Компоновка многоступенчатой модульной ракеты-носителя
CONFIGURATION OF MULTI-STAGE MODULAR LAUNCHER ROCKET

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при проектировании семейства унифицированных многоступенчатых модульных ракет-носителей (РН) широкого диапазона грузоподъемности.
Известны многоступенчатые РН модульной компоновки, принципом которой является построение РН и их ракетных блоков из универсальных ракетных модулей, от количества которых зависит грузоподъемность РН. При этом под ракетным блоком РН понимается часть ступени РН, включающая корпус, жидкостный ракетный двигатель, топливные баки, систему управления, измерения, средства разделения и прочие элементы, а под ступенью РН - отделяемая часть РН, состоящая из одного или нескольких ракетных модулей и обеспечивающая полет РН. Ступени РН нумеруются в порядке их отделения.
Известна отечественная РН «Ангара-А5» (В.Н. Кобелев, А.Г. Милованов. Средства выведения космических аппаратов, РЕСТАРТ, 2009, стр. 350-355), имеющая модульную компоновку и состоящая из пяти ракетных блоков первой и второй ступеней и космической головной части. Ракетный блок первой ступени собирается из четырех универсальных ракетных модулей. Один из универсальных ракетных модулей является центральным ракетным блоком (ЦРБ), работающим на участке обеих ступеней, остальные четыре универсальных ракетных модуля располагаются симметрично вокруг него, представляя собой боковые ракетные модули (БРМ).
Известны американские РН «Атлас-5/HLV» (В.Н. Кобелев, А.Г. Милованов. Средства выведения космических аппаратов, РЕСТАРТ, 2009, стр. 342-345) и «Дельта-4Н» (В.Н. Кобелев, А.Г. Милованов. Средства выведения космических аппаратов, РЕСТАРТ, 2009, стр. 356-359) модульной компоновки, в которой первая ступень, представляющая собой БРМ, собирается из двух универсальных ракетных модулей, параллельно закрепленных на моноблочном ЦРБ в диаметрально противоположных плоскостях.
Аналогичные компоновки рассмотрены в ряде патентов (патент изобретение RU 22911817 С2, опубликован 20.01.2007, МПК: B64G 1/00 (2006.01), B64G 1/26 (2006.01); патент на полезную модель RU 112157 U1, опубликован 10.01.2012, бюл. №1, МПК: B64G 1/00 (2006.01), B64G 1/40 (2006.01).
Недостаток всех перечисленных выше компоновок РН заключается в применении принципа модульной компоновки только в пределах конструкции БРМ, тогда как ЦРБ является моноблоком, и, как следствие этого, - ограниченная грузоподъемность РН. Это связано с невозможностью увеличения грузоподъемности РН без повышения количества БРМ. Кроме того, увеличение БРМ до шести (максимально возможного значения) при сохранении ЦРБ в виде моноблока приводит к ухудшению баллистической эффективности РН из-за неоптимальности (малости) ЦРБ по массово-габаритному соотношению ракетных модулей ступеней РН (1:6). При переходе на увеличенный диаметр ЦРБ ухудшается его транспортабельность и пропадает унификация его с БРМ.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности признаков является отечественная РН УР-700 (В.Н. Кобелев, А.Г. Милованов. Средства выведения космических аппаратов, РЕСТАРТ, 2009, стр. 188-191). Конструктивно-компоновочная схема УР-700 является комбинированной. Ракетный блок первой ступени представляет собой пакет из шести универсальных ракетных модулей, объединенных попарно в три параблока, расположенных вокруг ЦРБ второй ступени, состоящего из трех универсальных ракетных модулей. На каждом параблоке имеется по одному дополнительному топливному баку окислителя и горючего для питания двигателей второй ступени. Ракетный блок третьей ступени установлен на переднем шпангоуте второй ступени и конструктивно состоит из центрального бака горючего и трех боковых баков окислителя.
К недостаткам данной компоновки следует отнести использование принципа модульной компоновки только на первой и второй ступенях РН, применение в ЦРБ РН одноступенчатых ракетных модулей, не являющихся самостоятельными РН.
Задачей изобретения является создание семейства унифицированных многоступенчатых модульных РН с широким диапазоном грузоподъемности.
