ТРАНСПОРТНЫЙ САМОЛЁТ ДЛЯ ПЕРЕВОЗКИ И РАЗГОНА В СТРАТОСФЕРЕ РАКЕТ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
TRANSPORT AIRCRAFT FOR SPACE ROCKETS CARRYING AND ACCELERATION IN STRATOSPHERE

Изобретение относится к авиационной технике и, в частности, к самолетам для транспортировки и разгона в стратосфере земли ракет космического назначения. Самолет может быть также использован для перевозки крупногабаритных тяжелых народнохозяйственных грузов и т.д.
Одной из важнейших характеристик ракетных систем для вывода в космос космических объектов является экономичность запуска космических объектов, показателем которой является стоимость вывода в космос 1 кг полезного груза, которая в настоящее время составляет 10…40 тыс.$ США [Ж. «Новости космонавтики» №3. 2009 г., стр.71.]. Там же отмечается, что «все современные «тяжеловесы» выводят на низкую околоземную орбиту полезные грузы массой около 20-25 т».
Существенное снижение стоимости запуска в космос одного килограмма полезного груза (до 2000 $ США) предполагается получить с помощью многоразовой авиационно-космической системы (МАКС) [Там же, стр.72.].
Известна [ВИКИПЕДИЯ] «Многоцелевая авиационно-космическая система (МАКС) - проект использующего метод воздушного старта двухступенчатого комплекса космического назначения, состоящего из самолета-носителя (Ан-225 «Мрия»), на котором устанавливается орбитальный самолет-космоплан с одноразовым внешним топливным баком. Орбитальный самолет может быть как пилотируемым, так и беспилотным. Вариант системы допускает также установку вместо многоразового орбитального самолета одноразовой грузовой ракетной ступени». В вариантах с космопланом полезный груз на низкую орбиту составляет 7 тонн, с ракетной ступенью - 18 тонн. Стартовая масса ракетной системы - 275 тонн.
Основным недостатком этого самолета является возникающий в полете момент силы сопротивления ракетно-космической ступени относительно плоскости крыльев, что существенно ухудшает управляемость самолетом и аэродинамические характеристики самолета.
Известен также самолет Stratolaunch (США) [Википедия]. Он будет состоять из двух фюзеляжей, соединенных перегородкой (центральным крылом), на которой будет располагаться ракета, таким образом он будет выглядеть как самолет-катамаран, в середине которого находится ракета. Размах его крыльев составит около 126 (114?) метров, что превышает размер футбольного поля, а поднимать в воздух эту конструкцию будут шесть двигателей от Боинга-747, закрепленных на боковых консолях крыла. У этого самолета фюзеляжи, двигатели и ракетная ступень находятся примерно в одной горизонтальной плоскости. Этим устраняется основной недостаток вышерассмотренного самолета (Ан-225). При размахе крыльев 126 (114?) м он может поднять ракету массой 220 т, выводимая в космос полезная нагрузка которой 6,1 т. Можно утверждать, что этот вес полезной нагрузки практически предельный для такой конструкции (для увеличения этого параметра потребуется увеличить размах крыла, а это сделать практически невозможно). Такая ограниченность по величине полезной нагрузки является ее существенным недостатком.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в разработке самолета, позволяющего значительно увеличить массу выводимых в стратосферу земли ракет космического назначения, улучшить управляемость самолета и снизить удельную стоимость выведения в космос полезных грузов.
Это достигается тем, что в транспортном самолете, содержащем в своем составе два фюзеляжа, шасси, кили, хвостовое оперение, прикрепленное к фюзеляжам состоящее из двух консолей и центральной части крыло, а также установленные на консолях крыла двигатели, согласно изобретению кили фюзеляжей выполнены в виде удобообтекаемых стоек, на верхнем торце которых закреплено дополнительное крыло с двигателями на его консолях, выполняющее в том числе функции хвостового оперения, а задние части фюзеляжей связаны удобообтекаемой перемычкой и при этом на верхних поверхностях центральной части крыла и перемычки закреплены ложементы - направляющие для закрепления грузов, например ракет космического назначения. Эти ложементы используются также как рельсовые направляющие.
Фактически рассматриваемый самолет может быть использован в качестве воздушного стартового комплекса для ракет космического назначения с автономной системой подготовки, измерения и управления процессом запуска ракеты.
Этот транспортный самолет может быть выполненным с прижатыми друг к другу и закрытыми удобообтекаемой оболочкой фюзеляжами, т.е. фактически с одним широким фюзеляжем повышенной вместимости.
Для увеличения массы выводимого в космос полезного груза шасси самолета можно выполнить в виде легко отсоединяемой самоходной платформы, подобной, например, электровозу железной дороги.
Для повышения продольных устойчивости и управляемости при перевозке длинномерных тяжелых грузов, например ракет с продольной компоновкой ступеней, его крыло может быть выполнено с обратной стреловидностью
На фиг.1 показан вид на самолет в плане (сверху). На фиг.2 показан вид в сечении А-А фиг.1. На фиг.3 показан вид на самолет спереди. На фиг.4 показан вид на самолет спереди для случая, когда центральная часть крыла закреплена у нижней части фюзеляжа. На фиг.5 показан вид в сечении А-А для варианта выполнения самолета с отсоединяемым перед моментом взлета шасси, которое на рисунке выполнено в виде высокоскоростного электровоза. На фиг.6 показан вид в сечении А-А для варианта перевозки ракеты космического назначения с продольной компоновкой ступеней ракеты. На фиг.7 показан вид в плане на вариант самолета с прижатыми друг к другу фюзеляжами. На фиг.8 показан вид спереди на вариант самолета с прижатыми друг к другу фюзеляжами. На фиг.9 показан вид сверху на вариант самолета с крылом обратной стреловидности.
