Система виведення корисного навантаження на низьку орбіту

1 Система виведення корисного навантаження на низьку орбіту, що має перший та другий ступінь запуску, з яких перший ступінь виконано у вигляді літака з турбовентиляторним двигуном, оснащеного засобом для перевезення та випуску другого ступеня, яка відрізняється тим, що другий ступінь виконано у вигляді аерокосмічного апарата, що містить фюзеляж з носовою частиною, середньою частиною, де знаходиться вантажний ВІДСІК, ЯКИЙ має кілька стулок, та кормовою частиною, пару крил, приєднаних до фюзеляжу, кожне з яких має криловий наконечник, а також засіб керування, який дозволяє зліт догори на високій швидкості та маневрування аерокосмічного апарата, і хвіст з рулем, по суті вертикально встановлений на кормовому КІНЦІ, два скидних прямоструминних повітряно-реактивних двигуна, кожний у гондолі, які мають повітрозабірник та плоский обтічник кожного з двигунів, по суті розташованих під площиною, створеною крилами та скидними повітряно-реактивними двигунами, кожний з яких має вихлопні сопла на хвостовому КІНЦІ фюзеляжу, носовий паливний бак та кормовий паливний бак у фюзеляжі, поєднані з прямоструминними повітряно-реактивними двигунами, кілька ракет регулювання положення у просторі, поєднаних з позиційними паливними баками та встановлених на носовому вістрі й на кожному криловому наконечнику, засіб для перевезення та запуску корисного навантаження та засіб для горизонтальної посадки 2 Система виведення на орбіту за п 1, у якій засобом регулювання є елевон на кожному з крил 3 Система виведення на орбіту за п 1, у якій засобом для перевезення і запуску є пілон аерокосмічного апарата, встановлений на опорі для двигуна під крилом літака з турбовентиляторним двигуном 4 Система виведення на орбіту за п 1, у якій засобом для горизонтальної посадки є головні стійки шасі та носова стійка шасі 5 Система виведення на орбіту за п 1, де засобом для перевезення та запуску корисного навантаження є зв'язка корисного навантаження з ракетним прискорювачем, яка розміщена у вантажному відсіку, котрий має засіб для виштовхування, причому ракета-носій містить ракетний двигун, до якого приєднані бак з рідким воднем та бак з рідким киснем і який має екрани для захисту при повторному входженні до атмосфери, кілька елементів герметизації, приєднаних до бака з рідким воднем та бака з рідким киснем, систему контролю просторового положення та парашутну систему уловлювання 6 Система виведення на орбіту за п 5, у якій літак з турбовентиляторним двигуном містить парашутну систему уловлення зазначеного ракетного прискорювача, оснащеного своєю парашутною системою уловлювання, причому парашутна система уловлювання на літаку містить захват, встановлений на носі літака, витяжний трос та лебідку, де захват троса лебідки прикріплено до верхнього троса парашута системи уловлювання, та вантажний ВІДСІК літака з кормовими дверима 7 Система виведення на орбіту за п 1, де в вантажному відсіку знаходиться здатний до деформування паливний бак, приєднаний до прямоструминних повітряно-реактивних двигунів 8 Система виведення на орбіту за п 1, у якій у кормовій частині фюзеляжу розташовано устаткування для охолоджуваного зрідження повітря, що включає повітрозабірник з гондолою зрідження повітря під кожним крилом, причому устаткування для зрідження повітря поєднано з прямоструминними повітряно-реактивними двигунами О 49922 Цей винахід стосується носив для виведення корисних навантажень, наприклад, супутників, на низькі навколоземні орбіти Запропонований носій містить три ступені літак з турбовентиляторним двигуном, аерокосмічний апарат з прямоточним повітряно-реактивним двигуном ' , ракета-носій для розміщення корисного навантаження на орбіті Попередній рівень техніки Зараз існують кілька способів виведення корисних навантажень на навколоземні орбіти Використовуються ракетні носи, як то французький «Аріан», російський «Протон», китайський «Великій похід» та різноманітні