Ракета-носитель многократного использования и многокомпоновочная транспортная система - RU2035358C1
Код документа: RU2035358C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к ракетной технике, а именно системам и способам вывода ракет в космическое пространство. В частности, изобретение относится к системам, имеющим силовые установки в сочетании с орбитальным летательным аппаратом челночного типа или другим, несущим полезную нагрузку летательным аппаратом.
Космический челнок [1] представляет собой многосторонний летательный аппарат, имеющий основные характеристики космического корабля, в то же время в некоторых отношениях напоминающий самолет. Космический челнок выводится в космическое пространство с помощью ракетных двигателей совершенно так же, как это делает обычный космический корабль, и возвращается из космического пространства наподобие самолета путем планирующего спуска через атмосферу и посадки на взлетно-посадочной полосе. Разработка космического челнока является значительным достижением, так как она знаменует приход элементарной космической транспортной системы. Предвидится система, дающая возможность человеку и грузу совершать элементарно-челночные рейсы в космическое пространство и обратно, тем самым обеспечивая возможность обслуживания, ремонта и дозаправки космического корабля, создания конструкций больших размеров, таких как производственное оборудование, и, в конце концов, сооружения в космическом пространстве поселений.
В техническом отношении космический челнок состоит из орбитального летательного аппарата, содержащего маршевые двигатели челнока, внешний бак, содержащий ракетное топливо для подъема, используемое маршевыми двигателями, и два ракетных ускорителя на твердом топливе. Орбитальный летательный аппарат и ракетные ускорители являются многократно используемыми, в то время как внешний бак расходуется при каждом запуске. При запуске два твердотопливных ракетных двигателя и три жидкотопливных ракетных двигателя запускаются и работают одновременно. Орбитальный летательный аппарат вместе с экипажем и полезной нагрузкой остается на орбите для выполнения своей миссии обычно в течение около 7 дн, но в случае необходимости в течение более продолжительного промежутка времени, до 30 дн. После завершения миссии орбитальный летательный аппарат возвращается на Землю и приземляется как самолет.
В то время, как космический челнок стал основным шагом вперед в освоении космического пространства, существует еще ряд проблем, предотвращающих наиболее эффективный, экономичный и целесообразный способ работы такой челночной системы. До сих пор предпринималось мало попыток усовершенствовать космический челнок для обеспечения его большей гибкости.
Одной из основных проблем, связанных с космическим челноком, является то, что орбитальный летательный аппарат, космический корабль, который выглядит как самолет с треугольным крылом, должен прикрепляться к внешнему баку и системам и также содержит три жидкотопливных ракетных двигателя с сопутствующими их системами. Топливный бак, остатки топлива после завершения работы двигателей, ракетные двигатели добавляют значительный вес к общему весу, выводимому на орбиту или близко к ней.
Кроме того, и даже более важно, двигатели и устройства подачи топлива сводят к минимуму объем пространства для размещения груза внутри орбитального летательного аппарата. Это означает, что возникает необходимость уменьшения объема и веса полезной нагрузки. Хотя орбитальный летательный аппарат может доставлять на орбиту до 25 т внутренней полезной нагрузки, вес этой нагрузки составляет только 1/7 часть от общего веса, выводимого на орбиту.
Другой проблемой, связанной с космическим челноком, является недостаток гибкости, так как он обеспечивает выполнение только одного типа космического полета (миссии) с жестким ограничением размеров и веса выводимых на орбиту полезных нагрузок. Таким образом, должны разрабатываться программы космических полетов с учетом возможностей космического челнока и вводимых им ограничений. Космические челноки содержат грузовой отсек и маршевые двигатели. Так как они являются дорогими и сложными для изготовления, в любой момент времени должно быть обычно в работе нескольких таких челноков. Транспортировка в космическое пространство ограничивается, когда орбитальные летательные аппараты находятся в нерабочем состоянии для обслуживания или пока они находятся на орбите. Таким образом, например, орбитальные летательные аппараты не могут быть использованы для длительных пилотируемых космических полетов без жесткого ограничения стартовых возможностей. Они должны быть быстро возвращены на Землю для поддержания пусковых операций. Это ограничивает время проведения исследований на орбите и могло бы критически ограничить доставку и сборку космической станции или осуществлении других основных проектов космических полетов.
Изобретение предлагает создание ракеты-носителя с многоцелевой многокомпоновочной космической транспортной системой повторного использования, в которой обеспечивается множество модулей, которые могут соединяться между собой с образованием различных возможных компоновок согласно требованиям конкретной задачи космического полета. Основной частью системы является блок первой ступени, который выборочно используется в качестве независимого аппарата, выводимого на орбиту одной ступенью, или в качестве одной ступени многоступенчатой компоновки. Блок первой ступени является повторно используемым и имеет соответствующее устройство для возвращения на Землю.
Наиболее близкой с технической точки зрения как для ракеты-носителя, так и для многокомпоновочной транспортной системы можно принять ракету-носитель [2] содержащую множество цилиндрических модулей, один из которых выполнен в виде по меньшей мере частично одноразового беспилотного блока первой ступени с основной двигательной установкой, а еще один в виде блока полезной нагрузки, прикрепленного с возможностью съема снаружи к блоку первой ступени.
