Многоразовая ступень ракеты-носителя
REUSABLE LAUNCH VEHICLE STAGE

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для создания многоразовой ступени ракеты-носителя (РН).
Известен многоразовый орбитальный космический корабль «Буран» предназначенный для доставки на орбиту грузов и выполненный по самолетной схеме типа «бесхвостка» с крылом переменной стреловидности (Уманский С.П. "Ракеты-носители. Космодромы". – М.: Изд-во Рестарт+. 2001, рис. 18, стр. 53-54).
Основными недостатками известного многоразового космического корабля «Буран» являются значительная масса, сложность конструкции и потеря в процессе выведения полезной нагрузки двигателей второй ступени.
Известна многоразовая транспортная космическая система «Space Shuttle», предназначенная для доставки на орбиту грузов, орбитальная ступень которой выполнена по самолетной схеме типа «бесхвостка» (Уманский С.П. "Ракеты-носители. Космодромы". – М.: Изд-во Рестарт+. 2001, рис. 58-59, стр. 139-141).
Основными недостатками известной многоразовой транспортной космической системы «Space Shuttle» являются значительная масса и сложность конструкции, потеря в процессе выведения полезной нагрузки баков окислителя и горючего орбитальной ступени.
Известен многоразовый разгонный блок РН, имеющий наружную аэродинамическую поверхность типа крыльев, выполненных зацело с корпусом, посадочные шасси и раскрывающийся головной обтекатель (патент на полезную модель РФ №147066, МПК: B64G 1/00 – прототип).
Основными недостатками известного разгонного блока РН являются значительные габариты и масса конструкции.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и улучшение массово-габаритных характеристик многоразовой ступени РН.
Решение указанной задачи достигается тем, что предложенная многоразовая ступень РН содержит приборный отсек, бак первого компонента топлива, межбаковый отсек, объединенную двигательную установку, состоящую из маршевого многокамерного жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), расположенного в межбаковом отсеке, включающего в себя не менее двух неподвижных камер, расположенных равномерно по окружности под углом к продольной оси ступени, и рулевого ЖРД с количеством камер, достаточным для обеспечения управлением вектором тяги, но не менее трех, обеспечивающего управление вектором тяги, стабилизацию, торможение и посадку ступени, бак второго компонента топлива, расположенный ниже бака первого компонента топлива, и отсек полезной нагрузки, образованный цилиндрической оболочкой соединенной с нижней ступенью РН и днищем бака второго компонента, на котором закреплена полезная нагрузка, при этом на днище бака второго компонента установлены выдвижные или раскладные посадочные опоры.
Для обеспечения маневрирования и посадки маршевый и рулевой двигатели многоразовой ступени РН могут быть снабжены агрегатами и системами, позволяющими обеспечить их многократное включение.
Маршевый двигатель многоразовой ступени РН может быть выполнен однокамерным с кольцевой камерой.
Камеры рулевого двигателя многоразовой ступени РН могут быть закреплены на концах штанг, установленных на наружной поверхности бака одного из компонентов топлива.
Управление вектором тяги многоразовой ступени РН может осуществляться качанием камер рулевого двигателя в одной или нескольких плоскостях.
Управление вектором тяги многоразовой ступени РН может осуществляться рассогласованием тяги камер рулевого двигателя.
Предлагаемая конструкция многоразовой ступени РН, за счет своих отличительных признаков, обеспечивает решение поставленной технической задачи – улучшение массово-габаритных характеристик и максимальное повторное использование элементов конструкции многоразовой ступени РН.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид многоразовой ступени РН, на фиг. 2 – вариант многоразовой ступени РН с кольцевой камерой маршевого двигателя, на фиг. 3 общий вид многоразовой ступени РН с рулевыми камерами, расположенными на концах штанг, в аксонометрической проекци с разрезом, на фиг.4 – общий вид многоразовой ступени РН ступени после отделения от нижней ступени РН в аксонометрической проекции, на фиг.5 – общий вид многоразовой ступени РН при совместной работе маршевого и рулевого ЖРД объединенной двигательной установки в аксонометрической проекции, на фиг.6 – общий вид многоразовой ступени РН после выключения маршевого ЖРД и отделения отсека полезной нагрузки в аксонометрической проекции, на фиг.7 – общий вид многоразовой ступени РН после выключения рулевого ЖРД и отделения полезной нагрузки в аксонометрической проекции, на фиг.8 – общий вид многоразовой ступени РН при посадке в аксонометрической проекции.
Многоразовая ступень РН (фиг. 1) содержит приборный отсек 1, бак первого компонента 2, межбаковый отсек 3, объединенную двигательную установку, бак второго компонента 4 и отсек полезной нагрузки 5, в котором расположена полезная нагрузка 6. Объединенная двигательная установка состоит из маршевого ЖРД 7, расположенного в межбаковом отсеке 3 и рулевого ЖРД. В рассматриваемом случае под маршевым двигателем понимается один многокамерный ЖРД, либо несколько однокамерных или многокамерных ЖРД, под рулевым двигателем также понимается один многокамерный ЖРД, либо несколько однокамерных или многокамерных ЖРД. Как маршевый, так и рулевой двигатели могут быть выполнены по любой из известных схем – с дожиганием или без дожигания, по генераторной или безгенераторной схеме, с вытеснительной, насосной или иной системой подачи компонентов топлива. Маршевый многокамерный ЖРД 7 включает в себя не менее двух неподвижных относительно многоразовой ступени РН камеры 8, расположенных равномерно по окружности под углом к продольной оси ступени. Рулевой ЖРД включает в себя несколько камер 9, количество камер 9 выбирается в зависимости от требований к управлению вектором тяги, маневрированию и торможению, но должно быть не менее трех. Для обеспечения многократного включения в полете, с целью обеспечения маневрирования и посадки, маршевый и рулевой двигатели многоразовой ступени РН могут быть снабжены агрегатами и системами, позволяющими обеспечить их многократное включение, в том числе агрегатами воспламенения компонентов топлива, агрегатами управления и регулирования. Отсек полезной нагрузки 5, образован цилиндрической оболочкой 11, соединенной с нижней ступенью РН (не показана) и днищем 12 бака горючего, на котором закреплена полезная нагрузка 6. При этом на днище 6 бака горючего установлены выдвижные посадочные рыдвижные или раскладные опоры 13.
