Способ и устройство для вывода в космос объектов с кольцевыми и решетчатыми поверхностями и способ вывода в космос объектов с гибкими, например, сетчато-мембранными поверхностями.
METHOD AND DEVICE FOR COLLECTING OBJECTS IN SPACE WITH RINGS AND LATTICE SURFACES AND METHOD OF CONCLUSION OF OBJECTS IN SPACE WITH FLEXIBLE, FOR EXAMPLE, MESH-MEMBRANE SURFACES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ.
Группа изобретений относится к области космонавтики, а именно к методам и средствам доставки полезных грузов в космос и обратного их возвращения. Изобретения могут быть полезны в индустрии туризма при строительстве туристических орбитальных отелей, в частности больших, диаметром более 100 метров, тороидальных космических станций с искусственной гравитацией, для космических круизов без кораблей обслуживания, когда туристы находятся в люксовых каютах кольцевой станции при старте на орбиту и при ее возвращении, астрономических станций, при постройки больших оптических и радиотелескопов, больших фазированных решеток для различных радиотехнических задач, ферменных конструкций, а также для доставки огромных площадей мембранных и сетчатых конструкций, конструкций в виде жалюзи и др.
Предшествующий уровень техники.
Из уровня техники известен способ выведения в космос с возвращением многоразовых космических кораблей с орбитальной полезной нагрузкой имеющей аэродинамические плоскости (Спэйс Шаттл).
Грузовой отсек Шаттла недостаточен для вывода негабаритных грузов в космос и возвращения на землю (планету с атмосферой).
Известны также устройства ракетных систем снабженных спускаемыми капсулами типа Союз или Аполлон, которые используют для вывода в космос ракетные блоки, установленные вертикально тандемом и пакетной схемой, при которой высота ракетной системы значительно превышает площадь ее миделя что создает значительные продольные массовые перегрузки.
Данное устройство не обеспечивает вывод в космос негабаритных конструкций значительных размеров и сложной конфигурации а также требует сложных стартовых комплексов и утяжеление конструкций ракетных ступеней из-за большого столба веса топлива на днище топливных емкостей где отношение высоты уровня топлива к площади основания, на которое оно давит, превышает 1, а также огромных акустических и вибрационных нагрузках от сосредоточенных в одном месте ракетных двигателей большой мощности.
Данные обстоятельства ограничивают размеры ракетных систем, а значит и веса выводимого груза. Так же такие системы не могут обеспечивать старт с неподготовленных стартовых площадок например с водной поверхности в следствии отсутствия остойчивости вертикально ориентированной ракетной системы..
Известны способ и устройство перемещения в пространстве значительных по массе грузов - патент RU 2159197 С2, где множество решетчатых поверхностей образовано балками или фермами при этом перевозимый груз закреплен на стропах в одной точке а ракетные двигатели и емкости с топливом сосредоточены на узлах соединений этих балок, который ограничивает выведение в космос грузов так как имеет лишний вес в виде ферм и балок и сосредоточение в узлах ракетных двигателей и емкостей с топливом, а также данный способ не обеспечивает вывод самих решетчатых или кольцевых конструкций.
Ближайшими аналогами предлагаемых изобретений являются решения, описанные в заявке на изобретение RU 2005108919 A.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Группа изобретений направлена на расширение функциональных возможностей и повышения эффективности методов и средств вывода в космос космических объектов значительных размеров и сложной конфигурации одним запуском, без использования принципов складывания-развертывания, а также без дорогих и многодельных операций сближения-стыковки-монтажа при модульной сборки в космосе объектов которые невозможно целиком поместить в грузовых отсеках существующих ракетах носителях.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе вывода в космос объектов с кольцевыми и решетчатыми поверхностями, включающим размещение выводимого в космос объекта горизонтальной поверхностью на стыкуемых тандемно силуэтных ступенях с топливными емкостями и ракетными двигателями, которые повторяют в проекции силуэтную конфигурацию объекта, причем ступени снабжены емкостями с топливом и ракетными двигателями, расположенными на максимально возможном расстоянии друг от друга для обеспечения на участке выведения равномерного распределения по силуэту выводимого груза сил их тяги и акустических нагрузок, согласно концентрации масс в различных точках объекта, и аэродинамическими поверхностями для спуска на планету имеющую атмосферу, поверхностям выводимого объекта в виде, например, кольцевой орбитальной станции значительной величины или решетчатой поверхности в виде, например, ажурной