Многоразовая ступень ракеты-носителя
REUSABLE CARRIER ROCKET STAGE

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для создания многоразовой ступени ракеты-носителя (РН).
Известен многоразовый орбитальный космический корабль «Буран» предназначенный для доставки на орбиту грузов и выполненный по самолетной схеме типа «бесхвостка» с крылом переменной стреловидности (С.П. Уманский. "Ракеты-носители. Космодромы". – М., Изд-во Рестарт+. 2001, рис. 18, стр. 53-54).
Основными недостатками известного многоразового космического корабля «Буран» являются значительная масса, сложность конструкции и потеря в процессе выведения полезной нагрузки двигателей второй ступени.
Известна многоразовая транспортная космическая система «Space Shuttle», предназначенная для доставки на орбиту грузов, орбитальная ступень которой выполнена по самолетной схеме типа «бесхвостка» (С.П. Уманский. "Ракеты-носители. Космодромы". – М., Изд-во Рестарт+. 2001, рис. 58-59, стр. 139-141).
Основными недостатками известной многоразовой транспортной космической системы «Space Shuttle» являются значительная масса и сложность конструкции, потеря в процессе выведения полезной нагрузки баков окислителя и горючего орбитальной ступени.
Известен многоразовый разгонный блок РН, имеющий наружную аэродинамическую поверхность типа крыльев, выполненных зацело с корпусом, посадочные шасси и раскрывающийся головной обтекатель (патент на полезную модель РФ №147066, МПК: B64G 1/00 – прототип).
Основными недостатками известного разгонного блока РН являются значительные габариты и масса конструкции.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и улучшение массово-габаритных характеристик многоразовой ступени РН.
Решение указанной задачи достигается тем, что предложенная многоразовая ступень ракеты-носителя содержит отсек полезной нагрузки, приборный отсек, выдвижные или раскладные посадочные опоры, бак первого компонента топлива, торовый бак второго компонента топлива, расположенный ниже бака первого компонента, расположенный ниже торового бака двигательный отсек, в котором размещена двигательная установка, камеры которой расположены по окружности днища ступени и обеспечивают управление вектором тяги, стабилизацию ступени, торможение и посадку, при этом отсек полезной нагрузки образован поверхностями указанных баков, снабжен устройством перемещения установленной в этом отсеке полезной нагрузки вдоль оси ступени, между камерами двигательной установки расположен люк полезной нагрузки , а указанные посадочные опоры закреплены на днище ступени или на наружной поверхности бака второго компонента топлива, причем ступень дополнительно снабжена парашютной системой спасения.
Двигательная установка ступени может состоять из многокамерного ракетного двигателя с числом камер не менее двух или нескольких одинаковых ракетных двигателей, но не менее двух.
Двигательная установка может состоять из маршевого многокамерного ракетного двигателя, включающего в себя не менее двух неподвижных камер, размещенного в двигательном отсеке, камеры которого расположены равномерно по окружности днища ступени, и рулевого двигателя с количеством камер, достаточным для обеспечения управления вектором тяги, но не меньшим двух.
Для обеспечения маневрирования и посадки маршевый и рулевой двигатели многоразовой ступени РН могут быть снабжены агрегатами и системами, позволяющими обеспечить их многократное включение.
Управление вектором тяги многоразовой ступени РН может осуществляться качанием камер двигательной установки в одной или нескольких плоскостях.
Управление вектором тяги многоразовой ступени РН может осуществляться рассогласованием тяги камер двигательной установки.
Управление вектором тяги многоразовой ступени РН может осуществляться качанием камер рулевого двигателя в одной или нескольких плоскостях.
Управление вектором тяги многоразовой ступени РН может осуществляться рассогласованием тяги камер рулевого двигателя.
Предлагаемая конструкция многоразовой ступени РН, за счет своих отличительных признаков, обеспечивает решение поставленной технической задачи – улучшение массово-габаритных характеристик и максимальное повторное использование элементов конструкции многоразовой ступени РН.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид многоразовой ступени РН в аксонометрической проекции, на фиг. 2 – общий вид многоразовой ступени РН при отделении полезной нагрузки в аксонометрической проекции, на фиг. 3 – общий вид многоразовой ступени РН с выдвинутыми посадочным опорами в аксонометрической проекции, на фиг. 4 – общий вид многоразовой ступени РН ступени при посадке с использованием дополнительной парашютной системы и выдвинутыми посадочными опорами в аксонометрической проекции.