американські ракети Крім того, існує американська система «Спейс шатл», яка теж є ракетною Ракетні носи, крім «Шатла», мають різну ступень надійності або взагалі м не мають і надто дорогі, бо кожний з них доводиться окремо складати перед виведенням корисного навантаження на орбіту У разі «Шатла» процес підготовки запуску надто тривалий і дорогий «Шатл» має деякі елементи повторного використання, щоб знизити вартість запуску Виявилось, що поновлення цих елементів надто багато коштує Система «Шатл» включає величезні споруди для забезпечення запуску, які розташовані лише в одному МІСЦІ у Флориді В усіх цих системах використовуються ракети, які вимагають рідкого або твердого палива тривалого зберігання та спеціального окислювача і не користуються атмосферним киснем Для досягнення орбітальних швидкостей необхідні величезні витрати ракетного палива Наприклад, у «Шатлі» корисне навантаження становить менш ніж 2% злітної ваги, а решта - то переважно паливо та елементи конструкції Ракети типу «Спейс Шатл» витрачають по кілька тон палива кожну секунду роботи двигунів Паливо у ракетні двигуни має подаватися під надвисоким тиском, що безпосередньо впливає на вартість турбоагрегатів, складність та надійність конструкції БІЛЬШІСТЬ ВІДОМИХ ракетних систем розраховані на виведення на орбіту громіздких, великовагових навантажень При використанні для запуску орбітальних навантажень вони можуть розташовувати великогабаритні важкі супутники на високих навколоземних орбітах, в тому числі геостацюнарних В тім, високі кошти та низька надійність існуючих систем перешкоджають широкому використанню космічного простору У патенті США №5402965 описано використання випробуваного розпнного носія, за який править освоєний літак Подальші стадії польоту, в тому числі в атмосфері, здійснює багатоступінчастий ракетний носій Це знов-таки пов'язано з тією самою проблемою, бо ракети мають нести у себе окислювач 3 даного патенту витікає, що корисне навантаження встановлюється на КІНЦІ багатоступінчастої ракети, підвішеної під крилом звичайного літака Ця система використовує розпнні ступені одноразового використання Відома система виведення корисного навантаження на низьку орбіту, що має першу та другу ступінь запуску, з яких перша ступінь виконана у вигляді літака з турбовентиляторним двигуном, оснащеного засобом для перевезення та випуску другої ступені (патент США №4802639 від 7 лютого 1989р, прототип), де робляться спроби використання носив горизонтального зльоту для розгону корисних навантажень, які виводяться на орбіту При такому ПІДХОДІ частина польоту носія може виконуватися на турбовентиляторних двигунах, що дає змогу користатися атмосферним повітрям та зменшити вагу окислювача в носи В патенті США №4802639 передбачено розгалужену систему для носія початкового розгону, або розпнного носія, та орбітального носія Використання цих нетрадиційних елементів пов'язане з технічним ризиком як щодо прийнятності, так і вартості В ньому запропоновано вживати прямоточний повітряно-реактивний двигун, використання якого до подібної мети потребує розробленая невипробуваної технології Головним завданням цього винаходу є створення системи виведення корисного навантаження на низьку навколоземну орбіту з мінімальним ризиком Інше завдання полягає у створенні системи, яка може виконувати запуск за будь-яких погодних умов у будь-який точці земної кулі Далі, завданням є максимальне використання атмосферного повітря як окислювача палива у системі виведення на орбіту Наступне завдання зменшення напружень, що спричиняє носій корисному навантаженню під час розгону, пом'якшення умов польоту Ще одним завданням є надання здатності до гнучкої заміни пошкодженого супутника на тій чи ІНШІЙ орбіті Завданням також є створення системи виведення на орбіту, всі ступені якої можна повторно використовувати при дешевшій вартості ремонту між запусками Нарешті, останнє завдання полягає у створенні системи виведення на орбіту, яка використовує