Самолет содержит фюзеляжи 1, шасси 2, кили 3, состоящее из центральной секции 4 и консолей 5 крыло 6, закрепленные на консолях крыла 6 двигатели 7, фюзеляжи 1 в задней части связаны удобообтекаемой перемычкой 8. Эта перемычка и центральная часть крыла 4 служат опорой для ложементов-направляющих 9. Ложементы 9 в свою очередь служат опорой для перевозимых грузов, например ракет 10, и одновременно могут служить рельсовыми направляющими при запуске этих ракет. Для создания дополнительной подъемной силы на верхних торцах килей 3 закреплено дополнительное крыло 11, на консолях 12 которого закреплены двигатели 7. Если самолет не предназначен для перевозки крупногабаритных грузов на наружной поверхности фюзеляжей, эти фюзеляжи 1 могут быть прижаты друг к другу и укрыты для уменьшения лобового сопротивления оболочкой 13, как показано на фиг.7 Для уменьшения массы самолета он может быть выполнен без шасси, как показано на фиг.5. В этом случае в качестве шасси используется самоходное транспортное средство, например выполненный в виде плоской платформы электровоз 14 железной дороги 15. Для повышения продольной устойчивости и управляемости самолета он может быть выполнен с крылом обратной стреловидности как показано на фиг.9
Работает рассматриваемый самолет следующим образом.
На ложементы-направляющие 9 укладывают ракету 10, соответствующим образом закрепляют ее, заправляют компонентами топлива и по готовности к старту запускают все двигатели 7 самолета и направляют его на взлет. По достижению самолетом заданной высоты и скорости полета запускают двигатели ракеты и по выходу двигателей ракеты на расчетный режим работы отключают ракету от ложементов-направляющих и направляют ее в космос. После отлета ракеты самолет направляют к месту старта.
Самолет фактически выполняет функцию стартового комплекса для ракет космического назначения. При этом он, практически, не имеет проблем с защитой ракеты и стартового комплекса от воздействия газодинамических, акустических, ударно-волновых и тепловых нагрузок.
Вариант самолета, представленный на фиг.4, позволяет приподнять ракету над центральной секцией 4 крыла 6, что облегчает защиту этой секции от высокотемпературных струй стартующей ракеты 10.
Представленный на фиг.5 вариант самолета с отсоединяемым шасси позволяет существенно уменьшить массу поднимающегося в воздух самолета и за счет этого увеличить массу ракеты и соответственно массу полезного груза.
Показанный на фиг.5 самолет работает следующим образом. Предварительно установленный и закрепленный на самодвижущейся платформе (электровозе) 14 самолет подвозят на старт, закрепляют на нем ракету 10 и по готовности ракеты к старту запускают на холостые обороты двигатели 7 самолета. После этого приводят в движение электровоз, разгоняют его до взлетной скорости, например 300-500 км/час, переводят на штатный режим работы двигатели самолета, отключают самолет от платформы и переводят его в набор высоты, а платформу в режим торможения и возврата на место старта. После запуска ракеты самолет возвращается к месту старта. При приближении самолета к земле платформу 14 разгоняют до посадочной для самолета скорости, после чего самолет ее догоняет, зависает над ней и мягко опускается. После этого в автоматическом режиме он фиксируется на этой платформе, а платформа останавливается и после этого возвращается на место старта.
Работа самолета, показанного на фиг.7 и 8, принципиально ничем не отличается от работы современных транспортных самолетов.
Работа самолета, показанного на фиг.9, принципиально ничем не отличается от работы самолета, показанного на фиг.1.
Оценим эффективность рассматриваемого изобретения.
В качестве наиболее близкого по техническим характеристикам возьмем вышеупомянутый самолет Ан-225. Этот самолет с одним создающим подъемную силу крылом и шестью закрепленными на нем двигателями имеет подъемную массу ~600 т и позволяет вывести на околоземную орбиту полезный груз массой ~18 т.
В рассматриваемом изобретении ничто не мешает в качестве дополнительного крыла закрепить крыло, подобное основному крылу, с теми же шестью двигателями. В этом случае очевидно, что этот самолет может иметь подъемную массу ~1200 т и сможет вывести на ту же земную орбиту полезный груз массой ~36 т. Еще большую массу полезного груза можно поднять, если использовать показанный на фиг.5 самолет с шасси в виде электровоза скоростной железной дороги (в этом случае не нужно поднимать в воздух многотонное шасси).
Об эффективности самолета, показанного на фиг.7 и 8, можно сказать следующее. При одинаковых с обычным самолетом размахе крыльев и длине фюзеляжа он сможет, благодаря в двое большей площади крыльев и количеству двигателей, поднимать и перевозить грузы с примерно в два раза большей массой.