Описание Изобретения

Область техники:

Изобретение относится к области космонавтики а именно для создания ракет носителей сверхтяжелого класса выводящих в космос грузы больших размеров и сложной конфигурации а также для создания индустрии космических аттракционов, орбитальных отелей для космических круизов без кораблей обслуживания (туристы находятся в люксовых каютах кольцевой станции при старте на орбиту и при его возвращении) межпланетных станций, больших астрофизических научных комплексов в открытом космосе и даже целых университетов с астрофизическими инструментами, лабораториями, жилыми отсеками и аудиториями.

Предшествующий уровень техники.

Из уровня техники известен способ многократного вывода в космос и возвращения негабаритных грузов, когда их делят на отдельные модули или используют сложные складные конструкции, которые выводят поэтапно в космос многочисленными запусками ракет носителей и там производят сборку со сложными и энергетически затратными операциями, многоделъностыо и ограниченным качеством конструкций собранных в космосе.

Кроме того ракеты носители для вывода в космос имеют только частичную многоразовость использования ступеней (Спейс Шаттл) а орбитальные возвращаемые средства, имеют большие удельные нагрузки на несущую площадь От 100 кг/м.кв до 200кг/м.кв для крылатых аппаратов Типа Спэйс Шаттл, и более 200кг/м.кв для капсул кораблей «аполло» или «союз». Что делает необходимым применение теплозащитных плиток или специальных тяжелых абляционных покрытий. Которые резко снижают полезный вес возвращаемого груза и создает значительные перегрузки.

Также данный способ и устройства не позволяют выводить космические конструкции, которые значительно превышают габариты грузовых отсеков, а также данные устройства ограничивают применение для вывода грузов значительной массы, вследствие, особенностей конструкций таких ракет носителей иметь сосредоточенные в одном месте ракетные двигатели очень высокой мощности а также сфокусированные в одном месте акустические и вибрационные нагрузки которые резко ограничивают грузоподъемность ракет и подъем грузов массой свыше 200 тонн.

Известен также способ и устройство перемещения грузов в космическом пространстве, где груз помещают внутрь тороидальной емкости, с эллиптическим сечением разгонный блок Бриз-М который имеет ограниченное применение только как одноступенчатый разгонный блок и а последних ступенях ракет носителей или взлета с планет лишенных атмосферы, но не позволяет выводить грузы с планет имеющих атмосферу. Кроме того известны устройства в который используют подъемную силу воздушных щаров для подъема ракеты на максимально возможную высоту после чего осуществляют запуск ракеты носителя. Недоста тком такого способа являетс большие размеры оболочек аэростатов и небольшой вес ракет носителей, а также нулевая скорость высотного старта. Кроме того данный способ не позволяет осуществлять управляемое возвращение использованных ступеней к месту старта используя ту же оболочку что и во время подъема, и без использования дорогих транспортно-спасательных средств.

