Спосіб доставки вантажів у космос і система його здійснення

Реферат: Винаходи належать до космічних транспортних засобів і способів доставки вантажів на навколоземну орбіту. Спосіб включає виведення на орбіту одного або більше космічних апаратів-накопичувачів (КАН). КАН містить корпус (1), приймальний пристрій вантажів (2), контейнер (7) з гальмівним середовищем, установку (8) для поділу вантажів і гальмівного середовища, накопичувальні баки (4), рушійну установку (6), супутникову сонячну енергостанцію (9), а також радіатори (3) для охолоджування гальмівного середовища. КАН забезпечений стикувальним вузлом (5) для забезпечення передачі накопичених у баках (4) вантажів апарата-споживачеві. Штучне середовище (2) створюється з вантажів, що доставляються за допомогою суборбітальних літальних апаратів на час, який необхідний для його захоплення КАН. Це середовище може складатися з різноманітних за хімічним складом, агрегатним станом речовин та об'єктів різної геометричної форми. Захоплений вантаж (2) надходить в приймальний пристрій і далі в контейнер (7) послідовно окремими порціями у вигляді хмари або потоку. Для компенсації утрат швидкості КАН використовують рушійні системи, що живляться енергією від зазначеної енергостанції (9). В ролі такої системи може бути використана рушійна установка (6) реактивного типу з витратою частини вантажу, який надходить (2). Для створення тяги можливо також використання електродинамічної тросової системи. UA 99230 C2 (12) UA 99230 C2 UA 99230 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід відноситься до ракетобудування та космонавтики, а саме до космічних транспортних систем: до способів і систем доставки вантажів на навколоземну орбіту. Актуальним завданням космонавтики до цих пір є істотне зниження питомих витрат на доставку вантажів у космос - втілення багатьох космічних проектів, які є важливими і можуть бути технічно реалізовані, відкладено через неприйнятні ціни на транспортування вантажів. Висока ціна транспортування вантажів із Землі в космічний простір в основному обумовлена тим, що більшу частину вантажу ракет складає паливо, а частка корисного вантажу вимірюється кількома відсотками. Висловлено різні пропозиції про розвиток способів і систем, спрямованих на вирішення проблеми здешевлення доставки вантажів у космос. На думку деяких фахівців, ця проблема знімається, якщо для транспортування вантажів у космос використовувати енергетичні та сировинні ресурси самого космосу, в тому числі навколоземного простору. Існують два напрямки. Один з них, полягає в тому, що зниження витрат з доставки вантажів на навколоземну орбіту досягається використанням суборбітальної одноступінчастої ракети з незначною витратою палива на одиницю маси вантажу і орбітального апарату-прискорювача. Ракета надає вантажу тільки частину необхідної для виходу на орбіту швидкості, а орбітальний апаратприскорювач надає вантажу повну орбітальну швидкість. Ступінь орбітального базування після попереднього аеродинамічного гальмування і часткової утрати швидкості, зближується з суборбітальним розгінним ступенем наземного базування, а після прийому вантажу знову розганяється до орбітальної швидкості, використовуючи при цьому дешеве паливо, вироблене на місячних заводах. (Єськов Ю. М. Екологічно чиста світова електроенергетика і космонавтика в XXI столітті / / М: «Академія Трінітарізма», Эл № 77 -6567, публікація №14590, 03.10.2007; Флоров В. І. Майбутнє Землі і людства: роль і місце космонавтики //httр://n113m.narod.ru/galaktika/florov.htm [Еськов Ю.М. Экологически чистая мировая электроэнергетика и космонавтика в XXI веке // Μ.: «Академия Тринитаризма», Эл № 77-6567, публикация №14590, 03.10.2007; Флоров В.