СПОСОБ ВЫВОДА В КОСМОС КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ С ПОМОЩЬЮ МНОГОРАЗОВОЙ СИСТЕМЫ И СИСТЕМА ДЛЯ ВЫВОДА В КОСМОС КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
METHOD OF LAUNCHING SPACESHIPS BY REUSABLE SYSTEM AND SYSTEM FOR MULTIPLE LAUNCHING OF SPACESHIPS

Изобретение относится к ракетно-космической технике и, в частности, к устройствам для вывода в космос космических объектов.
Одной из важнейших характеристик ракетных систем для вывода в космос космических объектов является экономичность запуска космических объектов, показателем которой является стоимость вывода в космос 1 кг полезного груза, которая в настоящее время составляет 10…40 тыс. $ США [Ж. «Новости космонавтики» №3, 2009 г., стр.71]. Такая большая стоимость затрудняет широкое хозяйственное освоение космического пространства.
Существенное снижение стоимости запуска в космос одного килограмма полезного груза (до 2000 $ США) предполагается получить с помощью многоразовой авиационно-космической системы (МАКС) [Там же, стр.72], однако и эта предполагаемая стоимость остается непомерно высокой.
Известный способ вывода в космос космических объектов с помощью многоразовой авиационно-космической системы (МАКС), состоящей из самолета и закрепленной на его фюзеляже ракетной ступени, включает горизонтальный взлет, подъем до заданной высоты (~14 км) и разгон до максимально возможной скорости полета самолета, вертикальные взлет и вывод в космос оборудованной ракетными двигателями космической ступени [Ж. «Новости космонавтики» №3, 2009 г., стр.72].
Известно также устройство для многоразового вывода в космос космических объектов, содержащее самолет, на фюзеляже которого закреплена оборудованная ракетными двигателями космическая ступень [Там же].
Реализуется способ следующим образом. На взлетно-посадочную полосу (ВПП) выводится самолет с закрепленной на его фюзеляже ракетно-космической ступенью. Запускаются двигатели самолета. Самолет разгоняется, взлетает, поднимается на высоту 13-14 км и разгоняется до расчетной скорости, по достижении которой запускаются ракетные двигатели ракетно-космической ступени и она направляется в космическое пространство. После отсоединения ракетно-космической ступени самолет направляется к ВПП.
При взлете современных самолетов для создания достаточной для взлета и посадки подъемной силы требуется большая площадь крыльев, которая зависит от взлетно-посадочной скорости (чем больше скорость взлета, тем нужна меньшая площадь крыльев). Большие крылья имеют большой вес, что отрицательно сказывается на весовых характеристиках самолета. Так, например, скорость взлета самолета Ил 76 составляет примерно 270 км/ч (см. интернет). Эта скорость ограничивается техническими возможностями шасси, потребностью неоправданного увеличения мощности двигателей и т.д., в то же время скорость железнодорожных поездов может достигать скорости 560-580 км/ч [Википедия. Скоростная железная дорога]. Низкие взлетно-посадочные скорости самолетов, используемых для реализации известного способа, в этой связи, являются недостатком известного способа.
К недостаткам известного способа следует также отнести наличие на самолете шасси, которое в полете становится балластом. На самолете, подобном, например, ИЛ 76, вес шасси может составлять несколько тонн. Наличие на самолете шасси тем самым ухудшает экономические показатели известного способа.
При полете самолета расходуется топливо не только на подъем ракетно-космической ступени и самолета, но одновременно и на подъем запасенного на борту самолета топлива и баков для его размещения, что неизбежно сказывается на стоимости запуска в космос полезного груза. Это также является недостатком известного способа.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в разработке способов и системы для многоразового вывода в космос космических объектов, обеспечивающих более низкую стоимость вывода в космос этих объектов.
