МНОГОРАЗОВАЯ КОСМИЧЕСКАЯ ТРАНСПОРТНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОДНОСТОРОННЕЙ ДОСТАВКИ ГРУЗОВ И МАССОВОЙ ДОСТАВКИ ТУРИСТОВ С ОКОЛОЛУННОЙ ОРБИТЫ НА ПОВЕРХНОСТЬ ЛУНЫ И ПОСЛЕДУЮЩЕГО ВОЗВРАЩЕНИЯ НА ЗЕМЛЮ
REUSABLE SPACE TRANSPORTATION SYSTEM FOR ONE-WAY CARGO DELIVERY AND MASS DELIVERY OF TOURISTS FROM LONG ORBIT TO THE LUNAR SURFACE AND FOLLOWING RETURN TO EARTH

Область техники
Изобретение относится к области ракетно-космической техники и может найти применение при создании ракетно-космических комплексов, обслуживающих индустрию космического туризма.
Уровень техники
Известна ракетно-космическая система (Гудилин В.Е., Слабкий Л.И. Ракетно-космические системы. (История. Развитие. Перспективы). - М., 1996. - 326 с.), разработанная в СССР для доставки космонавтов на Луну, состоящая из трехступенчатой ракеты-носителя (РН) Н1 (ступени А, Б, В), разгонного к Луне ракетного блока Г, доразгонного и тормозного для перехода на орбиту вокруг Луны и для спуска к Луне блока Д, лунного орбитального корабля (ЛОК) с ракетным блоком И и лунного корабля (ЛК) с ракетным блоком Е, предназначенного для посадки одного космонавта на поверхность Луны в составе ЛК с ракетным блоком Е и последующего взлета ЛК с ракетным блоком Е с поверхности Луны, стыковки ЛК с ЛОК, разгона ЛОК к Земле с помощью ракетного блока И, входа спускаемого аппарата ЛОК со второй космической скоростью в атмосферу Земли и посадки на Землю на парашютах. Недостатком данного технического решения является невозможность односторонней доставки грузов и массовой доставки с окололунной орбиты на поверхность Луны туристов и последующего возвращения на Землю в связи с ограниченностью диаметра лунного комплекса ЛЗ, обусловленной ограниченностью диаметра ракетного блока Г РН Н1, применение одноразовых элементов, требующих больших материальных затрат и удорожающих стоимость «путевки» для полета к Луне, большие перегрузки, испытываемые космонавтами при возвратном движении в атмосфере Земли с гиперзвуковой скоростью и невозможность управления траекторией по дальности и боковой координате при полете в атмосфере.
В качестве аналога может быть приведена ракетно-космическая система (Александров В. А., Владимиров В.В., Дмитриев Р.Д. и др. Ракеты-носители. - М.: Воениздат, 1981. - 315 с.), созданная в США, включающая трехступенчатую РН «Сатурн-5» с космическим аппаратом (КА) «Аполлон» и лунным модулем, обеспечившая 50 лет назад впервые в истории цивилизации переход с околоземной орбиты на окололунную орбиту с использованием третьей ступени РН, КА с тремя астронавтами на борту и лунного модуля. Посадочная ступень лунного модуля обеспечивала спуск двух астронавтов с окололунной орбиты на поверхность Луны, а взлетная ступень лунного модуля - взлет с поверхности Луны и стыковку с КА, находящимся на окололунной орбите. Служебный модуль КА обеспечивал выход на траекторию движения к Земле и движение по этой траектории, командный модуль КА обеспечивал вход в атмосферу Земли со второй космической скоростью, движение в атмосфере Земли и посадку на парашютах на морскую поверхность. Недостатком системы является невозможность односторонней доставки грузов и массовой доставки с окололунной орбиты на поверхность Луны туристов и последующего возвращения на Землю в связи с ограниченностью диаметра КА «Аполлон», обусловленной ограниченностью диаметра третьей ступени РН «Сатурн-5», применение одноразовых элементов, требующих больших материальных затрат и удорожающих стоимость «путевки» для полета к Луне, большие перегрузки, испытываемые астронавтами при возвратном движении в атмосфере Земли с гиперзвуковой скоростью и невозможность управления траекторией по дальности и боковой координате при полете в атмосфере.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и принимаемым в качестве прототипа является устройство для доставки туристов с окололунной орбиты на поверхность Луны и последующего возвращения на Землю по заявке №2019137150, содержащее лунный орбитальный корабль (ЛОК), представляющий собой вторую ступень ракеты-носителя, выполненный в форме сплюснутого в поперечном направлении и заостренного в передней части диска с развитым плоским и скошенным к кормовой части днищем, по бокам которого установлены аэродинамические кили, оснащенный маршевыми и рулевыми ракетными двигателями, установленными в кормовой части корпуса и работающими на экологически чистых компонентах топлива, аэродинамическими рулями, используемыми при возвратном движении в атмосфере для управления углами атаки и крена - кормовым щитком и элевонами, установленными в кормовой части днища, а также рулями направления, установленными на задних частях килей, выпускаемыми шасси для посадки «по-самолетному» на аэродром базирования, кабиной экипажа с фонарем кабины, системой управления, тепловой защитой передней части корпуса, днища, аэродинамических килей и рулей от внешних тепловых потоков при движении в плотных слоях атмосферы Земли с гиперзвуковой скоростью, снабженный необходимым запасом топлива, необходимым оборудованием, снаряжением и средствами жизнеобеспечения заданного числа членов экипажа и туристов, рассчитанный на многоразовое применение, а все его двигатели - на многократное включение, для заправки топливом на околоземной орбите от ОЗС с целью доставки туристов с околоземной орбиты на низкую окололунную орбиту ЛОК дополнительно снабжен рулевыми ракетными двигателями, установленными в носовой части корпуса, телескопическим выдвигаемым за обводы корпуса стыковочным узлом, установленным в верхней части корпуса, радиолокационной системой для выполнения операций поиска, обнаружения, сближения, причаливания, стыковки с ОЗС и расстыковки, входящей в состав системы управления, а также электрическими и заправочными интерфейсами, используемыми при стыковке и заправке. С целью доставки туристов с окололунной орбиты на поверхность Луны и последующего возвращения на Землю ЛОК доставляет с Земли на низкую окололунную орбиту туристов и два отдельных снаряженных модуля лунного корабля (ЛК) в составе взлетного модуля (ВМ) и посадочного модуля (ПМ), далее на этой орбите осуществляется автоматическая сборка лунного корабля (ЛК), стыковка ЛК с ЛОК, переход в ВМ ЛК членов экипажа и туристов, отстыковка ЛК от ЛОК, спуск ЛК на поверхность Луны, пребывание на ней в течение заданного времени, старт с Луны ВМ и стыковка на окололунной орбите с ЛОК, переход членов экипажа и туристов из ВМ в ЛОК, отстыковка ВМ, выведение ЛОК на траекторию движения к Земле и последующее возвращение на Землю. Недостатком устройства является невозможность односторонней доставки грузов и массовой доставки туристов с окололунной орбиты на поверхность Луны и последующего возвращения на Землю в связи с недостаточной грузоподъемностью ЛОК и элементов лунного корабля, доставляемых на окололунную орбиту на борту ЛОК.