Недостатками данной ракеты-носителя является то, что пусковая конфигурация модулей постоянна и блок первой ступени не в состоянии по выбору использоваться в качестве независимой одноступенчатой ракеты, выводимой на орбиту или как ступень многоступенчатой конфигурации с узлами крепления по выбору одного или нескольких добавочных одинаковых или различных модулей.
Предлагаемая ракета-носитель многократного использования, которая отличается от известной тем, что для выборочной транспортировки различных полезных нагрузок в космическое пространство она содержит множество различных модулей, которые могут разъемно соединяться между собой с образованием различных возможных компоновок. Модули включают блок первой ступени, который является, по крайней мере, частично расходуемым и содержит маршевую двигательную (силовую) установку для обеспечения достаточной тяги для вывода полезных нагрузок вплоть до заданного веса на орбиту или близко к ней, блок полезной нагрузки для размещения полезных нагрузок и по крайней мере один блок второй ступени или вспомогательный блок для выборочного присоединения к остальной части системы, включающий двигательную установку второй ступени для обеспечения дополнительной тяги для вывода на орбиту полезных нагрузок с большим весом или для вывода полезных нагрузок в глубокий космос. Каждый из блоков может быть по отдельности присоединен к любому другому блоку, и несколько блоков одного типа могут быть использованы в выбранных стартовых компоновках. Блок полезной нагрузки может представлять собой простой пассивный контейнер для полезной нагрузки, прикрепляемый снаружи или внутри к блоку первой ступени, или может включать орбитальный летательный аппарат для пилотируемого полета по орбите, включающий отсек для груза и устройства маневрирования на орбите или двигатели. Оба типа блоков полезной нагрузки предпочтительно выполняются в виде модулей системы. Блоки второй ступени представляют собой ракетные ускорители или ракеты намного меньших размеров, чем блоки первой ступени, которые обеспечивают основную тягу.
Предпочтительно блок первой ступени включает отсек для груза и предпочтительно используется в качестве аппарата, выводимого на орбиту одной ступенью, а также составной части различных многоступенчатых компоновок. Блок является полностью или, по крайней мере, частично расходуемым после запуска. При желании двигатели и электронная аппаратура могут быть отделены при возвращении блока на Землю и могут быть, например, спасены с помощью подходящей парашютной системы. Однако в простейшем случае весь блок является расходуемым и полностью теряется после запуска. Если он используется в качестве аппарата, выводимого на орбиту одной ступенью, то он обычно выводит на орбиту небольшую полезную нагрузку, освобождает полезную нагрузку и остается на орбите или впоследствии падает на Землю.
Блок первой ступени в предпочтительном воплощении изобретения выполнен в виде простого цилиндрического топливного бака типа, аналогичного внешему баку настоящего космического челнока и включающего жидкостные ракетные двигатели, имеющие дополнительный внутренний объем для груза. Блок имеет различные места крепления для выборочного прикрепления его к контейнеру с полезной нагрузкой, орбитальному летательному аппарату, блокам второй ступени или к другим блокам первой ступени для обеспечения повышенной грузоподъемности. Места крепления в предпочтительном воплощении должны быть аналогичными имеющимся в настоящее время в стандартной ракете-носителе космического челнока. Предпочтительно блок также имеет свой собственный внутренний отсек для полезной нагрузки и предназначается для полета аппарата без экипажа при использовании в качестве аппарата, выводимого на орбиту одной ступенью.
В предпочтительном воплощении блок первой ступени имеет от трех до восьми двигателей, которые могут иметь тягу, эквивалентную тяге используемых в настоящее время маршевых двигателей космического челнока, все из которых расположены на заднем конце блока первой ступени. В передней части содержатся баки с жидким ракетным топливом. В альтернативном воплощении могут использоваться другие виды топлива для обеспечения требуемой тяги. Это сравнительно простая и расходуемая основная ракета-носитель обеспечивает широкое разнообразие стартовых возможностей и возможностей выполнения различных задач по исследованию космоса при сравнительно низких затратах. Две или более таких основных ракет-носителей могут присоединяться друг к другу для повышения грузоподъемности.
С помощью такого блока первой ступени в космическое пространство может выводиться орбитальный летательный аппарат, аналогичный настоящему челночному орбитальному летательному аппарату, но без громоздких и тяжелых маршевых двигателей космического челнока. Орбитальный летательный аппарат может отделяться от блока первой ступени в любое время и затем блок первой ступени может быть возвращен на Землю и при необходимости повторно использован. Таким образом, орбитальный летательный аппарат может оставаться в космическом пространстве более длительное время и может иметь большую полезную нагрузку, так как маршевые двигателя челнока удаляются из летательного аппарата. Летательный аппарат может иметь увеличенное количество ракетного толива для системы маневрирования в орбитальном полете по сравнению со стандартными космическими челноками и более длинный грузовой отсек, дающий возможность транспортировки в космическое пространство более объемистой полезной нагрузки.
Для повышения грузоподъемности и обеспечения возможности транспортировки в глубокий космос может использоваться блок второй ступени или вспомогательный ракетный двигатель. Он может быть в виде твердотопливных ракетных ускорителей, прикрепляемых к блоку первой ступени, или в виде ракет внешней подвески, которые могут пристыковываться или к блоку первой ступени, или к орбитальному летательному аппарату, запускаемому блоком первой ступени. Вспомогательными блоками могут быть ракеты, работающие на жидких водороде и кислороде, или ракеты, содержащие любое подходящее ракетное топливо и предпочтительно являющиеся также расходуемыми.
