Стратосферная платформа для запуска объектов в космос

Изобретение относится к средствам воздушного запуска в космос ракет, спутников, орбитальных самолетов и других объектов. Стратосферная платформа содержит корпус в виде нескольких соединённых в кольцевую структуру шаров с оболочками из ультратонкой плёнки, заполняемыми гелием. К корпусу на множестве равномерно распределённых строп подвешена титановая кольцевая труба. С трубой соединены стропы с замками для удержания запускаемого объекта, например ракеты-носителя. Платформа снабжена системой очистки гелия в виде труб отбора газа из шаров и труб накачки шаров гелием. Трубы подключены к станции очистки на поверхности планеты и поддерживаются на весу более мелкими шарами, также подключенными к системе очистки гелия. Платформа связана электропроводными тросами с поверхностью планеты. Путём регулирования подъёмной силы шаров производятся многократные подъем в стратосферу и спуск платформы на поверхность планеты. С помощью платформы могут проводиться круглосуточное наблюдение за атмосферой и другие геофизические и технологические исследования. Техническим результатом изобретения является создание универсального воздушного средства для экономичного многоразового запуска космических объектов большой стартовой массы. 30 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к средствам воздушного запуска ракет, спутников, орбитальных самолетов и других объектов - из стратосферы в космос.

Известна стратосферная платформа для запуска объектов в космос, содержащая аэростатическую оболочку, наполненную лёгким газом, и средства подвески к ней запускаемого объекта, выполненные в виде тросовой системы; платформа позволяет выполнять многоразовый подъем запускаемого объекта до стратосферы с последующим спуском платформы на поверхность планеты – см. АНАТОЛИЙ ШИБАНОВ. Заботы космического архитектора. М., “Детская литература”, 1982, с.17-20 [1].

Для увеличения высоты подъёма и сохранения подъёмной силы платформы в течение длительного времени известны технические решения, осуществляющие постоянное очищение вещества, создающего подъемную силу (напр., гелия), для чего корпус аэростатической оболочки соединяют с магистралями, достигающими поверхности планеты, и производят по ним откачку из этого корпуса подъемного газа, загрязнённого диффундировавшими в него более тяжёлыми газами, и подачу очищенного подъемного газа (гелия), компенсируя также утечки подъемного газа из оболочки - см. патенты US 1549061 A [2], US 8083174 B2 [3] и др.

Однако из известных решений ясно не просматривается тот комплекс мер и средств, который позволил бы создать многоразовую надёжную стратосферную платформу для запуска различных космических объектов большой стартовой массы (~ 100 т и выше) с высот ~ 30 км и более.

Задачей изобретения является создание такого рода стратосферной платформы – на базе достигнутых успехов в области аэронавтики и материаловедения.

Данная задача решается созданием стратосферной платформы для запуска объектов в космос, содержащей корпус в виде нескольких соединённых в кольцевую структуру шаров с оболочками из ультратонкой плёнки, заполняемыми гелием, титановую кольцевую трубу, подвешенную к корпусу на стропах, равномерно распределённых по окружности трубы, соединённые с трубой стропы с замками для удержания запускаемого объекта, например, ракеты-носителя, систему очистки гелия, включающую в себя трубы отбора газа из нижней части шаров корпуса платформы и трубы накачки гелием в их средней части, причём эти трубы подключены к станции очистки на поверхности планеты и снабжены поддерживающими их на весу более мелкими шарами, также подключенными к системе очистки гелия, при этом платформа снабжена электропроводными тросами крепления к поверхности планеты и средствами для многоразового подъема от этой поверхности до стратосферы и последующего спуска на поверхность путём регулирования подъёмной силы указанных шаров.

При этом представляется полезным кратко обрисовать состояние дел в аэронавтике, произведя некоторые оценки и расчёты, касающиеся предлагаемой стратосферной платформы.

Например, высота в 39 км достижима для воздушных шаров и весьма просто: Феликс Баумгартнер (Felix Baumgartner) - австрийский парашютист, совершил успешный прыжок из стратосферы с высоты 39 км, это произошло 14 октября 2012 года - Фигура 2.

Весь мир наблюдал за миссией Red Bull Stratos в прямом эфире по веб-трансляции. Как Феликс Баумгартнер совершил затяжной прыжок из стратосферы, преодолел скорость звука и благополучно приземлился вблизи Розуэлла, Нью-Мексико, после 4 минут 19 секунд свободного падения, достигнув максимальной скорости в 1342 км/ч.

Кстати у меня лично при просмотре видео еще до того как Феликс Баумгартнер прыгнул сразу возник вопрос: как это у них не хватило ума приделать к его костюму стабилизаторы или хотя бы один стабилизатор? Которые, например, используют скайдайверы или как у крылатой ракеты - ведь его же раскрутит в полете без стабилизаторов! Что затем и наблюдалось и ему с трудом удалось выйти из штопора, а если бы был стабилизатор, то он бы 100% сам выровнял траекторию. И очень важная деталь: даже на этой высоте его капсула не раскручивалась - а эта деталь как раз позволяет быть уверенным в четком позиционировании ракеты при старте с подобной высоты и более. На высоте же в 50 км разреженность воздуха еще больше и, следовательно, ориентация и стабилизация ракеты на платформе запуска будет приближаться к идеальной.

Но есть и лучше: В 2002 году японский стратостат BU60-1 объемом 60000 м3, диаметром - 50 м и массой - 35 кг установил рекорд, поднявшись на высоту 53 км, т.е. стратостат практически вышел за пределы земной атмосферы. Площадь оболочки достигла шести тысяч квадратных метров, однако из-за ее небывало малой толщины (3,4 мкм) собственная масса оказалась всего 34,37 кг. Именно такое соотношение массы к подъемной силе и позволило установить мировой рекорд. Кроме того, японцы работают над созданием нового воздушного шара для достижения высоты в 60 км. Но в это слабо вериться, так как там для создания подъемной силы необходимы просто колоссальные размеры шара.

