СПОСОБ ВЫВОДА В КОСМОС КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ С ПОМОЩЬЮ МНОГОРАЗОВОЙ СИСТЕМЫ И СИСТЕМА ДЛЯ МНОГОРАЗОВОГО ВЫВОДА В КОСМОС КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
METHOD OF LAUNCHING SPACESHIPS BY REUSABLE SYSTEM AND SYSTEM FOR MULTIPLE LAUNCHING OF SPACESHIPS

Изобретение относится к ракетно-космической технике и, в частности, к устройствам для запуска в космос космических объектов.
Одной из важнейших характеристик ракетных систем для вывода в космос космических объектов является экономичность запуска космических объектов, показателем которой является стоимость запуска в космос 1 кг полезного груза, которая в настоящее время составляет 10…40 тыс. $ США [Ж. «Новости космонавтики» №3, 2009 г., стр.71]. Такая большая стоимость затрудняет широкое хозяйственное освоение космического пространства. Существенное снижение стоимости запуска в космос одного килограмма полезного груза (до 2000 $ США) предполагается получить с помощью многоразовой авиационно-космической системы (МАКС) [Ж. «Новости космонавтики» №3, 2009 г., стр.72], однако и эта предполагаемая стоимость остается непомерно высокой.
Известный способ вывода в космос с помощью состоящей из самолета и закрепленной на его фюзеляже ракетной ступени многоразовой авиационно-космической системы (МАКС) космических объектов включает горизонтальный взлет, подъем до определенной высоты (~14 км) и разгон до максимально возможной расчетной скорости полета оборудованного воздушно-реактивными двигателями (ВРД) самолета, вертикальные взлет и вывод в космос оборудованной ракетными двигателями космической ступени [Ж. «Новости космонавтики» №3, 2009 г., стр.72].
Известно устройство для вывода в космос с помощью многоразовой авиационно-космической системы (МАКС) космических объектов, содержащее оборудованный воздушно-реактивными двигателями (ВРД) самолет, на фюзеляже которого закреплена оборудованная ракетными двигателями (РД) ракетная ступень.
Работает устройство следующим образом. На взлетно-посадочную полосу (ВПП) выводится самолет с закрепленной на его фюзеляже ракетной ступенью. Запускается ВРД самолета. Он разбегается, взлетает, поднимается на высоту 13…14 км и разгоняется до расчетного значения скорости полета. По достижении расчетной скорости полета запускаются РД ракетной ступени. По достижении расчетного режима работы РД ракетная ступень отсоединяется от самолета и уходит в космическое пространство. После отсоединения ракетной ступени самолет переходит в режим снижения и по достижении поверхности земли садится на ВПП. В известных способе и устройстве значительная часть топлива для работы двигателей самолета расходуется на подъем летательного аппарата до расчетной высоты полета, на которой стартует ракетная ступень летательного аппарата. Стоимость этого топлива составляет существенную долю стоимости запуска в космос космического объекта, что является недостатком известных способа и устройства для вывода в космос космических объектов.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в разработке способа и системы для многоразового вывода в космос космических объектов, обеспечивающих более низкую стоимость вывода в космос этих объектов.
Это достигается тем, что в известном способе вывода в космос космических объектов с помощью многоразовой системы, состоящей из оборудованного воздушно-реактивными двигателями (ВРД) самолета и пристыкованной к нему оборудованной жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) ракетной ступени, включающем последовательно запуск ВРД, разбег по взлетно-посадочной полосе (ВПП), взлет, подъем на заданную высоту, разгон самолета до заданной скорости и запуск ракетных двигателей (РД) ракетной ступени, согласно изобретению сначала осуществляют разбег по ВПП, взлет, подъем на заданную высоту путем буксировки самолета с помощью троса, приводимого в движение закрепленной на земной поверхности в направлении полета лебедкой, и только после этого запускают ВРД самолета, осуществляют разгон его до заданной скорости и затем запускают ЖРД ракетной ступени.
