2-Х СТУПЕНЧАТЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЛА НА ЭНЕРГИИ ВРАЩЕНИЯ И С ГРОМАДНЫМИ УСКОРЕНИЯМИ БЕЗ ПЕРЕГРУЗКИ ПИЛОТОВ

Полезная модель относится к космонавтике. Известна пусковая установка (ПУ) или двухмерный ускоритель для пуска летательных аппаратов (ЛА) с использованием аэростата (Патент №0150292 RU. 2014 г.). Его недостаток в сложности конструкции и использовании вспомогательного ЛА.
Известны реактивные ракетные ускорители жидкостные или твердотопливные. Их недостаток в малом коэффициенте полезного действия (КПД) по массе, порядка 4%, в загрязнении окружающей среды при добыче и сгорании топлива, в большой продолжительности малых по величине ускорений и длительных перегрузках пилотов.
Задача полезной модели в повышении КПД до порядка 80%, в упрощении конструкции и не использовании вспомогательных ЛА, токсического топлива, а также в осуществлении больших, почти мгновенных ускорений без перегрузки пилотов в запускаемом ЛА.
Задача решается тем, что ускоритель ЛА на энергии вращения, содержащий двигатель, ось, вал дополнительно снабжен маховиком (М), жестко сопряженным соосно и через желоб с валом, снабжен внутри вала арретиром; снабжен гироскопом (Г), сопряженным планетарным редуктором с маховиком-гироскопом (МГ), сопряженным через штыри и асимметричный подшипник со 2-м желобом и ЛА; гироскоп сопряжен через вторые штыри и асимметричный подшипник скольжения с желобом; снабжен пластинами М для отстыковки Г и пластинами МГ для отстыковки ЛА, снабжен арретиром-гироскопом (АГ) с осью, сопряженной с местом пилота, снабжен солнечной батареей с электромотором (БЭ), килем и стабилизатором (КС).
На фиг. 1 показан 2-х ступенчатый ускоритель ЛА, где 1 - двигатель, 2 - вал, 3 - маховик, 4 - желоб, 5 - арретир, 6 - гироскоп, 7 - планетарный редуктор, 8 - маховик-гироскоп, 9 - штыри, 10 - асимметричный подшипник, 11 - 2-й желоб, 12 - ЛА, 13 - вторые штыри, 14 - асимметричный подшипник скольжения, 15 - пластины М, 16 - пластины МГ, 17 - АГ, 18 - основание ПУ, 19 - БЭ, 20 - КС. Стрелки - направления вращения.
Двигатель 1, размещенный на основании ПУ 18, обеспечивает вращение вала 2 на оси для создания требуемого момента количества движения маховика 3, гироскопа 6, маховика-гироскопа 8.
Арретир 5 удерживает ЛА неподвижным благодаря асимметричному подшипнику 10 при увеличении угловой скорости маховика 3 и желоба 4 до требуемого значения, например, до 50 Гц.
ЛА 12 с реактивным двигателем имеет дисковидную форму, поскольку он должен быть обтекаемым спереди в околоземной атмосфере по направлению движения при отсутствии своего вращения вследствие асимметричного подшипника 10 во время перемещения асимметричного подшипника скольжения 14 вдоль желоба 4 на угол порядка 2п. Отсутствие вращения ЛА 12 из-за асимметричного подшипника 10 обуславливает во время пуска, длящегося доли секунды, вращение центробежной силы по отношению к пилотам, тем самым сводя к нулю ее воздействие на них.
Штыри 9 сопрягают ЛА 12 с внутренней частью асимметричного подшипника 6 для возможности и удержания, и последующей отстыковки ЛА 12 с помощью подъема пластинами 16 ЛА 12, вынимая тем самым штыри 9 из отверстий в ЛА 12.
Вторые штыри 13 сопрягают 3-ю ступень, т.е. ЛА, с внутренней частью асимметричного подшипника скольжения 14 для возможности и удержания, и последующей отстыковки с помощью подъема пластинами 15 3-й ступени, вынимая тем самым 2-е штыри 13 из отверстий во 2-й ступени.
Планетарный редуктор 7 обеспечивает вращение в противоположные стороны гироскопа 6 и маховика-гироскопа 8 для поддержания нулевого суммарного момента вращения после отстыковки от 1-й ступени ускорителя.
