СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ РАЙОНОВ ПАДЕНИЯ ОТРАБОТАННЫХ РАКЕТНЫХ БЛОКОВ ПЕРВОЙ СТУПЕНИ РАКЕТОНОСИТЕЛЯ ПРИ ИХ ПАРАЛЛЕЛЬНОМ СОЕДИНЕНИИ
REDUCTION OF FALL AREA FOR CARRIER ROCKET FIRST-STAGE UNITS IN CASE OF THEIR PARALLEL COUPLING

Изобретение относится к способу уменьшения районов падения отработанных ракетных блоков (РБ) первой ступени ракетоносителя при их параллельном соединении.
При запуске космического аппарата (КА) автоматически образуются зоны падения отработанных частей ступеней ракетоносителя в виде районов с площадью в сотни квадратных километров. Размещение каких-либо объектов в этих районах - запрещено, кроме защищенных бункеров. Нахождение персонала в таком районе также не допускается, особенно в день пуска. При изменении наклона орбиты космического аппарата - эти районы соответственно перемещаются. Серьезность решения вопросов по выделению районов падения частей РКН видна на примере заметки от 29.05.2012 г. в «Новостях космонавтики».
Ряд российских СМИ 27 мая сообщил, что Россия не сможет выполнить летом три запланированных космических запуска из-за того, что Казахстан не разрешает использовать свою территорию в качестве района падения для первой ступени ракеты-носителя "Союз". Из-за запрета казахстанской стороны отправки на орбиту дожидаются три российских и четыре иностранных спутника. Речь идет о запуске европейского метеорологического космического аппарата MetОр-В, который планировался на 23 мая, о групповом запуске российских спутников "Канопус-В" и МКА-ПН1, белорусского БКА, канадского ADS-1B и немецкого ТЕТ-1, который намечался на 7 июня, и о запуске российского аппарата "Ресурс-П", который должен был состояться в августе.
"Запуски космических аппаратов, о которых идет речь в статье, не были согласованы казахстанской стороной в конце 2011 года, так как для их осуществления требуется использование нового района падения отделяющихся частей ракет-носителей, не предусмотренного договором аренды комплекса "Байконур" от 10 декабря 1994 года. Об этом российская сторона была своевременно уведомлена", - говорится в сообщении Казкосмоса, размещенном на официальном сайте компании.
В соответствии с земельным законодательством Казахстана для выделения новых земельных участков в качестве района падения отделяющихся частей ракет необходимо заключение международного договора, который должен быть ратифицирован парламентом республики. По данным Казкосмоса, в 2008 году сторонами была начата работа по подготовке соответствующего проекта межправительственного соглашения, однако до настоящего времени текст соглашения остается не согласованным сторонами, передает РИА «Новости».
Аналогичные проблемы возникают и при запуске КА на орбиты с другим наклонением на космодромах («Плесецк», «Восточный») с районами падения на земную поверхность в России и Китае.
На настоящий момент для космодромов, чьи районы падения находятся на земной поверхности, известен и применяется способ гашения кинетической энергии РБ за счет торможения их собственным корпусом в плотных слоях атмосферы с последующей фрагментацией от тепловых и аэродинамических нагрузок на высоте менее 15-20 км и падением частей РБ в отведенные районы.
2
2
Официально выделенная площадь района падения для РБ первой ступени РКН «Союз-2» для одной трассы запуска составляет эллипс с осями 42×22 км и площадью 693 км для космодрома «Байконур» и 50×30 км (1125 км) - для космодрома «Восточный».
Площадь района падения отработанных РБ первых ступеней ракетоносителя (РКН) определяется следующими факторами:
инструментальными отклонениями бортовой системы управления от заданных величин: времени отделения РБ, траекторного угла, скорости и направления (азимута) трассы полета;
сезонным и суточным изменением плотности атмосферы, направлением и скоростью ветра на разной высоте;
первоначальным импульсом и разлетом отделенных РБ относительно друг от друга при их параллельном размещении на второй ступени. Отделение РБ происходит на восходящей ветке траектории (45-80 км) с последующим свободным полетом в атмосфере высокого разрежения на высоте до 70-150 км. В указанных условиях практически нет противодействия первоначальному импульсу разлета РБ друг от друга, и они разлетаются на значительное расстояние.
