СПОСОБ ОПЕРАТИВНОЙ ДОСТАВКИ ПОЛЕЗНОЙ НАГРУЗКИ
METHOD OF FAST DELIVERY OF THE USEFUL LOAD

Изобретение относится к области авиационной, ракетной и космической техники. Объектом изобретения является способ оперативной доставки полезной нагрузки (ПН) в заданную точку на поверхности Земли или в атмосфере, в соответствии с которым на орбиту выводят космоплан с размещенным на нем гиперзвуковым летательным аппаратом (ГЛА) с ПН на борту для осуществления дежурства на орбите до момента поступления команды о необходимости доставки ПН в заданный район, по сигналу системы управления (СУ) космоплан спускают в атмосферу Земли, включают двигатель для компенсации силы лобового сопротивления и одновременно поворачивают космоплан на углы атаки и крена, обеспечивающие требуемые вертикальные и боковые маневры, после проведения которых производят отделение ГЛА, после чего выводят космоплан из атмосферы, отключают двигатель и осуществляют движение по орбите в режиме дежурства либо возвращают космоплан на Землю, а выведенный в заданный район ГЛА совершает требуемый маневр и доставляет ПН в заданную точку на поверхности Земли или в атмосфере.
Наиболее близким техническим решением является идея создания космической станции, на которой базируются автономные модули с летательными аппаратами (ЛА) баллистического или планирующего типа ([1], В.П. Лукашевич, И.Б. Афанасьев. Космические крылья. - М.: ЛенТа Странствий, 2009, стр. 392-395). По специальной команде модули отделяются от станции, совершают маневрирование и занимают необходимое исходное положение в космическом пространстве, ожидая команду на применение для последующего отделения летательных аппаратов. ЛА должны точно доставлять полезную нагрузку в заданный район в том числе за счет маневрирования в атмосфере.
Недостатком данного способа является то, что маневры в атмосфере осуществляются исключительно за счет аэродинамики ЛА и их двигательных установок (при наличии). Сам модуль совершает маневры только в космическом пространстве, что требует большого запаса топлива на борту, а также накладывает ряд ограничений на возможные углы поворота орбиты и, как следствие, на время доставки ПН в заданный район.
Технической задачей предлагаемого изобретения является сокращение времени доставки ПН в заданный район.
Техническим решением поставленной задачи является способ оперативной доставки полезной нагрузки, заключающийся в том, что выводят на орбиту на дежурство средство, содержащее летательный аппарат (ЛА) с полезной нагрузкой, по сигналу системы управления (СУ) по заложенной программе или по внешней команде осуществляют отделение ЛА с ПН и их доставку в заданный район, отличающийся тем, что выводят на орбиту космоплан, обладающий высоким аэродинамическим качеством с размещенным на нем гиперзвуковым летательным аппаратом (ГЛА) с ПН на борту для осуществления дежурства на орбите до момента поступления команды о необходимости доставки ПН в заданный район, по сигналу СУ космоплан спускают в атмосферу Земли, включают двигатель космоплана для компенсации силы лобового сопротивления и одновременно поворачивают космоплан на углы атаки и крена, обеспечивающие заданные параметры полета в атмосфере, при котором за счет аэродинамической подъемной силы аппарат совершает требуемые вертикальные и боковые маневры, в заданной области производят отделение ГЛА, после чего выводят космоплан из атмосферы, отключают двигатель и осуществляют движение по орбите в режиме дежурства либо возвращают космоплан на Землю, а выведенный в заданную область ГЛА поворачивают на углы атаки и крена, обеспечивающие заданные параметры полета в атмосфере, при которых за счет аэродинамической подъемной силы аппарат совершает требуемые вертикальные и боковые маневры и доставляет полезную нагрузку в заданный район.