Это достигается тем, что в способе многократного вывода в космос космических объектов с помощью системы для многократного вывода в космос космических объектов, состоящей из оборудованного, например, воздушно-винтовыми двигателями самолета с закрепленной на нем оборудованной ракетными двигателями ракетно-космической ступенью, включающем производство взлетно-посадочной полосы (ВПП), разбег самолета по ВПП, взлет и подъем его на заданную высоту и разгон до заданной скорости, запуск ракетных двигателей ракетной ступени и выход ее в космос, а также посадку самолета на ВПП, согласно изобретению перед стартом самолета изготавливают кольцевую ВПП, устанавливают на ней оборудованную автономным приводом платформу, демонтируют шасси самолета и укладывают его вместе с ракетно-космической ступенью на платформу, разгоняют платформу до достаточной для взлета самолета скорости, после чего запускают двигатели самолета, осуществляют его взлет, поднимают самолет на заданную высоту, разгоняют до заданной скорости, запускают ракетно-космическую ступень, а после запуска ракетно-космической ступени посадку самолета осуществляют на эту же платформу, движущуюся по кольцевой ВПП с необходимыми для посадки самолета расположением и скоростью, после чего останавливают платформу. Кроме этого кольцевую ВПП и оборудованную автономным приводом платформу выполняют подобными соответственно железной дороге и передвигающемуся по ней поезду, например электропоезду.
Это достигается также тем, что в способе вывода в космос космических объектов с помощью многоразовой системы, состоящей из оборудованного, например, воздушно-винтовыми двигателями самолета с закрепленной на нем оборудованной ракетными двигателями ракетно-космической ступенью, включающем производство взлетно-посадочной полосы (ВПП), разбег самолета по ВПП, взлет и подъем его на заданную высоту, разгон до заданной скорости, запуск ракетных двигателей ракетной ступени, выход ее в космос и посадку самолета, согласно изобретению перед стартом самолета изготавливают кольцевую ВПП, после этого в центре кольцевой ВПП соосно с ней на земной поверхности закрепляют с возможностью вращения площадку с поднятой над земной поверхностью стрелой и закрепленным на ее конце роликом. На площадке размещают лебедку и контейнер с уложенным в нем тросом и прикрепленной к нему магистралью для подачи в самолет энергоносителя (например, электроэнергии или керосина). После этого пропускают через лебедку и закрепленный на стреле ролик передний конец троса (вместе с магистралью) и подводят его к ВПП, после чего на ВПП устанавливают самолет с закрепленной на нем ракетно-космической ступенью, присоединяют к самолету передний конец троса, а передний конец магистрали непосредственно к двигателям самолета. Затем включают подачу в двигатели самолета энергоносителя, запускают эти двигатели, осуществляют взлет самолета и полет его по кольцевой траектории с постепенным увеличением до заданных размеров длины троса, диаметра траектории, а также высоты полета. По достижении самолетом заданных высоты и скорости полета запускают ракетные двигатели и направляют ракетную ступень в космос, а самолет направляют по кольцевой траектории к ВПП, постепенно уменьшая длины передней части троса и магистрали, и осуществляют посадку на ВПП. Кроме этого перед присоединением к самолету троса, его и магистраль укладывают на подвижные тележки, установленные радиально на расположенных внутри ВПП соосно с ней кольцевых дорожках, которые при старте самолета вплоть до его взлета перемещают по кольцевым дорожкам синхронно с ним.
Это достигается также тем, что в системе для многоразового вывода в космос космических объектов, включающей взлетно-посадочную полосу (ВПП), установленный на ней самолет, с закрепленной на его фюзеляже оборудованной жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) ракетно-космической ступенью, согласно изобретению взлетно-посадочная полоса (ВПП) выполнена в виде кольца с установленной на ней оборудованной автономным приводом платформой, на которой уложен с демонтированным шасси самолет с закрепленной на нем ракетно-космической ступенью. В центре ВПП соосно с ней установлена с возможностью вращения вокруг этого центра площадка с поднятой над земной поверхностью стрелой, на конце которой закреплен ролик, а на площадке размещена лебедка и установлен контейнер с уложенным в нем тросом с прикрепленной к нему магистралью для подачи в двигатели самолета энергоносителя. Передний конец троса (вместе с магистралью) пропущен через лебедку и ролик и закреплен на самолете. Задний конец магистрали при этом подключен через выполненный на оси площадки канал к размещенному на земле источнику энергии (на рисунке канал и источник энергии не показаны).
Для обеспечения самолету высокой взлетно-посадочной скорости ВПП выполнена в виде скоростной железной дороги, а платформа выполнена в виде поезда, например электропоезда (электровоза).