Параллельная компоновка РБ первой ступени применяется на отечественных РКН типа «Союз». Так, на РКН «Союз» - четыре боковых блока первой ступени, и расчетный разлет их в районах падения по направлению полета составляет до 6 км, а поперечный разлет до 3 км.
2
2
Официально выделенная площадь района падения для РБ первой ступени РКН «Союз-2» для одной трассы запуска составляет эллипс с осями 42×22 км и площадью 693 км для космодрома «Байконур» и 50×30 км (1125 км) - для космодрома «Восточный».
2
2
Предотвращение относительного разлета РБ друг от друга после отделения для РКН «Союз» позволит сократить оси эллипса района падения до (42-6)36 км и (22-3)19 км, и соответственно, уменьшить площадь района падения с 693 до 513 км, т.е. на 26% для космодрома «Байконур». Для космодрома «Восточный» эти оси уменьшатся до (50-6)=44 км и (30-3)=27 км - площадь до 890 км, т.е. на 21%.
2
2
Следовательно, только для одной трассы запуска уменьшение площади района падения за счет предотвращения относительного разлета РБ первой ступени составит до 180 км для космодрома «Байконур» и до 235 км для космодрома «Восточный».
Исключение относительного разлета РБ первой ступени РКН типа «Союз» обеспечивается введением конструктивной гибкой тросовой связи между носовыми частями блоков, которая, не препятствуя их отделению от второй ступени РКН, обеспечивает жесткое ограничение углов разворота блоков в диапазоне от 0 до 35 градусов к вектору скорости набегающего потока, и сохранением в дальнейшем полете конструктивной связи блоков с исключением их относительного разлета при падении в заданный район.
Районы падения для космодрома «Байконур» находятся в открытой ровной местности степного типа и легкодоступны для автомобильного транспорта эвакуаторов остатков РБ. В отличие от них районы падения космодрома «Восточный» располагаются как на пересеченной, так и гористой, таежной местности и весьма труднодоступны или вообще недоступны для автомобильного и гусеничного транспорта эвакуаторов РБ. Поэтому для космодрома «Восточный» немаловажно и обеспечение возможности регулирования (в сторону уменьшения) центра эллипса района падения. Центр района падения первых ступеней РБ находится на расстоянии 350 км от старта. Баллистическая оценка применения ПС для торможения и стабилизированного полета РБ показала, что возможно уменьшение этого расстояния до 250 км, при условии ввода ПС непосредственно после отделения РБ и ее работы по всей траектории снижения. В этом случае практически исключается падение РБ в горные районы и обеспечивается отсутствие дефрагментации РБ от тепловых и аэродинамических нагрузок. Вывоз нефрагментированных РБ существенно уменьшает трудозатраты эвакуаторов и уменьшает совокупные затраты на запуск РКН.
Для минимизации веса в конструкции РБ однократного использования применяются тонкие листы из алюминиевых сплавов с минимально возможным подкреплением продольным и поперечным силовым каркасом и максимально возможным внутренним избыточным давлением наддува. Именно по указанным причинам стохастически разрушаются корпусы РБ под суммарным воздействием тепловых и аэродинамических нагрузок при входе в плотные слои атмосферы на высотах 15-20 км.
Ввод традиционных ПС из капроновых текстильных материалов на высоте 7-10 км для приземления РБ невозможен так же по причине интенсивного вращения от аэродинамических сил. Введение таких ПС (с рабочей температурой материала до 60°С) сразу после отделения РБ, при условии их стабилизации, исключено по причине воздействия на них гиперзвукового высокотемпературного потока (1200-1500°С).