Это можно достигнуть также тем, что в известном способе перед стартом в самолете устанавливают дополнительные баки с ракетным топливом, а после достижения самолетом при его буксировке заданных высоты и скорости полета включают подачу топлива из этих баков в ЖРД, запускают эти двигатели и после опорожнения дополнительных баков отсоединяют ракетную ступень от самолета и направляют ее в космос, а самолет к ВПП.
Это достигается также тем, что в известной системе для многоразового вывода в космос космических объектов, включающей установленный на взлетно-посадочной полосе (ВПП) самолет с закрепленной на его фюзеляже оборудованную жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) ракетной ступенью, к передней части самолета подключен трос от установленной на земной поверхности в направлении полета лебедки. Подключенный к самолету конец троса оборудован тормозным парашютом, а сам трос уложен на закрепленные, например, в коробе ролики. Второй конец троса на выходе из лебедки пропущен между двумя дополнительными роликами, установленными на консоли, закрепленной с возможностью качания ее в горизонтальной плоскости этот конец троса направлен в бассейн с незамерзающей жидкостью.
Кроме этого, по всей длине поднимаемой в воздух части троса с интервалом, например, один километр закреплены крылья (планеры). Используемая в системе лебедка выполнена в виде, например, двух многоручейковых фрикционных шкивов, на которые последовательно намотан уложенный в ручейки трос, при этом валы шкивов подключены к газотурбинному или электрическому приводу. Имеющаяся в системе консоль с роликами подключена к приводу для качания ее в горизонтальной плоскости.
На фиг.1 показана система в плане. На фиг.2 схематично показана система в стадии завершения буксировки. На фиг.3 показан (увеличено) фрагмент I фиг.1. На фиг.4 показана лебедка.
Система содержит летательный аппарат 1, состоящий из самолета 2 и ракетной ступени 3. К аппарату 1 посредством троса 4 подключена лебедка 5. На выходе из лебедки 5 трос 4 опущен в бассейн 6 с незамерзающей жидкостью. Между летательным аппаратом 1 и лебедкой 5 трос 4 уложен на закрепленные, например, в коробе 7 ролики 8. Через лебедку 5 трос 4 протягивается с помощью привода 9, который может быть выполнен в виде газотурбинной установки или силового агрегата с электрическими двигателями. Для уменьшения нагрузки на лебедку 5 часть роликов 8 может быть оборудована автономными приводами с обгонными муфтами 10. Для упорядочения укладки троса 4 в бассейне 6 на выходе из лебедки 5 он пропущен между двумя дополнительными роликами 11, закрепленными на консоли 12. Консоль 12 при запуске летательного аппарата 1 совершает колебательные движения с помощью сервопривода 13. Для предупреждения неупорядоченного движения троса 4 после отстыковки его в полете от летательного аппарата 1 и поддержании его в натянутом состоянии на пристыкованном к летательному аппарату 1 на конце троса 4 закреплен тормозной парашют 14.
При подъеме летательного аппарата 1 с помощью троса 4 вверх на летательный аппарат, кроме силы тяжести, будет воздействовать также вертикальная составляющая силы натяжения троса, а также сила веса троса. Чтобы уменьшить эту силу или полностью устранить ее, на тросе можно закрепить (на некотором расстоянии от летательного аппарата) одно или большее количество подобных планеру крыльев 15. При взлете летательный аппарат разгоняется по взлетно-посадочной полосе (ВПП) 16. Закрепленный на ВПП 16 короб 7 выполняется с поперечными размерами, меньшими поперечных размеров проема между колесами шасси (шасси на рисунке не показано) летательного аппарата 1. Этим обеспечивается беспрепятственное перемещение летательного аппарата по ВПП над коробом.
Лебедка 5 выполнена, например, в виде двух расположенных параллельно фрикционных шкивов с ручейками 19, на которые намотан трос 4. Валы 18 барабанов приводятся во вращение с помощью привода 9. В качестве источника механической энергии в этом приводе могут использоваться газотурбинные или другие двигатели.