Задний конец магистрали подключен (при подаче, например, керосина) к закрепленному на площадке насосу, вход которого через канал на оси площадки, в свою очередь, подключен к установленной ниже земной поверхности емкости с жидким топливом.
Для предупреждения трения о землю троса и магистрали, внутри кольцевой ВПП соосно с ней выполнено несколько кольцевых дорожек с установленными на них на одной радиальной линии тележками с автономными приводами, на которых уложены передние части троса и магистрали.
Еще для уменьшения веса самолета магистраль для подачи энергоносителя подключена непосредственно к двигателям самолета, а самолет при этом выполнен без баков для топлива.
Для уменьшения аэродинамического сопротивления и веса троса и магистрали, а также уменьшения стоимости расходуемого при запуске энергоносителя, в двигателях самолета в качестве приводов движителей, например, винтов используют электродвигатели.
Кроме этого для уменьшения аэродинамического сопротивления и создания подъемной силы трос и магистраль размещены в оболочке с поперечным сечением в форме поперечного сечения крыла самолета с геометрическими параметрами, соответствующими окружной скорости полета каждого сечения. Оболочка при этом выполнена из эластичного пористого материала.
Для предупреждения смещения платформы (самолета) в радиальном направлении под воздействием центробежных сил, образующая ВПП выполнена под углом к горизонту и наклонена к оси симметрии ВПП.
На фиг.1 показан вид на систему в плане. На фиг.2 показан вид по стрелке А (фиг.1). На фиг.3 показан вид в сечении 1-1 (фиг.1). На фиг.4 показан вид на систему в плане в случае подачи энергоносителя в двигатели самолета непосредственно с земной поверхности. На фиг.5 показан вид на эту систему в сечении 2-2. На фиг.6 показан вид в сечении 3-3. На фиг.7 показан вид на систему в плане для случая, когда в системе самолет установлен на платформе и к его двигателям подключена магистраль для подачи энергоносителя непосредственно с земли.
Представленная на фиг.1-7 система содержит кольцевую ВПП 1, на которой установлена оборудованная автономным приводом платформа 2. Платформа 2 в рассматриваемом случае выполняет функцию шасси. Для обеспечения высокой взлетно-посадочной скорости ВПП выполнена подобной железной дороге, а выполняющая функцию шасси платформа - подобной электровозу.
В рассматриваемом случае самолет 3 закреплен на платформе, а к нему, в свою очередь, прикреплена ракетно-космическая ступень 4. В этом случае для уменьшения массы самолета, он используется без традиционных колесных шасси. В центре ВПП 1 соосно с ней установлена с возможностью вращения площадка 5 с поднятой над земной поверхностью стрелой 6 с закрепленным на ее конце роликом 7. Стрела нужна для поднятия передней части троса с прикрепленной к нему магистралью над земной поверхностью (для умеренного его натяжения и предупреждения трения о землю). На платформе закреплена лебедка 8 и установлен контейнер 9. Лебедка предназначена для контролируемой подачи (при определенной силе натяжения) троса 10 с магистралью 11 к самолету, когда самолет набирает высоту и подачи в их в контейнер 9, когда самолет возвращается на ВПП. В контейнере уложен трос 10 с прикрепленной к нему магистралью 11. Магистраль предназначена для подачи в двигатели самолета с ее помощью энергоносителя (в качестве энергоносителя на самолете может использоваться электроэнергия, углеводородное топливо, водород и др.). Трос 10 служит в качестве силового элемента, обеспечивающего целостность магистрали 11. Передача энергоносителя с размещенных на земле неподвижных источников к самолету осуществляется через закрепленный на площадке 5 узел 12. В случае подачи на самолет жидкого топлива в качестве узла 12 может быть использован насос (на рисунках не показаны канал, выполненный на оси площадки, через который подается жидкое топливо к насосу и емкость с этим топливом). Для уменьшения лобового сопротивления трос 10 и магистраль 11 помещены в оболочку 13 с удобообтекаемым поперечным сечением и профилем, подобным профилю крыла самолета. Такой профиль создает подъемную силу, с помощью которой убирается провис троса 10 и магистрали 11 в полете. Поскольку окружная скорость оболочки является переменной по длине, ее профиль на каждом участке также должен соответствовать этой скорости. Чтобы оболочка была легкой и гибкой, ее можно выполнить из прочного пористого материала.