Таким образом, можно создать летающую платформу для запуска ракеты-носителя БЕЗ ПЕРВОЙ СТУПЕНИ ракетных двигателей с оборудованием с высоты в районе 50 км. Это позволит, во-первых, избавиться от веса первой ступени ракеты - это, к примеру, 705 тонн (у ракеты-носителя "Протон")! Кроме того можно исключить стоимость первой ступени ракеты 447 млн. - разгонный блок «Бриз-М» на примере ракеты «Протон-М». Во-вторых, можно уменьшить цену головного обтекателя, так как пуск ракеты производится из слоев, где разряженная атмосфера и корпус ракеты не будет разогреваться при старте и доводе до орбиты (стоимость 170 млн. рублей - головной обтекатель - можно уменьшить). В-третьих, при этом можно увеличить массу доставляемых грузов на орбиту в несколько раз, так как и массу второй и третьей ступени ракеты тоже можно увеличить без использования первой ступени ракеты.

Также такая летающая платформа - это аналог космодрома Байконур - такую платформу можно размещать в любой точке земного шара, не обязательно в районе экватора, так как достигается нужная высота подъема до разряженной атмосферы в любой точке земного шара. И еще большой плюс такой платформы - ее можно транспортировать в любую точку земного шара, в том числе и к ракете-носителю, где та построена для запуска, чтобы уменьшить стоимость транспортировки самой ракеты. Такая платформа также исключает любые поломки первой ступени ракеты и связанные аварии с ее отсоединением, так как таковая вообще не будет использоваться. Еще любые космонавты, как и транспортируемое оборудование не будут испытывать перегрузок как при подъеме ракеты с первой ступенью - происходит плавное поднятие на нужную высоту в течение нескольких часов. И даже при старте ракеты со второй и третей ступенью гравитация намного ниже на высоте от 50 км, поэтому и тогда перегрузки практически ощущаться не будут сильно. Эта платформа МНОГОРАЗОВАЯ, что позволяет уменьшить расход денежных средств на каждый последующий старт любой ракеты. Использование такой платформы просто загонит в тупик всех конкурентов, запускающих ракеты, так как стоимость запуска, безопасность старта и ряд других параметров превосходят их по всем параметрам.

Начальные расчеты:

Для начала произведу расчет для платформы поднимающий общий вес 100 тонн полезного груза, конкретно чертежи стартовой стратосферной площадки для ракет общим весом до 100 тонн. Вес - сила воздействия тела на опору (или подвес или другой вид крепления), препятствующую падению, возникающая в поле сил тяжести. На вес тела в жидкой или газообразной среде влияет также сила Архимеда, таким образом, вес тела, погруженного в среду, уменьшается на вес вытесненного объема среды; в случае, если плотность тела меньше плотности среды, вес становится отрицательным (то есть на тело действует выталкивающая сила). Надо учитывать, что при подъеме платформа создает отрицательный вес, который с высотой уменьшается.

Подъемная сила гелия = вес вытесненного воздуха - вес гелия - вес оболочки шара и конструкции

Нам нужна подъемная сила в 100 тонн, но так как рассматриваю процесс в динамике, то для поднятия такого веса ОБЯЗАТЕЛЬНО надо рассчитать с запасом, поэтому добавляю еще + 50 тонн.

Плотность газообразных веществ (при 0°С и 760 мм рт.ст), справочная таблица - фигура 3.

Итак, чтобы поднять 150 тонн груза = подъемная сила гелия должна быть = вес вытесненного воздуха - вес гелия - вес оболочки шара и конструкций = 150 тонн

Предположим, вес нашей оболочки и конструкций к ней будет очень большим, скажем 10 тонн, тогда:

вес вытесненного воздуха - вес гелия - 10 тонн = 150 тонн

Тогда, решая это уравнение, получим примерно:

1.29 кг/м³ * 144014 м³ - 0.179 кг/м³ * 144014 м³ - 10000 кг = 150000 кг = 150 тонн

То есть для подъема у поверхности земли 150 тонн нужно иметь общий объем гелия в шаре равный 144014 м³. Но это только у поверхности. По данным исследований давление и плотность воздуха очень сильно уменьшаются с высотой, значения приведены на фигурах 4 и 5.

Поэтому проведу второй расчет нужного объема гелия для высоты в 50 км и выше на основе результатов полета стратостата BU60-1. Округленно результат получается примерно такой:

0,0023295 кг/м³ * 60000 м³ - 0.001 кг/м³ * 60000 м³ - 39.77 кг = 40 кг

То есть для поднятия 39 кг надо объем гелия в 60000 м³, а для поднятия веса в 150000 кг понадобится:

39 кг - 60000 м³

150000 кг - Х м³

X = 60000 * 150000 / 39 = 230769231 м³

Это соответствует шару диаметром 761 м. (D = (6V/пи)^1/3, где V - объем шара, ^1/3 - извлечение кубического корня), то есть близком к километру.

Но и это еще не все. Надо учесть правильный вес оболочки. Рассчитываю:

Если оболочка BU60-1 с объемом 60000 м³ имела вес 34,37 кг то, исходя из площади шара, можно определить вес 1 м² оболочки шара получится:

Площадь поверхности S и объем V шара радиуса r определяются формулами:

- S = 4πr²

- S = πd²

-

Диаметр шара при объеме 60000 м³ был равен 48,58 м.

Площадь поверхности при этом составила: 7410,451496 м².

Следовательно, вес 1 м² оболочки равен:

34,37 кг / 7410,451496 м² = 0,00463804398673308582438362133502 кг/м² = 4,63804398673308582438362133502 гр/м²

Тогда вес оболочки с шаром диаметром 761 м будет равен:

Площадь шара м² * вес 1 м² расчетной оболочки:

1818439,94 м² * 0,00463804398 … кг = 8434,0044289522733825070029174365 кг

То есть приблизительно 8,4 тонн, а закладывал дополнительную массу 50 тонн. Тогда остается еще 41,6 для дополнительно оборудования и дополнительных переборок конструкции.