Таким образом, известные технические средства не могут обеспечить одностороннюю доставку грузов и массовую доставку туристов с окололунной орбиты на поверхность Луны, стремящихся там побывать за более низкую стоимость «путевки», и последующее их возвращение на Землю. Причинами, препятствующими решению этой технической проблемы, являются ограниченность диаметра последних ступеней известных РН и недостаточная грузоподъемность известного многоразового устройства большого диаметра.
Раскрытие сущности изобретения
Предлагается многоразовая космическая транспортная система для односторонней доставки грузов и массовой доставки туристов с окололунной орбиты на поверхность Луны и последующего возвращения на Землю, состоящая из четырех элементов, взаимодействие между отдельными элементами которой обеспечивает выполнение поставленной задачи.
а. Первым элементом системы является ЛОК, задачей которого является доставка с Земли на лунную заправочную станцию (ЛЗС) лунного челнока (ЛЧ) на своей внешней подвеске. ЛОК выполнен в форме сплюснутого в поперечном направлении и заостренного в передней части диска с развитым плоским и скошенным к кормовой части днищем, по бокам которого установлены аэродинамические кили, оснащен маршевыми и рулевыми ракетными двигателями с необходимым запасом топлива, а также системой управления, необходимым оборудованием и выпускаемыми шасси. Для управления углами атаки и крена при возвратном движении в атмосфере на всех участках полета используются аэродинамические рули - кормовой щиток и элевоны, устанавливаемые в кормовой части плоского днища. На задних частях килей установлены аэродинамические рули направления. Управление по дальности и по боковой координате осуществляется путем отклонения корпуса ЛОК на углы атаки и крена при движении в плотных слоях атмосферы. Для защиты корпуса ЛОК от внешних тепловых потоков при возвратном движении в атмосфере с гиперзвуковой скоростью на переднюю часть корпуса, днище, аэродинамические кили и рули нанесено теплозащитное покрытие. Для сближения и стыковки с ОЗС по заявке №2019133502 с целью заправки топливом ЛОК дополнительно снабжен рулевыми ракетными двигателями, установленными в носовой части корпуса, телескопическим выдвигаемым за обводы корпуса стыковочным узлом, устанавливаемым в верхней части корпуса, радиолокационной системой для выполнения операций поиска, обнаружения, сближения, причаливания, стыковки и отстыковки от ОЗС, входящей в состав системы управления, а также электрическими и заправочными интерфейсами. Верхняя часть корпуса ЛОК выполнена плоской, на этой плоской части устанавливаются элементы внешней подвески ЛОК с использованием разъемного соединения системы разделения. К этим элементам перед стартом крепится ЛЧ. В процессе выведения маршевые ракетные двигатели ЛОК, имеющие высокий удельный импульс и работающие на экологически чистых компонентах, поочередно выключают или дросселируют для предотвращения появления перегрузки, превышающей заданную величину. На всех скоростях полета ЛОК при возвратном движении в атмосфере Земли управление аэродинамическими рулями дополняется управлением маршевыми и рулевыми ракетными двигателями. ЛОК рассчитан на многоразовое применение, все его двигатели рассчитаны на многократное включение.
b. Вторым элементом системы является многоразовый ЛЧ, который предназначен для массовой доставки на поверхность Луны туристов и членов экипажа, прибывающих на ЛЗС на борту орбитального корабля (ОК) по заявке №2019133502, и последующего их возвращения с поверхности Луны на ЛЗС. ЛЧ представляет собой круглый герметичный диск большого диаметра с плоским днищем. Для обеспечения ручного управления при посадке на поверхность Луны в передней части ЛЧ имеется кабина экипажа с фонарем кабины. ЛЧ снабжен телескопическим выдвигаемым за обводы корпуса стыковочным узлом, устанавливаемым в верхней части корпуса по вертикальной оси симметрии и закрываемым крышкой, радиолокационной системой для выполнения операций поиска, обнаружения, сближения, причаливания, стыковки и отстыковки от ЛЗС, входящей в состав системы управления, а также электрическими и заправочными интерфейсами, используемыми при стыковке и заправке. Стыковка ЛОК с находящимся на его борту ЛЧ с ЛЗС производится с использованием стыковочного узла ЛЧ. ЛЧ снабжен системами связи, навигации, управления, системами жизнеобеспечения членов экипажа и туристов. Для управления ЛЧ при движении по траектории спуска на поверхность Луны используются рулевые ракетные двигатели малой тяги, установленные по периметру нижней части корпуса диска с направлением вектора тяги параллельно его вертикальной оси. Сопла этих двигателей не выступают за поверхность нижней части корпуса. Двигатели имеют глубокую степень дросселирования тяги. Совокупная тяга двигателей обеспечивает выполнение всех операций управления по траектории спуска ЛЧ с окололунной орбиты, в том числе и мягкую посадку на поверхность Луны. Для управления движением ЛЧ при выполнении стыковочных операций с ЛЗС используются две группы ракетных двигателей сверхмалой тяги.