конструкции, образованной ребрами-фермами - придают аэродинамическую форму или снабжают отдельными сбрасываемыми обтекателями, которые имеют в своем основании силуэтное подобие выводимого объекта, а возвращают объект торможением в атмосфере и планированием, используя эффекты решетчатого крыла для решетчатого объекта и кольцеплана - для кольцевого, а для повышения жесткости и устойчивости кольцевых или решетчатых объектов на этапе выведения или спуска в атмосфере, их закручивают вокруг центра масс с осью вращения, перпендикулярной их плоскости, кроме того, силуэтные ступени выполняют в виде отдельных модулей топливных емкостей, например, в виде цилиндрических баков и отбрасывают их по мере расхода топлива, при этом разделяют выводимый груз на отдельные фрагменты и оборудуют системами аварийного спасения, возможно наращивание ступеней в горизонтальной плоскости путем присоединения их к выводимому в космос объекту, таким образом, что горизонтально лежащие топливные емкости продолговатой формы являются ребрами решетки, при этом топливным емкостям придают аэродинамическую форму, а выводимый объект и каждую горизонтально лежащую ступень снабжают ракетными двигателями с тягой, превосходящей вес, соответственно объекта и ступени, при этом ступени соединяют торцами между собой, образуя в плане жесткие или шарнирные силовые треугольники-ребра ромбовидной решетки так, что узлы соединений ступеней имеют топливные связи между ними для перекачки топлива, а разделение ступеней производят путем отброса указанных топливных емкостей, от периферии к центру, при этом часть топлива из емкостей периферийных ступеней постоянно перекачивается в емкости, которые расположены ближе к центру и крепятся к выводимому объекту, причем топливо из периферийных ступеней расходуют быстрее, чем из центральных ступеней - при одновременном снижении тяги двигателей, при этом для гиростабилизации такой ракетной связки производят ее закрутку вокруг оси, перпендикулярной плоскости связки, также возможно выполнить топливные емкости, образующие ребра решетки, обтекаемой формы в виде несущего профиля, создающего подъемную силу по принципу решетчатого крыла, возможно соединение ступеней между собой так, чтобы стенки их топливных емкостей образовывали части сопла центрального тела, организующего истечение из камер ракетных двигателей так, что при обтекании боковой поверхности ступени горячим потоком реактивной струи происходит передача через стенку емкости тепла топливу, вызывающего его расширение и создание давления наддува внутри емкости, а так же - охлаждение данной стенки, кроме того, после вывода в космос объектов пространство между кольцевыми или решетчатыми планами можно затянуть гибкими мембранами или жалюзи, которые используют как рефлекторные поверхности оптического или радиодиапазонов, причем в сложенном виде мембраны располагают под обтекателями на ребрах решетчатых поверхностей, а также в узлах их пересечений, а жалюзи ориентируют ребром к потоку, а выводимый в космос кольцевой и решетчатый объект можно выполнить в виде сегмента, например, цилиндра большой тороидальной космической станции, при этом торцевые части сегмента оставляют открытыми для свободного прохождения набегающего потока, а все переборки сегмента ориентируют ребром к потоку так, чтобы получить комбинированный объект, состоящий из кольцевой поверхности в виде цилиндра и расположенных внутри решетчатых элементов, возможно создание устройства которое будет приспособлено для выведения объекта в виде герметичного полого тора или его сегмента, причем тор образует обитаемую космическую станцию с искусственной гравитацией, внутри которой размещены бытовые и технические отсеки, причем к центру кольца сходятся указанные радиальные лучи, выполненные из полых труб, количество которых выбирают по меньшей мере равным трем и внутри которых после освобождения топливных емкостей, проходят тоннели для перемещения людей и грузов к центру станции, при этом лучи герметично соединены с центральным герметичным цилиндрическим модулем с обтекаемой торцевой частью, причем кольцо с радиальными лучами размещено на полых кольцевых ступенях, причем такую станцию с центральным герметичным цилиндрическим модулем можно вывести с использованием стандартной ракеты носителя, для чего ракету носитель располагают в центре станции, при этом периферию т.