Платформа же состоит из нескольких шаров, поэтому объем разделяется между ними всеми с учетом веса их оболочек, к тому же заложил упреждающий вес для этого.

Вот только для создания самой оболочки придется использовать технологию ультратонкой полиэтиленовой оболочки, которую делали с использованием металлоценовых катализаторов (metallocene) - нового химического состава. Такая пленка использовалась на японском стратостате BU60-1 но пленку надо сделать более толстой для возможности многоразового использования. Особенность пленки стратостата BU60-1 - ее высокая прочность и эластичность: м. толщины, 400 кг/см² и 500% эластичности при комнатной температуре; предел прочности на разрыв 650 кг/см² и 200% эластичности при 80 градусах С (официальный сайт: http://www.isas.jaxa.jp/e/special/2003/yamagami/03.shtml).

Расчеты большей части ученых ошибочны по очень важной детали: они не учитывают что процессы, которые они рассчитали, идут постоянно и меняются с течением времени, то есть обязательно надо рассчитывать динамику действий проекта, что на данный момент я лично не видел в расчетах нигде.

Это сказано к тому, что данная платформа, поднимаясь в стратосферу, постоянно подвергается воздействию внешней среды. И молекулы различных газов, содержащиеся в атмосфере ПОСТОЯННО проникают (диффундируют) внутрь шаров-блоков данной платформы. При этом одновременно молекулы гелия и газов из шаров-блоков платформы также вылетают (диффундируют), что приводит к значительному снижению подъемной силы, изображено на фигуре 6.

Следовательно, чтобы этого избежать к шарам и всей платформе подводятся трубы из легкого материала, аналогичного из которого сделана оболочка шара, только намного толще. Таким образом осуществляется постоянный обмен газами: постоянный отбор газа из нижней части шара и накачка гелием в средней части платформы (в средней - чтобы избежать механических дефектов, если делать выше центра), отображено на фигуре 7.

Но откачиваться вместе с кислородом, азотом и другими ненужными газами из шара будет и гелий, поэтому на земле, где будут соединяться эти трубы с компрессором необходимо поставить и станцию очистки гелия от примесей газов. Это позволит многократно бесконечно поддерживать гелий в как можно более чистом виде во всей системе стратосферной платформы. Трубы будут не просто висеть, иначе они оборвутся при определенной высоте - их поддерживают на весу другие более мелкие шары, которые также подключены к общей системе очистки гелия, пример станции очистки на фигурах 8 и 9.

Платформа закреплена к земле титановыми позолоченными тросами (позолоченными - так как по ним будет подаваться электричество для питания частей платформы, таких как вебкамеры, датчики давления, компрессоры, автоматические замки и другие), покрытыми изоляцией. Чтобы платформа имела строгую ориентацию, не вращалась и имела точное позиционирование, она закреплена не одним стыковочным узлом с землей, а восемью. Можно конечно минимум сделать - три, или больше - около 32-х стыковочных узлов, но в первом случае качества платформы хуже, а во втором подорожание ее стоимости раза в два.

Учитывая вышесказанное, стратосферная платформа будет выглядеть так, как изображено на фигуре 10. Тогда создаваемый отрицательный вес будет равномерно распределяться по всему тору.

Длина титанового троса приблизительно равна: + поправка на провисание для прочности и стабильности ≈ 78 км + поправка ≈ 80 км (учитывая натяжение для минимизации раскачивания платформы).

Примерно так платформа будет выглядеть со стратосферы в рабочем состоянии - фигура 11.

Это хорошо, но радиус самой платформы, которая поднимает ракету-носитель с грузом, должен быть равен не менее 1 км - чтобы излучаемая температура и горячие газы ракеты при старте не разрушали шары и блоки платформы, которые поднимают собственно ракету. Это для того, чтобы платформу можно было использовать постоянно и многократно. Для удержания ракеты-носителя требуется прочный каркас, который изготовлен из титановой трубы, покрытой карбоновой оболочкой для многократного увеличения прочности конструкции.

Но так как карбон более хрупкий, чем упругий, то необходимо максимально равномерно распределить подъемную силу по каркасу, который держит ракету-носитель. Поэтому вместо шаров, которые поднимают этот каркас лучше использовать цилиндр, соединенный в окружность - то есть это будет ТОР. Это позволит распределить стропы, держащие каркас, равномерно по всей окружности титановой трубы. Кроме того, внутри цилиндра создаем восемь перегородок для того, чтобы в случае повреждения одной из них вся конструкция не начала падать, а сохранила свою работоспособность. Если вес при этом груза будет не велик, то платформа продолжит работу и в поврежденном состоянии, иначе будет плавно возвращена на землю для починки и снова ввода в эксплуатацию. Таким образом, груз, поднимаемый платформой, будет цел в любом случае, даже при незначительных повреждениях платформы.

Вес титановой трубы, покрытой карбоновой оболочкой будет таким, вычисляю:

Радиус окружности 1 км -> диаметр = 2 км всей окружности трубы.

Диаметр самой трубы будет равен 160 мм и толщина стенки 12 мм.

Длина всей трубы, соединенной по окружности с диаметром 2 км равна:

C = 2 * π * R = 2 * 3,141592653589793 * 1 = 6,283185307179586 км = 6283,185307179586 метров

Если учесть, что вес погонного метра титановой трубы с диаметром 160 мм и толщиной стенки 5 мм равен 25.0949 кг (данные получены с сайта http://super-splav.ru/titanovyetruby.html?yclid=5765421051321502040), то общий вес всей титановой трубы будет равен: 6283,185307179586 м * 25,0949 кг/м = 157675,9069651409927114 кг ≈ 158 тонн. Тоньше и меньшего диаметра делать нельзя - так как уменьшится прочность конструкции и ракету она не поднимет, а если и поднимет то деформация из-за ветра или других внешних воздействий может разрушить конструкцию. Цена 158 тонн титана марки ВТ9 - от 1400,00 руб/кг (с НДС) будет равна: 221200000 руб = 221200 тыс. руб = 221,2 млн. руб. Механические свойства сплава ВТ9 при Т=20°С - фигура 12 и фигура 13.