Целью Настоящее изобретения является устранение таких недостатков, что достигается тем, что выводимый в космос негабаритный груз помещают внутри хоровых, емкостей снабженных, дв ателями равномерно распределенными в нижней торцевой части торов являющихся ступенями количество которых выбирают от 2 до 10 Причем для создания обтекаемой формы верхнюю часть груза вместе с хоровыми ступенями снабжают газоопорным обтекателем в виде оболочки из ткани, фольги или полимерной пленки, жесткость которому обеспечивают избыточным давлением газа внутри его оболочки, причем газ выбирают легче воздуха для компенсации веса обтекателя и создания дополнительной аэростатической силы подъема, по крайней мере на участке предварительного подъема. Кроме того для устранения донного эффекта (сопротивления) нижнюю часть ракетной системы также снабжают газоопорным обтекателем в виде осевого сопла (центрального тела) выполненного из жаропрочной тонкой оболочки например фольги ткани или полимерной пленки имеющей дополнительное жаропрочной покрытие в пределах интенсивного факела реактивной струи. Прячем для управления путевой устой ивостью и создания локальной жесткости передней конечной части обтекателя при скоростно напоре на активном участке, газооноркый обтекатель делят на две части диафрагмой которая создает верхнюю вспомогательную газоопорнуто камеру формируемую давлением Р1 протяводеёствующим скоростному напору, при этом оболочку камеры выполняют из более прочного материала, причем в верхней части вспомогательной камеры располагают «тянущие» конечную часть обтекателя ракетные двигатели с управляемым вектором тяги которые создают управляющие поперечные моменты в комбинации с дополнительной продольной тягой что позволяет устранять проблемы связанные с задней центровкой ракетной системы и большой парусностью обтекателя. В устройстве возможно установка по окружности диафрагмы кольцевой торовой емкости, на которой равномерно распределяют на шарнирных элементах ракетные двигатели с управляемым сервоприводами или клапанами распределителями, вектором тяги. Кроме того в способе многократного вывода в космос негабаритного груза, спасение кольцевых торовых ступеней осуществляют путем торможения и парашютирования газоопорными обтекателями к которым их крепят. Для этого верхний аэродинамический обтекатель крепят к верхней ступени а нижний газодинамический к нижней ступени. Причем очередность отделения ступеней выбирают различным назначением грузов и самого полета. При этом первой ступенью может являться или верхняя ступень или нижняя. Возможна работа верхней ступени в режиме первой при выносе камер ракетных двигателей без воздействия реактивной струи на вторую ступень или работа первой верхней ступени на ракетные двигатели расположенные на второй нижней ступени путем перекачки ее компонентов. При такой схеме первым отделяется верхний обтекатель с торовой ступенью совершая вход в атмосферу при низкой удельной на грузке (в пределах 0,1-50 кг/м.кв.) причем возможно обеспечение герметичности оболочки обтекателя после отделения и заполнения ее через воздухозаборные карманы на скорости более 1000 м/сек горячим воздухом который обеспечивает дополнительную аэростатическую тормозящую силу обеспечивающую более мягкое парашютирование и приземление.

Способ многократного вывода в космос и возвращения негабаритного груза и его возвращения ракетные ступени с топливом и ракетные двигатели а также средства для торможения в атмосфере и спуска на землю при возвращении, характеризующееся тем что, выводимый негабаритный груз опоясывают экваториальными ступенями выполненными в виде тора с формой повторяющей очертания негабаритного груза, ступени при этом их соединяют между собой торцами а двигатели на экваториальных ступенях располагают (распределяют) на взаимном расстоянии, таким образом, чтобы обеспечить равномерное распределение тяги и разнос точечных вибро-акустических нагрузок двигателей на максимальное расстояние, по всему экватору

выводимого груза согласно концентрации массы, возможна установка линейного двигателя по всей нижней торцевой части экваториальной ступени, при этом обтекатель выполняют в виде газоопорной обтекаемой конструкции, -герметичной оболочки жесткость, которой обеспечивается избыточным давлением газа легче воздуха например гелием, при этом обтекатель используют для дополнительной аэростатической тяги на начальном участке полета в атмосфере и на участке спасения отработанной верхней торовой (кольцевой) ступени. К которой оно крепиться, причем для исключения донного сопротивления и улучшения условий истечения ракетной струи, нижнюю часть ракетной системы снабжают газоопорной конструкцией в виде центрального тела (большого штыревого сопла) выполненного из жаропрочной тонкостенной оболочки жесткость которой придают избыточным давлением газа легче воздуха, при этом оболочку центрального тела используют для спасения другой ступени к которой его крепят, при этом спасение торовых ступеней осуществляется путем торможения в атмосфере их газоопорными оболочками и парашютирования с частичной аэростатической подъемной силой которую обеспечивает газоопорный газ гелий или горячий атмосферный газ поступающий внутрь оболочки обтекателя или центрального тела при торможении через специальные воздухозаборные карманы с клапанами, обеспечивающими вход атмосферного воздуха, но запирающими его выход, а возвращение негабаритного груза производят путем помещения его внутрь герметичной аэродинамической капсулы виде сегментальной капсулы скользящего типа ( «ФАРА» или сегментально коническая «конус») выполненной из тонкой жаропрочной оболочки жесткость которой обеспечивают избыточным давлением газа легче воздуха например гелием или горячей плазмой поступающей внутрь оболочки через воздухозаборные карманы снабженные клапанами, при котором соблюдается условие отношения массы капсулы с грузом к площади от 0,1 до 50 кг/м.кв. при этом спуск в атмосфере парашютирование и мягкое приземление негабаритного груза и ступеней производят используя аэростатическую силу, для чего в качестве газоопора герметичной оболочки капсулы иди обтекателей испоиьзуют гелий или горячий воздух например наполняют их оболочку гелием или плазмой набегающего потока на участке входа в атмосферу, через специальные воздухозаборные карманы причем также с помощью газа легче воздуха возвращают модуль с грузом и сх пеай к месту старта осуществляя полное или частичное висеиие в подвижных слоях атмосферы с использование? _* * аэростатической иодьемиой силы, при этом выби ают' попутное направление течения воздушного слоя к месту базирования например экваториальные пассаты причем в непосредственной близости от места старта а^юсхатическу силу модуля и возвращаемых ступеней уменьшают с необходимым расчетом для точной посадки например на водную поверхность возле места старта, при таком варианте количество ступеней опоясывающих негабаритный груз выбирают в количестве двух соеденеш х между собой торцевой частью при этом один верхний газооиорньга обтекатель крепят к торцу или периферии (экватору) верхнего тора, а второй нижний в виде центрального тела (газоонорное штыревое сопло)крен т к торцу или периферии нижнего тора, а для создания локальной жесткости и для противодействия скоростному напору, верхнюю пасть газоопорного обтекателя снабжают отдельной вспомогательной камерой выполненной из гонкого жаропрочного металла или композиционного материала например углерод-углерода которую также заполнеиягот гелием или водородом но уже под большим давлением чем основной газоопорный обтекатель, причем для управления а улучшения, путевой устойчивости при смещенном в заднюю часть центром тяжести такой системы часть передней вспомогательной камеры снабжают кольцевой топливной емкостью на которой крепят ракетные двигателями по ее окружности, при этом управление курсовой устойчивостью и курсом ракетной системы осуществляют изменением вектора тяги двигателей и выходом избыточного газа при увеличении давления внутри оболочки обтекателя при наборе высоты ракетной системы при этом соблюдают условие что статическая подъемная сила внутри вспомогательной камеры больше веса оболочки обтекателя вместе с кольцевой емкостью и управляющи и двигателями но крайней мере на участке предварительного набора высоты., после спуска полезного груза на другую планету или астероид сегментально конические оболочки груза могут объединяться в много купольные объекты с герметичным внутренним пространством, для чего их соединяют боковыми сторонами и объединяют герметизируя соединения, причем после герметичного объединения их образованную площадь наложения удаляют создавая тем самым общее герметичное внутреннее пространство.

