УСТАНОВКА ДЛЯ ЗАПУСКА ОБЪЕКТОВ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

Полезная модель относится к космонавтике, точнее ракетно-космической технике и может быть использована при запуске объектов космической техники (ОКТ) с использованием давления газов.
Известно устройство для запуска объектов космической техники (ОКТ), например для вывода спутника на орбиту (RU 2117610 С1, 1998 г.), содержащее ускорительный комплекс и пусковую трубу, внутренний канал которой отделен от атмосферы пленкой, закрывающей ее верхний конец, а нижний конец трубы присоединен к ускорительному комплексу, придающему спутнику необходимую скорость. Назначение пусковой трубы в этом устройстве - защитить запускаемый с помощью ракеты-носителя спутник от сопротивления атмосферного воздуха. Однако необходимость использования ракеты-носителя на всем протяжении запуска не позволяет значительно снизить расход ракетного топлива и, следовательно, стоимости запуска, а также уменьшить загрязнения окружающей среды от продуктов сгорания топлива.
Эти недостатки устранены в известных установках для запуска ОКТ, в которых объект запуска сначала перемещается на определенную высоту с помощью простых, не загрязняющих атмосферу технических средств, например подъемников. Из них наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели по числу совпадающих существенных признаков является устройство подачи объекта запуска: снаряда, ракеты или другой космической техники к месту назначения (RU 2172462 С2, 2001 г.), содержащее камеру сжатия, подключенную к компрессору, пусковую трубу, имеющую внутренний канал, ориентированный выходом в сторону запуска и на входе сообщающийся с камерой сжатия, и предназначенную для контакта с объектом запуска платформу, размещенную над камерой сжатия во внутреннем канале с
возможностью перемещения вдоль него под действием давления из этой камеры, а также средства для фиксации платформы в исходном положении и останова ее в конце перемещения перед выходом внутреннего канала. Камера сжатия в прототипе представляет собой часть объема внутреннего канала трубы (дула ствола) под платформой и соединена трубопроводами с отдельно отстоящим компрессором. Платформа перемещается внутри ствола по направляющим и фиксируется в исходном положении специальными фиксаторами, а в конечном положении упором в буртик в стенке канала. После установки объекта запуска на платформе в камеру сжатия по трубопроводу от компрессора производится накачка воздуха до максимального давления и под действием этого давления платформа продвигается вперед, давит на объект и выбрасывает его из трубы, обеспечивая определенную дальность полета. При необходимости дальнейшее продвижение объекта осуществляется его собственным двигателем.
Функциональные возможности устройства-прототипа ограничены, его использование эффективно при осуществлении запуска снарядов или ракет на относительно малые высоты и не пригодно для запуска ОКТ на значительные высоты из-за ограниченных возможностей камеры сжатия в нем, обусловленных как ее параметрами и конструктивной зависимостью от канала трубы, так и выходными техническими данными используемого компрессора.
Задача и техническое решение полезной модели - расширить арсенал технических средств, реализующих способ запуска ОКТ с предварительным его выводом на позицию запуска в космическое пространство, с тем чтобы обеспечить снижение энергетических затрат на запуск, затрат на создание ракет, а также на расход ракетного топлива.
Сущность полезной модели заключается в том, что установка для запуска объектов космической техники, содержащая камеру сжатия, пусковую трубу, имеющую внутренний канал, ориентированный выходом в сторону запуска и
на входе сообщающийся с камерой сжатия, и предназначенную для контакта с объектом платформу, размещенную над камерой сжатия во внутреннем канале с возможностью перемещения вдоль него под действием давления из этой камеры, а также средства для фиксации платформы в исходном положении и останова ее в конце перемещения пред выходом внутреннего канала, в отличие от прототипа снабжена системой для вакуумирования внутреннего канала пусковой трубы, выполненной в виде, по меньшей мере, двух насосов, подключенных трубопроводами к каналу над платформой, которая при этом выполнена в виде поршня внутреннего канала, имеющего на выходе герметичную открывающуюся крышку, камера сжатия в ней выполнена в виде емкости, состоящей из центральной замкнутой рабочей камеры, заполненной легким несущим газом, и двух периферийных камер, отделенных от центральной герметичными мембранами, при этом периферийные камеры выполнены с возможностью сообщения с атмосферой, снабжены герметичными крышками и подключены к упомянутым насосам.
В частных случаях реализации отличия заключаются в том, что рабочая камера заполнена водородом или гелием.
Выполнение внутреннего канала вакуумированным и выполнение камеры сжатия простой по конструкции в виде емкости, центральная часть которой, расположенная под платформой, наполнена легким несущим газом, а периферийные создают необходимое рабочее давление, обеспечивается эффективный с малыми экономическими затратами и экологичный запуск ОКТ. Выполнение платформы в виде поршня внутреннего канала упрощает конструкцию (отпадает необходимость в направляющих) и позволяет более эффективно использовать давление.
