Авиационно-космическая система

 

Изобретение относится к аэрокосмической технике и может быть использовано для выведения на низкие и средние околоземные орбиты различных полезных нагрузок, а также для их оперативной доставки в отдаленные точки Земли или Мирового океана. Согласно изобретению система включает в себя самолет-носитель и ракету-носитель с жидкостными ракетными двигателями. Ракета размещена в транспортно-пусковом контейнере с теплоизоляцией. Контейнер установлен внутри фюзеляжа самолета-носителя, а между его глухим торцом и торцом ракеты образована пневмокамера. В камере расположены устройства заправки ракеты топливом и рабочими телами, элементы дренажа, подпитки двигателей топливом, электрические связи. Все упомянутые средства разъемно подсоединены к торцу ракеты. Контейнер также снабжен устройством пневматического десантирования в виде источника высокого давления, соединенного с пневмокамерой. Свободный торец контейнера герметично соединен по периметру с отверстием фюзеляжа самолета для выхода ракеты-носителя. Изобретение позволяет увеличить грузоподъемность, снизить стоимость выведения полезной нагрузки и обеспечить высокую безопасность (в том числе экологическую) системы и экипажа. 1 ил.

Изобретение относится к аэрокосмической технике и, в частности, может быть использовано для выведения на низкие и средневысокие околоземные орбиты различных полезных нагрузок, например, спутников связи, навигации, мониторинга, в том числе экологического, аппаратуры для научных исследований, а также для оперативной доставки полезных грузов в отдаленные точки Земли и Мирового океана.

По данным европейской фирмы "Евроконсалт" в период 2000 - 2015 годов потребуется вывести в космос около 1800 спутников по более чем 200 проектам, на околоземные орбиты с высотой до 3000 - 5000 км с различными наклонениями. Потенциал рынка стартовых услуг составит около 15-20 млрд. долл. США.

Учитывая актуальность создания средств выведения ракет легкого класса, разработки по ним ведутся в США, ФРГ, Великобритании, Украине, России, Японии, Китае.

В США создана и эксплуатируется авиационно-космическая система "Пегас" грузоподъемностью около 450 кг, на Украине ведутся работы по проекту "Орiль", в России - по проекту "Штиль-ЗА", "Бурлак-Диана".

Проекты "Орiль" и "Штиль-ЗА" используют в качестве ракет-носителей межконтинентальные баллистические ракеты на токсичном топливе АТ-НДМТ и не обеспечивают экологической безопасности эксплуатации.

Известны авиационно-космические системы запуска летательных аппаратов с "крыши" самолета-носителя, например ракеты-носителя или малоразмерного космического самолета (патент РФ N 2061630, МКИ⁶ B 64 G 1/14).

Недостатком таких систем является необходимость запуска ракетных двигателей для ухода с самолета-носителя, что является чрезвычайно опасным при авариях ракеты в процессе ее запуска.

Проект "Бурлак-Диана" (журнал "Aviation Week and Space Technol", 11.01.99, стр. 444, USA) и проект германской фирмы Даймлер-Бенц Аэроспейс П. Г. (патент РФ N 2120398, МКИ⁶ B 64 G 1/14) используют крылатую ракету-носитель, подвешиваемую снизу под фюзеляжем или крылом самолета-носителя.

Недостатками этих проектов являются ограничения по диаметру ракеты-носителя, определяемые располагаемыми размерами между нижней поверхностью самолета и взлетной полосой, а также необходимость создания на ракете-носителе аэродинамических поверхностей для осуществления маневра набора высоты после горизонтального отделения от самолета-носителя.

Известна авиационно-космическая система фирмы Rockwell International Corporation (патент США N 5402965, МКИ⁶ B 64 G, 1/14), состоящая из самолета-носителя и установленной под ним ракеты-носителя с возвращаемым космическим летательным аппаратом (полезная нагрузка), осуществляющая горизонтальный старт с аэродрома, доставку ракеты-носителя с полезной нагрузкой в точку ее отделения от самолета-носителя, выведение ракетой-носителем полезной нагрузки в заданную точку орбиты и отделение нагрузки с последующим ее возвращением на Землю.

Известно также техническое решение по патенту РФ N 2026798, МКИ⁶ B 64 D, 5/00 фирмы Orbital Sciences Corporation, US, представляющее ракету-носитель, сбрасываемую с самолета-носителя, содержащую ступени с двигательными установками, крыло и полезную нагрузку.

