Спосіб польоту на навколоземну орбіту багаторазового повітряно-космічного апарата та багаторазовий повітряно-космічний апарат для здійснення способу

1. Спосіб польоту на навколоземну орбіту багаторазового повітряно-космічного апарата в автоматичному режимі, що передбачає старт, ви хід на балістичну траєкторію польоту, розгін і вихід на розрахункову навколоземну орбіту із забезпеченням можливості повторного та багаторазового використовування складових конструктивних елементів, що відділяються після виконання своїх функцій, який відрізняється тим, що на етапі руху повітряно-космічного апарата-літака (ПКЛ) з надзвуковою швидкістю здійснюють торкання стрибка ущільнень від повітрозабірників прямоточних повітряно-реактивних двигунів (ППРД) до задньої кромки крила ПКЛ, яке забезпечують вибором положення ППРД над стрілоподібним крилом ПКЛ, причому керування польотом ПКЛ здійснюють малими змінами вектора тяги ракетних двигунів, для чого застосовують крило зворотної стрілоподібності, а розділення ступенів ПКЛ та відділення відпрацьованих елементів здійснюють способом вогнево-динамічного відділення. C2 2 (19) 1 3 84479 4 тить силові установки із змінними векторами тяги, Прикладная аэродинамика. - M.: Машиностроение, який призначений для виведення космічних об'єк1972. - С. 381-387]. тів на навколоземного орбіту, а також для вивеКерування польотом ПКЛ в автоматичному дення об'єктів на необхідну висоту над земною режимі здійснюють малими змінами вектору тяги поверхнею, що містить декілька складових консракетних двигунів, для чого застосовують крило труктивних елементів, які відділяються після викозворотної стріловидності, що робить ПКЛ нестійнання своїх функцій, де передбачено старт, вихід ким у польоті. У результаті відпадає необхідність у на балістичну траєкторію польоту, розгін і вихід на застосуванні звичних аеродинамічних (класичних розрахункову навколоземну орбіту, із забезпеченавіаційних) засобів керування, що зменшує аероням можливості повторного і багатократного викодинамічний опір і тепловий нагрів оболонок ПКЛ. ристання складових конструктивних елементів Для зменшення стартової ваги ПКЛ для зго[Патент РФ на винахід №2001124585 від рання пального у ППРД використовують кисень 20.07.2003р., заявка 2001124585/28 від 05.09.2001 повітря. Подібний спосіб застосовують у літальних p.]. апаратах, наприклад, - [Voland R. Т., Huebner L. D., Відома також корисна модель повітряноVcClinton 3. R. Х-43 hypersonic vehicle technology космічного літака „Сура" для обслуговування і поdevelopment // 56th Int.Astronaut.Congr., 17 21 Okt. вернення на Землю космічних апаратів (допускає 2005 / Fukuoka, Japen, -IAK-05-D2.6.01]. застосування при його виготовленні відомих матеРозділення ступенів ПКЛ здійснюють способом ріалів і конструкцій), що виконаний за модульною вогнево-динамічного відділення, у результаті чого схемою, у якому друга ступінь сконструйована у друга ступень ПКЛ одержує приріст швидкості вигляді орбітального літака з обтічником [Патент польоту, перша ступінь ПКЛ гальмується для приУкраїни на корисну модель №18699 U від землення [можуть застосовуватися відомі схеми 15.11.2006р., Бюл.№ 11, 2006р.]. піротехнічного розділення конструкцій, наприклад У відомих технічних рішеннях наявні наступні „Пиротехническая система разделения элементов недоліки, або непередбачені функції: на етапі конструкции космического апарата". Заявка польоту з надзвуковою швидкістю не використо№93049247/11 RU, 1977.09.10, автор Шемендюк вують ефект торкання стрибка ущільнень від повіВ.М.]