Прочность титанового сплава в данном случае 1200 МПа - это 120 кг/мм² - для ее увеличения многократно покрываем титановую трубу карбоновым покрытием.

Теперь рассчитаю вес карбонового покрытия титановой трубы.

Лучший вариант - это: Toray 12K, T700SC - текс 800, кг в бобине - 4, Прочность на разрыв (Мпа) - 4900 - это 490 кг/мм² (получается отличная прочность для удержания ракетоносителя), Модуль Упругости (Гпа) - 230, Цена, руб/кг - 4800 руб/кг - От 1 до 24 кг - 4800 руб. - От 25 кг - 4600 руб. - Углеродные ровинги (углеродные жгуты или нити) - основа армированных композиционных материалов, обладающих высокой теплостойкостью. При производстве ровинг подвергается термической обработке при температуре около 1700°С.

Углеродные ровинги представляют собой непрерывный жгут из множественного числа высокоустойчивых углеродных нитей - Фимаментов. Материал применяется при создании элементов конструкций, требующих высокой жесткости и прочности и в процессе изготовления изделий методом пултурзии и намотки. Углеродный жгут обладает способностью быстро и хорошо пропитываться, что позволяет использовать его для армирования систем, в основе которых эпоксидная, полиэстеровая и виниловая смолы.

В каталоге «Carbo-Carbo» представлен большой ассортимент углеродных ровингов.

Углеродное покрытие наносить на титановую трубу методом вакуумной инфузии. За счет использования точного необходимого объема смолы, а также ее равномерного распределения, изделия, полученные при помощи технологии вакуумной инфузии более легкие и прочные по сравнению с другими современными технологиями изготовления композитных материалов. Также в процессе вакуумной инфузии существенно снижается вероятность образования воздушных пузырьков, что положительно влияет на характеристики полученного этим методом материала.

Значит надо будет много углеродного волокна - получается, по цене 4600 руб. за 1 кг. Учитывая что масса углеродного волокна будет 600 гр/м² получим примерно общий вес углеродного покрытия:

Площадь боковой поверхности титановой трубы:

S = 2πRh = 2 * π * 0,08 м * 6283 = 1005,28 * π = 3158,18026280074710704 м² ≈ 3158,2 м² - это если считать упрощенно для цилиндра. Или то же самое значение: площадь поверхности тора, как следствие из первой теоремы Гюльдена, будет равна: 4 * π² * R * r * h.

Площадь титановой трубы в форме кольца - тора * вес углеродного покрытия = 3158,2 м² * 600 гр/м² = 1894920 гр = 1894,92 кг - вес одного слоя углеродного покрытия

Следовательно, стоимость одного слоя полного покрытия углеродным волокном будет равна:

1894,92 кг * 4600 руб. за 1 кг = 8716632 руб. = 8716,632 тыс. руб = 8,716632 млн. руб.

Но покрыть необходимо как минимум тремя слоями для создания прочности как минимум прочность 230 ГПа = 230 * 10⁹ Па = 230 гигапаскаль = 230000 МПа (мегапаскаль). Это Модуль Упругости и получается 23000 кг/мм². При этом прочность на разрыв получается 4900 МПа, а это 490 кг/мм². Тогда стоимость трехслойного карбонового покрытия будет стоить примерно 8,716632 млн. руб * 3 = 26,149896 млн. руб. При этом вес кольцевого основания увеличится и будет равен: масса титанового кольца + масса тройного карбонового покрытия = 157675,9069651409927114 кг + (1894,92 кг * 3) = 157675,9069651409927114 кг + 5684,76 кг = 163360,6669651409927114 кг ≈ 163,4 тонн

Или еще можно tcf40, таблица изображена на фигуре 14.

Основной цилиндр, замкнутый по окружности в кольцо будет иметь диаметр 600 метров - радиус 300 метров, его объем при этом будет равен:

V = 3,141592653589793 * 300² * 6283,185307179586 м ≈ 1776528792,2 м³

Это если считать для цилиндра, замкнутого в кольцо. Или то же самое: объем тела, ограничиваемого тором (полнотория), как следствие из второй теоремы Паппа-Гульдина: V = 2 * π² * R * r².

При этом подъемная сила будет равна (с учетом того, что для поднятия 39 кг на высоту 53 км надо объем гелия в 60000 м³):

39 кг - 60000 м³

X кг - 1776528792,2 м³

1776528792,2 м³ = 60000 м³ * X / 39 кг

1776528792,2 м³ / 60000 м³ * 39 кг = X кг = 1154743,71493 кг = 1154,74371493 тонн

Вес оболочки всего цилиндра будет равен:

вес 1 м² * площадь цилиндра замкнутого в окружность + вес восьми перегородок, создающих отдельные камеры внутри цилиндра:

Площадь боковой поверхности цилиндра:

S = 2 * π * R * h = 2 * π * 300 * 6283 = 3769800 * π = 11843175,9855028016514 м²

0,00463804398673308582438362133502 кг = 4,63804398673308582438362133502 гр - вес 1 м² оболочки 0,00463804398673308582438362133502 кг/м² * 11843175,9855028016514 м² ≈ 54929,2 кг ≈ 55 тонн Площадь восьми перегородок равна: 8 * π * R² = 8 * 3,141592653589793 * 300² = 8 * 3,141592653589793 * (300 м)² = 8 * 282743,33882308137 м² = 2261946,71058465096 м²

Вес перегородок: 2261946,71058465096 м² * 0,00463804398673308582438362133502 кг/м² = 10491,008339337823997977895947623 кг

Примерная стоимость перегородок: 10491,008339337823997977895947623 м² * 80 руб. за 1 м² = 839281 руб. = 839,281 тыс. руб.