ДІЮЧІ аеродроми як стартові площадки Поставлене завдання вирішується тим, що в системі виведення корисного навантаження на низьку орбіту, що має першу та другу ступінь запуску, з яких перша ступінь виконана у вигляді літака з турбовентиляторним двигуном, оснащеного засобом для перевезення та випуску другої ступені, ВІДПОВІДНО до винаходу, друга ступінь виконана у вигляді аерокосмічного апарату, що містить фюзеляж з носовою частиною, середньою частиною, де знаходиться вантажний ВІДСІК, ЯКИЙ має кілька та кормовою частиною, пару крил, приєднаних до фюзеляжу, стулок, кожне з яких має крилевий наконечник, а також засіб керування, який дозволяє злет догори на високій швидкості та маневрування 49922 аерокосмічного апарату, і хвіст з рулем, по суті вертикально встановлений на кормовому КІНЦІ, два скидних прямоточних повітряно-реактивних двигуна, кожний у гондолі, які мають повітрозабірник та плоский обтічник кожного з двигунів, по суті розташованих під площиною, створеною крилами та скидними повітрянореактивними двигунами, кожний з яких має вихлопні сопла на хвостовому КІНЦІ фюзеляжу, носовий паливний бак та кормовий паливний бак у фюзеляжі, поєднані з прямоточними повітрянореактивними двигунами, кілька ракет регулювання положення у просторі, поєднаних з позиційними паливними баками та встановлених на носовому вістрі й на кожному крилевому наконечнику, засіб для перевезення та запуску корисного навантаження та засіб для горизонтальної посадки Тобто, у цьому винаході пропонується виводити корисні навантаження на орбіту за допомогою триступінчастого носія Цей носій може також використовуватися як двох - або трьохступінчастий для проведення експериментів у космічному просторі Кожна ступінь носія являє собою літальний апарат з аеродинамічними властивостями та типом двигуна, що відповідає потребам польоту на тій чи ІНШІЙ ВИСОТІ ДЛЯ горизонтального зльоту та початкового розгону використовується звичайний літак з турбовентиляторними двигунами, наприклад, Локхід Е-5, або Антонов Ан-124 Таким чином, відпрацьована надійна технологія слугує для транспортування другого та третього ступенів Другий ступінь, що переноситься під крилом літака з турбовентиляторними двигунами, являє собою аерокосмічний апарат, який рухається прямоточним повітряно-реактивним двигуном і запускається з-під літака Аерокосмічний апарат запускається з літака та підіймається на позаатмосферну висоту На цій стадії апарат може використовуватися у космічному середовищі, наприклад, для здійснення експериментів Якщо потрібно вивести супутник на низьку навколоземну орбіту, то аерокосмічний апарат несе ракета-носій з корисним навантаженням у своєму вантажному відсіку Ракета-носій відокремлюється від аерокосмічного апарату та розганяє корисне навантаження, наприклад, супутник, виводячи його на орбіту Всі ЦІ ступені багаторазові і можуть використовуватися повторно Аерокосмічний апарат повертається на звичайну посадочну смугу як літак Ракета-носій звільняється від корисного навантаження та сходить з орбіти Потрапивши до атмосфери, він розгортає парашут, після чого ракета-носій перехоплюється рятувальним літаком Двигуни, що використовуються на перших двох ступенях, можуть вживати атмосферне повітря як окислювач палива, що суттєво зменшує вагу носія, підвищуючи майже на порядок величини його ефективність у порівнянні з відомими ракетними носіями Згідно З ОПИСОМ, ЯКИЙ наведено нижче, ІНШІ завдання цього винаходу виявляються при розгляді опису та креслень Фіг 1 - зображує операційні ступені системи виведення на орбіту Фіг 2 - вид збоку у вертикальній проекції літака з турбовентиляторним двигуном Фіг 3 - вид спереду у вертикальній проекції літака з турбовентиляторним двигуном Фіг 4 - вид зверху в плані літака з турбовентиляторним двигуном Фіг 5 - система уловлювання об'єктів, Фіг 6 - система уловлювання об'єктів та вид з вирізом вантажного відсіку літака з турбовентиляторним двигуном Фіг 7 - показує систему повернення на