Таким образом, одна возможная компоновка предложенной ракеты-носителя включает один блок первой ступени, содержащий полезную нагрузку для вывода на орбиту. В этом случае блок первой ступени может включать или внутренний отсек для полезной нагрузки или внешние контейнеры для полезной нагрузки, прикрепляемые к блоку.
Многокомпоновочная транспортная система является комбинацией блока первой ступени с подходящими вспомогательными устройствами, например ракетными ускорителями, аналогичными используемым в настоящее время в косимческом челноке, или вспомогательными ракетами-носителями внешней подвески, имеющими подходящее ракетное топливо для обеспечения возможности блоку первой ступени выводить на орбиту более тяжелые полезные нагрузки. В модифицированной компоновке два или более блока первой ступени могли бы располагаться с образованием цилиндрических структур с параллельной работой путем обеспечения подходящего кольцевания системы питания ракетным топливом, как это осуществлятся в настоящей системе с космическим челноком. Система с множеством блоков первой ступени этого типа могла бы использоваться с дополнительными ракетными ускорителями или блоками внешней подвески для сообщения ей дополнительной тяги и могла бы работать в качестве многоступенчатого летательного аппарата, предназначенного для выведения на орбиту сверхтяжелых полезных нагрузок. Контейнеры с полезной нагрузкой могли бы прикрепляться к блокам первой ступени снаружи или размещаться внутри их в подходящих отсеках для полезной нагрузки. В альтернативном воплощении для вывода на орбиту большого контейнера с полезной нагрузкой несколько блоков первой ступени могли бы располагаться в связке, закольцованной по ракетному топливу, вокруг контейнера и работать параллельно или в многоступенчатом режиме для вывода контейнера на орбиту.
Таким образом, предложенная модульная многокомпоновочная космическая транспортная система является сравнительно простой, гибкой и дает возможность осуществлять транспортировку на орбиту или в глубокий космос полезной нагрузки различного веса путем подходящего выбора блоков, которые должны разъемно состыковываться между собой. Вместо специальной разработки всей новой ракетной силовой установки для каждой новой полезной нагрузки или решения новых космических задач существующая модульная система может использоваться путем простого присоединения друг к другу требуемых модулей для запуска. Блоки в предпочтительном воплощении являются расходуемыми, за исключением любого орбитального летательного аппарата с экипажем, делая запуски менее трудными и конструкции отдельных летательных аппаратов менее сложными и, таким образом, менее дорогостоящими. Усовершенствованные орбитальные летательные аппараты, которые не включают маршевые двигатели, являются менее дорогими в производстве и, таким образом, могут быть более доступными, улучшая транспортный коэффициент готовности и давая возможность орбитальным летательным аппаратам оставаться в космосе более длительное время без жесткого ограничения стартовых возможностей.
На фиг. 1 показана основная часть, или блок первой ступени ракеты-носителя многоразового использования, вид сбоку; на фиг. 2 показан блок первой ступени, представленный на фиг. 1, вид сзади, иллюстрирующий расположение двигателей; на фиг. 3 показан блок первой ступени прикрепленным к внешнему баку или блоку полезной нагрузки, вид сбоку; на фиг. 4 показано альтернативное носовое крепление блока полезной нагрузки; на фиг. 5 показана альтернативная стартовая компоновка с двумя расходуемыми основными частями и блоком полезной нагрузки; на фиг. 6 показана другая возможная компоновка системы, использующая блок первой ступени и два ракетных ускорителя, вид сбоку; на фиг. 7 показана многокомпоновочная транспортная система, в которой используется параллельное расположение блоков первой ступени для вывода в космическое пространство контейнера с полезной нагрузкой, вид сбоку; на фиг. 8 показана стартовая компоновка, представленная на фиг. 7, вид сверху; на фиг. 9 показан перспективный вид другой возможной стартовой компоновки, использующей один блок первой ступени, орбитальный летательный аппарат и ракетные ускорители.
На фиг. 1 и 2 показан базовый блок первой ступени или основной блок 1 предпочтительного воплощения предложенной ракеты-носителя многоразового использования. Блок 1 является, по крайней мере, частично или полностью расходуемым или одноразового действия (другими словами, не предусмотрены средства для возвращения блока на Землю после запуска) и может быть использован в качестве аппарата, выводимого на орбиту одной ступенью, как показано на фиг. 1, или может быть выборочно прикреплен к различным другим блокам или модулям с образованием многих возможных альтернативных стартовых компоновок.
Модульные блоки ракеты-носителя включают блок первой ступени или основной блок 1, вспомогательные двигательные установки, включающие твердотельные ракетные ускорители 2, которые разъемно прикрепляются к блоку 1 первой ступени (фиг. 6 и 7), орбитальный летательный аппарат 3 (фиг. 9), другой тип вспомогательной силовой установки, включающей крыльевые баки или ракеты 4 внешней подвески, и грузовые контейнеры или блоки 5, 6 без двигателей различных размеров (фиг. 3-5, 7 и 8). Эти модульные блоки используются в различных возможных стартовых и орбитальных компоновках согласно требуемым полезной нагрузке и транспортировке. Контейнеры с полезной нагрузкой или грузовые контейнеры 5, 6 являются беспилотными контейнерами для размещения полезной нагрузки, которые могут предпочтительно разъемно прикрепляться к блоку первой ступени и аналогично к другим блокам. Контейнеры с полезной нагрузкой могут иметь различные размеры. Таким образом, каждый из модульных блоков может быть разъемно прикреплен к любому другому блоку согласно желаемой стартовой компоновки и весу полезной нагрузки.