Но можно изготовить и из другой пленки, лучше, чем японская на порядок. Характеристики HDPE (полиэтилен низкого давления), к примеру: температура плавления составляет 125-137°С, модуль упругости равен 400-1250 МПа, относ, удлинение составляет 100-1200% - прекрасные характеристики.

Вакуумная пленка Airtech - BIG BLUE - Прочность при растяжении - 22 МПа, Максимальная рабочая температура - 121°С - в отличие от японцев, у которых только 80°С. И самое важное - ВСЕ компоненты платформы есть в России!!!

Для примера возьмем пленку типа "Экономичная вакуумная пленка Airtech Econolon". Ее характеристики: прочность при растяжении - 48 МПа, максимальная рабочая температура - 149°С, воспламеняемость (самогашение) - да, цвет - прозрачный. По заказу можно задать специальные свойства пленки если учесть по имеющейся цене на 08.2014 г: 80 руб. за 1 м², то стоимость всего цилиндра будет равна:

11843175,9855028016514 м² * 80 руб. за 1 м² = 947454079 руб. = 947454,079 тыс. руб = 947,454079 млн. руб.

При этом если учесть характеристики данной пленки (рулон 21 кг, ширина 1,52 м, длина 305 м, толщина 0,0015 дюйма (38 μm)) то вес оболочки всего цилиндра будет равен:

21 кг / 463,6 м² = 0,04529767040552200172562553925798 кг/м² (45 грамм на м² - это много)

0,04529767040552200172562553925798 кг/м² * 11843175,9855028016514 м² ≈ 536468,3 кг ≈ 536 тонн

То есть вес не очень выгодный, поэтому на фирме лучше заказать пленку с улучшенными характеристиками, в частности уменьшенным весом на м², чтобы достичь более легкой оболочки платформы.

Выглядеть теперь платформа будет так - фигура 15.

Тор, удерживающий гелий, будет сверху покрыт парашютными стропами, которые равномерно связываются с титановой трубой, удерживающей ракетоноситель.

Рассчитаю вес строп.

Так как радиус цилиндра 300 метров, то длина одной стропы будет равна длина окружности + удлинение до титанового тора чтобы сильно не деформировать оболочку содержащую гелий, поэтому:

Длина окружности: Ρ = 2 * π * R = 2 * 3,141592653589793 * 300 = 1884,96 м

удлинение до титанового тора примерно: 400 метров. Изображено - фигура 16.

То есть 400 метров с одной стороны. Обща длина одной стропы тогда 1884,96 + 400 + 400 = 2684,96 метров.

У парашютов подвесную систему изготавливают из капроновой ленты прочностью 1600 кгс, поэтому для подвеса используем такой материал. Можно применить: легкая ЛТК-12-145 Артикул С816 - Ширина: 13±1 мм, Разрывная нагрузка: 145 кгс, Линейная плотность: 4 г/м². То есть 1 метр этой ткани выдерживает 145 кг нагрузки.

Подъемная нагрузка должна быть не меньше 1154,74371493 тонн, как видно из расчетов - это подъемная сила платформы на высоте 53 км. Следовательно, количество капроновых лент на торе с гелием должно быть не меньше, чем удовлетворяющим данной подъемной силе.

Получается:

1154743,71493 кг / 145 кг = 7964 м (это 3 стропы ! вес 7964 * 4 = 31,856 кг) капроновой ленты нужно для выдержки подъемной силы, но это условно и надо всегда брать с запасом, чтобы конструкция не развалилась. 3 капроновых ленты - это просто смешно. То есть капроновой ленты будет очень много. Поэтому: капроновые ленты располагаются по всему тору с промежутком 10 метров. Исходя из среднего диаметра: 6283 метров / 10 = 628 капроновых лент необходимо.

Общий вес = количество капроновых лент * длина одной ленты * вес на погонный метр = 628 * 2685 м * 0,004 кг/м = 6744,72 кг = 6,74472 тонн.

Но кроме этого нужны еще и перпендикулярные капроновые ленты, чтобы не разрезать тор содержащий гелий. Так как длина окружности тора 1885, то добавляем ленты каждые 5 метров выше 1/3 основания тора. Тогда установим: 1200/5 = 240 перпендикулярных капроновых лент. Длиной примерно длины середины диаметра тора с гелием. Тогда: 240 * 6283 м * 0,004 кг/м = 6031,68 кг ≈ 6 тонн

Общая стоимость капроновых лент, если метр равен примерно 6 рублей, равна:

((628 * 2685 м) + (240 * 6283 м)) * 6 руб. = (1686180 м + 1507920 м) * 6 руб = 3194100 м * 6 руб. = 19164600 руб = 19164,600 тыс. руб. = 19,164600 млн. руб.

Теперь рассчитаю вес подвесной системы ракетоносителя.

Стропы будут использоваться более прочные и в меньшем количестве - каждые 30 метров стропа закреплена к титановому тору, а от него к автоматическому замку, удерживающему ракетоноситель. Общее количество этих строп 6283 / 30 = 209. Схематично в разрезе: фигура 17.

В качестве строп удержания ракетоносителя используется лента техническая капроновая ЛТК 25-1000 с743с с прочностью 1000 кг на метр, то есть тонна на метр. По цене 11 р за метр. Весом 33 гр/м. Стропы удержания через одну крепятся к верхним и нижним частям ракеты, чтобы та не болталась в пространстве, создавая таким образом равномерное натяжение и стабилизацию положения. Длина каждой стропы, учитывая, что длина ракеты Протон 58,2 м - 21,18 м (первая ступень) = 37,02, примерно, то: 1000 м и 1030 - по очереди через одну соответственно для равномерного распределения массы.

Получается: 209/2 = 104,5. Тогда 104 стропы по 1000 метров и 105 строп длиной 1030 метров.