На представленных чертежах: на фиг.1 - общий вид установки в разрезе (пример), в исходном положении; на фиг.2 - то же, в конечный момент срабатывания; на фиг.3 - общий вид установки в плане (пример).
Установка содержит камеру сжатия 1, выполненную в виде емкости, состоящей из центральной замкнутой рабочей камеры 2, заполненной легким несущим газом, например водородом или гелием, и двух периферийных камер 3, заполненных атмосферным воздухом, которые отделены от камеры 2 герметичными мембранами 4.
Пусковая труба 5 содержит внутренний канал 6, нижний конец которого сообщается с камерой сжатия 1. Канал 6 на верхнем конце имеет выходной люк 7, герметично закрытый открывающейся крышкой 8.
Установка содержит систему вакуумирования внутреннего канала 6, состоящую по м.м. из двух насосов 9 (их количество зависит от объемов вакуумирования надпоршнего пространства канала), соединенных трубопроводами 10 с камерами 3 с одной стороны, и каналом 6 пусковой трубы 5 с другой стороны. Камеры 3 имеют люки 11 для соединения с атмосферой с герметично закрывающимися крышками 12. Внутри канала 6 расположена платформа-поршень 13, которая может фиксироваться в крайнем нижнем положении упорами 14 и в крайнем верхнем положении упорами 15, предназначенная для установки ОКТ 16 через загрузочное окно в трубе (на чертежах условно не показано).
В исходном положении установки на платформу-поршень 13 устанавливается ОКТ 16 через загрузочное окно, которое затем закрывается герметично. Платформа-поршень 13 заблокирована в крайнем нижнем положении упорами 14. Крышки 12 камер 3 открыты для обеспечения в этих камерах атмосферного давления и на каждую мембрану 4 со стороны центральной камеры 2 и со стороны периферийной камеры 3 действует одинаковое давление - атмосферное. Крышка 8 канала 6 находится в закрытом положении.
Запуск осуществляется в следующем порядке.
Закрываются крышки 12 камер 3, с помощью насосов 9 создается вакуум в надпоршневой области внутреннего канала 6, а в периферийных камерах 3 создается избыточное давление воздуха, под действием которого мембраны 4
прогибаются во внутрь камеры 2. С достижением нужного избыточного давления в камере 2, убираются упоры 14, платформа-поршень 13 расфиксируется и начинает перемещаться вверх по каналу 6 под действием избыточного давления со стороны камеры сжатия 2.
В какой-то момент времени платформа-поршень 13 оказывается в крайнем верхнем положении внутреннего канала 6 трубы 5, где тормозится и фиксируется упорами 15. При этом по команде автоматически открывается крышка 8, и ОКТ 16 вылетает из пусковой трубы. Сила от разности давлений в под- и надпоршневом пространстве канала 6 трубы обеспечивает нужную скорость вылета ОКТ 16 на заданной высоте.
Герметичная крышка 8 закрывается, избыточное давление в периферийной камере 3 стравливается в атмосферу через открытые крышки 12, насосы 9 накачивают в надпоршневое пространство воздух до давления, необходимого для того, чтобы силы от разности давлений в под- и надпоршневом пространстве трубы уравнялись и платформа-поршень 13 опустилась в крайнее нижнее положение под действием собственного веса, где она фиксируется упорами 14. Установка возвращена в исходное положение и снова готова к работе.
Конкретный пример осуществления технического решения проиллюстрирован следующими расчетами.
Обозначим через Р - давление, действующее на поршень-платформу с помещенным на него объектом космической техники, тогда
aтм
P=P-p*g*h, где
атм
P - атмосферное давление;
p - плотность водорода;
h - высота, на которую поднимется поршень-платформа в трубе;
атм
h=(P-P)/p*g
при P=0
max
aтм
h=P/p*g
Известно, что на высоте 20 км плотность воздуха в 15 раз меньше ее значения на уровне моря, поэтому при высотах больше 20 км сопротивлением воздуха можно пренебречь.
трубы
трубы
При диаметре внутреннего канала 6 трубы 5 в конкретном примере равном D=1 м площадь в поперечном сечении трубы равна: S=(П*D^2)/4=3.14/4=0.785 м^2, тогда объем трубы
тpyбы
тpyбы
V=S*h=0.785*20*10^3=15.7*10^3 м.^3
емкости
емкости
Объем емкости равен V=16.8*10^3м^3, при D=16 м.,
емкости
а высота h=84 м. (объем водорода в емкости должен быть чуть больше объема трубы).
Сила от действия разности давлений в данном случае равна:
трубы
F=P*S=(10^5)*0.785=78.5 кН,
которая при массе объекта космической техники m=100 кг, расположенного на поршне-платформе, обеспечивает скорость вылета V=2000 м/с из верхней части канала трубы 5, на высоте 20 км.
После вылета ОКТ 16 из внутреннего канала пусковой трубы установки на нем при необходимости включается собственные двигатели, которые выводят его на более высокую заданную орбиту.