Сопла первой группы двигателей расположены равномерно по периметру диска, как с верхней, так и с нижней стороны корпуса с осями сопел, параллельными вертикальной оси диска. Сопла второй группы двигателей расположены также по периметру диска, как с верхней, так и с нижней стороны корпуса с одинаковым отклонением осей сопел в направлении касательных к окружностям их размещения попарно в противоположные стороны, так, что пара двигателей с одинаковым направлением сопел, один из которых расположен в верхней части корпуса, а другой - под ним в нижней части, при работе создает управляющий момент только относительно вертикальной оси диска и не создает других моментов. Сопла всех двигателей не выступают за поверхность корпуса. Для работы всех двигателей на всех этапах спуска на поверхность Луны и последующего возвращения на окололунную орбиту и стыковки с ЛЗС ЛЧ оснащен топливной системой, содержащей топливные баки, в которые при заправке перекачивается необходимый объем топлива. Для посадки ЛЧ на поверхность Луны по периметру его корпуса расположены восемь вертикальных опор, внутри каждой из которых расположены телескопические однократно выдвигаемые стойки с посадочными пятами, поглощающими энергию удара при посадке лунного корабля на поверхность Луны. ЛЧ рассчитан на многоразовое применение, все его двигатели рассчитаны на многократное включение. ЛЧ в варианте односторонней доставки грузов на поверхность Луны имеет вместо салона для размещения туристов и средств их жизнеобеспечения грузовой отсек, в который на ЛЗС загружаются грузы, необходимые для доставки на поверхность Луны.
с. Третьим элементом системы является создаваемая на низкой окололунной орбите ЛЗС, которая обеспечивает заправку топливом ЛЧ и снабжение необходимыми средствами жизнедеятельности членов экипажа и туристов при их спуске на поверхность Луны и при последующем возвращении с поверхности Луны на ЛЗС. Снабжение ЛЗС топливом осуществляется с использованием космического танкера (КТ), а снабжение средствами жизнеобеспечения осуществляется с использованием космического грузовика (КГ), предложенных по заявке №2019133502. ЛЗС представляет собой конструкцию из последовательно состыкованных между собой на лунной орбите следующих герметичных модулей: служебного модуля (23), оснащенного панелями солнечных батарей, узлового модуля (25), обеспечивающего стыковку с четырьмя шлюзовыми модулями (26) и модулем окислителя (27), модуля горючего (28), узлового модуля (29), обеспечивающего стыковку с пятью шлюзовыми модулями (30), служебным модулем (31), также оснащенным панелями солнечных батарей. В служебном модуле (23) размещаются: система управления полетом, средства жизнеобеспечения космонавтов, энергетический и информационный центр, средства навигации и связи, а также каюты для космонавтов. В кормовой части размещены ракетные двигатели, служащие для выдачи импульсов скорости. Со шлюзовыми модулями (26) стыкуются космические корабли типа «Орел» (РФ) (www.ng.ru> science>10_7837_eagle) для доставки космонавтов, средств их жизнеобеспечения и топлива для ракетных двигателей служебного модуля (23). Со шлюзовыми модулями (30) стыкуются орбитальный корабль (ОК) с членами экипажа и туристами на борту, прибывшими для посещения Луны, ЛЧ, КТ и КГ. К стыковочному узлу шлюзового модуля (30) стыкуется также и ОК-спасатель. В служебном модуле (31) размещаются доставляемые с использованием КГ средства жизнеобеспечения членов экипажа и туристов на время их пребывания на борту ЛЧ, а также космонавтов, обслуживающих работу ЛЧ, системы связи, управления и каюты этих космонавтов.
d. Четвертым элементом системы, обеспечивающим доставку туристов на окололунную орбиту, стыковку с ЛЗС и последующее возвращение туристов на Землю, является ОК по заявке №2019133502, представляющий собой вторую ступень ракеты-носителя, выполненный в форме сплюснутого в поперечном направлении и заостренного в передней части диска с развитым плоским и скошенным к кормовой части днищем, по бокам которого установлены аэродинамические кили, оснащенный маршевыми и рулевыми ракетными двигателями, установленными в кормовой части корпуса, аэродинамическими рулями, используемыми при возвратном движении в атмосфере для управления углами атаки и крена - кормовым щитком и элевонами, установленными в кормовой части днища, а также рулями направления, установленными на задних частях аэродинамических килей, выпускаемыми шасси для посадки «по-самолетному» на аэродром базирования, кабиной экипажа с фонарем кабины, системой управления, тепловой защитой передней части корпуса, днища, аэродинамических килей и рулей от внешних тепловых потоков при движении в плотных слоях атмосферы Земли с гиперзвуковой скоростью, снабженный необходимым запасом рабочего тела, необходимым оборудованием, снаряжением и средствами жизнеобеспечения экипажа и туристов, рассчитанный на многоразовое применение, а все его двигатели - на многократное включение. Для сближения и стыковки с ОЗС для заправки топливом, а затем и с ЛЗС для перехода членов экипажа и туристов в ЛЧ, ОК дополнительно снабжен рулевыми ракетными двигателями, установленными в носовой части корпуса, телескопическим выдвигаемым за обводы корпуса стыковочным узлом, устанавливаемым в верхней части корпуса, радиолокационной системой для выполнения операций поиска, обнаружения, сближения, причаливания, стыковки и отстыковки от ОЗС или ЛЗС, входящей в состав системы управления, а также электрическими и заправочными интерфейсами, используемыми при стыковке и заправке от ОЗС. В процессе выведения маршевые ракетные двигатели ОК, имеющие высокий удельный импульс и работающие на экологически чистых компонентах, поочередно выключают или дросселируют. На всех скоростях полета ОК при возвратном движении в атмосфере Земли управление аэродинамическими рулями дополняется управлением маршевыми и рулевыми ракетными двигателями.