Блок 1 первой ступени представляет собой повторно используемую ракету-носитель, которая способна работать в качестве аппарата, выводимого на орбиту одной ступенью. Она аналогична по внешнему виду внешнему баку космического челнока. В заднем конце блока 1 расположены восемь двигателей 7 (фиг. 2). Корпус 8 блока 1 имеет в основном цилиндрическую форму, передний конец 9 которого имеет коническую форму. Двигатели 7 конструируются для обеспечения достаточной тяги для вывода аппарата на желаемую орбиту. Они представляют собой двигатели с большой тягой и могут быть подобного или идентичного типа с маршевыми двигателями космического челнока. Для повышенной грузоподъемности ракеты-носители могут иметь до восьми маршевых двигателей. Двигатель 7 может использовать любое подходящее ракетное топливо, и блок 1 имеет подходящие топливные баки, установленные в цилиндрическом корпусе 8. Топливные баки могут включать отдельные отсеки для жидкого кислорода, жидкого водорода, твердого или жидкого углеводородного топлива или любой другой соответствующей комбинации топлива для вывода полезных нагрузок в космическое пространство. В предпочтительном воплощении маршевые двигатели используют жидкие водород и кислород в качестве ракетного топлива, которые также используются в маршевых двигателях космического челнока, подаваемые из внешнего бака.
В воплощении, показанном на фиг. 2, двигатели 7 используются двух различных типов, включающие внешнее кольцо из четырех небольших ракетных ускорителей 10, которые являются стационарными двигателями, используемыми от момента запуска до достижения высоты 5-6 км, и два больших центральных основных двигателя 11 с управлением вектором тяги для работы в космосе. Меньшие двигатели могут быть маршевыми двигателями космического челнока или им эквивалентными, в то время как большими двигателями могут быть стандартные маршевые двигатели космического челнока или эквивалентные типы двигателей. Альтернативно внешнее кольцо может включать шесть стартовых двигателей для повышения грузоподъемности или множество меньших двигателей с малой тягой, таких как двигатели типа RL-10 или им эквивалентные, которые заменяют двигатели 7, показанные на фиг. 2, например восемь или более двигателей RL-10 могут обеспечить возможность вывода на орбиту одной ступенью.
Предпочтительно блок первой ступени также включает подходящий грузовой отсек, предназначенный для размещения полезной нагрузки. Предпочтительно блок 1 первой ступени совместим с существующими местами (зонами) крепления космического челнока, твердотопливных ракетных ускорителей и стартового стола. Вокруг нижнего конца блока 1 обеспечиваются стопорные стойки 12 стартового стола, как в челночной системе. Место крепления или сопрягающаяся поверхность 13 служит для соединения блока 1 с блоком 5 полезной нагрузки, орбитальным летательным аппаратом или с другими модульными блоками в альтернативных компоновках. Обеспечиваются два или более таких места крепления для того, чтобы дать возможность присоединить основной блок 1 к одному или более дополнительным устройствам. Предпочтительно также обеспечивается крепежное устройство для обеспечения возможности, например, выборочного прикрепления блока полезной нагрузки к одной стороне блока 1, как показано на фиг. 3, или к его носовой части, как показано на фиг. 4. Носовое закрепление обеспечивает более высокую грузоподъемность.
Предпочтительно место крепления устанавливается для обеспечения требуемого взаимозаменяемого разъемного механического соединения, а также двусторонней связи (обмена информацией) и обеспечения возможности подачи топлива от одного устройства к другому. Может также обеспечиваться электрическое или силовое соединение.
Обмен информацией между устройством может обеспечиваться через физическое соединение или дистанционно посредством радиосигналов. На соответствующей высоте блок 1 первой ступени отделяется от орбитального летательного аппарата или другого модульного блока и обычно падает на Землю. Другие зоны крепления аналогичной природы (не показанные на фигурах) используются для разъемного прикрепления твердотопливных ракетных ускорителей, крыльевых баков или контейнеров полезной нагрузки вокруг блока 1 первой ступени в различных возможных стартовых компоновках. Подходящая носовая зона крепления обеспечивается для выборочного разъемного прикрепления блока полезной нагрузки к носовой части устройства, как показано на фиг. 4. Эта носовая зона крепления должна быть стандартного типа со всеми необходимыми механическими, электрическими и жидкостными соединениями, но должна быть модифицирована аналогично к боковой зоне крепления для обеспечения возможности двусторонней передачи информации, а не односторонней.
Расходуемый блок первой ступени является основной частью предложенной ракеты-носителя многоразового использования.