е. кольцо станции крепят к носителю растяжками, например в виде тросовых вант, при этом размещенную в центре ракету-носитель, пакетной или тандемной схемы, используют для обеспечения дополнительной тяги при выводе объекта в космос, устройство можно выполнить также кольцеобразным которое в сечении имеет вид овального профиля для аэродинамического обтекания, а радиальные лучи выполняют из полых сплюснутых труб, образующих аэродинамические трапециевидные поверхности, при этом такое профилированное кольцо и профилированные трубы в комплексе образуют аэродинамическую схему кольцеплана, кроме того в указанном устройстве можно всю внутреннюю поверхность кольцеплана и пространство между радиальными трубами стянуть силовой решетчатой поверхностью, при этом кольцо образует силовой обод такой стяжки, а радиальные трубы жестко связаны с решеткой, устройство так же может характеризоваться тем, что вся внутренняя поверхность кольцеплана и пространство между радиальными трубами стянуты силовой сетчатой поверхностью, при этом кольцо образует силовой обод такой стяжки, а радиальные трубы жестко связаны сетью, и то что в местах соединений радиальных труб с внутренней частью кольца выполняют утолщения кольца и размещают там просторные холлы и аудитории, а указанные утолщения кольца снабжают большими панорамными окнами и иллюминаторами, кроме того, в торцевых частях центрального цилиндрического модуля могут быть размещены барабаны с эластичной жаропрочной оболочкой, скроенной в виде верхнего и нижнего куполов, которые уложены спирально на барабан до выведения кольцевой поверхности в космос и обеспечивают их развертывание перед входом в атмосферу и посадкой, при этом периферийную часть куполов крепят по окружности к кольцу, верхний купол выполнен с большей кривизной поверхности, чем нижний, причем внутреннее пространство куполов наддувают газом, например, встречным набегающим потоком при торможении, при этом межкупольное пространство наддутое газом, может образовывать аэродинамическую форму «фары», при этом достигают значительного снижения удельной аэродинамической на возвращаемый из космоса объект до значений менее чем 10 кг/м.кв. и температурной нагрузки до 500 гр.С что позволяет использовать жаропрочные гибкие ткани с легким абляционным покрытием или даже простых полиимидных пленок при аэродинамической нагрузке менее 1 кг/м2. При этом капсула может совершать торможение с погружением в атмосферу часами при перегрузках не более 0,3-1,5 G что очень важно при совершении туристических рейсов в космос, так же возможно создание устройства, с решетчатой или сетчатой поверхностью где стяжка использована для радиотехнических задач, например, как вспомогательный каркас орбитального отражателя, при этом кольцевой обод используют для размещения витков катушки индуктивности значительных размеров, например, из сверхпроводящих материалов, а также сетчатая поверхность стяжки может быть выполнена с возможностью использования перед посадкой в качестве силовой сети для развертывания мембранной поверхности для аэродинамического торможения, кроме того, выводимый объект может выполнен в виде сегмента, в котором силовую схему указанного сегмента выполняют наборной конструкции, шпангоуты которой образованы решетчатой поверхностью, а стрингеры - сплошной, причем набор обшит внешней с большим радиусом и внутренней с меньшим радиусом оболочками, вставленными друг в друга на определенном расстоянии, количество которых может достигать десяти, оболочки снабжают окнами, люками и стыковочными крепежными элементами, а также отрезками магистралей с электро- и гидроразъемами, при этом поперечные герметичные переборки, расположенные перпендикулярно к набегающему потоку, выполняют в виде жалюзи, кроме того доставку объектов с поверхности планеты осуществляют также посредством термического расширения, создания аэростатической подъемной силы и донного эффекта на большой площади объекта, для чего гибкую, например, мембранную конструкцию, снабженную каркасом, расстилают на поверхности планеты, а ракетные двигатели распределяют под поверхностью мембраны на узлах каркаса и включают при подъеме конструкции так, чтобы струи от двигателей нагнетали под мембрану горячий газ для создания аэростатической подъемной силы, дополняющей силу тяги ракетных двигателей, причем при подъеме мембранной конструкции векторы тяги двигателей распределяют по мембране так, чтобы происходило формирование оболочки с выпукло-вогнутой поверхностью, при котором истекающее из-под вогнутой части мембраны рабочее тело ракетных двигателей создавало бы дополнительную подъемную силу.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ.
На Фиг. 1. Схематично представлен способ вывода в космос объекта кольцевой формы, например кольцевой орбитальной станции в полном ее сборе с радиальными лучами и концентрациями массы в различных частях.
На Фиг. 2. Схематично представлены различные варианты способа и расположения ракетных ступеней с двигателями для вывода в космос объекта кольцевой решетчатой и произвольной, например, сотовой формы, сегментов кольцевых космических станций, ячеек больших орбитальных телескопов, фазовых решеток, параболических силовых конструкций, жалюзи, или строительных элементов гигантских тороидальных обитаемых станций.