Недостатки вышеупомянутых технических решений по патенту США N 5402965 и патенту РФ N 2026798 повторяют недостатки системы "Бурлак-Диана", описанной выше, и, кроме того, усложняют систему управления из-за необходимости управлять как на участке аэродинамического полета с использованием крыла, так и на участке реактивного полета.

Все описанные выше авиационно-космические системы реализуют отделение ракеты-носителя от самолета-носителя либо за счет запуска реактивных двигателей на самолете-носителе, либо за счет использования вытяжных парашютов, либо за счет использования аэродинамических возможностей крыльев ракеты-носителя.

Известно техническое решение по патенту США N 5279199, МКИ F 41 F 3/06, B 64 D 1/04 фирмы Хьюс Эйркрафт Компани, представляющее способ и аппарат для запуска (выталкивания) ракеты против направления полета, содержащее пусковую трубу, в которой устанавливается ракета и выталкивающее устройство в виде пневматической подушки с устройством ее наддува.

Недостатками этого способа и аппарата выталкивания являются: - неконтролируемые усилия на элементы конструкции ракеты в местах их контактов с пневматической подушкой, приводящие к недопустимым нагрузкам на эти элементы и их возможному разрушению, что снижает надежность ракеты; - проблематичность использования для ракет-носителей со значительной массой, так как исключается возможность размещения установочных элементов (опор) ракеты-носителя в зоне размещения (укладки) пневматической подушки, что приводит к неоптимальному нагружению ракеты-носителя, к увеличению массы ее конструкции и, соответственно, к потере массы полезного груза; - малая эффективность устройства выталкивания с помощью пневматической подушки, так как развиваемое давление в подушке ограничено объемом подушки, размещаемой в габаритах пусковой трубы.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является авиационно-космическая система "Пегас" по патенту США N 4901949, МКИ⁶ B 64 G 1/14, содержащая самолет-носитель, ракету-носитель, с пороховыми двигателями, крыло и полезную нагрузку.

Недостатками данной системы являются упомянутые выше ограничения по диаметру ракеты-носителя, подвешиваемой под самолетом-носителем, наличие на ракете-носителе крыла для набора высоты после горизонтального отделения от самолета-носителя, усложненная система управления (для двух режимов: для полета на крыле и для реактивного полета), а также, как следствие, низкая грузоподъемность этой системы и высокая удельная стоимость выводимой полезной нагрузки.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение грузоподъемности авиационно-космической системы, снижение удельной стоимости выведения полезной нагрузки и обеспечение увеличенных габаритов зоны для размещения полезных нагрузок, при одновременном обеспечении безопасности самолета-носителя и его экипажа, а также экологической безопасности системы.

Поставленная задача достигается тем, что в авиационно-космической системе, содержащей самолет-носитель, ракету-носитель и полезную нагрузку, ракета-носитель с жидкостными ракетными двигательными установками размещена в транспортно-пусковом контейнере с устройством пневматического десантирования, бортовыми элементами устройств заправки ракеты-носителя топливом и рабочими телами, элементами устройств дренажа и подпитки жидкостных ракетных двигательных установок топливом, при этом транспортно-пусковой контейнер установлен внутри фюзеляжа самолета-носителя.

Ракета-носитель установлена в транспортно-пусковом контейнере с помощью установочных элементов, по крайней мере, в двух поясах, а между ее торцом и глухим торцом транспортно-пускового контейнера образована герметичная пневматическая камера, в которой размещены бортовые элементы упомянутых устройств заправки, элементы устройств дренажа и подпитки, которые подсоединены к ракете в ее торце с помощью разъемных соединений, причем устройство пневматического десантирования выполнено в виде источника высокого давления, соединенного с помощью запорной арматуры с пневматической камерой транспортно-пускового контейнера, который снабжен теплоизоляцией. Свободный торец транспортно-пускового контейнера совпадает с отверстием в фюзеляже СН и герметично соединен с периметром этого отверстия.

Предложенная авиационно-космическая система изображена нa чертеже, где: 1 - самолет-носитель (СН); 2 - ракета-носитель (РН); 3 - полезная нагрузка (ПН); 4 - жидкостные ракетные двигательные установки (ЖРДУ); 5 - фюзеляж самолета-носителя; 6 - транспортно-пусковой контейнер;
7 - устройство пневматического десантирования;
8 - бортовые элементы устройств заправки РН топливом и рабочими телами;
9 - элементы устройства дренажа;
10 - элементы устройства подпитки ЖРДУ топливом;
11 - электрические связи;
12 - установочные элементы;
13 - глухой торец транспортно-пускового контейнера;
14 - пневматическая камера;.