Желобы 4 и 11 направляют при пусках перемещение соответственно 2-й ступени ускорителя и ЛА 12.
Арретир-гироскоп 17 с осью, нормальной к оси М, Г, МГ удерживает начальную ориентацию пилота, а также фиксирует ЛА 12 перед его отстыковкой от 2-й ступени ускорителя.
БЭ 19 обеспечивает поддержание вращений Г, МГ, АГ при автономном полете без двигателя 1 и без маховика 3.
КС 20 стабилизируют полет ЛА в плотных слоях атмосферы и под более острым углом к нормали от поверхности Земли по сравнению с углом плоскости вращения маховика М.
Полезная модель работает следующим образом. Перед пуском ЛА 12 размещается на оси вращения вала 2 в зафиксированном состоянии с помощью арретира 5, который не позволяет вращаться ЛА 12 после включения двигателя 1 и разгона маховиков 3, 8, гироскопов 6, 17 и желобов 4, 11 до требуемой скорости вращения. По достижению необходимой скорости вращения w, снимается фиксация с помощью арретира 5 неподвижного состояния ЛА 12, 2-й ступени ускорителя и под действием центробежной силы асимметричного подшипника скольжения 14 с массой m, передаваемой на ЛА 12 и 2-ю ступень ускорителя с суммарной массой М, происходит мгновенный толчок ЛА 12 с допустимым ускорением:
n
t
где m - масса вращавшейся вместе с 4 внешней части асимметричного подшипника скольжения 14 с удаленностью m на расстояние r от оси вращения. После этого толчка, 14 начинает перемещать ускоренно ЛА 12, 2-ю ступень ускорителя вдоль криволинейного желоба 4, форма которого должна удовлетворять условиям отсутствия сил реакции, сопротивления центробежной силе, приводящих к перегрузке (одна центробежная сила, как и гравитация, т.е. сила дальнодействия, на ЛА в целом, перегрузки не вызывает), с нормальной (dV) и тангенциальной (dV) компонентами приращения скорости летательного аппарата (ЛА) при его центробежном ускорении на вращающемся желобе 4 с угловой скоростью w:
t
где R, R′ - расстояние ЛА от оси вращения в текущий момент времени t и производная этого расстояния по времени.
Так, например, при смещении центра масс ЛА 12 со 2-й ступенью в начальный момент ускорения с оси вращения в пределах 0,01 м, w=50 Гц, массе маховика 3, равной 5 т, массе ЛА со 2-й ступенью, равной 1 т, радиусе маховика и удаленности точки отрыва ЛА 12 со 2-й ступенью от оси вращения на 30 м, через 0,031 с. при частоте вращения в момент отрыва ЛА от ПУ 40 Гц (здесь уменьшение w произошло из-за движения ЛА 12 со 2-й ступенью от оси вращения ПУ и выполнения закона сохранения момента количества движения), тангенциальная и нормальная компоненты линейной скорости ЛА со 2-й ступенью в момент отрыва будут 9866 м/с, 8913 м/с.
В момент отрыва ЛА 12 со 2-й ступенью от ПУ происходит одновременное отделение и от асимметричного подшипника скольжения 14, который продолжает вращение с торможением сам в замкнутой, не используемой ЛА 12 со 2-й ступенью части желоба 4, расположенной вдоль окружности маховика 3.
Плоскость вращения маховика 3 при пуске составляет с основанием ПУ 18 острый угол порядка п/8, …, п/4.
7
4
При массе маховика 3 М=25 т, 2-й ступени и ЛА 6 т, радиусе R=30 м, ускорении ЛА с помощью 3 за время 0,02 с до скорости V=9000 м/с, усредненной длине желоба 4 S=2пR/2=90 м, развиваемая мощность при пуске будет 5 10 Мвт и для ее получения, т.е. чтобы раскрутить маховик 3 до w=50 Гц, необходима работа энергоблока электростанции мощностью 500 Мвт в течении t=2 10 с.=5 час. 30 мин.
Высокий КПД достигается за счет многоразового использования 1-й ступени ускорителя, малой массы 2-й ступени и громадных ускорений.
Таким образом, получаем повышение КПД до порядка 80%, упрощение конструкции и не использование вспомогательных ЛА, токсического топлива, а также осуществляем большие, почти мгновенные ускорения без перегрузки пилотов в запускаемых ЛА.