парашуті та захоплення ракетного прискорювача літаком з турбовентиляторним двигуном Фіг 8-частково прихований вид аерокосмічного апарату, де показано внутрішні елементи Фіг 9 - вид аерокосмічного апарату зверху та знизу з розрізом уздовж повздовжньої осі Фіг 10 - вид збоку у вертикальній проекції аерокосмічного апарату Фіг 11 - вид збоку з вирізом ракетного прискорювача Фіг 12 - вид з торця ракетного прискорювача Найкращий варіант здійснення винаходу Система виведення на низьку навколоземну орбіту містить три ступені горизонтального зльоту та польоту До неї входять літак з турбовентиляторним двигуном, аерокосмічний апарат з прямоточним повітряно-реактивним двигуном та ракета-носій, яка розташовує корисне навантаження на орбіті Літак-підйомник з турбовентиляторним двигуном може злітати зі звичайної злітної смуги достатньої довжини Для зльоту літака використовується звичайні обладнання, споруди, паливо і т ш Після зльоту літак підіймається на висоту близько 35000 футів (10700м) та виходить у місце, з якого зручніше виводити корисне навантаження на повітряну орбіту Опинившись у потрібному МІСЦІ на заданій висоті, перший ступінь звільняє ІНШІ ступені, які спадають донизу та вбік від першого ступеню Після ТОГО другий ступінь - аерокосмічний апарат - здіймається догори та розганяється у межах атмосфери Коли апарат залишає ці межі, повітряно-реактивні двигуни припиняють роботу і другий ступінь здійснюється далі до більшої висоти, щоб випустити третій ступінь Стулка вантажного відсіку аерокосмічного апарату розчиняються і випускають третій ступінь - ракетаносій - на височині близько 300000 футів (91440м), типовій для низькоорбітальних супутників Ракетаносій 5 з корисним навантаження 9 може вистрелюватися з вантажного відсіку 6 за допомогою катапульти та катапультної лебідки (не показані) або інших придатних засобів Після того ракета-носій здіймається на величину 1650000 футів (505км) та розганяється до швидкості біля 25000 футів за секунду (7620м/с) Аерокосмічний апарат летить назад та приземляється горизонтально на аеродромі Ракета-носій сходить з орбіти, розгортає парашут та перехоплюється літаком, обладнаним системою уловлювання об'єктів, що спускаються на 49922 парашуті Для цього може використовуватися літак, що слугував першим ступенем, або інший літак Літак з турбовентиляторними двигунами, який був першим ступенем, повертається та сідає на аеродромі На фіг 1 зображено принцип роботи системи виведення на орбіту та и головні елементи До літака з турбовентиляторними двигунами 2 достатньої потужності, наприклад, Локхід С-5 або Антонов Ан-124, прикріплено аерокосмічний апарат 3 під крилом 4, готовий до запуску Ракетаносій 5 та корисне навантаження 9 знаходяться у вантажному відсіку 6 Найкращим місцем закріплення космічного апарату 3 є підвіска 7 двигуна літака після видалення двигуна та пілона Пілон 8 аерокосмічного апарату несе на собі аерокосмічний апарат З На фіг 2-4 показано, що розміри аерокосмічного апарату 3 визначаються так, щоб між літаком 2 з турбовентиляторними двигунами та землею лишався достатній зазор при зльоті та посадці, в тому числі за несприятливих умов, наприклад, крену літака 2, конструктивних перекосів при навантаженні або спущених шинах посадочного механізму Літак 2 має апаратуру керування та контролю (не показана), пов'язану через інтерфейс та пілон 8 аерокосмічного апарату з аерокосмічним апаратом 3, ракетоносійом 5 та корисним навантаженням 9 Між хвостом Ю т а крилами 11 аерокосмічного апарату З та літаком 2 з турбовентиляторним двигуном також забезпечується ВІДПОВІДНИЙ зазор На фіг 5,6 та 7 показано, що літак 2 з турбовентиляторним двигуном також використовується для уловлювання третього ступеню - ракетного прискорювача 5 Як видно з фіг 5 літак 2 обладнано системою 12 уловлювання об'єктів, які спускаються на парашуті, наприклад, відомою системою "фултон" Коли ракета-носій 5 спускається в атмосфері під керуванням своєї парашутної системи 13, літак 2 