Техническим результатом изобретения является расширение диапазона грузоподъемности созданного семейства многоступенчатых модульных РН при максимальном сохранении унификации их блоков, узлов и агрегатов, и соответствующее снижение стоимости выведения полезной нагрузки.
Технический результат достигается тем, что в компоновке многоступенчатой модульной РН, включающей первую ступень, содержащую не более десяти БРМ с жидкостными ракетными двигателями, одинаковыми габаритами и объемом топливных баков, расположенных вокруг ЦРБ, выполненного в виде соединенных между собой по пакетной схеме и не разделяющихся в полете универсальных ракетных модулей с размещенной на нем полезной нагрузкой, ЦРБ состоит, по крайней мере, из двух ступеней и содержит от двух до четырех универсальных ракетных модулей, каждый из которых представляет собой выполненную по тандемной схеме многоступенчатую РН.
Кроме того, первая ступень каждого из универсальных ракетных модулей, составляющих ЦРБ РН, может быть унифицирована с БРМ, а топливные баки окислителя и горючего ступеней универсальных ракетных модулей, образующих ЦРБ, могут быть покомпонентно гидравлически связаны между собой.
Сущность изобретения поясняется чертежами на примере многоступенчатой модульной РН с двухступенчатым ЦРБ.
На фиг. 1 изображены вид сбоку (а) и вид снизу (б) компоновки двухступенчатой РН с двухступенчатым ЦРБ, состоящим из двух универсальных ракетных модулей, с размещенной на нем полезной нагрузкой.
На фиг. 2 изображены вид сбоку (а) и вид снизу (б) компоновки трехступенчатой РН с шестью БРМ на первой ступени, расположенных вокруг двухступенчатого ЦРБ, состоящего из трех универсальных ракетных модулей, с размещенной на нем полезной нагрузкой.
На фиг. 3 изображены вид сбоку (а) и вид снизу (б) компоновки двухступенчатой РН, представляющую собой НРБ РН с фиг. 1, с размещенной на нем полезной нагрузкой.
На фиг. 4 изображены вид сбоку (а) и вид снизу (б) компоновки двухступенчатого универсального ракетного модуля, используемого для комплектации ЦРБ РН с фиг. 1.
На фиг. 5 изображены вид сбоку (а) и вид снизу (б) компоновки трехступенчатой РН с десятью БРМ на первой ступени, расположенных вокруг двухступенчатого ЦРБ, состоящего из четырех универсальных ракетных модулей, первая ступень каждого из которых унифицирована с БРМ.
На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - боковой ракетный модуль;
2 - центральный ракетный блок;
3 - первая ступень ЦРБ 2;
4 - вторая ступень ЦРБ 2;
5 - универсальный ракетный модуль, комплектующий ЦРБ 2;
6 - первая ступень универсального ракетного модуля, комплектующего ЦРБ 2;
7 - вторая ступень универсального ракетного модуля, комплектующего ЦРБ 2;
8 - полезная нагрузка.
Предложенная компоновка многоступенчатой модульной РН (фиг. 1-5 (а) и (б)) включает первую ступень, содержащую не более десяти БРМ 1 с жидкостными ракетными двигателями (на фигурах позициями не обозначены), одинаковыми габаритами и объемом топливных баков (на фигурах не показаны), расположенных вокруг НРБ 2, состоящего, по крайней мере, из двух ступеней (например, первой 3 и второй 4 ступеней) и выполненного в виде соединенных между собой по пакетной схеме и не разделяющихся в полете универсальных ракетных модулей 5 (например, двухступенчатый УРМ 5 с первой 6 и второй 7 ступенями) с размещенной на нем полезной нагрузкой 8. ЦРБ 2 содержит от двух до четырех универсальных ракетных модулей 5, каждый из которых представляет собой выполненную по тандемной схеме многоступенчатую РН меньшей грузоподъемности, при этом ЦРБ 2 образует в связке с БРМ 1, в зависимости от их количества, РН различной грузоподъемности.
Первая ступень 6 каждого из универсальных ракетных модулей 5, составляющих ЦРБ 2 РН, может быть унифицирована с БРМ 1.
Топливные баки окислителя и горючего ступеней (первой 6 и второй 7) универсальных ракетных модулей 5, образующих ЦРБ 2, могут быть покомпонентно гидравлически связаны между собой (на фигурах не показано).