Вес строп:

104 * 1000 м * 33 гр/м = 3432000 гр = 3432 кг = 3,432 т

105 * 1030 м * 33 гр/м = 3568950 гр = 3568,95 кг = 3,56895 т

3,432 т + 3,56895 т = 7,00095 тонн - вес парашютных строп, служащими держатели ракетоносителя.

Цена: ((104 * 1000 м) + (105 * 1030 м)) * 11 руб/м = 2333650 руб. = 2333,65 тыс. руб. = 2,33365 млн. руб.

Во время отстыковки ракеты держатель пружиной выталкивается и перемещается в открытое состояние. Держатель сделан из металла, покрытого керамикой, а скоба на ракете из металла - чтобы не происходило самосваривание деталей в стратосфере. Автоматические замки выглядят примерно так схематично - изображение на фигуре 18.

Хотя конструкции можно использовать абсолютно разные, главное чтобы они были из разных сплавов, чтобы не происходило самосваривание частей замков, что приводило бы их к выводу из строя. Вес автоматических замков примерно 30 кг, к ним по проводам, присоединенным к стропам, подводится ток. Так они функционируют. Количество замков от 6 и больше - 3 сверху и 3 снизу, но можно установить и большее количество. Также к титановому тору крепятся 8 видеокамер космической съемки - чтобы контролировать весь процесс старта, видеоинформация с камер уходит на землю по проводам, в качестве которых используются позолоченные титановые тросы, покрытые оболочкой от помех и статического напряжения.

Их вес условно рассчитан как 8 * 40 кг = 320 кг. Изображено - фигура 19.

Рядом с видеокамерами крепятся и компрессоры точно такие же, как и по всем держательным линиям платформы. Только на держательных линиях они находятся каждый километр, а на платформе установлены недалеко от видеокамер. Компрессоры разносплавные и имеют 1 вход и 3 выхода. Вход-это труба подающая с земли гелий. Один выход идет сразу непосредственно в тор-оболочку удерживающую гелий и два дополнительных связываются трубами с соседними компрессорами - это сделано для того, чтобы в случае отказа какого-то из компрессоров подключить к накачке соседние. Вес 8 компрессоров примерно равен весу видеокамер, то есть 8 * 40 кг = 320 кг.

Дополнительное оборудование платформы - это датчики давления и температуры, вес примерно 30 кг всех датчиков.

Сила гравитации:

g = GM/R²

G - гравитационная постоянная = G = 6.67191(99) × 10^-11 м³⋅с^-2⋅кг^-1 с погрешностью 0,015% (по состоянию на июнь 2014 года - итальянские и нидерландские физики получили новые результаты измерения G, сделанные при помощи атомных интерферометров).

М - масса Земли = 5,9736⋅10²⁴ кг

R - среднее расстояние от ЦЕНТРА Земли

R = Rз + h - в стратосфере

h - высота до точки в стратосфере,

Rз - средний радиус Земли = 6371,0 км

Получаем: у поверхности Земли

g = 6.6719199 × 10^-11 м³⋅с^-2⋅кг^-1 * 5,9736⋅10²⁴ кг / 6371000 м = 0,00000000006.6719199 * 5973600000000000000000000 / 6371000 ≈ 62557496 м²⋅с^-2

В стратосфере:

g = 6.6719199 × 10^-11 м³⋅с^-2⋅кг^-1 * 5,9736⋅10²⁴ кг / (6371000 + 53000) м = 0,00000000006.6719199 * 5973600000000000000000000 / 6424000 ≈ 62041377 м²⋅с^-2

Следовательно, разница: 62557496 м²⋅с^-2 - 62041377 м²⋅с^-2 = 516119 м²⋅с^-2 - то есть существенно.

Линии удержания.

Использую 8 линий, можно и больше, но 8 - вполне достаточно. Каждая линия состоит из нескольких титановых позолоченных тросов - четырех, которые покрыты изоляцией от помех и статического напряжения. Два троса - это передача электроэнергии, а по двум другим идут данные от видеокамер, вебкамер, датчиков давления, температуры и скорости ветра, также передаются различные управляющие сигналы как на отстыковку ракеты, так и управление компрессорами, вебкамерами, видеокамерами. Также в линию входят каждые 10 метров пластиковые жесткие сцепки - сделано, чтобы линия не перекручивалась от ветра и других факторов. В линию также входят две толстостенные трубы, по которым постоянно циркулирует гелий в рабочем состоянии платформы. На каждом километре линий удержания стоит компрессор, прокачивающий гелий все дальше и дальше, причем компрессор крепится к жесткой круглой площадке, которая поддерживается дополнительно на весу воздушным шаром. Компрессор имеет 3 входа и 3 выхода: вход и выход от земли спереди, такие же вход-выход для подачи гелия дальше в платформу и вход-выход для прокачки гелия в воздушный шар, который поддерживает компрессор и весь километр линии удержания. Также в этом узле находятся датчики давления - чтобы контролировать состояние гелия внутри шара и датчик температуры и скорости ветра.

То есть линии удержания делятся сегментами по километрам. И их можно легко заменять в случае выхода из строя. Так как линий удержания 8 и они делятся каждый километр, то всего сегментов линий удержания (при учете, что максимальная расчетная высота подъема платформы 55 км) будет:

55 * 8 = 440 штук. Таким образом, достаточно просчитать вес и стоимость одного сегмента, чтобы определить общий вес всех сегментов вмести и их общую стоимость. Схематичная структура сегмента удержания - фигура 20.

Получается общий вес главной части платформы (у поверхности земли) будет равен: вес титанового кольца с карбоновой оболочкой + вес цилиндрической оболочки содержащей гелий + вес парашютных строп, которые соединяют оболочку с титановым кольцом + вес парашютных строп с креплениями и автоматическими замками, служащие как держатели ракетоносителя + вес видеокамер + вес разносплавных (чтобы не происходило самосваривание клапанов в стратосфере) компрессоров + вес дополнительного оборудования платформы:

163,4 тонн + 55 тонн + 12,8 тонн + 8 тонн + (8 * 40 кг) + (8 * 40 кг) + 30 кг = 239,87 тонн

Общий вес линий удержания платформы в заданном положении будет равен: вес оболочек воздушных шаров (которые удерживают титановый трос и трубы прокачки гелия) + вес готового титанового троса + вес труб прокачки гелия + вес видеокамер наблюдения + вес датчиков давления + вес разносплавных (чтобы не происходило самосваривание клапанов в стратосфере) компрессоров + вес парашютных строп, удерживающих шары и все это умножено на количество сегментов.