Полезный груз может представлять собой кольцевую космическую станцию снабженную параболическим рефлектором которая может быть закручена вокруг оси для гравитация, ее размещают внутри герметичной оболочечной конструкции сегмен арно-коилческой формы типа «ФАРА» форму и жесткость которой придают и поддерживают избыточным давлением газа легче воздуха, экваториальную часть выполняю в виде полого тора являющегося грузовым иль* обитаемы отсеком космической станции, причем донная часть сегмента выполнена в виде параболического рефлектора в оптическом или радиодианазонах а верхняя коническая прозрачная, вершина купола комической части снабжена облучателем и здюшним стмкоаочнглм модулем с узлом противовращения и имеет фокальную высоту от параболического дна, точность которой регулируют осево т бча ой струной с внутренним герметичным каналом для перемещения людей и грузов, один конец которого крепят к облучателю а другой к центру силовой многолучевой крестовины концы лучей которой кренятся внутри экваторн тьнот горового отсека, причем крестовина имеет герметичные полости для перемещения пассажиров и грузов связанные с тором, центральная осевая часть крестовины имеет герметичный цилиндрически отвод за пределы внутреннего пространства капсулы! и выходит из параболического днища оканчиваясь стыковочным отсеком для приема космических аппаратов в космосе с узлом проти вовращеяия.. предназначенным для компенсации вращения всей капсулы которую закручивают в космосе для создания центробежной гравитации в отсеках горового кольца, при этом для вывода в космос такой капсулы ее помещают внутрь замкнутых пустотелых торов х ступеней з полпеяпых ракетным тошшвом в нижней торцевой части таких кольцевых ступеней располагают ракетные двигатели, причем к верхней кольцевой ступени по периферии крепят е метичяую оболочку GfcKiueji выполненного из жаропрочной фольги, ткани или пленки, верхнюю часть обтекателя делят на два отсека диафрагмой, котора образует верхнюю вспомогательную камеру заполненную гелием или водородом с давлением Р1 и создающую статическую подъемную силу, по окружности диафрагмы крепят силовое кольцо в виде узкого пустотелого тора с топливом и ракетными двигателями расположенными по периферии кольца, двигатели крепят шарнирно к кольцу п ни и ич г *<~> n<% n u ii тагт/