На Фиг. 3. Схема способа многоразового применения для вывода в космос и возврата отработанных ступеней и грузов на землю кольцевой и решетчатой формы в режиме решетчатого крыла и кольцеплана, например при сборке или демонтаже орбитальной кольцевой станции значительных размеров
На Фиг. 4. Общий вид способа соединения ракетных ступеней, для увеличения конструктивного совершенства ступеней и характеристик истечения реактивной струи с автоматическим наддувом топливных емкостей и охлаждением их оболочки соприкасающейся с горячей реактивной струей
На Фиг. 5. Показан способ затягивания внутреннего пространства решетчатых поверхностей мембранами для создания отражающих поверхностей в космосе например для параболических рефлекторов а также аэродинамических поверхностей в виде «фары», при возвращения из космоса.
На фиг. 6. Схематично показан способ модульного размещения и отброса ступеней на кольцевой или решетчатой поверхности.
На Фиг. 7. Показан способ соединения ракетных ступеней в связку неограниченной площади и отброса их по мере использования. На Фиг. 8 Показано применение способа вывода или посадки объектов сложной конфигурации, например, доставка в космос или посадка на небесное тело орбитальных станций в сборе на Луну, астероиды, Фобос, Деймос и т.д.
На Фиг. 9. Показан способ вывода в космос негабаритных кольцевых объектов с использованием стандартных ракет-носителей.
На Фиг. 10. Показано применение способа для доставки в космос объектов в виде жалюзи.
На фиг. 11. Показан способ доставки в космос гибких решетчатых и мембранных конструкций с поверхности планеты с использованием термического расширения и аэростатической подъемной силы а также донного эффекта большой площади.
ИЗОБРЕТЕНИЯ ОСУЩЕСТВЛЯЮТСЯ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ.
Выводимый в космос объект в виде, например, кольцевой орбитальной станции, 1 с кольцевой или решетчатой поверхностью (Фиг. 1), например, кольцевой орбитальной станции или ферменной конструкции для монтажа отражающих поверхностей или несущих ферм значительных размеров Фиг 2, устанавливают на горизонтально уложенные ступени 3 и 4 с топливом и ракетными двигателями 2, причем последняя ступень 5 может являться частью самого выводимого в космос объекта, при этом ступени повторяют в плане очертания колец или решеток выводимого объекта 1 и соединяются тандемно торцевыми частями. Двигатели 2 располагают в нижней торцевой части каждой ступени. Причем контур кольцевых или решетчатых поверхностей (Фиг. 2) может иметь различные варианты от концентрических кольцевых с радиальными лучами до сотовых рамочных. Кроме того, возможно выполнение элементов кольцевых или решетчатых объектов аэродинамической несущей формы и использовать указанную ракетную систему (Фиг. 3) для вывода объектов, возвращения ступеней, или возвращения самого груза из космоса в режиме решетчатого крыла или кольцеплана.
А для увеличения конструкционного совершенства ступеней, упрощения и обеспечения лучших условий истечения из ракетных двигателей рабочего тела 8 (Фиг. 4) боковой стороне топливных емкостей придают фигурный вогнутый изгиб с контуром в поперечном сечении соответствующим контуру «центрального тела» 7 которое является частью оболочки топливной емкости каждой ступени, а ракетные двигатели 2 располагают в верхней части ступени например с линейным или кольцевым расположением камер сгорания. При этом стенка 7 оболочки указанной топливной емкости нагреваемая с одной стороны истекающим рабочим телом, одновременно охлаждается с другой стороны компонентами топлива, причем давление расширения компонентов топлива при таком процессе используют для наддува самой топливной емкости. При чем ступени соединяют стыком при котором верхняя часть нижней ступени 3 повторяет контур нижней части верхней ступени 4 и т.д.
0
2
Кроме того, возможно спасение ступеней и возвращение выводимого объекта 1 из космоса путем затягивания внутреннего пространства кольцевых или решетчатых объектов, мембранами 9 (Фиг. 5), которые хранятся на активном участке полета в сложенном виде в обтекаемых отсеках 6 на специальных катушках в узлах решетки или на ее ребрах и расправляются, затягивая пространства между ребрами-фермами, для создания отражающих поверхностей в космосе или для входа в атмосферу с аэродинамическим качеством, при возвращении объекта из космоса, причем если расстояние дельта 2 значительно превышает дельта 1 Фиг.5, то при подачи газа между верхней и нижней оболочками 9 формируют избыточным давлением объект значительного размера аэродинамической формы в виде «фары», при этом достигают значительного снижения удельной аэродинамической нагрузки на возвращаемый из космоса объект до значений менее чем 10 кг/м.кв., и температурной нагрузки до 500 С, что позволяет использовать жаропрочные гибкие ткани с легким абляционным покрытием или даже простых полиимидных пленок при аэродинамической нагрузке менее 1 кг/м.