И. Будущее Земли и человечества: роль и место космонавтики// http://n113m.narod.ru/galaktika/florov.htm]. Суть іншого напрямку полягає в тому, що вантаж, у даному випадку компоненти палива, береться безпосередньо з атмосфери. При цьому використовується спосіб їх розгону до орбітальної швидкості, що полягає в передачі газам, які треба прискорювати, необхідної кінетичної енергії безпосередньо на борту апарата орбітального базування. Такі апарати забезпечені електроракетною рушійною установкою, в якій швидкість витікання робочої речовини перевищує швидкість речовини, яка надходить. Таким чином, забезпечується висока частка корисного вантажу в загальній масі з-за малої частки речовин, які витрачаються у електроракетній рушійній установці. Необхідна сировина для компонентів ракетного палива витягується безпосередньо на орбіті з атмосфери планети, наприклад Землі, низькоорбітальними космічними апаратами-накопичувачами (КАН). Захоплення і акумуляція сировини здійснюється наступним чином. КАН рухається в межах атмосфери на низькій навколоземній орбіті заввишки від 105 до 120 км і збирає розріджене повітря, виділяючи з нього кисень і використовуючи залишившийся азот у електрореактивному двигуні для компенсації втрат на аеродинамічний опір. Відомий проект С Деметріаді під назвою «Профак» (PROFAC -PROpulsive Fluid Accumulator акумулятор рідкого палива), що реалізує розглянутий вище спосіб (Гетланд К. Космічна техніка. Ілюстрована енциклопедія. Переклад з англійської. - М.: Світ, 1986). [Гэтланд К. Космическая техника. Иллюстрированная энциклопедия. Перевод с английского. - М.: Мир, 1986]. Апарат «Профак» включає забірник повітря (приймальний пристрій), установку для скраплення і розділення компонентів, радіатори установки скраплення, бак рідкого кисню, допоміжні паливні баки, електрореактивні (електроракетні) двигуни, розгінний двигун, стикувальний вузол, ядерний реактор і радіатори реактора. «Профак», переміщаючись по орбіті, біля межі щільних шарів атмосфери захоплює розряджене повітря, стискує його шляхом газодинамічного стиснення в забірнику і в компресорах, охолоджує і виділяє рідкий кисень. Залишившийся азот «Профак» використовує в ядерному електрореактивному двигуні для компенсації втрат на аеродинамічний опір. Більша частина зовнішньої поверхні апарату зайнята радіаторами відводу надлишкового тепла від енергетичної установки, компресорів і установки для скраплення. На борту апарата розміщена звичайна ракетна система для переведення на більш високу орбіту в аварійних ситуаціях і для розвантаження, яке здійснюється через стикувальний вузол. «Профак» має переваги перед іншими відомими ядерними транспортними системами, тому що усуває необхідність розміщення важкого ядерного реактора на борту самих космічних літальних апаратів. За оцінками розробників використання такої системи може знизити вартість доставки на Місяць 1 кг вантажу до 1000 доларів. 1 UA 99230 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Незважаючи на економічну привабливість, розміщення працюючого ядерного реактора на гранично низькій орбіті у верхніх шарах атмосфери є основним недоліком системи «Профак». У разі виникнення аварійної ситуації в ядерному реакторі в системі передбачено переведення апарату на більш високу орбіту для проведення ремонту або висотного поховання несправного реактора, однак це не забезпечує повної безпеки наземних територій, що знаходяться під орбітою апарату. Використання замість ядерного реактора супутникової сонячної енергостанції (ССЕС) на гранично низьких орбітах важко, тому як більша площа їх елементів, наприклад, таких як сонячні батареї або ж фокусуючі дзеркала, створює аеродинамічний опір такої величини, що на його компенсацію потужності ССЕС не достатньо, що робить систему непрацездатною. Для ефективного використання сонячної енергії потрібні більш високі орбіти, але в цьому випадку щільність сировинних компонентів настільки низька, що експлуатація КАН стає нерентабельною. Як один з варіантів усунення зазначеного недоліку розглянемо спосіб накопичення атмосферного кисню та азоту з допомогою низькоорбітального навколоземного космічного апарату-накопичувача з дистанційним енергопостачанням з середньовисотних енерговипромінювальних лазерних комплексів, вибраний як прототип (Єськов Ю. М. Екологічно чиста світова електроенергетика і космонавтика в XXI столітті// «Академія Трінітарізма». -М.: Ел №77-6567, публікація) [Еськов Ю.