ускоряющего подъем ракетной системы до поперечного создающего поперечный управляющий момент, нижнюю кольцевую ступень снабжают газоопорным центральным телом (газоопорным осевым соплом) выполненным из жаропрочной тонкостенной оболочки на тканевой пленочкой о нове или ет и ческой фольги, которая крепиться к периферийной части нижней кольцевой ступени, причем основание raisoGTTODHoro изнизал ьн ого тела усиливают дополнительным жаооппочным покрытием например аблирующим лаком или вольфрамовой (никилиевой) фольгой на длину критической температуры факела двигателя, в нижней части центрального тела располагают дренажные клапаны для сброса давления из него яри подъеме ракетной системы. Кроме того облучатель

ϊ

теплообменником для нагрева рабочею '{ела или теплового агента, при- эю нагретое рабочее тело например водород,, гелий, воздух или воду нагревают теплообмелнг ом и используют для создани реактивной струи для ориентации и маневров в космосе, (например доразгона как последняя ступень или торможения при сходе с орбиты, а также активной ориентации) а тепловой агент используют для энергетических нужд например для рабсил электро генератора при этом капсулу полезного груза ориентируют рефлектором на солнце фокусируя его лучи на теплообменни ке.

Краткое описание чертежей.

На Фиг. 1. Схематично представлен способ вывода в космос негабаритных космических объектов возможных конфигураций.

На Фиг. 2. Схематично представлен общий вид устройства н расположения ракетных ступеней с двигателями для вывода в космос и возвращения обратно, негабаритного космического объекта в сегментарио-конусной газоопорной возвращаемой капсуле.

На Фиг. 3. Схема основных этапов полета многоразового устройства вывода в космос и возвращения негабаритных грузов.

На Фиг.4. Общий вид устройства для мкотразового вывода в космос и возвращения обратно кольцевого объекта со сплошной внутренней плоской, двояковыпуклой или выпукло- вогнугой поверхностью- рефлектором с силовым тороидальным кольцом с внутренним пространством для размещения пассажиров и грузов.

На фиг. 5. Схематичное представление этапов гфедстартовой подготовки устройства для вывода негабаритных грузов в космос при старте с водной поверхности и с грунта без использования дорогих стартовых комплексов. На фиг 6. показан многоярусное расположение кольцевых сопел с интегрированием по конусообразному днищу первой ступени. На Фиг 7 Показан способ объединения значительного количества негабаритных грузов в виде оболочек сегментарно конической формы в один герметичный многомодульный купол.

На фиг 8 изображены варианты использования способа доставки грузов в осмос.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