При этом капсула может совершать торможение с погружением в атмосферу часами при перегрузках не более 0,3-1,5 G что очень важно при совершении туристических рейсов в космос. Возможно также выполнение ступеней 3, 4, 5 и более, в виде отдельных топливных емкостей шаровой или продолговатой цилиндрической формы (Фиг. 6) которые крепят под выводимым объектом 1 повторяя его силуэт и отбрасывают по мере выработки рабочего тела 8 в таком порядке, чтобы обеспечить равновесие всей конструкции, относительно центра масс и центра давления, а для создания гиростабилизации указанной ракетной системы значительного размера, систему закручивают центробежными силами вокруг центра масс с осью перпендикулярной плоскости объекта.
При этом ЦБ силы также используют для отброса расположенных по силуэту ступеней 3 и 4 выполненных в виде отдельных цилиндрических или шаровых топливных емкостей. Ступени так же могут соединяться между собой образуя решетки составленные из балок в виде топливных емкостей, которые образуют силовые треугольники Фиг. 7, для этого ступени выполняют в виде продолговатых емкостей, торцы которых снабжают соединительными узлами 10, которые имеют пневмогидравлические разъемы для перекачки топлива между емкостями.
Боковой части емкостей, направленной к набегающему потоку, придают аэродинамическую форму или снабжают обтекателем 6. При такой схеме формирования ступеней удобна их доставка к месту старта ж/д или автотранспортом. При этом ступеней может быть сколько угодно много а вес полезной нагрузки может быть ограничен только тягой маршевого двигателя которая не будет превышать вес груза в 2-3 раза. Остальные двигатели работают только для подъема указанной связки из ступеней несущих топливо для его работы.
При этом на двигателях первых ступеней расположенных по периферии связки по мере уменьшения количества топлива снижают тягу компенсируя вес ступени с таким расчетом чтобы условная плоскость связки из ступеней и полезного груза сохраняла правильную форму. Способ вывода в космос также позволяет выполнять обратную операцию т.е. мягкую посадку на планету или астероид (Фиг. 8).
При этом полезный груз может представлять из себя довольно сложную конфигурацию, например, большую орбитальную станцию в полном сборе как МКС, или лунную базу, которую снабжают по силуэту модулями образующими ступени. Кроме того полезные грузы, например, кольцевой формы можно закрепить на внешней подвеске непосредственно к готовой стандартной ракете-носителю (Фиг. 9), используя тросовые ванты или жесткие аэродинамические распорки, при этом для разгрузки и путевой устойчивости полезного груза на нем закрепляют вспомогательные двигатели тяги и управления.
Для вывода конструкций в виде жалюзи (Фиг. 10) применяют комбинированные модульные ступени, доставку в космос гибких решетчатых конструкций или сеток затянутых мембраной с поверхности планеты Фиг. 11 осуществляют с использованием термического расширения и аэростатической подъемной силы а также донного эффекта большой площади, для чего мембранную конструкцию снабженную каркасом расстилают на поверхности планеты причем двигатели распределяют под поверхностью мембраны на узлах каркаса которые включают при подъеме конструкции.
При этом струи от ракетных двигателей нагнетают под мембрану горячий газ с температурой t1 который создает аэростатическую подъемную силу Fst наряду с реактивной силой Fr причем при подъеме конструкции тягу двигателей и вектор их тяги, распределяют на мембране таким образом чтобы происходило формирование оболочечной конструкции в виде, например, параболоида при котором истекающее из ракетных двигателей рабочее тело создает тепловой пузырь с давлением Pg истекающий из созданной конструкции создавая дополнительную подъемную силу Fg таким образом обеспечивая равенство F=Fst+Fr+Fg, возможно даже использование еще одной дополнительной подъемной силы Fb – «силы Бернулли», возникающей при боковом обдуве конструкции ветром при ее подъеме.
ЛИТЕРАТУРА.
С.П. Уманский Ракеты-носители. Космодромы. М., Изд-во Рестарт+. 2001-216 с.
К. Гэтланд. Ракетно-Космическая Техника. 1986. Изд. Мир.