М. Экологически чистая мировая электроэнергетика и космонавтика в XXI веке// «Академия Тринитаризма». -Μ.: Эл №77-6567, публикация № 14590, 03.10.2007, с.41-45]. Система, яка реалізує даний спосіб, складається з групи 6-ти КАН і 6-ти середньовисотних безперервно працюючих космічних енерговипромінювальних станцій (КЕС), які утворюють правильну орбітальну систему суцільного глобального покриття (на висоті близько 10000 км), що гарантує постійне енергоживлення декількох КАН на орбітах заввишки близько 105 км. Як КЕС застосовується система перетворення енергії сонячного випромінювання і його трансляція до КАН - супутникова сонячна енергостанція, наприклад, інфрачервоний лазер з тепловим нагріванням сонячним випромінюванням. Лазер розміщується у фокусі оптичної системи з сонячним великогабаритним дзеркальним концентратором. Космічний апарат-накопичувач містить: вхідний дифузор (приймальний пристрій), рефрижератор, установку для розділення компонентів накопиченого атмосферного повітря, радіатори, баки накопичувачі,рушійну установку (РУ), зокрема електроракетний двигун (ЕРД), розгінний двигун, стикувальний вузол. Замість ядерного реактора в даній системі використовується тепловий турбоелектромашинний електроперетворювач, що включає параболічне приймальне дзеркало, приймач-теплообмінник, турбомашинну енергетичну установку, панельний холодильник-випромінювач. Енергосистема працює наступним чином. Лазерне випромінювання потрапляє на параболічне приймальне дзеркало, яке безперервно відстежує направлення на КЕС, фокусується на приймач-теплообмінник, що нагріває газоподібне робоче тіло турбомашинної енергетичної установки замкнутої системи. Відведення тепла здійснюється через звичайний панельний холодильник-випромінювач. Основна перевага системи КАН з дистанційним енергопостачанням від лазерних КЕС на відміну від КАН з енергопостачанням від ядерного реактора, полягає в забезпеченні екологічної безпеки при виникненні аварійної ситуації. Проте на даному етапі застосування подібних систем неможливо, так як вимагає додаткової розробки і створення космічних лазерів великої потужності з високою енергомасовою досконалістю. Крім того, розміщення лазерних КЕС на орбітах заввишки близько 10000 км істотно збільшує вартість монтажу системи в порівнянні з варіантом її розміщення на низьких орбітах. Усі розглянуті вище системи КАН призначені для збору і накопичення газоподібної сировини з атмосфери Землі і подальшого отримання одного з компонентів палива - окисника, але при цьому не вирішується проблема доставки в космос інших видів сировинних речовин, конструкційних матеріалів і різних об'єктів. Наприклад, такий компонент як пальне (не окисник) необхідно доставляти на орбіту додатково традиційним дорогим способом. Тобто проблема отримання палива на орбіті вирішується частково, а доставка інших видів вантажів таким способом взагалі неможлива. Технічним завданням, на вирішення якого спрямовано винахід є створення способу доставки вантажів у космос і системи його здійснення, які розширюють види вантажів, що транспортуються, й істотно знижують питому вартість доставки їх у космос, а також забезпечують екологічну безпеку системи, які здійснюються за рахунок компенсації 2 UA 99230 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 атмосферної сировини вантажами, що доставляються з поверхні планети, виведення космічних апаратів-накопичувачів на більш високі орбіти і розміщення на них супутникової сонячної енергостанції. Зазначений технічний результат досягається за допомогою способу доставки вантажів у космос, що пропонується, і системи його здійснення. Спосіб полягає в попередньому виведенні на орбіту одного і більше космічного апаратунакопичувача, який здійснює захоплення середовища, що формується вантажами і знаходиться на шляху його руху, накопичення і подальшу передачу на інші космічні апарати. Середня висота орбіти космічного апарату-накопичувача визначається співвідношенням сил аеродинамічно опору та тяги рушійної установки, що живиться