Задачей этого изобретения является разработка многоразовой космической транспортной системы для односторонней доставки грузов и массовой доставки туристов с окололунной орбиты на поверхность Луны и последующего возвращения на Землю.
Поставленная задача решается тем, что многоразовая космическая транспортная система для односторонней доставки грузов и массовой доставки туристов с окололунной орбиты на поверхность Луны и последующего возвращения на Землю, содержащая ЛОК, выполненный в форме сплюснутого в поперечном направлении и заостренного в передней части диска с плоским и скошенным к кормовой части днищем, по бокам которого установлены аэродинамические кили, оснащенный маршевыми и рулевыми ракетными двигателями, установленными в кормовой части корпуса, аэродинамическими рулями - кормовым щитком и элевонами, установленными в кормовой части днища, а также рулями направления, установленными на задних частях килей, выпускаемыми шасси, системой управления, тепловой защитой передней части корпуса, днища, аэродинамических килей и рулей, снабженный необходимым запасом рабочего тела, необходимым оборудованием, рассчитанный на многоразовое применение, а все его двигатели - на многократное включение, для заправки топливом на околоземной орбите от орбитальной заправочной станции (ОЗС) ЛОК дополнительно снабжен рулевыми ракетными двигателями, установленными в носовой части корпуса, телескопическим выдвигаемым за обводы корпуса стыковочным узлом, установленным в верхней части корпуса, радиолокационной системой, входящей в состав системы управления, а также электрическими и заправочными интерфейсами, в процессе выведения маршевые ракетные двигатели ЛОК, имеющие высокий удельный импульс и работающие на экологически чистых компонентах, поочередно выключают или дросселируют, на всех скоростях полета ЛОК при возвратном движении в атмосфере Земли управление аэродинамическими рулями дополняется управлением маршевыми и рулевыми ракетными двигателями, согласно изобретению, содержит многоразовый ЛЧ, ЛЗС и ОК, при этом для выведения ЛЧ на внешней подвеске ЛОК верхняя часть ЛОК выполнена плоской, на плоской части установлены стыковочный узел с крышкой и элементы внешней подвески ЛОК с использованием разъемного соединения системы разделения.
В состав системы входит многоразовый ЛЧ, который перед стартом с Земли устанавливают на внешней подвеске корпуса ЛОК с использованием разъемного соединения системы разделения, ЛЧ конструктивно представляет собой круглый герметичный диск большого диаметра с плоским днищем, в передней части которого имеется кабина экипажа с фонарем кабины, для сближения и стыковки с ЛЗС, входящей в состав системы, ЛЧ снабжен телескопическим выдвигаемым за обводы корпуса стыковочным узлом, установленным в верхней части корпуса по вертикальной оси симметрии и закрываемым крышкой, радиолокационной системой, входящей в состав системы управления, а также электрическими и заправочными интерфейсами, ЛЧ снабжен системами связи, навигации, управления, ЛЧ снабжен системами жизнеобеспечения туристов и/или членов экипажа, имеет салон или грузовой отсек в который с ЛЗС перемещаются грузы, необходимые для доставки на поверхность Луны, для управления ЛЧ при движении по траектории спуска на поверхность Луны используются рулевые ракетные двигатели малой тяги, устанавливаемые по периметру нижней части корпуса диска с направлением вектора тяги параллельно его вертикальной оси, сопла этих двигателей не выступают за поверхность нижней части корпуса, двигатели имеют глубокую степень дросселирования тяги, при этом совокупная тяга двигателей обеспечивает выполнение всех операций управления по траектории спуска ЛЧ с окололунной орбиты, в том числе и мягкую посадку на поверхность Луны, а для управления движением ЛЧ при выполнении стыковочных операций с ЛЗС используются две группы ракетных двигателей сверхмалой тяги, сопла первой группы двигателей расположены равномерно по периметру диска, как с верхней, так и с нижней стороны корпуса с осями сопел, параллельными вертикальной оси диска, сопла второй группы двигателей расположены также по периметру диска, как с верхней, так и с нижней стороны корпуса с одинаковым отклонением осей сопел в направлении касательных к окружностям их размещения попарно в противоположные стороны, так, что пара двигателей с одинаковым направлением сопел, один из которых расположен в верхней части корпуса, а другой - под ним в нижней части, при работе создает управляющий момент только относительно вертикальной оси диска и не создает других моментов, при этом сопла всех двигателей не выступают за поверхность корпуса, для работы всех двигателей на всех этапах спуска на поверхность Луны и последующего возвращения на окололунную орбиту и стыковки с ЛЗС ЛЧ оснащен топливной системой, содержащей топливные баки, в которые при заправке перекачивается необходимый объем топлива, а для посадки ЛЧ на поверхность Луны по периметру его корпуса расположены восемь вертикальных опор, внутри каждой из которых расположены телескопические однократно выдвигаемые стойки с посадочными пятами, ЛЧ рассчитан на многоразовое применение, все его двигатели рассчитаны на многократное включение.