. При вогневому динамічному відділенні друтрезабірників прямоточних повітряно-реактивних гої ступені ПКЛ, першу ступень ПКЛ гальмують двигунів задньої кромки крила повітряноімпульсом протидії. космічного апарату; не здійснюють керування Завдяки вогнево-динамічному способу віддіпольотом малими змінами вектору тяги ракетних лення відпрацьованих елементів зменшують масу двигунів, і при цьому не використовують ефективПКЛ, яка виводиться на орбіту, необхідність чого ність крила зворотної стріловидності; не викориспідтверджується даними про інші розробки [„Мнотовують переваги способу вогнево-динамічного гоступенчатая транспортная система с горизонтавідділення відпрацьованих елементів та розділенльным стартом для космического полета и способ ня ступенів літального апарату; не використовують ее запуска". Заявка №96122836/28 RU, 1996.12.04, енергію нагріву оболонок ступенів; відомі літальні автори Хольґер Штокфлет (DE), Йоханн Шпіс (DE). апарати мають недостатнє бічне віддалення при Патентовласник Даймлер-Бенц Ейроспейс АГ поверненні з орбіти; не використовують циклічне (DE)]. охолодження оболонок при виході на більшу висоЗ висоти близько 30 км випускають гальмівний ту; не передбачена перша ступень літального апапарашут, а з висоти,, близько 6 км - використовурата у вигляді суборбітального літака-безхвостки з ють парашут приземлення. Перед приземленням повітряно-реактивними двигунами не застосовуступенів ПКЛ в парашуті приземлення спрацьовують при цьому пристрій вогнево-динамічного розють гальмівні твердопаливні двигуни, завдяки чоділення ступенів. му забезпечують швидкість торкання поверхні В основу винаходу поставлене завдання техблизько 1 м/сек - необхідна умова для багаторазонічної розробки способу польоту повітрянового використання конструкцій [швидкість 1 м/с космічного літака із створенням конструктивних рівнозначна падінню з висоти менше 1/3 м. Відорішень, що не мали б наведених у прототипах немо, що швидкість зниження 2,2 м/с рівнозначна доліків. падінню з висоти 1/3 м – [Пышнов В. С. Из истории Поставлене завдання досягається створенням летательных аппаратов. - M.: Машиностроение, способу польоту на навколоземну орбіту багато1969. - С. 9], що забезпечує збереження конструкразового повітряно-космічного апарату в автомацій ПКЛ і можливість їх багаторазового використичному режимі та пристрою для його здійснення. тання. Приземлення ступенів ПКЛ, які повертаютьСутність винаходу полягає у тому, що для збіся з орбіти, з несучим корпусом із застосуванням льшення швидкості польоту автоматичного багааеропружних систем можливе - The X-38 and Crew торазового повітряно-космічного апарату, - літака Return Vehicle Programmes, ESA Bulletin 101, (ПКЛ), на етапі його руху з надзвуковою швидкісFebruary, 2000]. Графік швидкостей руху ПКЛ натю, здійснюють торкання стрибка ущільнень від ведено на фіг.3. повітрезабірників прямоточних повітряноСпосіб безпілотного керування в автоматичреактивних двигунів (ППРД) до задньої кромки ному режимі польоту ПКЛ дозволяє здійснювати крила ПКЛ, що забезпечують вибором положення політ на орбіту і спуск на Землю з максимальною ППРД над стріловидним крилом ПКЛ. Застосуваншвидкодією та перевантаженнями, що перевищуня цього способу зменшує аеродинамічний опір ють допустимі для пілота норми [перевантаження ПКЛ. Подібний спосіб застосовується в авіації для ~4-8 g на ділянці спуску по штатній траєкторії і збільшення швидкості польоту [Мартынов A. K. гранично допустимі короткочасні на аварійних тра 5 84479 6 єкторіях до 25g - опис патенту РФ на винахід „Пи- M, 1999; також відомості стосовно орбітального лотируемый космический корабль" [заявка корабля «Space Shuttle»: Інтернет публікації №2001135497/11 від 27.12.2003р.] - прилади моhttp://www.nasa.gov, Winter F. H., van der Linden F. жуть експлуатуватися при перевантаженнях до R. 100 years of flight: a chronicle of aerospace 50g. history, 1903-2003. - Reston, Virginia, American У другому варіанті способу польоту ПКЛ при Institute of Aeronautics and Astronautics, 2003. - C. поверненні з орбіти у якості пального газореактив448-471]. них двигунів орієнтаціі застосовують газ, утвореГраничні температурні режими різних конструний в системі охолодження від зовнішньої теплокційних матеріалів для ПКЛ визначені [Тимошенко вої дії на оболонки орбітального і суборбітального В.И. Фролов Г.А. Проблемы научно-методического літаків, при вході ПКЛ у щільні шари атмосфери. обеспечения разработки и эксплуатации теплозаУ третьому варіанті способу польоту ПКЛ, при щитных покрытий для теплонапряженных элеменповерненні орбітального і суборбітального літаків тов объектов ракетно-космической техники. 