Многоразовая ступень РН (фиг. 1) содержит приборный отсек 1, бак первого компонента топлива 2, торовый бак второго компонента топлива 3, двигательный отсек 4, расположенный ниже торового бака 3, в котором установлена двигательная установка, камеры двигательной установки расположены по окружности днища ступени, двигательная установка может состоять из многокамерного ракетного двигателя с числом камер не менее двух или нескольких одинаковых ракетных двигателей, но не менее двух, при этом двигатель или двигатели обеспечивают управление вектором тяги, стабилизацию ступени, торможение и посадку, либо двигательная установка состоит из маршевого многокамерного ракетного двигателя, расположенного в двигательном отсеке, включающего в себя не менее двух неподвижных камер 5, расположенных равномерно по окружности, и рулевого ракетного двигателя с количеством камер 6 достаточным для обеспечения управлением вектором тяги, но не менее двух, обеспечивающего управление вектором тяги, стабилизацию, торможение и посадку ступени. В рассматриваемом случае под маршевым двигателем понимается один многокамерный ЖРД, либо несколько однокамерных или многокамерных ЖРД, под рулевым двигателем также понимается один многокамерный ЖРД, либо несколько однокамерных или многокамерных ЖРД. Как маршевый, так и рулевой двигатели могут быть выполнены по любой из известных схем – с дожиганием или без дожигания, по генераторной или безгенераторной схеме, с вытеснительной, насосной или иной системой подачи компонентов топлива. Отсек полезной нагрузки 7, образованный поверхностями баков, в котором установлена полезная нагрузка 8, устройство обеспечивающее перемещение полезной нагрузки вдоль оси ступени 9, например – гидроцилиндр или пружинные толкатели, отсек полезной нагрузки закрыт люком 10, расположенным между камерами. Для посадки используются выдвижные или раскладные посадочные опоры, которые в сложенном состоянии 11, закреплены, например, на днище ступени или на наружной поверхности ступени. Для снижения нагрузки на двигатели двигательной установки при посадке, минимизации объемов компонентов топлива, используемых для обеспечения посадки ступени, ступень дополнительно оборудована системой парашютного спасения, парашюты которой размещены в отсеках 12.
Для обеспечения многократного включения в полете, с целью обеспечения маневрирования и посадки, двигатели двигательной установки, маршевый и рулевой двигатели многоразовой ступени РН могут быть снабжены агрегатами и системами, позволяющими обеспечить их многократное включение, в том числе агрегатами воспламенения компонентов топлива, агрегатами управления и регулирования.
Для обеспечения управления ступенью, маневрирования, торможения и посадки камеры двигателя или двигателей двигательной установки могут качаться в одной или нескольких плоскостях в зависимости от требований к управлению РН. Либо управление ступенью, маневрирование, торможение и посадка осуществляются за счет рассогласования тяги камер двигательной установки.
Для обеспечения управления ступенью, маневрирования, торможения и посадки рулевые камеры 6 рулевого двигателя могут качаться в одной или нескольких плоскостях в зависимости от требований к управлению РН. Либо управление ступенью, маневрирование, торможение и посадка осуществляются за счет рассогласования тяги камер 6 рулевого двигателя.
Предложенная многоразовая ступень РН (фиг. 1) работает следующим образом. После отделения от нижней ступени РН компоненты топлива из бака первого 2 и бака второго компонента 3 поступают в двигатель или двигатели двигательной установки. По команде осуществляется запуск двигателя или двигателей двигательной установки, например, маршевого ракетного двигателя с камерами 5 и рулевого ракетного двигателя с камерами 6 и ступень начинает движение по заданной траектории. Если ив составе ступени используется многокамерный двигатель с одинаковыми камерами или несколько одинаковых двигателей, то управление вектором тяги, осуществляется их качания в одной или нескольких плоскостях или рассогласования их тяги друг относительно друга, способ управления выбирается в зависимости от требований системы управления РН. При использовании в составе двигательной установки маршевого и рулевого двигателей камеры 5 маршевого двигателя остаются неподвижными в течение всего полета, а управление вектором тяги ступени осуществляется за счет камер 6 рулевого двигателя – их качания в одной или нескольких плоскостях или рассогласования их тяги друг относительно друга, способ управления выбирается в зависимости от требований системы управления РН. В заданный момент времени происходит отключение ракетных двигателей двигательной установки, при этом отключение всех двигателей может происходить одновременно либо одних, например, рулевых позже, чем другие, например, маршевые. При достижении многоразовой ступенью заданной орбиты производится открытие люка полезной нагрузки 9 и полезная нагрузка 8 покидает отсек полезной нагрузки 7 (фиг. 2). При необходимости, в отсек полезной нагрузки может быть помещен космический аппарат или иной груз, для которого требуется возвращение на землю. Далее ступень начинает осуществлять спуск. На начальном участке спуска торможение осуществляется за счет аэродинамического торможения, после чего производится запуск двигателей двигательной установки, например, рулевого ракетного двигателя, с помощью камер 6 которого осуществляется маневрирование и посадка ступени. В определенных случаях, например, при большой массе ступени, для торможения используется однократное или многократное включение маршевого двигателя. Либо для осуществления торможения, маневрирования и посадки используется двигатель или все двигатели двигательной установки. Непосредственно перед посадкой ступени из днища ступени выпускаются посадочные опоры, которые из сложенного состояния 11 переходят в рабочее состояние 13 (фиг. 3). В процессе управления вектором тяги, маневрирования, торможения и посадки может осуществляться регулирование тяги двигателей в широком диапазоне и их повторное включение. Для повышения массы полезной нагрузки и снижения запаса компонентов топлива, необходимых для обеспечения посадки, многоразовая ступень дополнительно снабжена парашютной системой спасения. При ее использовании парашюты расположены в контейнерах 12, размещенных, например, ена наружной поверхности ступени. На начальном участке спуска торможение осуществляется за счет аэродинамического торможения, после чего производится запуск двигателей двигательной установки, затем, при достижении допустимой скорости происходит выпуск из контейнеров 12 и раскрытие парашютов 14. При необходимости для окончательного торможения при посадке может производиться еще одно включение двигателей двигательной установки.
Использование предложенного технического решения позволит повысить конструктивное совершенство и улучшить массово-габаритные характеристики многоразовой ступени РН.