Чтобы уменьшить натяжение троса на участке между платформой и самолетом при нахождении его на земле, он вместе с магистралью уложен на оборудованные автономными приводами тележки 14, которые установлены на прямой линии между площадкой 5 и самолетом на выполненных соосно с ВПП дорожках 15.
В изобретении энергоноситель подается по магистрали 11 непосредственно с земли в двигатели. В этом варианте не требуется устанавливать на самолете баки и запасать топливо, чем существенно уменьшается полетная масса самолета и повышается экономичность рассматриваемой системы.
В предлагаемом способе и реализующей его системе ВПП выполнена в форме кольца (бесконечной). В этом случае самолет может разбегаться по ней и садиться на нее на любой практически достижимой максимальной скорости и сколь угодно долго без опасения, что ВПП кончится. Это позволит, благодаря большой взлетно-посадочной скорости, минимизировать площадь крыльев самолета и соответственно их массу и общую массу самолета, а благодаря бесконечности ВПП повысить безопасность полета.
Работает система следующим образом.
На выполненной в виде замкнутого кольца ВПП 1 устанавливают платформу 2. На платформу 2 кладут самолет 3 и закрепляют на нем ракетно-космическую ступень 4. Заправляют баки самолета и ракетно-космической ступени компонентами топлива. По команде на взлет запускают двигатели самолета и после их готовности к взлету разгоняют платформу 2. При достижении платформой взлетной скорости самолет 3 направляют в набор высоты. При достижении самолетом заданных скорости и высоты полета, запускают ракетно-космическую ступень, а самолет направляют к ВПП 1. В это же время платформу 2 разгоняют до заданной программой полета посадочной скорости и стабилизируют эту скорость. Самолет располагают в воздухе строго над платформой и плавно опускают его па платформу. После закрепления его на платформе выключают двигатели самолета и плавно останавливают платформу.
В случае использования в системе самолета с подачей топлива с земли непосредственно в двигатели самолета система работает следующим образом.
На выполненной в виде замкнутого кольца ВПП 1 (см. фиг.4) устанавливают самолет 3 и закрепляют на нем ракетно-космическую ступень 4. Пристыковывают к самолету трос 10 и непосредственно к двигателям самолета 3 магистраль 11. Заправляют баки ракетно-космической ступени 4 компонентами топлива. По команде на взлет с помощью насоса 12 подают по магистрали 11 непосредственно в двигатели самолета энергоноситель, например керосин, запускают эти двигатели и после их готовности к взлету разгоняют самолет 3. Одновременно с самолетом синхронно с ним запускают тележки 14. При достижении самолетом 3 взлетной скорости, его поднимают и направляют по кольцевой траектории в набор высоты с постепенным (плавным) увеличением радиуса траектории полета. Одновременно с этим с помощью лебедки 8 увеличивают длину пристыкованной к самолету части троса 10 и прикрепленной к нему магистрали 11. При достижении самолетом 3 заданных скорости и высоты полета запускают ракетно-космическую ступень 4, направляют ее в космос, а самолет направляют по кольцевой траектории к ВПП 1, плавно уменьшая по мере снижения с помощью лебедки 8 длину троса 10 и магистрали 11. Самолет 3 плавно опускают на ВПП 1. Тележки 14 при этом располагают под тросом в соответствии с его проекцией на горизонтальную плоскость. После приземления самолета его плавно останавливают и синхронно с ним останавливают тележки 14.
Показанную на фиг.1 систему целесообразно дополнить участком для подачи топлива непосредственно в двигатели самолета 3, как показано на фиг.4. Такой вариант выполнения системы показан на фиг.7. В этом варианте система работает аналогично системе, показанной на фиг.4, за исключением только того, что самолет 3 садится и взлетает на движущуюся платформу, как показано на фиг.1, а не на ВПП. В этом варианте обеспечивается максимально низкая стоимость запуска в космос космических объектов.
Предлагаемый способ многократного вывода в космос космических объектов и система для его осуществления обеспечивают низкую стоимость запуска в космос объектов, позволяют увеличить при той же массе поднимаемого в воздух аппарата массу выводимого в космос полезного груза. При этом увеличивается также безопасность запусков.