1. Мау щільні шари атмосфери, здійснюють бічне віддатематическое моделирование процессов лення від орбіти та охолодження виведенням літадеструкции теплозащитных материалов и покрыків на траєкторію рикошетування з їх розворотами тий // Космічна наука і технологія. - 2001. - 9, № в атмосфері двигунами орієнтації. 2/3. - С. 34-44]. Для збільшення бічного віддалення орбітальСутність винаходу пристрою для здійснення ного і суборбітального літаків від площини орбіти і способу польоту на навколоземну орбіту багатозабезпечення точності приземлення при вході в разового повітряно-космічного апарату пояснюєтьатмосферу на висоті близько 40 км виконують мася кресленням, де на фіг. 1 наведене компонуванневр з виходом на траєкторію з рикошетом від ня ПКЛ (1), що складається з двох ступенів, з яких щільних шарів атмосфери, що забезпечує циклічні перша (2) - суборбітальний літак з крилом зворотзанурення з розворотом у щільні шари атмосфери ної стріловидності, і розміщеними над ним касетадля виконання бічного віддалення від суборбітами прямоточних повітряно-реактивних двигунів з льної чи орбітальної площини до 23500 км [для ампулізованим пальним - ППРД (3), які розташопорівняння: посадка орбітального корабля "Бувані, згідно розрахунку забезпечення торкання ран", порівнянного за аеродинамічними якостями з стрибка ущільнень від повітрезабірників задньої ПКЛ “Сура’ ’з можливістю бічного віддалення до кромки крила. Друга ступень (4) - це орбітальний 1700 км від площини орбіти,, здійснена в автомалітак ПКЛ. тичному режимі на злітну смугу аеродрому - інтерДля збільшення швидкості польоту ПКЛ при нет-публікація [http://www.buran.ru], з метою забезвиході на орбіту, його перший ступінь виконаний у печення точності приземлення у заданій точці вигляді суборбітального літака-безхвістки з крилом поверхні Землі [схема рикошету описана в публізворотної стріловидності, на якому встановлені кації - Вилли Лей. Ракеты и полеты в космос. СокППРД або касети ППРД (для зменшення довжини ращенный перевод с английского Малина Э.Г., касети з двигунами) з торканням стрибка ущільСавелова В.П. и Смахтина Г.М. / Под редакцией нень від повітрезабірника двигуна (касети двигуполковника Бузиновая В.M. - M: Военное издатенів) задньої кромки крила для зниження витрат льство министерства обороны Союза CCP, 1961 пального, для чого на крилі ПКЛ розміщений елеПриложение 1. Ракетные самолеты и ускорители мент кріплення (5), фіг.2. старта // Villi Ley. Rockets, missiles and space travel/ Схема кріплення касети з надзвуковими ППРД Viking press. New York, 1958)]. (6) над крилом (7) першої ступені ПКЛ для здійсСпосіб циклічного входу в щільні шари атмоснення вогневого динамічного відділення, наведена фери з аеродинамічним гальмуванням і подальна фіг.2, де ППРД (8) відокремлюється вогневошим виходом на велику висоту у результаті рикодинамічним способом у напрямку протилежному шету дозволяє поступово знижувати швидкість польоту ПКЛ для його прискорення, використанпольоту і зменшити час аеродинамічного нагріву ням твердопаливного заряду (9) двигуна відділенконструкції літального апарату,, із забезпеченням ня і відведення від літального апарату, де у двигувипромінювання тепла в навколишній простір. Це, ні закріплений парашут (10) для приземлення у свою чергу, дозволяє регулювати температуру касети, швидкість якої зменшують вогневоконструкції літального апарату і знизити вимоги динамічним відділенням. щодо його теплового захисту [відомі проблеми У конструкції ПКЛ на суборбітальному літаку теплозахисту ПКЛ при спуску з орбіти - публікації розміщено вузол кріплення орбітального літака з по ПКЛ „Спіраль", „БОР", „Буран": Александр Жепристроєм вогнево-динамічного розділення ступелезняков. Проект «Спираль» //«Родина». -№8. нів. Аналогом подібної конструкції є – [„Пиротехни2004 - С.94-95; Авиационно-космические системы. ческая система разделения элементов конструкСборник статей / Под редакцией Г.Е. Лозиноции космического апарата", Заявка №93049247/11 Лозинского и А.Г. Братухина. - M.: Изд-во МАИ, RU, 1977.09.10, автор Шемендюк В.M.]. 1997; Афанасьев И.