захоплює верхній трос 14 парашута своїм захватом 15 на носі 16 літака Захоплений ракетаносій 5 прикріплений до нижнього тросу 17 парашута Після того витяжний трос 19 прикріплюється лебідковим захватом 18 до залишків верхнього тросу 14 парашута, фіксуються спускові парашути 59 і витяжний трос 19 намотується, підтягують ракета-носій 5 до кормових стрілок 20 вантажного відсіку літака 2 Потім ракета-носій 5 затягується до вантажного відсіку 21 літака за допомогою лебідки 22 На фіг 8 представлено вид у перспективі аерокосмічного апарату 3 з частково розкритим фюзеляжем, щоб показати розташування внутрішніх ' елементів На фіг 9 та 10 даються вид зверху та знизу з розрізом та вид збоку у вертикальній проекції аерокосмічного апарату З Фюзеляж 23 розрахований на мінімальний аеродинамічний спір і має носову частину 24 з нахилом нижньої частини 58 у 7° для максимальної ефективності тяги, розташовану навколо вантажного відсіку 6 Розмах крил 11 обмежений, щоб відповідати вантажопідйомності літака 2, і розрахований на швидкісне виведення 8 ракети-носія 5 на орбітальну позицію Крила 11 розташовані так, щоб звести до мінімуму крен апарату при прискоренні Передбачені елевони 33 ВІДПОВІДНОГО розміру Хвостова частина 25 має загострену форму, тут розташовані вертикальний хвіст Ю т а гондоли 31 двигунів До вертикального хвоста 10 прикріплено руль 34 Під середньою частиною 37 знаходяться входи 29 гондол прямоточних повітрянореактивних двигунів 27 Плоскі обтічники ЗО гондол продовжуються між хвостовою частиною 25 фюзеляжу та гондоли 31 двигунів аж до хвостового вістря 26 та вихлопних сопел 32 двигунів Повітрозабірники 28 подачі повітря на зрідження та гондоли 57 зрідження повітря знаходяться під крилами 11 Конструкція аерокосмічного апарату 3 є такою, що, коли в ньому знаходяться ракета-носій 5 та корисне навантаження 9, центр ваги по суті збігається з центром ваги попереднього апарату З Це забезпечує мінімальний зсув центру ваги аерокосмічного апарату 3, коли ракета-носій 5 з корисним навантаженням 9 виходить з стулку 35 вантажного відсіку Аерокосмічний апарат 3 має належним чином розташоване втяжне шасі зі стійками 36 з двох боків хвостової частини 25 фюзеляжу та носовою стійкою 38 Апарат має носовий паливний бак 39 та кормовий паливний бак 40 Для розміщення корисних навантажень 9 найрізноманітніших форм у вантажному відсіку 6 може виконуватися змінний паливний бак 42, здатний до деформації На носовому вістрі 43 та кінцях 41 крил встановлено ракети 44 регулювання положення у просторі та, ПОЗИЦІЙНІ паливні баки 45 У хвостовій частині 25 знаходиться також устаткування 46 для зрідження повітря На фіг 11 та 12 зображена ракета-носій 5 багаторазового використання, на якому встановлюється корисне навантаження 9 Разом вони розташовуються у вантажному відсіку 6, після чого аерокосмічний апарат 3 Прикріплюється до літака 2 Ракета-носій 5 містить бак 47 з рідким воднем та бак 48 з рідким киснем для живлення ракетного двигуна 49 Належним чином розташовані елементи 50 поєднані з паливними баками 47, 48 та герметизують їх Ракета-носій 5 має ЗМІННІ оболонки 51 для захисту ракетного двигуна 49 при повторному входженні до атмосфери Захисні оболонки 51 виконані з матеріалу, що створює високотемпературний екран для захисту елементів прискорювача, а їхня форма забезпечує стабілізацію апарата при входженні до атмосфери Наявна також система 53 контролю просторового положення Парашутна система 13 знаходиться на протилежному від ракетного двигуна 49 КІНЦІ Ракета-носій 5 завдовжки 350 дюймів (8,9м), діаметром 130 дюймів (3,3м) та власною вагою біля 30000 фунтів (13607кг) може розвивати тягу 31000 (14061кг) протягом 450 секунд При правильному розташуванні на аерокосмічному апараті 3 ракетаносій 5 здатна вивести супутник вагою 1760 фунтів (800кг) на колову полярну орбіту на висоті 1650000 фунтів (505км) 49922 Фіг. 2 10 11 12 49922 18 ФІГ. 6 21 З 8 Фіг. 7 10 42 а 33 37 ФІГ. 8 38 І5 13 49922 14 36 за •44 c : Фіг. 12