Твердотопливные ракетные ускорители 2 (фиг. 6) разъемно прикрепляются к одному или более блокам первой ступени через крепления 14 для обеспечения возможности вывода в космическое пространство более тяжелых полезных нагрузок. Те же зоны крепления могут использоваться для выборочного прикрепления или ускорителей 2, или блоков полезной нагрузки. Ускорители 2 могут быть того же типа, которые используются в космическом челноке. Каждый из ускорителей в основном включает цилиндрический корпус 15, имеющий на переднем конце коническую часть 16 и на заднем конце двигатель 17. Двигатель 17 является подходящим твердотельным двигателем и служит для обеспечения тяги ускорителей в процессе запуска. Коническая часть 16 корпуса 15 облегчает прохождение через атмосферу Земли и может служить в качестве контейнера для размещения посадочного парашюта для возвращения ускорителя на Землю. Альтернативно ускорители 2 могут быть одноразового пользования. Внешние поверхности могут быть покрыты подходящим материалом для обеспечения теплозащиты при входе в плотные слои атмосферы.
Ускорители 2 разъемно прикрепляются к блоку 1 первой ступени таким же способом, как это делается в существующей челночной системе. Например, они могут использоваться при возникновении необходимости запуска грузов, имеющих слишком большие габариты или вес. При выработке твердого ракетного топлива ускорители 2 отделяются от блока 1 и возвращаются на Землю, где они теряются, если являются расходуемыми блоками, или могут быть спасены и перезаправлены топливом для последующего использования.
В альтернативных воплощениях твердотопливные ракетные ускорители могут быть заземлены ракетами с подходящим жидким топливом с эквивалентной тягой, например, использующими жидкие углеводороды, жидкий кислород и жидкий водород или другое подходящее жидкое топливо.
Орбитальный летательный аппарат 3, показанный на фиг. 9, аналогичен орбитальному космическому кораблю типа космического челнока, но в нем отсутствуют три маршевых двигателя и в задней части челночного аппарата обеспечивается отсек для ракетного топлива. Тяга трех маршевых двигателей обеспечивается в предложенной ракете-носителе в блоке первой ступени, и удаление этих двигателей из орбитального летательного аппарата значительно снижает его вес и предоставляет больший объем для размещения дополнительного груза. Орбитальный летательный аппарат включает систему 18 маневрирования в орбитальном полете, аналогичную используемой в космическом челноке, но с избыточным количеством ракетного топлива для выведения летательного аппарата на орбиту.
Внешний корпус орбитального летательного аппарата 3 очень напоминает космический челнок, включающий на переднем конце носовую секцию 19, в которой располагаются пульты управления и кабина пилотирования, грузовой отсек 20, где выполняются эксперименты, размещаются различные источники питания, хранятся инструменты, и неподвижные крылья 21. Грузовой отсек намного длиннее отсека, используемого в настоящем летательном аппарате, из-за отсутствия маршевых двигателей и связанных с ними устройств управления и топливных систем. Таким образом, грузовой отсек простирается до задних загрузочных люков. Грузовой отсек имеет верхний люк для выхода в космическое пространство, как это имеет место в космическом челноке. Крылья 21 имеют острую внешнюю форму и простираются тангенциально от цилиндрической части корпуса аппарата 3. Передний край 22 крыльев покрыт слоем углерода. В задней части аппарата 3 простирается вверх руль 23, практически перпендикулярный плоскости крыльев 21.
Орбитальный летательный аппарат может быть снабжен поворотным крылом вместо неподвижных крыльев 21, которое может быть эквивалентно поворотному крылу, установленному на блоке первой ступени. Могут также обеспечиваться выстреливаемые носовые рули. Система 18 маневрирования включает подходящий ракетный двигатель или двигатели, расположенные в заднем конце орбитального летательного аппарата, которые сообщаются с соплом или соплами 24. Система 18 служит в качестве маневрирующего двигателя малой тяги для орбитального летательного аппарата 3, когда он находится на орбите или приближается к ней. Нет необходимости использовать эту систему во всех случаях при определенной первоначальной дальности активного полета, хотя в некоторых случаях это может быть сделано. Система 18 маневрирования может иметь любое подходящее ракетное топливо, хранимое в баках на заднем конце орбитального летательного аппарата, такое как жидкие водород и кислород. В предпочтительной компоновке система маневрирования эквивалентна системе, имеющейся на космическом челноке, но имеющая больший запас топлива.
Другой тип модульного блока, показанного на фиг. 9, представляет собой вспомогательный блок, включающий крыльевой бак или ракету 4 внешней подвески. В устройстве, показанном на фиг. 1, показаны две такие ракеты 4 для разъемного прикрепления к крыльям орбитального летательного аппарата 3. Однако альтернативно они могут аналогично прикрепляться к блоку первой ступени. Предпочтительно ракеты 4 представляют собой ракеты с двигателем на жидких водороде и кислороде, которые прежде всего предназначены для прикрепления к полезной нагрузке, но могут иметь закольцованные системы питания с блоком 1 первой ступени.
Ракета 4 напоминает по внешнему виду твердотопливный ракетный ускоритель 2, но короче его и намного легче. В предпочтительной компоновке вес ее составляет 1/20 сухого веса ускорителя 2, и она предназначена для работы на большой высоте вплоть до космического пространства или в качестве ускорителя для дальних космических полетов или снабжающих летательных аппаратов. После полного расхода топлива ракеты 4 отделяются и теряются.