енергією супутникової енергостанції. Середовище створюється штучно за допомогою суборбітальних літальних апаратів, що здійснюють викид вантажу, як єдиної порцією, так і безліччю дрібних порцій, що складається з різноманітних за хімічного складу, агрегатним станом речовин та об'єктів різної геометричної форми, які розподіляються на заданій ділянці траєкторії руху космічного апарату-накопичувача на період часу, який необхідний для захоплення космічним апаратом-накопичувачем. Система, яка реалізує спосіб, містить суборбітальні літальні апарати, супутникову енергостанцію і корпус космічного апарату-накопичувача, який включає приймальний пристрій, радіатори, накопичувальні баки, стикувальний вузол, рушійну установку. При цьому космічний апарат-накопичувач містить контейнер з гальмівним середовищем, з'єднаний з установкою для поділу вантажів і гальмівного середовища і прийомним пристроєм для вантажів у вигляді хмари пилових частинок, в твердому або краплиннорідкому стані, мікрокапсул, сфер, контейнерів, а також потоку стрижнів, дротів і стрічок, при цьому супутникова енергостанція об'єднана з космічним апаратом-накопичувачем. Спосіб, що пропонується, полягає в попередньому виведенні на навколоземну орбіту як мінімум одного КАН, оснащеного ССЕС. Висота орбіти визначається можливістю розгортання на ній ССЕС без виникнення сил аеродинамічного опору більших, ніж сила тяги від рушійної установки, яка забезпечується енергією від ССЕС. Підйом корисного вантажу на висоту орбіти руху КАН з наступним відділенням вантажу перед наближаючимся КАН, забезпечується регулярними запусками (мінімум одного) суборбітальних літальних апаратів наземного базування. На шляху руху КАН суборбітальні літальні апарати утворюють штучне середовище з вантажів, що мають суборбітальну швидкість. Це середовище захоплюється через приймальний пристрій КАН (швидкість КАН при цьому більше швидкості вантажу), вирівнює швидкість в контейнері зі спеціальним гальмівним середовищем, акумулюється в накопичувальних баках і далі передається за призначенням, у тому числі може частково направлятися в РУ. Компенсація утрат швидкості КАН від захвату вантажу та аеродинамічного опору здійснюється РУ. Як РУ можуть використовуватися як реактивні (ракетні) системи (наприклад, ЕРД, геліотермічні ракетні двигуни і термохімічні), так і не ракетні системи, які не потребують робочої речовині, наприклад, електродинамічна тросова система (ЕДТС), що використовує для створення тяги силу Ампера на основі взаємодії з іоносферою і магнітним полем планети. Спосіб, що пропонується, і система його реалізації дозволяє транспортувати вантажі, що складаються з різноманітних видів сировинних речовин, конструкційних матеріалів та об'єктів різних видів і форм. Поєднання КАН з ССЕС дозволяє істотно зменшувати вартість проекту та скоротити терміни його реалізації у зв'язку з усуненням необхідності розробки і створення висотної орбітальної системи ССЕС суцільного глобального покриття з лазерною системою дистанційного енергопостачання КАН і тим самим створити установку, яка буде такою ж доступною і буде також швидко реалізовуватися як КАН з ядерним реактором, але буде екологічно безпечна. Реалізація способу доставки вантажів у космос, що пропонується, і система його здійснення схематично представлена на Фіг. 1 (вид а), де 1 -космічний апарат-накопичувач, 2 - штучне середовище (вантажі), 3 - космічні апарати (споживачі вантажів), 4 - суборбітальні літальні апарати. Пристрій космічного апарату-накопичувача представлено на Фіг. 1 (вид б), де 1 - корпус космічного апарату-накопичувача, 2 - приймальний пристрій, 3 - радіатори, 4 - накопичувальні баки, 5 - стикувальний вузол, 6 - рушійна установка, 7 - контейнер з гальмівним середовищем, 8 - установка для поділу вантажів і гальмівного середовища, 9 - супутникова енергостанція. Пропонований спосіб доставки вантажів у космос і система його здійснення реалізуються наступним чином. Космічний апарат-накопичувач 1, поєднаний з ССЕС 9, виводиться на задану орбіту, яка визначається таким чином, що на даній