В состав системы входит создаваемая на низкой окололунной орбите ЛЗС, обеспечивающая ЛЧ топливом и средствами жизнедеятельности членов экипажа и туристов, прибывающих с Земли на ОК, входящем в состав системы, в процессе их спуска на поверхность Луны и последующего возвращении на ЛЗС, состоящая из следующих последовательно состыкованных между собой герметичных модулей: служебного модуля (23) с панелями солнечных батарей, узлового модуля (25) с четырьмя шлюзовыми модулями (26) для стыковки пилотируемых и грузовых космических кораблей, модуля окислителя (27), модуля горючего (28), узлового модуля (29) с пятью шлюзовыми модулями (30) для стыковки ЛЧ, OK, космического танкера (КТ), космического грузовика (КГ), ОК-спасателя, а также служебного модуля (31) с панелями солнечных батарей, при этом в служебном модуле (23) размещаются система управления полетом, средства навигации и связи, энергетический и информационный центр, система жизнеобеспечения космонавтов, а также каюты для космонавтов, в кормовой его части размещены ракетные двигатели, а в служебном модуле (31) размещаются доставляемые с использованием КГ средства обеспечения жизнедеятельности членов экипажа и туристов на время их пребывания на борту ЛЧ, а также космонавтов, обслуживающих работу ЛЧ, системы связи, управления и каюты этих космонавтов.
В состав системы входит ОК, осуществляющий массовую доставку туристов на ЛЗС и обратное их возвращение на Землю после посещения Луны на борту ЛЧ, выполненный в форме сплюснутого в поперечном направлении и заостренного в передней части диска с плоским и скошенным к кормовой части днищем, по бокам которого установлены аэродинамические кили, оснащенный маршевыми и рулевыми ракетными двигателями, установленными в кормовой части корпуса, аэродинамическими рулями - кормовым щитком и элевонами, установленными в кормовой части днища, а также рулями направления, установленными на задних частях аэродинамических килей, выпускаемыми шасси, кабиной экипажа с фонарем кабины, системой управления, тепловой защитой передней части корпуса, днища, аэродинамических килей и рулей от внешних тепловых потоков, снабженный необходимым запасом рабочего тела, необходимым оборудованием, снаряжением и средствами жизнеобеспечения экипажа и туристов, рассчитанный на многоразовое применение, а все его двигатели - на многократное включение, для сближения и стыковки с ОЗС, а затем и с ЛЗС, ОК дополнительно снабжен рулевыми ракетными двигателями, установленными в носовой части корпуса, телескопическим выдвигаемым за обводы корпуса стыковочным узлом, устанавливаемым в верхней части корпуса, радиолокационной системой, входящей в состав системы управления, а также электрическими и заправочными интерфейсами, в процессе выведения маршевые ракетные двигатели ОК, имеющие высокий удельный импульс и работающие на экологически чистых компонентах, поочередно выключают или дросселируют, на всех скоростях полета ОК при возвратном движении в атмосфере Земли управление аэродинамическими рулями дополняется управлением маршевыми и рулевыми ракетными двигателями.
Сущность изобретения поясняется чертежами элементов системы.
На фиг. 1 приведены проекции ЛОК с установленным на нем ЛЧ на вертикальную, горизонтальную и нормальную плоскости, на которых видны основные элементы конструкции ЛОК.
На фиг. 2 приведены проекции ЛЧ на вертикальную и горизонтальную плоскости.
На фиг. 3 приведена схема ЛЗС.
На фиг. 4 приведены проекции ОК на вертикальную, горизонтальную и нормальную плоскости, на которых видны основные элементы конструкции ОК.
На этих фигурах:
1 - корпус ЛОК;
2 - плоское и скошенное к хвостовой части днище;
3 - рулевые ракетные двигатели;
4 - маршевые ракетные двигатели;
5 - кормовой щиток;
6 - элевоны;
7 - аэродинамические кили;
8 - рули направления;
9 - верхняя плоская часть корпуса ЛОК;
10 - стыковочный узел ЛОК;
11 - крышка стыковочного узла ЛОК;
12 - корпус ЛЧ;
13 - плоское днище корпуса ЛЧ;
14 - фонарь кабины экипажа;
15 - стыковочный узел ЛЧ;
16 - крышка стыковочного узла ЛЧ;
17 - рулевые ракетные двигатели малой тяги;
18 - ракетные двигатели сверхмалой тяги;
19 - ракетные двигатели сверхмалой тяги для управления угловым движением ЛЧ относительно вертикальной оси;
20 - вертикальные опоры ЛЧ;
21 - телескопические стойки.
22 - посадочные пяты;
23 - служебный модуль 1;
24 - панели солнечной батареи;
25 - узловой модуль 1;
26 - шлюзовой модуль 1;
27 - модуль окислителя;
28 - модуль горючего;
29 - узловой модуль 2;
30 - шлюзовой модуль 2;
31 - служебный модуль 2;
32 - панели солнечной батареи;
33 - фонарь кабины экипажа;
34 - стыковочный узел ОК;
35 - крышка стыковочного узла ОК.
Осуществление изобретения
Пример возможной реализации предложенного технического решения.
1. ЛОК предназначен для доставки ЛЧ на ЛЗС в автоматическом режиме. По форме корпус ЛОК 1 (фиг. 1) представляет собой сплюснутый в поперечном направлении и заостренный в передней части диск с развитым плоским и скошенным к хвостовой части днищем 2 диаметром 25 м и высотой 5 м. Стартовая масса ОК равна 165 т. При этом:
- масса конструкции - 28.5 т;
- масса топлива для выведения на орбиту ОЗС -122.5 т;
- масса полезного груза -14 т;
- масса заправляемого на ОЗС топлива - 90 т.