15 - разъемные соединения;
16 - источник высокого давления;
17 - запорная арматура;
18 - теплоизоляция;
19 - свободный торец транспортно-пускового контейнера;
20 - разрываемая мембрана.

Предложена авиационно-космическая система, содержащая самолет- носитель 1, ракету-носитель 2 с жидкостными двигательными установками 4 и полезной нагрузкой 3.

Ракета-носитель 2 размещена в транспортно-пусковом контейнере 6 с помощью установочных элементов 12, по крайней мере, в двух поясах РН 2, при этом транспортно-пусковой контейнер 6 установлен внутри фюзеляжа 5 самолета-носителя 1.

В транспортно-пусковом контейнере 6 размещено устройство пневматического десантирования 7, выполненное в виде источника высокого давления 16.

Между глухим торцом 13 транспортно-пускового контейнера и торцом ракеты- носителя образована герметичная пневматическая камера 14, в которой расположены бортовые элементы устройства заправки 8 РН 2 топливом и рабочими телами, элементы устройств дренажа 9 и подпитки ЖРДУ топливом 10, которые подсоединены к торцу ракеты-носителя 2 с помощью разъемных соединений 15. Источник высокого давления 16 соединен с помощью запорной арматуры 17 с пневматической камерой 14.

Транспортно-пусковой контейнер 6 снабжен теплоизоляцией 18. Свободный торец 19 транспортно-пускового контейнера 6 закрыт разрываемой мембраной 20 при выходе РН 2 из СН 1, причем свободный торец 19 герметично соединен с периметром отверстия в фюзеляже 5 СН 1.

Транспортно-пусковой контейнер 6 помимо функций десантирования РН 2 также служит для загрузки в него РН 2 на технической позиции, транспортировки и загрузки в СН 1, для защиты РН 2 от внешних механических и климатических воздействий. Теплоизоляция 18 контейнера служит для термостабилизации топливных баков ЖРДУ 4.

Устройство пневматического десантирования 7 служит для выталкивания РН 2 из транспортно-пускового контейнера 6, размещенного в фюзеляже СН 1, и содержит источник высокого давления 16 с запорной арматурой 17 и герметичную пневматическую камеру 14, образованную глухим торцом транспортно-пускового контейнера 13 и торцом РН 2 с установочными элементами 12. Бортовые элементы устройств заправки РН топливом и рабочими телами 8 могут быть выполнены в виде трубопроводов с запорной арматурой и разъемными элементами сопряжения и предназначены для заправки на базовом аэродроме ЖРДУ 4 топливом и систем РН 2 рабочими телами перед стартом СН 1.

Элементы устройства дренажа 9 установлены в пневматической камере 14 и служат для сброса паров компонентов топлива, например криогенных, из баков ЖРДУ 4 за борт самолета как в период предстартовой подготовки, так и в период полета самолета. Элементы устройства подпитки ЖРДУ топливом 10 служат для дозаправки баков ЖРДУ как во время предстартовой подготовки СН 1, так и во время полета до выхода РН из контейнера.

Размещение бортовых элементов устройств заправки РН топливом и рабочими телами, элементов устройства дренажа и элементов устройства подпитки ЖРДУ топливом, а также их связей с РН в пневматической камере необходимо для рассоединения их от РН ходом ракеты, что упрощает схему отсоединения и повышает надежность системы.

Герметизация свободного торца 19 транспортно-пускового контейнера по периметру отверстия в фюзеляже 5 СН позволяет при десантировании из него РН изолировать внутренний объем фюзеляжа, где находятся люди, сопровождающие РН, и тем самым не подвергать их возможной опасности воздействия на них внешней среды.

Предложенная авиационно-космическая система функционирует следующим образом.

Самолет-носитель 1, например, тяжелый транспортный самолет АН-124-100, с ракетой-носителем 2 на борту стартует с аэродрома базирования и осуществляет полет в расчетный район запуска РН, например в район экватора.