В варианте конструкции многоразовой ступени РН маршевый двигатель может быть выполнен однокамерным – с кольцевой камерой (фиг. 2).
На фиг. 3 показана многоразовая ступень РН с рулевым ЖРД, который включает в себя несколько камер 9, закрепленных на концах штанг 10, установленных на наружной поверхности бака одного из компонентов топлива – первого 2 или второго 4. Количество камер 9 выбирается в зависимости от требований к управлению вектором тяги, маневрированию и торможению, но должно быть не менее трех, при этом камеры для улучшения управляемости ступени.
Для обеспечения управления ступенью, маневрирования, торможения и посадки рулевые камеры 9 рулевого двигателя как в варианте, представленном на фиг. 1, так и на фиг. 3 могут качаться в одной или нескольких плоскостях в зависимости от требований к управлению РН. Либо управление ступенью, маневрирование, торможение и посадка осуществляются за счет рассогласования тяги камер 9 рулевого двигателя.
Предложенная многоразовая ступень РН (фиг. 1) работает следующим образом. После отделения от нижней ступени РН компоненты топлива из бака первого 2 и бака горючего 4 поступают в маршевый 7 и рулевой ЖРД. По команде осуществляется запуск маршевого ЖРД 7 и рулевого ЖРД и ступень начинает движение по заданной траектории. При этом камеры 8 маршевого двигателя 7 остаются неподвижными в течение всего полета, а управление вектором тяги ступени осуществляется за счет камер 9 рулевого двигателя – их качания в одной или нескольких плоскостях или рассогласования их тяги друг относительно друга, способ управления выбирается в зависимости от требований системы управления РН. В заданный момент времени происходит отключение маршевого ЖРД 7 и отделение цилиндрической оболочки 11 отсека полезной нагрузки 5 от ступени. При достижении заданной орбиты производится отключение рулевого ЖРД и полезная нагрузка 6 отделяется от ступени. Далее ступень начинает осуществлять спуск. На начальном участке спуска торможение осуществляется за счет аэродинамического торможения, после чего производится запуск рулевого ЖРД, с помощью камер 9 которого осуществляется маневрирование и посадка ступени. В определенных случаях, например, при большой массе ступени, для торможения используется однократное или многократное включение маршевого двигателя. Непосредственно перед посадкой ступени из днища бака второго компонента топлива 12 выпускаются выдвижные или раскладные посадочные опоры 13. В процессе управления вектором тяги, маневрирования, торможения и посадки может осуществляться регулирование тяги двигателей в широком диапазоне и их повторное включение.
Работа многоразовой ступени РН (фиг. 2) в целом не отличается от работы многоразовой ступени, приведенной на фиг. 1. Отличие состоит в том, что маршевый двигатель объединенной двигательной установки выполнен однокамерным – с кольцевой камерой сгорания, выход из которой выполнен под углом к оси ступени РН.
Многоразовая ступень РН (фиг. 3) работает следующим образом. После отделения от нижней ступени РН (состояние многоразовой ступени РН после отделения представлено на фиг. 4) производится выдвижение штанг 10 (фиг. 5) и компоненты топлива из бака первого 2 и второго 4 компонентов топлива поступают в маршевый 7 и рулевой ЖРД. По команде осуществляется запуск маршевого ЖРД 7 и рулевого ЖРД, ступень начинает движение по заданной траектории. При этом камеры 8 маршевого двигателя 7 остаются неподвижными в течение всего полета, а управление вектором тяги ступени осуществляется за счет камер 9 рулевого двигателя – их качания в одной или нескольких плоскостях или рассогласования их тяги друг относительно друга, способ управления выбирается в зависимости от требований системы управления РН. Расположение камер 9 рулевого двигателя на штангах 10 позволяет обеспечить необходимые управляющие моменты при меньшей единичной тяге камер 9 рулевого двигателя. В заданный момент времени происходит отключение маршевого ЖРД 7 и отделение цилиндрической оболочки 11 отсека полезной нагрузки 5 от ступени (фиг. 6). При достижении заданной орбиты производится отключение рулевого ЖРД, штанги 10 занимают исходное положение, и полезная нагрузка 6 отделяется от ступени (фиг. 7). Далее ступень начинает осуществлять спуск. На начальном участке спуска торможение осуществляется за счет аэродинамического торможения, после чего выдвигаются штанги 10 (фиг. 8) и производится запуск рулевого ЖРД, с помощью камер 9 которого осуществляется маневрирование и посадка ступени. В определенных случаях, например, при большой массе ступени, для торможения используется однократное или многократное включение маршевого двигателя. Непосредственно перед посадкой ступени из днища бака горючего 12 выпускаются выдвижные или раскладные посадочные опоры 13 (фиг. 8). В процессе управления вектором тяги, маневрирования, торможения и посадки может осуществляться регулирование тяги двигателей в широком диапазоне и их повторное включение.
Использование предложенного технического решения позволит повысить конструктивное совершенство и улучшить массово-габаритные характеристики многоразовой ступени РН.