В кормовой части ЛОК размещены рулевые ракетные двигатели 3 для управления угловым положением корпуса относительно всех трех осей и маршевые ракетные двигатели 4 с суммарной тягой 240 тс. Количество маршевых ракетных двигателей определяется величиной номинальной тяги каждого из них и возможностью дросселирования тяги. Они работают на экологически чистом топливе «жидкий кислород плюс жидкий водород» и имеют удельный импульс за пределами атмосферы не ниже 450 с. Поочередным отключением двигателей или их дросселированием обеспечивается перегрузка при работе ОК не более 4 единиц, и при этом обеспечивается необходимый уровень надежности выведения. Кроме того, в кормовой части установлены аэродинамические поверхности: кормовой щиток 5 и элевоны 6 для управления углами атаки и крена. По бокам диска установлены аэродинамические кили 7. На задних частях килей установлены рули направления 8. На переднюю часть ОК, на плоское и скошенное к кормовой части днище 2, аэродинамические кили 7 и рули 5, 6, 8 нанесено теплозащитное покрытие (на фиг. 1 не показано). Имеется система автоматического управления, выпускаемые шасси (на фиг. 1 не показано) для посадки «по-самолетному» на аэродром базирования. На всех скоростях полета ОК управление аэродинамическими рулями 5, 6, 8 дополняется управлением маршевыми ракетными двигателями 4 и рулевыми ракетными двигателями 3. Для сближения и стыковки с ОЗС с целью заправки топливом ЛОК дополнительно снабжен рулевыми ракетными двигателями 3, установленными в носовой части корпуса. Верхняя часть корпуса ЛОК 9 выполнена плоской. Здесь установлены стыковочный узел 10 с крышкой 11 и элементы внешней подвески ЛОК с использованием разъемного соединения системы разделения (на фиг. 1 не показано). На элементы внешней подвески устанавливается ЛЧ 12.
2. ЛЧ выполнен в двух вариантах: в первом из них он предназначен для доставки на поверхность Луны грузов, во втором -100 туристов и 10 членов экипажа, прибывающих на ЛЗС на борту ОК, и последующего их возвращения на ЛЗС.ЛЧ конструктивно представляет собой круглый герметичный диск диаметром 10 м и высотой 4 м и имеет плоское днище 13 (фиг. 2). Стартовая масса ЛЧ равна 14 т, в варианте доставки туристов после снабжения на ЛЗС средствами жизнеобеспечения членов экипажа и туристов, заправки топливом и перехода членов экипажа и туристов в ЛЧ его масса в итоге становится равной 85 т. При этом:
- масса конструкции - 10 т;
- масса оборудования и снаряжения - 4 т;
- масса средств жизнеобеспечения - 6 т.
- масса туристов (100 ч) и экипажа (10 ч) - 11 т;
- масса заправляемого на ЛЗС топлива - 54 т.
Для обеспечения ручного управления при посадке на поверхность Луны в передней части ЛЧ имеется фонарь кабины 14 для членов экипажа. Для сближения и стыковки с ЛЗС ЛЧ снабжен телескопическим выдвигаемым за обводы корпуса стыковочным узлом 15, устанавливаемым в верхней части корпуса по вертикальной оси симметрии и закрываемым крышкой 16, защищающей стыковочный узел от лунной пыли, радиолокационной системой для выполнения операций поиска, обнаружения, сближения, причаливания, стыковки и отстыковки от ЛЗС (на фиг. 2 не показано), входящей в состав системы управления, а также электрическими и заправочными интерфейсами, используемыми при стыковке и заправке. ЛЧ снабжен системами связи, навигации, управления, системами жизнеобеспечения членов экипажа и туристов. Для управления ЛЧ при движении по траектории спуска на поверхность Луны используются рулевые ракетные двигатели малой тяги, устанавливаемые по периметру нижней части корпуса диска с направлением вектора тяги параллельно его вертикальной оси симметрии. Сопла 17 этих двигателей не выступают за поверхность нижней части корпуса. Двигатели имеют глубокую степень дросселирования тяги. Совокупная тяга двигателей равна 20 тс и обеспечивает выполнение всех операций по траектории спуска ЛЧ с окололунной орбиты, в том числе и мягкую посадку на поверхность Луны. Для управления движением ЛЧ при выполнении стыковочных операций с ЛЗС используются две группы ракетных двигателей сверхмалой тяги, например, 5 кгс. Сопла 18 первой группы двигателей расположены также по периметру диска, как с верхней, так и с нижней стороны корпуса с осями сопел, параллельными вертикальной оси диска. Сопла 19 второй группы расположены также по периметру диска, как с верхней, так и с нижней стороны корпуса с одинаковым отклонением осей сопел в направлении касательных к окружностям их размещения попарно в противоположные стороны, так, что пара двигателей с одинаковым направлением сопел, один из которых расположен в верхней части корпуса, а другой - под ним в нижней части, при работе создает управляющий момент только относительно вертикальной оси диска и не создает других моментов. Сопла всех двигателей не выступают за поверхность корпуса. Для работы всех двигателей на всех этапах спуска на поверхность Луны и последующего возвращения на окололунную орбиту и стыковки с ЛЗС ЛЧ оснащен топливной системой, содержащей топливные баки, в которые при заправке перекачивается необходимый объем топлива. ЛЧ рассчитан на многоразовое применение, все его двигатели рассчитаны на многократное включение. Для посадки ЛЧ на поверхность Луны по периметру его корпуса расположены восемь вертикальных опор 20, внутри каждой из которых расположены телескопические однократно выдвигаемые стойки 21 с посадочными пятами 22, поглощающими энергию удара при посадке лунного корабля на поверхность Луны. ЛЧ в варианте доставки грузов на поверхность Луны имеет вместо салона для размещения туристов и средств их жизнеобеспечения грузовой отсек, в который на ЛЗС перемещается груз, необходимый для доставки на поверхность Луны. Масса ЛЧ в этом варианте на момент отделения от ЛЗС равна 85 т. При этом:
- масса оборудования и снаряжения -4 т;
- масса средств жизнеобеспечения -1 т.