В районе запуска РН 2 самолет-носитель 1 выполняет маневр с выходом на участок траектории, где вертикальная перегрузка близка к нулю (участок невесомости). На этом участке при достижении расчетных параметров, соответствующих началу старта РН 2, например, на высоте 10-12 км, угле траектории к местному горизонту 15-25^o и скорости полета 650-750 км/час, подается команда на срабатывание устройства пневматического десантирования 7 и открытие запорной арматуры 17 источника высокого давления 16, из которого газ поступает в пневматическую камеру 14. При достижении избыточного давления газа в пневматической камере 14, например, около одной атмосферы, происходит отсоединение РН 2 с установочными элементами 12 от транспортно-пускового контейнера 6 и под давлением газа начинается выход РН 2 из свободного торца 19 транспортно-пускового контейнера 6, при этом вскрывается мембрана 20 ходом РН. Одновременно ходом РН 2 рассоединяются разъемные соединения 15, отстыковывая бортовые элементы устройств заправки РН топливом и рабочими телами 8, элементы устройства дренажа 9, элементы устройства подпитки ЖРДУ топливом 10, электрические связи 11.

В течение расчетного времени, например, за 1,5-2,5 сек, РН 2 осуществляет выход из фюзеляжа самолета-носителя 5, после чего выполняет безмоторный полет в течение времени, обеспечивающего достижение безопасного расстояния от СН 1, например, на удаление 150-200 м.

Затем включаются ЖРДУ 4 ракеты-носителя 2 и осуществляется полет ракеты-носителя с доставкой полезной нагрузки 3 на заданную орбиту.

Предложенное изобретение позволяет:
- увеличить габариты зоны для размещения полезных нагрузок за счет использования значительно больших объемов фюзеляжа, например, АН- 124-100 "Руслан", по сравнению с размерами между нижней поверхностью фюзеляжа и взлетной полосой всех известных систем, в том числе системы "Пегас";
- увеличить грузоподъемность и снизить удельную стоимость выведения полезной нагрузки. Например, при использовании в качестве самолета-носителя АН-124-100 "Руслан", стоимость выведения одного килограмма полезной нагрузки в 5-6 раз меньше подобной стоимости системы "Пегас". Это достигается за счет размещения РН в транспортно-пусковом контейнере с устройством пневматического десантирования, позволяющих реализовать десантирование РН в условиях, близких к невесомости;
- обеспечить высокую безопасность СН и его экипажа за счет включения ЖРДУ РН на значительном удалении от СН, возможном вследствие того, что РН уже сообщен начальный импульс скорости при десантировании, а также за счет изоляции экипажа от воздействия внешней среды при выходе РН из СН;
- обеспечить экологическую безопасность системы за счет возможности использования ЖРДУ на экологически чистых компонентах топлива, например "жидкий кислород-керосин" или "жидкий кислород-сжиженный природный газ".

Предложенное изобретение может быть реализовано с использованием существующих транспортных самолетов, например, АН-124-100 "Руслан" или АН-225 "Мрия". Использование существующих ЖРД, например, НК-33, НК-43, РД-0124, 11Д58М, а также освоенных технологий изготовления ракет-носителей позволяют создать в кратчайший срок и с минимальными затратами ракету-носитель для предложенной авиационно-космической системы.

Транспортно-пусковой контейнер с устройством пневматического десантирования предложенной конструкции выполняются по известным технологиям и с использованием, в том числе, готовых комплектующих.

Формула изобретения

Авиационно-космическая система, содержащая самолет-носитель, ракету-носитель и полезную нагрузку, отличающаяся тем, что ракета-носитель имеет жидкостные ракетные двигательные установки и размещена в транспортно-пусковом контейнере при помощи установочных элементов, расположенных, по крайней мере, в двух поясах, причем транспортно-пусковой контейнер имеет теплоизоляцию и установлен внутри фюзеляжа самолета-носителя, между глухим торцем транспортно-пускового контейнера и торцем ракеты-носителя образована герметичная пневматическая камера, в которой расположены бортовые элементы устройств заправки ракеты-носителя топливом и рабочими телами, элементы устройства дренажа, элементы устройства подпитки жидкостных ракетных двигательных установок топливом, причем все упомянутые устройства, электрические связи и бортовые элементы - подсоединены к торцу ракеты-носителя с помощью разъемных соединений, при этом транспортно-пусковой контейнер снабжен устройством пневматического десантирования ракеты-носителя, выполненного в виде источника высокого давления, соединенного посредством запорной арматуры с указанной пневматической камерой и расположенного в транспортно-пусковом контейнере, а свободный торец указанного контейнера герметично соединен с периметром отверстия в фюзеляже для выхода ракеты-носителя из самолета-носителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1