Б. Неиз-вестные корабли. - M.: Конструкція системи охолодження оболонок Знание, 1991; Лазутченко О., Борисов А. 30 лет орбітального і суборбітального літаків з викориснесостоявшемуся полету // Новости космонавтики. танням газу, пояснюється фіг. 4, де зображено бак - №10. - 2003; Ларионов Ю. «Боры» над планетой (11) з охолоджуючою корпус рідиною, у якому на// Новости космонавтики. - №7. - 2000; Лебедев В. копичується пар (газ), для чого ємність бака роздіПроект «Спираль». Материалы XI Международнолена на газову і рідинну порожнини гнучкою мемго симпозиума по истории авиации и космонавтики браною, переміщення якої обмежене - M., СПб, 2001; Меницкий В. Моя небесная жизнь. перегородкою (12), що забезпечує обмеження по 7 84479 8 чаткового об'єму рідинної порожнини. Для утвовекторами тяги (22) і відсіки парашутів (23), вказані рення початкового тиску у газовій порожнині, розна фіг. 1. міщено пороховий акумулятор тиску (13) для витіФіг. 1. Компоновка повітряно-космічного літака снення рідини в канали охолоджування (14) (ПКЛ): (1) - ПКЛ; (2) - перша ступень ПКЛ (суборбікорпусу, при вході літального апарату у щільні тальний літак) ; (3) - касети ППРД; (4) - друга стушари атмосфери. До сопел (15) двигуна орієнтації пень ПКЛ (орбітальний літак); (22) - маршові рігаз подається включенням електропневмоклапану динні ракетні двигуни із змінними векторами тяги; (16). Зворотному перетіканню газу (рідини) запобі(23) - відсіки парашутів. гають, розміщені у двигуні зворотні клапани (17). Фіг.2. Схема кріплення надзвукового ППРД: (5) Двигун орієнтації живиться перегрітим паром води, - елемент кріплення касети ППРД; (6) - ППРД; (7) іншої рідини або зрідженого газу, що о холоджує крило першої ступені ПКЛ; (8) - ППРД з ампулізооболонку корпусу лі тального апарата температуваним пальним; (9) - твердопаливний заряд двигурою експлуатації, що залежить від виду конструкна відділення і відведення; (10) - парашут приземційного матеріалу ПКЛ. Сопла двигуна почергово лення. вмикаються і вимикаються, створюючи необхідний Фіг.3. Графік швидкостей руху першої ступені момент сил для відхилення літального апарата ПКЛ. щодо напряму польоту у трьох площинах і його Фіг.4. Конструкція системи охолодження поверозвороту щодо повздовжньої вісі. рхні ступенів ПКЛ: (11) - бак з порожнинами для У відомих конструкціях при маневрі в атмосохолоджуючої рідини та газу; (12) - перегородка фері для точної посадки, використовується додатмембрани бака; (13) - пороховий акумулятор тиску; ковий запас палива, наприклад - у проекті „Спі(14) - канали охолоджування корпусу; (15) -сопла раль". двигуна орієнтації; (16) - електропневмоклапан; Варіант конструкції оболонки корпусу літаль(17) - зворотній клапан. ного апарата з охолоджуючою рідинокупоказано Фіг.5. Конструкція оболонки корпусу ступені на фіг.5, де (18) - оболонка із матеріалу вуглеПКЛ: (18) - оболонка із матеріалу вуглець+вуглець; ць+вуглець; (19) -покриття оболонки графітом; (20) (19) - покриття оболонки графітом; (20) - покриття - покриття зовнішньої поверхні конструкції фторозовнішньої поверхні конструкції оболонки фтороппластом; (21) - теплоз'ємник. ластом; (21) - теплоз'ємник. Зовнішня теплова дія, при зниженні літального ПКЛ у такий спосіб, може бути використаний в апарата атмосфері з великою швидкістю, компензагальнодержавній космічній програмі, наприклад, сується випаровуванням фторопласту, і у подаль- бути носієм супутників, або виконувати функцію шому - графіту (сублімація), з обмеженням пересуп утника самостійно, зокрема, виконувати дистадачі тепла до вуглець+вуглецевої конструкції нційне зондування Землі, або здійснювати інші корпусу. У внутрішніх каналах корпусу протікає завдання у сферах господарства, науки і т.п. охолоджуюча рідина, яка випаровується по мірі Виробництво повітряно-космічних літаків для нагрівання металевии теплоз’ємник в каналах забезпечення способу застосування ПКЛ, який сприяє кращій теплопередачі температури рідині і пропонується, може здійснюватися на ракетобудіпарогазовій суміші. вних і літакобудівних підприємствах. Маршові рідинні ракетні двигуни із змінними 9 Комп’ютерна в ерстка І.Скворцов а 84479 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601