К примеру, вместо титанового троса можно использовать Трос стальной оцинкованный DIN 3055: диаметром 3 мм, рабочая нагрузка 1,056 кН, длина любая от 200 метров по цене 6 руб/м.

Площадь одной трубы внутри сегмента удержания: S = 2 * π * R * h = 2 * 3,141592653589793 * 0,075 м * 1000 м = 471,23889803846895 м²

Центральный Банк РФ на Золото 999,9 пробы: 15.08.2014 - 1523,69 руб. / грамм. 1000 грамм (1 килограмм) × 1523,69 рублей = 1523690 Рублей. 1 килогамм золота = 1 миллион 523 тысячи 690 рублей.

Для шара: V = 4/3πR³, S=πR². Шар должен поднимать вес больше 300 кг - с запасом, то есть. Возьмем R=300 м, тогда объем шара будет равен: 4/3π (300 м)³ = 113097335,5 м³

39 кг - 60000 м³

X кг - 113097335,5 м³

X = 39 кг * 113097335,5 м³ / 60000 м³ = 73513,268075 кг

При этом если учесть характеристики данной пленки (рулон 21 кг, ширина 1,52 м, длина 305 м, толщина 0,0015 дюйма (38 μm)) то вес оболочки будет равен:

282743,33882308139146163790449516 м² * 0,04529767040552200172562553925798 кг/м² = 12807,614571364773987692830013801 кг (45 грамм на м² - это много)

То есть подъемная сила на высоте 53 км = 73513,268075 кг - 12807,614 кг = 60705,654075 кг - удовлетворяет условиям.

Вес одного сегмента равен: 4 * (0,0322 кг/м * 1000 м) + 20 кг + ((471,2 м² * 0,0453 кг/м²) * 2) + 30 кг + 1 кг + 10 кг = 189,8 кг + 42,69072 кг + вес оболочки воздушного шара = 232,49072 кг + 12807,614 кг = 13040,10472 кг = 13,04010472 тонн

Цена одного сегмента равна: 4 * (1000 м * 6 руб/м) + 5000 р + ((471,2 м² * 80 руб. за 1 м²) * 2) + 7000 р + 1523690 Рублей + 5000 руб + (282743,33882308139146163790449516 м² * 80 руб/м²) = 24000 + 5000 + 75392 + 7000 + 1523690 + 5000 + 22619468 = 24259550 руб = 24259,55 тыс. руб. = 24,25955 млн. руб.

Следовательно, вес всех восьми линий удержания будет равен: 13,04010472 тонн * 55 * 8 = 5737,6460768 тонн

Цена всех восьми линий удержания: 24,25955 млн. руб. * 55 * 8 = 10674,202 млн. руб. = 10,674202 млрд. руб.

Осталось подсчитать общий объем гелия во всей системе, его цену и общую цену всего проекта.

Общий объем гелия во всей системе: гелия в основном торе + гелия в линиях удержания (гелия в шарах + гелия в трубах) = 1776528792,2 м³ + (113097335,5 м³ * 55 * 8) + (353430 м³ * 55 * 8) = 1776528792,2 м³ + 49762827620 м³ + 155509200 м³ = 51694865612,2 м³ - НО ! Это объем гелия в стратосфере, а при нормальных условиях его объем намного меньше, это надо учитывать.

Подъемная сила платформы на высоте 53 км равна 1155 т, поэтому рассчитаем объем гелия, необходимы для подъема 1155 т при нормальных условиях, то есть у поверхности земли: вес вытесненного воздуха - вес гелия = 1155 тонн:

1,29 кг/м³ * X м³ - 0,179 кг/м³ * X м³ = 1155000 кг

1,29 * X - 0,179 * X = 1155000 кг

(1,29 - 0,179) * Х = 1155000 кг, Х=1155000 кг/ (1,29 -0,179) кг/м³ ≈ 1039604 м³

Если попытаться закачать в платформу большее количество гелия, чем необходимо, то ее просто РАЗОРВЕТ на части, поэтому для контроля давления внутри платформы стоят датчики давления.

Гелий бывает разный, например, 40 л. (5,7 куб.м) от 2990 руб. то: 1 м³ стоит 524,56 руб. Но это в баллонах и для воздушных шаров. На производстве же можно достать гелий по 3 доллара за кубический метр. Так как: 1 USD = 36.0395 руб. на 15.08.2014, тогда:

1039604 м³ * 108 руб/м³ = 112277232 руб = 112277,232 тыс. руб. = 112,277232 млн. руб.

Если брать по цене 524,56 руб. за 1 м³, то будет стоить 545334674,24 руб. = 545334,67424 тыс. руб. = 545,33467424 млн. руб.

Гелий, 40 л. (5,7 куб.м) от 2990 руб. В наличии, Опт / Розница 15.07.14 06:56 (фигура 21)

Общая стоимость всей платформы:

10,674202 млрд. руб. + 2,33365 млн. руб. + 19,164600 млн. руб. + 947,454079 млн. руб. + 839,281 тыс. руб. + 26,149896 млн. руб. + 221,2 млн. руб. + 545,33467424 млн. руб. = 10,674202 млрд. руб. + 1762,47618024 млн. руб. = 12,43667818024 млрд. руб.

Если учесть зарплату рабочим по сборке платформы, стоимость установок очистки гелия и другие промежуточные расходы то вся стоимость будет примерно 15 млрд. руб. Самые дорогие получаются линии удержания - так как используются позолоченные тросы и другие дорогостоящие компоненты, и их вес и размеры большие.

