МНОГОСТУПЕНЧАТАЯ РАКЕТА-НОСИТЕЛЬ ПАКЕТНОЙ СХЕМЫ
MULTISTAGE CARRIER ROCKET OF LUSTER CONFIGURATION

Изобретение относится к ракетно-космической технике и, более конкретно, к ракетам-носителям пакетной схемы с многоразовой первой ступенью, оснащенной крылом и вертикальным оперением.
Из практики отечественного и зарубежного ракетостроения известны проекты многоступенчатых ракет-носителей пакетной схемы, одна из ступеней которых является многоразовой и оснащена крылом и вертикальным оперением, т.е. является летательным аппаратом самолетного типа. К таким космическим системам относятся общеизвестные российские проекты «Энергия-Буран», МАКС (многоразовая авиационно-космическая система), американский космический комплекс «Спейс Шаттл». Аналогом настоящего изобретения, наиболее близким по технической концепции проектом, является отечественная многоразовая ракетно-космическая система МРКС (см. научно-технический журнал Российского космического агентства «Авиакосмическая техника и технология», №1, 2010 год, стр.13).
x
В этих системах ступени ракеты-носителя соединяются воедино посредством силовых форменных конструкций с механическими замками в узлах связи на одной из ступеней, предназначенных для разделения ступеней. В полете ракеты-носителя фермы нагружаются значительными силами, достигающими сотен тонн в ракетах среднего и тяжелого класса. Поэтому фермы, обладающие соответствующей прочностью и жесткостью, громоздкие и тяжелые. При этом доминирующей силой в узлах связи ступеней является P, действующая в направлении полета ракеты-носителя и передающая импульс движения от первой ступени ко второй.
x
Очевидно, при наличии единственного блока в составе первой ступени (несимметричная схема ракеты-носителя) от указанной силы P происходит «внецентренное сжатие» корпуса второй ступени, т.е. его сжатие и изгиб одновременно. При этом именно для восприятия изгиба требуется существенно утолщать обечайки корпуса и, как следствие, утяжелять его.
После разделения ступеней необходимо избавиться от силовой фермы, поскольку:
- в случае ее фиксации на возвращаемой первой ступени он будет препятствовать приземлению ступени на взлетно-посадочную полосу аэродрома;
- в случае ее фиксации на второй ступени ракета будет расходовать энергетический потенциал на ее дальнейший подъем в ущерб весу полезного груза.
Вместе с тем, наличие отделяемых частей на ракете-носителе требует организации полей падения, отчуждения земли из хозяйственного оборота, что противоречит самой концепции создания ракет многоразового применения.
Задачей данного изобретения является создание многоступенчатой ракеты-носителя пакетной схемы с достижением технического результата в виде облегчения конструкции и повышения надежности ракеты-носителя.
Данная задача решается тем, что в многоступенчатой ракете-носителе пакетной схемы, состоящей из многоразовой первой ступени, оснащенной крылом и вертикальным оперением, одноразовой второй ступени, передней и задней силовых конструкций с замками, связывающими ступени воедино, в соответствии с изобретением в качестве задней силовой конструкции использовано вертикальное оперение первой ступени, выполненное в виде двух килей, между которыми расположена и закреплена на их свободных концах посредством механических замков вторая ступень, при этом ответные части замков расположены на внешней поверхности второй ступени на расстоянии между собой, равном длине максимальной хорды ее поперечного сечения.
Предложенное техническое решение поясняется на прилагаемых эскизах, где на фиг.1 представлен общий вид ракеты-носителя, на фиг.2 - хвостовая часть ракеты-носителя.
Ракета-носитель пакетной схемы имеет многоразовую первую ступень 1 и одноразовую вторую ступень 2. Первая ступень оснащена крылом 3 и вертикальным оперением в виде двух килей 4.
Ступени 1 и 2 связаны воедино:
- спереди посредством рамы 5 (передняя силовая конструкция), закрепленной на ступени 1 шарнирными узлами 6, а на ступени 2 - автоматически раскрывающимся замком 7;
- сзади посредством килей 4 ступени 1 (задняя силовая конструкция), соединенных со ступенью 2 автоматически раскрывающимися замками 8.
y
z
x
y
z
При этом посредством рамы 5 передаются силы Р и P от первой ступени ко второй ступени, а посредством килей 4 - силы P, Р, P.
z
x
2z
x
z
Самой значительной из этих сил является сила P, которая, собственно, осуществляет разгон второй ступени. При несимметричной пакетной схеме ракеты-носителя, т.е. при наличии одного блока в составе первой ступени, от силы P возникает изгибающий момент M корпуса второй ступени. Это происходит из-за несовпадения равнодействующего вектора двух сил P и продольной оси второй ступени. В теории сопромата такое нагружение называется внецентренным сжатием. Выполненный авторами прочностной анализ показал, что именно изгибающий момент M является доминирующим фактором силового нагружения, при учете которого требуется утолщение обечаек корпуса, что утяжеляет конструкцию.
x
z
x
Очевидно, чем ближе равнодействующий вектор двух сил P к продольной оси симметрии ступени, тем меньше значение изгибающего момента M. Легко заметить, что чем ближе равнодействующий вектор P. к продольной оси второй ступени (размер «а» на фиг.2), тем дальше он от продольной оси первой ступени (размер «b»).
2z
x
1z
x
Таким образом, при уменьшении изгибающего момента M=2P·a на корпус второй ступени увеличивается изгибающий момент M=2P·b на корпус первой ступени (см. фиг.2), соответственно происходит перераспределение весов между ступенями.
Вместе с тем, из теории проектирования космической техники известно, что в массово-энергетическом балансе ракеты-носителя веса конструкции первой и второй ступеней соотносятся, как ~10:1. Образно говоря, 1 кг конструкции второй ступени приблизительно в 10 раз дороже 1 кг конструкции первой ступени при оценке веса полезного груза, выводимого на орбиту.
Из вышеизложенного следует, что с целью улучшения массово-энергетических характеристик ракеты-носителя вторая ступень должна крепиться к килям возвращаемой первой ступени как можно ближе к своей продольной оси (размер «а» должен быть минимальным). Другими словами, замки крепления должны располагаться на расстоянии, равном длине максимальной хорды «с» поперечного сечения второй ступени (см. фиг.2).
Использование килей возвращаемой ступени для присоединения второй ступени исключает применение громоздких силовых ферм, при этом реализуется важный принцип проектирования силовой конструкции - обеспечение многофункциональности ее элементов.