Ракета 4 имеет практически цилиндрическую основную часть 25 корпуса с конической носовой частью 26 на переднем конце и соплом или соплами 27 двигателей, выступающими с заднего его конца. В поперечном сечении ракета 4 является практически такой же, как блок 1. Внутри ракеты 4 имеется один или несколько баков для ракетного топлива.
Другим выбираемым модульным блоком ракеты-носителя, показанной на фиг. 3, 4, 5, 7 и 8, является блок полезной нагрузки или контейнер 5, 6, который представляет собой простой пассивный контейнер для размещения груза, выводимого на орбиту или подаваемого к орбитальному летательному аппарату или космической станции. Такой блок разъемно прикрепляется к блоку первой ступени, а также аналогично к орбитальному летательному аппарату 3. Блоки 5, 6 могут иметь различные размеры в зависимости от веса полезных нагрузок. На фиг. 3, 4 и 5 показан блок 5 меньшего размера, на фиг. 7 и 8 показан блок 6 для большей полезной нагрузки, имеющий увеличенные размеры.
Различные блоки модульной ракеты-носителя многоразового использования могут выборочно прикрепляться друг к другу с образованием различных стартовых компоновок согласно весу полезной нагрузки и необходимости решения частных задач космического полета, т.е. вывода на орбиту, вывода в глубокий космос, совершения длительных полетов, сооружения космической станции и т.д. Некоторые из различных возможных компоновок предложенной ракеты-носителя представлены ниже. Даны оценочные значения грузоподъемностей при различных компоновках.
Стартовые компановки
Эти и другие возможные компоновки описаны более подробно ниже.
На фиг. 1 и 2 показано использование одного основного блока 1 в качестве аппарата, выводимого на орбиту одной ступенью. Это дает возможность запуска расположенной внутри полезной нагрузки, например спутника, который должен быть выведен в космическое пространство, при этом вес полезной нагрузки зависит от тяги двигателя блока 1. С увеличением количества двигателей в этом блоке может увеличиваться вес выводимой с его помощью на орбиту полезной нагрузки.
На фиг. 3 показан один блок полезной нагрузки или контейнер 5 с боковым закреплением на блоке 1. Это дает возможность выводить на орбиту полезные нагрузки, имеющие вес в пределах 10-30 т в зависимости от тяги двигателей блока 1. При носовом закреплении контейнера 5 на блоке 1, как показано на фиг. 4, грузоподъемность повышается до веса в пределах 20-40 т вследствие уменьшенного веса контейнера и поддерживающих его конструкций.
На фиг. 5 показана альтернативная стартовая компоновка для запуска очень тяжелых полезных нагрузок, в которой два блока 1 соединяются между собой параллельно с закреплением между ними контейнера 5. Это повышает максимальную полную полезную нагрузку до величины 100-150 т в зависимости от количества двигателей в блоках 1. Для получения максимальной чистой полезной нагрузки необходимо из полной полезной нагрузки вычесть вес опорной конструкции контейнера 5. Предпочтительно в промежутке между двумя блоками 1 обеспечивается кольцевание системы питания топливом блока первой ступени (не видно на фиг. 5) для повышения грузоподъемности. Такая компоновка обеспечивает значительный выигрыш в грузоподъемности.
На фиг. 6 показана другая потенциальная стартовая компоновка, использующая блок 1 и две вспомогательные ракеты 4. С такой компоновкой может выводиться на низкую орбиту вокруг Земли блок 1, несущий более тяжелую полезную нагрузку. Это эквивалентно так называемой полуторной ступени.
На фиг. 7 и 8 показана компоновка для вывода на орбиту сравнительно больших и тяжелых полезных нагрузок. В этой компоновке используется связка из четырех параллельно расположенных блоков 1 для запуска одного массивного контейнера 6 с полезной нагрузкой. Этот тип компоновки может использоваться в качестве многоступенчатой ракеты-носителя для выведения на орбиту очень больших полезных нагрузок. В промежутке между блоками первой ступени может обеспечиваться кольцевание 28 системы питания топливом и компоновка может включать два или более вспомогательных ракетных двигателя 2. Все эти двигатели разъемно прикрепляются к контейнеру 6 с полезной нагрузкой посредством крепежных устройств 29. Контейнер 6 по форме аналогичен меньшему контейнеру 5 и имеет цилиндрический корпус с обычно конической носовой частью.
На фиг. 9 показана стартовая компоновка, включающая блок 1, орбитальный летательный аппарат 3 и две крыльевые ракеты с внешней подвеской, разъемно прикрепленные к нижним поверхностям крыльев 21 орбитального летательного аппарата 3.
В воплощении, показанном на фиг. 9, блок 1 предназначен для подачи ракетного топлива к вспомогательным блокам в процессе запуска посредством подходящих топливных трубопроводов (не показаны) и отделяется от орбитального летательного аппарата и вспомогательных блоков по достижении скорости несколько сотен метров в секунду недалеко от орбиты. После отделения блок первой ступени падает на Землю. Затем орбитальный летательный аппарат и крыльевые ракеты выходят на низкую орбиту вокруг Земли. Расчеты показывают, что орбитальный летательный аппарат и две крыльевые ракеты могли бы достичь орбиты с полезной нагрузкой 50 т и общим весом около 20 т ракетного топлива в двух крыльевых ракетах. Топливо могло бы передаваться от одной крыльевой ракеты к другой. Крыльевые ракеты могли бы выработать топливо и быть возвращенными на Землю после опорожнения для подготовки их повторного использования.