- масса экипажа (10 ч) - 1 т;
- масса заправляемого на ЛЗС топлива - 50 т;
- масса доставляемого на Луну груза -19 т.
3
3
3
3
3. ЛЗС предназначена для заправки ЛЧ топливом, необходимым для его перелета с низкой окололунной орбиты высотой 100 км на поверхность Луны и последующего возвращения на эту орбиту, снабжения ЛЧ средствами жизнеобеспечения членов экипажа и туристов, а также для пересадки членов экипажа и туристов из ОК в ЛЧ и обратно после пребывания на Луне. ЛЗС представляет собой конструкцию (фиг. 3), состоящую из последовательно состыкованных между собой следующих герметичных модулей: служебного модуля (23), оснащенного панелями солнечных батарей 24, узлового модуля 25, обеспечивающего стыковку с четырьмя шлюзовыми модулями 26, модуля окислителя 27, модуля горючего 28, узлового модуля 29, обеспечивающего стыковку с пятью шлюзовыми модулями 30, служебного модуля 31, оснащенного панелями солнечных батарей 32. В служебном модуле 23 размещены система управления полетом, средства жизнеобеспечения, энергетический и информационный центр, средства навигации и связи, а также каюты для космонавтов. В кормовой части размещены ракетные двигатели, служащие для поддержания заданных параметров орбиты ЛЗС. Со шлюзовыми модулями 26 стыкуются космические корабли типа «Орел» для доставки космонавтов, средств жизнеобеспечения и топлива для ракетных двигателей служебного модуля. Шлюзовые модули 26 могут использоваться для выхода космонавтов в открытый космос. Со шлюзовыми модулями 30 стыкуется ЛЧ для заправки топливом и средствами жизнеобеспечения перед спуском на поверхность Луны, КТ и КГ по заявке №2019133502 для доставки с Земли на ЛЗС топлива и средств жизнеобеспечения членов экипажа и туристов соответственно. В служебном модуле 31 размещены доставляемые с использованием КГ средства обеспечения жизнедеятельности членов экипажа и туристов на борту ЛЧ, а также космонавтов, обслуживающих работу ЛЧ, системы связи, управления и каюты этих космонавтов. Заправка ЛЧ топливом производится при наличии на борту ОЗС 54 т топлива. Максимальная заправка ЛЗС топливом составляет 57 т. При массовом соотношении потребного кислорода к водороду 5,85 масса кислорода равна 48,7 т, а масса водорода - 8,3 т. При удельном весе жидкого кислорода 1,14 т/м, заправляемого при температуре минус 185°С, объем кислородного бака равен 42,7 м. При удельном весе жидкого водорода 0,071 т/м, заправляемого при температуре минус 253°С, объем водородного бака равен 116,9 м. При диаметре баков 5,1 м условная длина цилиндра бака кислорода равна 2,1 м, а бака водорода - 5,75 м.
Массовые характеристики модулей ЛЗС следующие:
- масса модуля СМ-1 - 30 т;
- масса модуля УМ-1 - 4 т;
- масса модуля ШМ-1 - 6 т;
- масса модуля МО - 3 т;
- масса модуля МГ - 10 т;
- масса модуля УМ-2 - 4 т;
- масса модуля ШМ-2 - 8 т;
- масса модуля СМ-2 - 30 т.
Масса сухой станции ЛЗС равна 145 т, при заправке максимальным количеством топлива 57 т и загрузке максимальным количеством средств жизнеобеспечения 19 т в итоге ее максимальная масса равна 221 т. Стрелка на фиг. 3 указывает на направление полета ЛЗС. Каждая из четырех панелей СБ устанавливается на СМ с помощью двухстепенного карданового подвеса с приводами. В процессе полета ЛЗС ориентируется в осях текущей орбитальной системы координат, так что на освещенной части витка приводы панелей солнечных батарей обеспечивают непрерывное совмещение направления нормали к панелям с направлением на Солнце. Перед проведением маневра поддержания заданных параметров орбиты ЛЗС разворачивается по каналу рыскания на 90° до совмещения продольной оси ЛЗС с направлением полета таким образом, чтобы направление вектора тяги маршевых двигателей служебного модуля СМ-1 совпадало с направлением полета, после чего включаются ракетные двигатели служебного модуля СМ-1.
4. ОК предназначен для выведения 100-а туристов и 10-и членов экипажа на низкую окололунную орбиту высотой 100 км, на которой находится ЛЗС, стыковки с ней с целью перехода членов экипажа и туристов в снаряженный ЛЧ для посещения поверхности Луны, обратного перехода их в ОК после такого посещения и последующего возвращения на Землю.
По форме корпус ОК 1 (фиг. 4) представляет собой сплюснутый в поперечном направлении и заостренный в передней части диск с развитым плоским и скошенным к хвостовой части днищем 2 диаметром 25 м и высотой 5 м. Стартовая масса ОК равна 165 т. При этом:
- масса конструкции - 26,5 т;
- масса топлива для выведения на орбиту ОЗС -115,5 т;
- масса оборудования и снаряжения -12 т;
- масса туристов (100 ч.) и экипажа (10 ч.) -11 т;
- масса заправляемого на ОЗС топлива -100 т.