Для пояснения способа представлены следующие чертежи:
- на фигуре 1 представлен схематический вид траектории движения в вертикальной плоскости космоплана и ГЛА при доставке полезной нагрузки в заданный район, где 1 - поверхность Земли, 2 - условная граница атмосферы, 3 - орбита дежурства космоплана;
- на фигуре 2 представлен схематический вид траектории движения космоплана и ГЛА в проекции на карту Земли при доставке полезной нагрузки в заданный район.
На низкой круговой орбите Земли размещают космоплан с гиперзвуковым летательным аппаратом на борту. В случае необходимости доставки ПН в заданный район, подают команду, по которой космоплану сообщают тормозной импульс для схода с орбиты (т. А на фиг. 1), после чего аппарат движется с нулевыми углами атаки и крена (участок АВ) до момента пересечения условной границы атмосферы Земли (поз. 2), определяемой из условий решаемой задачи и находящейся в пределах 60-100 км. После вхождения космоплана в атмосферу Земли в т. В, по сигналу системы управления космоплана включают двигатель с регулируемой или постоянной величиной тяги для компенсации силы лобового сопротивления, что позволяет обеспечить компенсацию потерь продольной составляющей скорости космоплана. Маневр поворота (участок ВС) происходит под действием аэродинамических сил. В соответствии с программой управления поворачивают космоплан на углы атаки и крена, которые обеспечивают необходимое маневрирование аппарата. В программе управления движением космоплана учитывают ограничения на управляющие зависимости, терминальные условия и режимы движения. Ограничения на управление связаны с технической возможностью обеспечения требуемых значений углов атаки и крена, а также с характеристиками конкретной двигательной установки космоплана, имеющей ограничение на величину тяги. Ограничения на режимы движения связаны с конструкцией космоплана, рассчитанной на определенные значения перегрузки, скоростного напора и температуры поверхности. Ограничения на терминальные условия обеспечивают достижение основной цели выполнения маневра: выведение космоплана в расчетную область сброса ГЛА. После совершения маневра, в соответствии с программой управления, космоплан выводят из атмосферы и ставят на орбиту дежурства либо возвращают на Землю. Гиперзвуковой летательный аппарат, обладающий высоким аэродинамическим качеством, после отделения от космоплана совершает полет в атмосфере с гиперзвуковой начальной скоростью, соответствующей скорости космоплана на момент отделения. В соответствии с программой управления поворачивают ГЛА на углы атаки и крена, которые обеспечивают необходимое маневрирование (участок CF), и выводят аппарат в заданный район (т. F). В программе управления движением ГЛА учитывают ограничения на управляющие зависимости, режимы движения и терминальные условия (выведение ГЛА в район цели).
При необходимости доставки нескольких полезных нагрузок, может быть применен вариант способа оперативной доставки ПН, отличающийся тем, что на космоплан устанавливают два и более ГЛА. Маневр спуска космоплана с орбиты, выведения ГЛА в заданную область и возвращения космоплана на орбиту при этом повторяют многократно, в том числе для доставки ПН в районы, расположенные на значительном расстоянии друг от друга.
Для увеличения количества доставляемых ПН может быть также применена схема типа «матрешка», при которой на борту космоплана размещают один или несколько гиперзвуковых летательных аппаратов, полезной нагрузкой каждого из которых выступает один или более ГЛА меньших размеров, которые, в свою очередь, несут ПН.
Применение космоплана или нескольких космопланов, находящихся на дежурстве на орбите, целесообразно для решения задач, требующих оперативной доставки ПН на большую дальность, в том числе в любую точку земного шара. Обладая высоким аэродинамическим качеством, космоплан и ГЛА обеспечивают высокую маневренность и могут осуществлять движение по сложной траектории. Уменьшение времени воздействия тепловых и силовых нагрузок на ГЛА за счет того, что часть маневра в атмосфере совершается космопланом, позволяет значительно увеличить дальность полета, в том числе в боковом направлении. После окончания дежурства неиспользованные дорогостоящие ГЛА, а также сам космоплан могут быть возвращены на Землю.