В качестве компонентов ракетного топлива могут применяться окислитель - кислород и горючее - керосин. А в качестве жидкостных ракетных двигателей могут быть использованы высоконадежные, мощные, разработанные НПО «Энергомаш» - РД-170, РД-180 и РД-191.
В качестве примера показана трехступенчатая модульная РН (фиг. 2 (а) и (б)), которая содержит шесть БРМ 1 с жидкостными ракетными двигателями (на фигурах позициями не обозначены), одинаковыми габаритами и объемом топливных баков (на фигурах не показаны), расположенных вокруг ЦРБ 2. ЦРБ 2 состоит из своей первой 3 и второй ступеней 4 (фиг. 3 (а) и (б)) и выполнен в виде пакетной связки трех двухступенчатых, не разделяющихся в полете, универсальных ракетных модулей 5 (первая ступень универсального ракетного модуля 6, вторая ступень - 7) (фиг. 4 (а) и (б)). Полезная нагрузка 8 размещена на ЦРБ 2.
Компоновка трехступенчатой РН, первая ступень 6 каждого из универсальных ракетных модулей 5, составляющих ЦРБ 2, унифицирована с БРМ 1, имеющая в составе ЦРБ четыре универсальных ракетных модуля 5 и десять БРМ 1, показана на фиг. 5 (а) и (б)).
Функционирует многоступенчатая модульная РН предлагаемой компоновки в следующей последовательности (поясняется на примере компоновки с шестью БРМ и НРБ, состоящим из трех универсальных ракетных модулей) (фиг. 2 (а) и (б) и фиг. 3 (а) и (б)):
1) В исходном положении РН, не заправленная компонентами ракетного топлива, находится на стартовой системе в вертикальном положении.
2) После необходимых проверок и соответствующей подготовки топливных баков и их теплоизоляции, РН заправляется компонентами ракетного топлива и подготавливается к запуску двигателей.
3) После запуска двигателей БРМ 1 РН начинается ее подъем, при этом для повышения начальной тяговооруженности РН на старте могут запускаться и двигатели первой ступени 3 ЦРБ 2, которые после ухода РН со старта могут дросселироваться по тяге, например, в 1,5 - 2,5 раза для экономии топлива на участок полета после отделения отработанных БРМ 1 с целью повышения энергетики РН и увеличения ее грузоподъемности.
4) После выработки рабочего запаса топлива из БРМ 1, составляющих первую ступень РН, они отделяются от ЦРБ 2, который, за счет работы двигателей, составляющих его двухступенчатых (первая ступень 6, вторая ступень 7) универсальных ракетных модулей 5, продолжает необходимый для полезной нагрузки 8 набор скорости.
5) Запуск и отделение последующих ступеней ЦРБ 2 РН осуществляются до тех пор, пока не отрабатывает, завершая работу РН, последняя из ступеней ЦРБ 2 РН (в данном примере вторая ступень 4, являющаяся пакетной связкой вторых ступеней 7 универсальных ракетных модулей 5, составляющих ЦРБ 2).
6) После вывода РН с полезной нагрузкой 8 на заданную орбиту, обеспечивается увод РН от полезной нагрузки 8.
Количество ступеней в ЦРБ может быть больше двух.
Применение изобретения в ракетной технике позволит:
1) Создавать семейства унифицированных многоступенчатых модульных РН с широким диапазоном грузоподъемности:
- малая грузоподъемность обеспечивается с помощью одной РН, используемой в качестве модуля для комплектации ЦРБ (показана без полезной нагрузки) (фиг. 4 (а) и (б));
- средняя грузоподъемность обеспечивается фрагментом РН в виде ее ЦРБ пакетной схемы с расположенной на последней ступени полезной нагрузкой (показано на примере двухступенчатого ЦРБ) (фиг. 3 (а) и (б));
- большая грузоподъемность обеспечивается РН с предложенной компоновкой в виде ЦРБ пакетной схемы с полным комплектом БРМ, например, компоновка РН с ЦРБ, состоящим из трех универсальных ракетных модулей, и с шестью БРМ (фиг. 2 (а) и (б)) или с частичным комплектом, например, с двумя или тремя БРМ.
2) Дополнительно повысить грузоподъемность создаваемых РН с предложенной компоновкой за счет гидравлических покомпонентных связей параллельно работающих универсальных ракетных модулей путем обеспечения синхронизации выработки из них компонентов ракетного топлива в полете.