орбіті сила тяги РУ 6, що живиться енергією ССЕС 9, більше або дорівнює сумі сил аеродинамічного опору системи та її гальмування від вантажів, 3 UA 99230 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 які захоплюються. З планети, наприклад з Землі, здійснюються запуски суборбітальних літальних апаратів (мінімум одного) з порціями вантажів. Як суборбітальні літальні апарати можуть застосовуватися як ракети (у тому числі і одноступінчаті), ракетоплани, аерокосмічні літаки, так і апарати, які метаються з поверхні планети. Відділення вантажів, що доставляються, з літальних апаратів здійснюється таким чином, що вантаж в розрахунковій точці траєкторії зустрічається з прийомним пристроєм КАН. Спосіб передбачає викид вантажу, як єдиною порцією, так і безліччю дрібніших порцій, які розподіляються на заданій ділянці траєкторії руху КАН в період часу, що гарантує їх захоплення прийомним пристроєм КАН. Таким чином, вантаж, що має суборбітальну швидкість, захоплюється КАН 1 (Фіг. 1, вид б), входить в приймальний пристрій 2 у вигляді єдиної порції або послідовно окремими порціями і надходить у контейнер з гальмівним середовищем 7, де відбувається вирівнювання швидкостей вантажу і КАН. Як гальмівне середовище можуть використовуватися різні речовини (тверді, рідкі, газоподібні або в стані плазми) і фізичні поля (магнітні, електричні), основне призначення яких полягає в перетворенні кінетичної енергії вантажів, які загальмовуються, в інші види енергії, наприклад, теплову енергію. Як речовини, що утворюють гальмівне середовище, можуть використовуватися різні газопилові і газокраплинні суміші, рідини у вигляді струменів або потоків піни на основі води, легкоплавких металів і евтектичних сплавів, інші види рідкої і твердої пін або одноразові змінювані багатошарові, пористі або стільникові конструкції, формування яких здійснюється (литтям, прокатом або штампуванням) безпосередньо на борту КАН з речовини попередніх відпрацьованих конструкцій. Далі захоплений вантаж надходить в установку для поділу вантажів і гальмівного середовища 8, де він витягується з гальмівного середовища і направляється у накопичувальні баки 4 для підготовки до передачі на інші космічні апарати (споживачі вантажів), а також, у разі необхідності, частина вантажу використовується безпосередньо на борту КАН як робоча речовина. Компенсація утрат швидкості КАН від захвату вантажу та аеродинамічного опору здійснюється РУ 6. У разі використання ракетних РУ частина вантажу витрачається на створення компенсуючої тяги. При використанні ЕДТС вантаж не направляється в РУ, а повністю передається на інші космічні апарати (споживачі вантажів). Надмірне тепло, що накопичується в контейнері з гальмівним середовищем 7 в процесі захоплення вантажу, відводиться за допомогою радіаторів 3. Процес захоплення вантажів, що подаються з поверхні планети, регулярно повторюється до тих пір, поки не будуть заповнені накопичувальні баки 4, а накопичений вантаж буде переданий космічному апарату (споживачу вантажів) під час стиковки за допомогою стикувального вузла 5. Після передачі вантажу цикл повторюється. Рух КАН може здійснюватися як по кругових орбітах з рівномірною подачею вантажів на всьому протязі траєкторії руху, так і по еліптичних з подачею вантажів у КАН тільки в перигеї і з подальшим накопиченням ССЕС енергії на інших ділянках орбіти. Такий варіант зручний на стадії розгортання системи ССЕС і проведення дослідно-конструкторських робіт за проектом КАН. Орбіти КАН можуть бути полярні, сонячно-синхронні, екваторіальні і проміжні. На сонячносинхронній орбіті, панелі ССЕС створюють мінімальний аеродинамічний опір руху за рахунок орієнтації ребром в сторону польоту КАН. У випадку руху КАН по орбіті із заходом в земну тінь, панелі ССЕС розгортаються таким чином, щоб мінімізувати аеродинамічний опір, або складаються, згортаються або скручуються. Використання КАН для транспортування вантажів з планет економічно більш вигідно, ніж використання багатоступеневих ракет, але обмежено вузькою групою речовин, що складають