такие односторонние шторки позволяют входить оболочке в камеру на диаметре 200^oC300 мм, то есть и в том случае, когда даже под давлением магнитного поля диффузора кишка оболочки не смещается абсолютно точно в центр, а движется около него и попадает на односторонние шторки. Подобные конструкции достаточно просты и известны в технике.

Рассматривая динамику движения КА, отметим, что его движение аналогично движению самолета с ГПВРД во внешней среде, и в зависимости от реальных параметров двигателя КА и его ускорения, достижимо снижение расхода рабочего тела до 10^oC30%, и уменьшение затрат энергии на ускорение рабочего тела двигателя КА.

Предложенные способ и устройство найдут применение для создания двигательных установок, используемых для межорбитальных перелетов и межпланетных полетов.

Формула изобретения

1. Способ ускорения космического аппарата, включающий размещение запаса рабочего тела на аппарате, затем нагрев в двигателе и его истечение с созданием силы воздействия и ускорения аппарата, отличающийся тем, что из космического аппарата с помощью зонда извлекают рабочее тело, отделяют его и размещают в виде длинной дорожки по направлению ускорения аппарата с длиной, соответствующей длине пути ускорения аппарата, так, чтобы дорожка из рабочего тела имела скорость движения, равную скорости движения аппарата до начала ускорения, и по этой дорожке направляют ускоряющийся космический аппарат, захватывая им рабочее тело дорожки и нагревая его в двигателе с последующим истечением.

2. Устройство для ускорения космического аппарата, содержащее двигатель и магнитный диффузор, отличающееся тем, что оно дополнительно имеет зонд, выполненный в виде барабана, на который намотана дорожка из рабочего тела, и снабженный системой управления и двигательной установкой для отвода зонда от ускоряемого космического аппарата.

РИСУНКИ

Рисунок 1