Работает система следующим образом. На ВПП 6 над коробом 7 устанавливается летательный аппарат 1 с включенным тормозом шасси. К летательному аппарату 1 пристыковывается предварительно уложенный на ролики 8 передний конец троса 4 и сложенный тормозной парашют 14. По команде на взлет запускается с помощью привода 9 лебедка 5 и с ее помощью натягивается трос 4. По достижении требуемого натяжения троса 4 отпускается тормоз шасси самолета и он начинает разбег. При достижении достаточной для взлета скорости он переходит по наклонной траектории в набор высоты. По достижении заданной (расчетной) высоты, например 14 км, самолет переходит на горизонтальный полет. По достижении максимально достижимой с помощью лебедки расчетной скорости полета запускаются ВРД самолета 2 летательного аппарата 1 и после развития ими тяги, близкой или больше тяги, создаваемой лебедкой, от летательного аппарата 1 отстыковывается трос 4 с тормозным парашютом 14, открывается тормозной парашют 14,и трос 4 с помощью лебедки подается в бассейн с незамерзающей жидкостью, где тормозится и благодаря качанию в одной (горизонтальной) плоскости консоли 12 с роликами 11 он упорядоченно опускается на дно бассейна 6.
После отстыковки троса 4 от летательного аппарата 1 он с помощью ВРД разгоняется до максимально достижимой для используемых ВРД высоты и скорости полета летательного аппарата, после этого запускаются ракетные двигатели второй ступени 3 и после выхода их на штатный режим работы вторая ступень отстыковывается от самолета 2 и уходит в космос, а самолет направляется к ВПП 16 на посадку.
Оборудование части роликов приводами 10 позволит уменьшить нагрузку на лебедку в момент старта летательного аппарата в наземных условиях, а использование приводов 10 с обгонными муфтами обеспечит свободное вращение роликов 8 при выключенных приводах 10. Закрепление на передней части троса 4 вспомогательных крыльев 15 позволит уменьшить вертикальную нагрузку на летательный аппарат 1, а также уменьшить провисание троса 4.
В соответствии со вторым вариантом способа на самолете можно установить баки с ракетным топливом и присоединить эти баки к ракетным двигателям ракетной ступени, т.е. использовать самолет в качестве грузового планера. В этом случае самолет будет выполнять функцию спасаемых дополнительных баков.
Работает этот вариант системы следующим образом. Путем буксировки самолет разгоняют до максимально достижимых высоты и скорости полета. После этого включают подачу ракетного топлива из расположенных на самолете баков, запускают ракетные двигатели, отсоединяют трос и направляют летательный аппарат в космос. После опорожнения установленных на самолет баков ракетная ступень отделяется от самолета и продолжает полет в космос, а самолет направляется на ВПП. В этом случае на самолете могут использоваться маломощные посадочные ВРД.
Как следует из описания работы системы, предлагаемое изобретение позволит летательному аппарату не только подняться на необходимую для старта ракетной ступени высоту при неработающих ВРД самолета, но и разогнать его до определенной скорости, что значительно уменьшит потребное, по сравнению с известными способом и устройством, количество горючего для работы ВРД самолета летательного аппарата, а тем самым существенно снизить стоимость запуска в космос 1 кг полезного груза.
Необходимо также отметить, что запуск ВРД самолета в режиме полета позволит использовать на самолете прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ВРД) или гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ГПВРД), позволяющие разогнать самолет летательного аппарата до более высоких значений высоты и скорости полета (для посадки самолета на ВПП могут быть использованы при этом дополнительные маломощные газотурбинные двигатели (ГТД)).
Анализ возможности реализации предлагаемых способа и системы многократного запуска космических объектов показывает, что для рассматриваемого в заявке случае потребуется длина троса ≈100 км. Оценим его геометрические и весовые характеристики.
3
Предположим, что он изготовлен из материала, близкого к материалу рыболовной лески. Согласно ценникам в магазинах, например, с помощью лески толщиной 0,45 мм можно поднять рыбу весом до 18 кг. Если из подобного материала изготовить трос, то расчет показывает, что для создания тяги F=100 тc потребуется трос диаметром ≈34 мм. При плотности материала троса, например, ρ=1,5 г/см вес такого троса длиной 100 км составит P=l35 тc. Этот грубооценочный пример показывает возможность практической реализации предлагаемого изобретения.