К примеру по данным: https://ru.wikipedia.org/wiki/Байконур

Байконур (с каз. - богатая долина), космодром «Байконур» - первый и крупнейший в мире космодром, расположен на территории Казахстана, в Кызылординской области между городом Казалинск и поселком Джусалы, вблизи поселка Тюратам. Занимает площадь 6717 км².

Город Байконур и космодром Байконур вместе образуют комплекс «Байконур», арендованный Россией у Казахстана на период до 2050 года. Эксплуатация космодрома стоит около 5 млрд. рублей в год (стоимость аренды комплекса «Байконур» составляет 115 млн. долларов - около 3,5 млрд. рублей в год; еще около 1,5 млрд. рублей в год Россия тратит на поддержание объектов космодрома), что составляет 4,2% от общего бюджета Роскосмоса на 2012 год. Кроме того, из федерального бюджета России в бюджет города Байконура ежегодно осуществляется безвозмездное поступление в размере 1,16 млрд рублей (по состоянию на 2012 год). В общей сложности космодром и город обходятся бюджету России в 6,16 млрд. рублей в год. По состоянию на 2012 год Байконур сохраняет лидирующее место в мире по числу пусков: отсюда за год была запущена 21 ракета-носитель (второе место занимает космодром Мыс Канаверал (США) с 10 пусками за год).

Таким образом, можно сделать вывод, что при использовании данной платформы (ее обслуживание в год не превысит 500 млн. рублей в год) космическая отрасль выйдет на новый рубеж развития и многократно сократит расходы в этой отрасли, при этом увеличивая динамику развития!

Протон ракета-носитель имеет массу 705 т и доставляет на геопереходную орбиту (ГПО) полезный груз массой 6,15 т. Первая ступень ракеты имеет стартовую массу 458,9 т, вторая - 168,3 т, третья - 3,5 т.

А с данной платформой ракета будет иметь стартовую массу 168,3 т + 3,5 + 6,15 т = 177,95 тонн. Подъемна же сила - полезная - платформы = 1155 т - 240 т = 915 тонн, поэтому ракету можно сделать больше и масса полезного доставляемого груза будет больше:

177,95 т - 6,15 т

915 т - Хт

X = 6,15 * 915 / 177,95 = 31,62 тонн

То есть можно доставлять грузы: 31,62 тонн / 6,15 т = 5,1 - в 5 раз большего веса ракетами без первых ступеней, конечно при увеличении массы второй и третей ступеней.

Также вместо ракет можно поднимать до стратосферы шатлы, которые будут стыковаться затем с МКС - выгода очень большая - экономится громадное количество денег, химического топлива для ракет и намного меньше засоряется окружающая среда! Точнее она вообще не засоряется первой ступенью ракет, так как таковая вообще отсутствует.

Как работает платформа:

1) Вначале крепится ракета к удерживающим стропам. Фигура 22.

2) Постепенно накачивается гелий в основную часть платформы - цилиндр. В стратосферной платформе создается отрицательный вес и преимущественно в центральной ее части - чтобы начать поднимать в первую очередь ракету. Надо подчеркнуть, что гелий при этом постоянно начинает циркулировать - как подается в платформу, так и отбирается из нее, поступая в очистители гелия на земле, которых 8 по расчетам - то есть происходит постоянный кругооборот гелия, но при подъеме платформы гелия намного больше закачивается, чем отбирается, а при спуске наоборот. Стратосферная платформа начинает приобретать отрицательный вес все большей величины. Фигура 23.

3) Начинается постепенный подъем ракеты-носителя с поверхности планеты. Фигура 24.

4) По очереди, в кольцевом порядке, накачиваются шары, поднимающие удерживающие и стабилизирующие тросы и трубы подачи гелия. При этом каждая последующая кольцевая цепь шаров закреплена к земле строгими магнитными замками и освобождаются только при достижении платформы определенной высоты на каждом этапе, каждый километр. По расчетам подъем до высоты в 50 км происходит за несколько часов 2-4 часа - зависит от погодных условий и ряда других факторов. Фигура 25.

5) При достижении требуемой высоты - 50 км и выше платформа полностью стабилизируется, подгоняется позиция натяжением титановых тросов с земли, затем ракетоноситель запускает двигатели. Фигура 26.

6) Когда ракетоноситель после старта достигает центра пересечения титанового кольца - то удерживающие стропы полностью перестают быть в натяжении и открываются автоматические замки, которые присоединяли эти стропы к ракетоносителю. Таким образом, происходит полное освобождение ракетоносителя от подвесного удержания. Фигура 27.

7) Ракетоноситель свободно поднимается на заданную орбиту для выполнения своих функций. Фигура 28.

8) Из платформы компрессорами постепенно выкачивается гелий обратно в резервуары на земле. При этом происходит постепенное и плавное снижение платформы, уменьшение отрицательного веса. Фигура 29.

9) Платформа, достигая земли, снова готова к приему нового ракетоносителя для следующего старта. Фигура 30.

Стратосферная платформа для запуска объектов в космос, содержащая корпус в виде нескольких соединённых в кольцевую структуру шаров с оболочками из ультратонкой плёнки, заполняемыми гелием, титановую кольцевую трубу, подвешенную к корпусу на стропах, равномерно распределённых по окружности трубы, соединённые с трубой стропы с замками для удержания запускаемого объекта, например ракеты-носителя, систему очистки гелия, включающую в себя трубы отбора газа из нижней части шаров корпуса платформы и трубы накачки гелием в их средней части, причём эти трубы подключены к станции очистки на поверхности планеты и снабжены поддерживающими их на весу более мелкими шарами, также подключенными к системе очистки гелия, при этом платформа снабжена электропроводными тросами крепления к поверхности планеты и средствами для многоразового подъема от этой поверхности до стратосферы и последующего спуска на поверхность путём регулирования подъёмной силы указанных шаров.