Во всех возможных компоновках блок первой ступени и его маршевые двигатели продолжают обеспечивать тягу до полного расхода ракетного топлива. Альтернативно двигатели могут быть разделены по ступеням. Ракетное топливо подается от подходящих баков, расположенных внутри блока, к двигателям в процессе запуска и достижения ракетой-носителем скорости, близкой к орбитальной. Избыточное топливо может передаваться крыльевым ракетам 4, например, в процессе запуска или после него.
Блок 1 первой ступени отделяется от орбитального летательного аппарата при более низкой инерциальной скорости, чем при выполнении соответствующей операции отделения внешнего бака от орбитального летательного аппарата в космическом челноке. Блок 1 отделяется по достижении достаточно близко орбитальной скорости и высоты для обеспечения возможности крыльевым ракетам 4 или усиленной системы маневрирования в орбитальном полете орбитального летательного аппарата вывести его на орбиту.
После отделения от блока 1 орбитального летательного аппарата и крыльевых ракет последние обеспечивают тягу для выведения орбитального летательного аппарата на орбиту. По достижении конечной или переходной траектории двигатели крыльевых ракет выключают.
Крыльевые ракеты используют не только в процессе вывода на орбиту, но дополнительно для транспортировки малых грузов и/или топлива с Земли к потребителям в космосе или для перемещения груза или топлива с одного объекта на другой (например, с космической станции, находящейся на низкой орбите вокруг Земли, к геодезическому спутнику). С этой целью в части корпуса крыльевой ракеты могут быть предусмотрены грузовые отсеки. Ракеты 4 могут конструироваться для выполнения операции вытаскивания груза из контейнера орбитального летательного аппарата, например, путем подтягивания его к их носовой части и транспортировки его к другому месту. Это, в частности, может быть полезным в случае сооружения космических станций и т.п.
Кроме того, полностью заправленные крыльевые ракеты могут быть обеспечены на орбите вокруг Земли для прикрепления к орбитальному летательному аппарату после запуска. Один, два, три или четыре такие ракеты могут быть прикреплены к одному орбитальному летательному аппарату в космическом пространстве для обеспечения достижения полностью нагруженным орбитальным летательным аппаратом скорости около 12, 24 или 36 км/с для выхода с низкой орбиты вокруг Земли. Таким образом, орбитальный летательный аппарат, комбинированный с различными крыльевыми ракетами многоразового пользования, может обеспечить экономичный доступ к глубокому космосу. Время расхода большинства критических расходуемых материалов на орбитальном летательном аппарате может быть продлено путем использования ракетного топлива от прикрепленных крыльевых ракет или путем использования повышенной грузоподъемности орбитального летательного аппарата в результате удаления маршевых двигателей. Таким образом, могут выполняться намного более длительные космические полеты или полеты в глубокий космос. Вспомогательный блок или крыльевая ракета может в альтернативных воплощениях включать простой топливный бак внешней подвески без двигателя для подачи топлива к системе маневрирования в орбитальном полете орбитального аппарата или другим внутренним системам.
Хотя в показанном воплощении блок первой ступени имеет шесть маршевых двигателей, имеющих подходящее ракетное топливо, такое как жидкие водород и кислород, могут использоваться любые альтернативные двигатели и топливо для сообщения требуемой тяги и может использоваться большее или меньшее количество двигателей. Вообще блок первой ступени может иметь от трех до десяти двигателей. Топливо для двигателей содержится в соответствующих баках внутри корпуса 8 блока 1. Таким образом, вместо маршевых двигателей может использоваться много небольших двигателей.
Блок 1, который составляет основу модульной ракеты-носителя многоразового пользования, предпочтительно используется как в качестве аппарата, выводимого на орбиту одной ступенью, так и в качестве одноступенчатого ускорителя для выведения на орбиту вокруг Земли или близко к ней других полезных нагрузок. Альтернативно может быть сконструирован меньший основной блок, предназначенный только для достижения близкой к Земле орбиты и используемый с малыми ракетами-носителями, которые отделяются сразу же после старта. Два или более меньших основных блоков этого типа могут быть соединены вместе для вывода на орбиту полезных нагрузок.
Основой блок может использоваться отдельно или в комбинации с двумя или более дополнительными блоками первой ступени, с или без ракетных двигателей для обеспечения широкого диапазона грузоподъемностей. Он может использоваться в многоступенчатом режиме, объединившись в связку вокруг грузоносителя или пилотируемого космического корабля. Он может быть скомбинирован с устройствами для увеличения тяги или верхними ступенями или может использоваться в качестве орбитальной транспортной ракеты. Модифицированный орбитальный летательный аппарат для пилотируемых полетов выводит на орбиту меньший вес неполезной нагрузки, чем космический челнок и имеет более длинный грузовой контейнер. Орбитальный летательный аппарат имеет верхний люк в грузовом контейнере, который может открываться для обеспечения возможности проведения экспериментов в процессе полета по орбите и извлечения и размещения полезной нагрузки в грузовом контейнере, и может иметь дополнительный люк в задней секции грузового контейнера для обеспечения доступа без открывания верхнего люка контейнера. Грузовой контейнер мог бы вмещать полезную нагрузку на 4-9 м длиннее, чем нагрузка, вмещаемая космическим челноком. Корпус челнока мог бы быть полностью трубчатым для обеспечения повышенной прочности. Так как сухой вес орбитального летательного аппарата намного меньше и удлиненная задняя часть грузового контейнера создает аэродинамический профиль малого сопротивления, орбитальный летательный аппарат без полезной нагрузки мог бы быть довольно хорошим самолетом. На крыльях могли бы закрепляться отдельные ракетные двигатели, работающие на углеводородном или водородном топливе, хранимом в баках в грузовом отсеке для обеспечения работы орбитального летательного аппарата в качестве самолета. Это значительно упрощает передислокацию орбитальных летательных аппаратов с одного места пуска на другое.