В кормовой части ОК размещены рулевые ракетные двигатели 3 для управления угловым положением корпуса относительно всех трех осей и маршевые ракетные двигатели 4 с суммарной тягой 240 тс. Количество маршевых ракетных двигателей определяется величиной номинальной тяги каждого из них и возможностью дросселирования тяги. Они работают на экологически чистом топливе «жидкий кислород плюс жидкий водород» и имеют удельный импульс за пределами атмосферы не ниже 450 с. Поочередным отключением двигателей или их дросселированием обеспечивается перегрузка при работе ОК не более 4 единиц, и при этом обеспечивается необходимый уровень надежности выполнения задачи. Кроме того, в кормовой части установлены аэродинамические поверхности: кормовой щиток 5 и элевоны 6 для управления углами атаки и крена. По бокам диска установлены аэродинамические кили 7. На задних частях килей установлены аэродинамические рули направления 8. На переднюю часть ОК, днище 2, аэродинамические кили 7 и рули 5, 6, 8 нанесено теплозащитное покрытие (на фиг. 4 не показано). Имеется система управления, необходимое оборудование и снаряжение для туристов и экипажа со средствами жизнеобеспечения (на фиг. 1 не показано), кабина экипажа с фонарем кабины 33 для управления ОК при выполнении последующих после выведения на околоземную орбиту операций, при полете на окололунную орбиту и при возвращении к Земле, при движении в атмосфере и при посадке на аэродром базирования. Имеются выпускаемые шасси (на фиг. 1 не показано) для посадки «по-самолетному» на аэродром базирования. На всех скоростях полета ОК управление аэродинамическими рулями 5, 6, 8, при необходимости, дополняется управлением маршевыми ракетными двигателями 4 и рулевыми ракетными двигателями 3. ОК рассчитан на многоразовое применение, все его двигатели рассчитаны на многократное включение. Для сближения и стыковки с ОЗС с целью заправки топливом или с ЛЗС для перехода членов экипажа и туристов в ЛЧ ОК дополнительно снабжен рулевыми ракетными двигателями 3, установленными в носовой части корпуса, телескопическим стыковочным узлом 34, устанавливаемым в верхней части корпуса и выдвигаемым за обводы корпуса после открытия крышки 35, радиолокационной системой (на фиг. 1 не показано) для выполнения операций поиска, обнаружения, сближения, причаливания, стыковки и отстыковки от ОЗС или ЛЗС, входящей в состав системы управления, а также электрическими и заправочными интерфейсами, используемыми при стыковке и заправке (на фиг. 1 не показано).
Многоразовая космическая транспортная система для односторонней доставки грузов и массовой доставки туристов с окололунной орбиты на поверхность Луны и последующего возвращения на Землю работает следующим образом. После окончания сборки ЛЗС на круговой окололунной орбите высотой 100 км и проведения необходимых тестовых испытаний осуществляется снабжение ЛЗС топливом с использованием многоразового КТ, доставляющего на ЛЗС за один запуск 19 т топлива, и средствами жизнеобеспечения с использованием многоразового КГ, доставляющего на ЛЗС за один запуск 19 т груза. КГ и КТ стыкуются с ЛЗС с использованием шлюзовых модулей ШМ-2. После первой заправки ЛЗС необходимыми 57 тоннами топлива и 19 тоннами средств жизнедеятельности на окололунную орбиту ЛЗС выводится ЛОК с находящимся на его внешней подвеске ЛЧ. ЛОК стыкуется с модулем ШМ-2 ЛЗС с использованием стыковочного узла ЛЧ. Перед возвращением ЛОК на Землю срабатывают пирозамки системы разделения ЛОК и ЛЧ. Далее система управления ЛОК отделяет его от ЛЧ, при этом ЛЧ остается пристыкованным к ЛЗС, а ЛОК направляется к Земле. ЛЧ в варианте доставки туристов заправляется топливом и снабжается средствами жизнеобеспечения членов экипажа и туристов, которые после этого прибывают на ЛЗС на борту ОК. ОК стыкуется с ЛЗС также с использованием модуля ШМ-2. После перехода членов экипажа и туристов из ОК в ЛЧ начинается этап их спуска на поверхность Луны, для чего ЛЧ отстыковывается от ЛЗС, в заданный момент времени включаются ракетные двигатели ЛЧ для выдачи необходимого тормозного импульса скорости с целью движения по траектории спуска к Луне, далее осуществляется посадка на поверхность Луны и выход членов экипажа и туристов из ЛЧ на поверхность Луны. После пребывания на Луне в течение заданного времени, например, одних суток, члены экипажа и туристы занимают свои кресла в ЛЧ, ракетные двигатели ЛЧ включаются с целью взлета с поверхности Луны, выхода на орбиту ЛЗС и стыковки с ней, после чего члены экипажа и туристы переходят в ОК. Далее ОК отстыковывается от ЛЗС, в заданный момент времени включаются его маршевые двигатели, и ОК переводится на траекторию движения к Земле с последующим входом в атмосферу Земли со второй космической скоростью. После снижения до заданной высоты полета экипаж обеспечивает выпуск шасси и посадку ОК «по-самолетному» на аэродром базирования. На всех скоростях полета ОК в атмосфере Земли управление аэродинамическими рулями дополняется управлением маршевыми и рулевыми ракетными двигателями. После возвращения ЛЧ с поверхности Луны на ЛЗС он вновь заправляется топливом и средствами обеспечения жизнедеятельности для обслуживания следующей группы туристов. В варианте односторонней доставки грузов на поверхность Луны ЛЧ заправляется топливом и средствами жизнеобеспечения экипажа, заправляется топливом, в него перемещается груз, необходимый для доставки на поверхность Луны. Далее процесс спуска ЛЧ на поверхность Луны повторяется. На поверхности Луны экипаж обеспечивает разгрузку доставленного полезного груза, после чего ЛЧ возвращается на орбиту ЛЗС и стыкуется с ней.
В результате применения настоящего изобретения техническое решение, обеспечивающее одностороннюю доставку грузов и массовую доставку туристов с окололунной орбиты на поверхность Луны и последующее возвращение на Землю и, как следствие, уменьшение стоимости туристической «путевки» для такого полета реализуется за счет многоразовости используемых элементов ЛОК, ЛЧ и ОК, а также благодаря созданию ЛЗС на окололунной орбите.