вантаж, тоді як спосіб, що пропонується, і система розширює види вантажів, що транспортуються, від сировини до пасажирських апаратів при значно менших витратах. Способом, що пропонується, у космос можуть доставлятися не тільки кисень як окисник, а й пальне, наприклад, водень, літій, бор, магній, алюміній, вуглець, кремній. Як додаткову групу окисників можна буде доставляти такі зручні для тривалого зберігання компоненти палива як воду і вуглекислоту для пального з магнію та алюмінію, які одночасно представляють собою зручну сировину для виготовлення безпосередньо на орбіті елементів космічних конструкцій. Цим же способом можуть доставлятися в космос робочі речовини для ЕРД міжорбітальних і міжпланетних буксирів, наприклад, такі як аргон, криптон, ксенон, лужні метали. Більша частина цих речовин може подаватися в приймальний пристрій КАН в бесконтейнерному вигляді. Тверді речовини можуть подаватися безконтейнерно, наприклад, у вигляді потоку, хмари пилових частинок, сфер, стрижнів, дротів і стрічок. Гази, як і метали, так само можуть доставлятися безконтейнерним способом в крапельно-рідкому вигляді або у вигляді часток льоду. Речовини зі складною молекулярною структурою, для захисту від термічного руйнування під час контакту з гальмівним середовищем, можуть поміщатися в захисні теплоізольовані мікрокапсули та контейнери з тугоплавких матеріалів. У таких же контейнерах можуть подаватися і радіоактивні 4 UA 99230 C2 відходи з метою їх подальшого захоронення в далекому космосі. У перспективі, контейнерна доставка вантажів може використовуватися для транспортування, як різних технічних пристроїв, так і людей, в тих варіантах КАН, де достатня довжина контейнера з гальмівним середовищем забезпечує переношувану величину прискорень. 5 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 25 30 1. Спосіб доставки вантажів у космос, що включає попереднє виведення на орбіту щонайменше одного космічного апарата-накопичувача, який здійснює захоплення і прискорення вантажів, що запускаються з суборбітальною швидкістю на час, який необхідний для їх захоплення космічним апаратом-накопичувачем, і знаходяться на шляху руху даного апарата-накопичувача, їх накопичення та подальшу передачу на інші космічні апарати, компенсацію утрат швидкості апарата-накопичувача від захвату вантажів та аеродинамічного опору та живлення енергією від супутникової сонячної енергостанції, який відрізняється тим, що викид вантажу здійснюється безліччю дрібних порцій, які розподіляються на заданій ділянці траєкторії руху космічного апарата-накопичувача, утворюючи штучне середовище, вантаж надходить в приймальний пристрій і далі в контейнер з гальмівним середовищем послідовно окремими порціями у вигляді хмари або потоку, а для компенсації зазначених втрат швидкості космічного апаратанакопичувача використовують рушійні установки, що живляться енергією від зазначеної енергостанції, як реактивного типу з витратою частини вантажу, який надходить, так і електродинамічного, на основі тросових систем. 2. Система для реалізації способу за п. 1, що містить суборбітальні літальні апарати для запуску вантажів, супутникову сонячну енергостанцію, щонайменше один космічний апаратнакопичувач, що включає в себе приймальний пристрій, накопичувальні баки, контейнер з гальмівним середовищем, з'єднаний з приймальним пристроєм і установкою для поділу вантажів і гальмівного середовища, яка відрізняється тим, що вантаж сформований у вигляді хмари пилових частинок у твердому або краплиннорідкому стані, мікрокапсул, сфер, контейнерів, а також потоку стрижнів, дротів і стрічок, а космічний апарат-накопичувач об'єднаний з зазначеною сонячною енергостанцією і для компенсації втрат швидкості апаратанакопичувача від захвату вантажів та аеродинамічного опору забезпечений рушійною установкою, що живиться від зазначеної енергостанції, яка виконана у вигляді електродинамічної тросової або реактивної системи з витратою частини вантажу, що надходить, як робочої речовини. 5 UA 99230 C2 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6