При необходимости могут прикрепляться вспомогательные блоки в виде крыльевых ракет для обеспечения дополнительной тяги для целей ускорения и маневрирования или орбитального летательного аппарата, или блока первой ступени, в то же время не занимая некоторого объема в грузовом контейнере. Они вносят меньше опасностей, чем если бы они располагались внутри орбитального летательного аппарата. Для обеспечения дополнительной тяги на старте могут использоваться твердотопливные ракетные ускорители.
Все модульные блоки ракеты-носителя, описанные выше, за исключением орбитального летательного аппарата, сами по себе являются предпочтительно полностью или частично расходуемыми и, таким образом, имеющими сравнительно простую конструкцию. Блоки могут выбираться для конкретного полета и подходящим образом разъемно прикрепляться друг к другу с образованием желаемой компоновки, используя зоны крепления, обеспеченные для этой цели на различных блоках. Из-за гибкости этой ракеты-носителя требуется только ограниченное количество различных типов модульных блоков для обеспечения выполнения широкого диапазона различных возможных операций, включающих запуск полезных нагрузок от 20-30 до 100 т, непилотируемые и пилотируемые полеты, транспортировку в космическом пространстве с одного места на другое, полеты в глубокий космос, сооружение космических станций и многие другие потенциальные космические полеты. В предложенной ракете-носителе эффективно разрушена связь между проектами космических полетов и проектированием ракет. Другими словами ни полет, ни ряд планируемых полетов (т.е. модель полета) не должны определяться специфической ракетой-носителем с фиксированной грузоподъемностью.
Таким образом, вместо изменения конструкции космического корабля для выполнения задач каждого нового полета просто выбираются соответствующие модульные блоки из имеющегося набора и присоединяются друг к другу с образованием желаемой стартовой компоновки. Благодаря этому значительно сокращаются затраты на космические полеты. Каждый блок модульной системы может иметь различное применение. Например, блок первой ступени может использоваться в качестве аппарата, выводимого на орбиту одной ступенью, или в качестве части многоступенчатой системы выведения летательных аппаратов на орбиту с произвольно большими полезными нагрузками. Вспомогательные силовые блоки, например, могут использоваться в качестве ускорителей в процессе запуска, транспортировки в космосе или маневрировании летательных аппаратов или двигателей внешней подвески на орбитальных летательных аппаратах. Так как орбитальные летательные аппараты намного проще и менее дорогостоящие, чем существующие орбитальные летательные аппараты, возможно увеличение их количества. Их работа может поддерживаться меньшим количеством блоков первой ступени, которые могут возвращаться на Землю после каждого запуска для подготовки к запуску другого орбитального летательного аппарата или других видов полезной нагрузки.
Ракета-носитель может компоноваться в виде аппарата, выводимого на орбиту первой ступенью, двухступенчатой ракеты-носителя (блок первой ступени в комбинации с вспомогательными блоками или твердотопливными ракетными ускорителями), трехступенчатой ракеты-носителя (блок первой ступени в комбинации с вспомогательным блоком и твердотопливным ракетным ускорителем) и т.д. Затраты на выведение на орбиту с помощью предложенной ракеты-носителя снижаются из-за ее модульной конструкции. Для различных видов полетов не должны использоваться летательные аппараты, имеющие различные конструктивные особенности. Вместо этого выбираются основные модули из имеющегося набора для решения широкого диапазона задач космических полетов.
Реферат
Изобретение относится к ракетной технике, а именно к системам и способам вывода ракет в космическое пространство. В частности, изобретение относится к системам, имеющим силовые установки в сочетании с орбитальным летательным аппаратом челночного типа или другим, несущим полезную нагрузку летательным аппаратом. Технической задачей изобретения является создание экономичных и эффективных ракеты-носителя многократного использования и многокомпоновочной транспортной системы, использующих множество различных модулей для создания множества необходимых различных стартовых компоновок. Ракета-носитель многократного использования содержит, по крайней мере, частично расходуемой беспилотный блок первой ступени, который способен выполнять операции выведения на орбиту одной ступенью этого блока, несущего внутри или снаружи полезные нагрузки, или может использоваться в качестве части многоступенчатой системы выведения на орбиту более тяжелых полезных нагрузок. Блок первой ступени разъемно прикрепляется к другим блокам первой ступени, пассивным блокам, несущим груз, и/или пилотируемым космическим кораблям. Блок первой ступени может быть полностью расходуемым после запуска. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 9 ил.