Единственно возможной для такого применения в составе РБ первой ступени является воздушно-космическая парашютная система (ВКПС), выполненная из термопрочных и термостойких текстильных материалов (патент № RU 113240 U1 с приоритетом от 17.03.2011 г.) при вводе начиная с верхних разреженных слоев атмосферы с приземлением на земную поверхность отработанных РБ в заранее отведенные районы (по патенту RU 2495802 С2). Для ввода ВКПС в действие необходимо исключение вращения и обеспечение ориентированного положения аэродинамически неустойчивых пустых корпусов РБ, что также обеспечивается конструктивной гибкой тросовой связью между РБ. Таким образом, заявляемый способ уменьшения площадей районов падения отработанных РБ первой ступени при их параллельном расположении на РКН обеспечивает:
- применение для его реализации ВКПС из термостойких тканей с введением в действие ПС сразу после их отделения от второй ступени на момент ограничения вращения РБ за счет работы гибкой тросовой связи.
- уменьшение площадей района падения до 20% за счет реализации группового полета РБ на ПС путем введения конструктивной связи между РБ первой ступени, которая не препятствует отделению боковых блоков первой ступени от второй ступени РКН и исключает их расхождении при полете формулируемой связки РБ в заданный район (см. фиг. 2);
- уменьшение расстояния от старта до цента эллипса рассеивания района приземления РБ не менее чем на 30% за счет применения ВКПС для торможения и парашютирования начиная с восходящего участка траектории и последующей реализации группового полета РБ за счет работы конструктивной тросовой связи по всей траектории полета и приземления РБ с приемлемой скоростью, обеспечивающей их целостность для последующей эвакуации.
Уменьшение расстояния от точки приземления РБ до старта с 350 км до 240 км - является существенным для реализации транспортировки РБ. Кроме того, уменьшение площадей района падения от старта на 30% и более для космодрома «Восточный» приводит к их приземлению на равнинном рельефе местности.
Перечисленные преимущества изобретения, по сравнению с прототипом - баллистическим полетом РБ в выделенные наземные районы для падения фрагментов РБ, обеспечиваются введением конструктивной связи РБ первой ступени при их параллельном размещении на второй ступени РКН, которая не препятствует их свободному отделению от второй ступени РКН, но исключает относительный разлет и вращение РБ в свободном падении в задний район и применением для каждого РБ ВКПС, выполненной из термостойких материалов, для торможения и стабилизации РБ с конструктивной связью по всей траектории полета и приземления РБ с приемлемой скоростью, обеспечивающей их целостность для последующей эвакуации.
Реализации заявляемого способа в ракетах-носителях типа СОЮЗ с параллельным расположением РБ первой ступени осуществляется введением в состав РБ системы гибкой тросовой механической связи в соответствии с фиг. 1 (позиция 3) прилагаемых чертежей.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1. изображены взаимные положения РБ первой и второй ступени РКН «Союз-2» при их разделении с временным интервалом 0,5 с РБ первой ступени - 1, РБ второй ступени -2, конструктивная связь блоков первой ступени - 3, ВКПС - 4. Связь - 3 не препятствует отделению РБ первой ступени - 1 от РБ второй ступени - 2 на первых двух секундах полета, но ограничивает их расхождение и поворот к моменту ввода ВКПС - 4 в действие к третьей секунде.
2
1
На фиг. 2 изображен район падения РБ первой ступени РКН «Союз» для космодрома «Байконур» со свободным разделением РБ - 5 с наложением на него уменьшенного района падения РБ первой ступени с конструктивной связью - 6. Площадь S уменьшенного района падения - 6 составляет около 80% от площади S района падения со свободным разделением РБ - 5.
2
На фиг. 3 изображены расчетные районы падения РБ первой ступени РКН «Союз» для космодрома «Восточный» с указанием расстоянии центра эллипса рассеивания от старта и наложением на карту рельефа местности, без конструктивной связи между РБ - 7 и районы падения с оснащением каждого РБ - ВКПС минимально-возможной площади (500 м) и конструктивной связью РБ между собой - 8.
На фиг. 4 изображена система из четырех РБ - 1 с ВКПС - 4 на участке снижения перед приземлением, соединенных конструктивной связью - 3.