Способ и устройство многократного вывода в космос и возвращения нег абаритных грузов 1 помещают во внутреннюю область торовых ступеней 3 и 4 количество которых выбирают от 2 до 10 с конфигурацией близкой к экваториальному его сечению (Фиг.1 ) данные ступени состоят из топливных емкостей и ракетных двигателей 2 Возможно размещение дополнительных разгонных ступеней 5 на выводимом в космос грузе 1. К верхней хоровой ступени 4 крепят газоопорный обтекатель 6 с внутренним давлением F2 выполвеякый аз тонкостенной оболочки а нижнюю ступень 3 снабжают газоопорным обтекателем с давлением РЗ являющимся осевым соплом (центральным телом) ракетных двигателей нижней торовой ступени 3. Возможно Устройство для многоразового вывода в космос и возвращения параболических или плоских отражающийх поверхностей в которых силовое кольцо выполняют пустотелым с герметичным внутренним пространством & зиде обитаемых или грузовых отсеков Фиг 2 примем негабаритный г у выполняют в виде осесимметричной сегментальной капсулы скользящего типа ( «ФАРА» или сегментально коническая «конус») где оболочка капсулы выполнена из фольги или эластичного мате иа а (пленки, ткани) и приобретает жесткость избыточным давлением газа Р4 легче воздуха например гелием. При это капсула. I и ступени 3 и 4 (Фиг. 3) имеют отношение веса к. площади 0,1-50 кем .its. что позволяет обходится без дополнительной парашютной системы приземления. Капсула и ступени при возвра гшш используют площадь газоопорных оболочек для торможения ориентации к спуска в а тмосфере планет используя ас ичн ю аэростатическую подъемную силу, что позволяет например подхватывать ступени при спуске буксировочными вертолетами и транспортироват ь их для повторного использования.. Кроме того устройство 1 многоразового а пользо ани дли вывода в космос и возвращения орбитальной кольцевой станций выполненной в виде капсулы коначеско- сегментал ной формы (Фиг4 ) содержит параболический рефлектор 18 я&пяющийся днищем хяпсулы. радиальные лучи 17 с внутренним герметичным прос ранством для перемещения людей и грузов из торового отсека в осевую часть выполненную в виде ст пицы 16 л стружа 1 которая регулирует и фиксирует фокусное расстояние от чаши отражателя ί 8 до до облучателя 15, внутреннее пространство которого соедеияется с отсеком протввовра ения 13 имею ег стыковочные узлы а шлюзовую камеру. Капсулу помещают внутрь кольцевых ступеней 4 и 3 имеющих ракетные двигатели 2 и загсрепляют .impo-крепежнь и элементами 19. При этом к верхней ступени 4 крепят газоопорный обтекатель б а к нижней газоопорное осевое сопло 7. Газоопорный обтекатель разделен на два отсека диафрагмой 1 1 с периферийным ^" силовым кольцем 9 являющимся топливной емкостью для двигателей ракетных или (воздутлно-реактивных) 8 вектором тяги которых управляют путем поворота сопел на различные углы тем самым управляя путевой устойчивостью, всей ракетной системы, вспомогательный отсек заполнен гелием с давлением Р1 и по мере подъема в атмосфере на активном участке стравливается через клапаны 12. Для защиты оболочки от раскаленных струй двигателей часть оболочки имеет защитную накладку 10 В облучателе 15 также размещают теплообменники для нагрева рабочего тела для ракетных двиг ателей маневрирования и нагрева, теплового агента для энергети еских нужд. Для работы, которых капсулу ориентируют внутренней чашей днища капсулы па солоде. На Фиг.5 показан возможный способ подготовки к старту газоопорной аэростатической ступени- обтекателя. Где емкости с топливом и полезным грузом размещают на поверхности воды или груша причем для обеспечения безопасного расстояния среза сопел маршевых двигателей над поверхностью стартовой площадки, под двигателями делают радиальные газоотводные каналы при старте с грунта или ставят емкости на подлавки при старте с воды, возможен так же запуск двигателей под водой. Для исключения воздействия ветра на газоопорный обтекатель в процессе приготовления к запуску полузаполкепную подъемным, газом его часть придерживают у поверхности причальными концами и непосредственно перед запуском концы освобождают и поднимают вспомогательную камеру 1 1 с обтекателем 6 в вертикальное положение после чего сначала включают ракетные двигатели 8 на вспомогательном отсеке 11 обтекателя 6 затем после необходимого натяжения в вертикальном, направлении оболочки обтекателя запускают стартовые двигатели 2 аа взлетной ступени 3, по мере подъема ракеты ее можно закрутить вокруг продольной оси для гиростабилизации, при подъеме оболочка расправляется под действием внутреннего давления Р2 и уже на высоте около 3-5 км приобретает плотную обтекаемую форму, а при максимальном скоростном напоре набегающего потока давление во вспомогательной камере и жесткий аэродинамический наконечник. 19 в ее верхней часта обеспечивает необхо им ю жесткость формируя устойчивый конус скачка уплотнения. Избыток аалсвяи газа в обтекателе понижают по мере подъема, стравливая газ через автоматические клапаны 12, Далее на высоте около 40 км оболочка 6 с вспомогательной камерой 11 снабженной жестким наконечником 1.9 и форсажными двигателями управления по курсу 8 отделяется в месте ее соединения 20 Фиг 4. со второй ступенью и спускается планету в иараш тно- аэростатическом режиме, за счет газа Р1 внутри вспомогательной, камеры 1 1 . в то время как ступени с грузом продолжают дальнейший разгон, после отработки первой ступени 3 Фиг 3 ее отделяют и спускают на землю также в парашютно~аэрос1атическом режиме предварительно расправив вкладыш 21 давлением РЗ. При этом аэродинамические нагрузки на ступень не превышают 10-50 кг/м кВ. А после выработки второй ступени ее отделяют от груза и третьей ступени и также спускают на землю как и первую предварительно расправив вкладыш 22 давлением Р6. Далее полезная нагрузка осуществляет довывод на орбиту используя емкость 5. А также солнечные лучи для подогрева водорода который пропускают через чашу излучателя 15 и испускают через сопла. .На орбите полезный груз если это кольцевой объект с пассажирами может быть закручена для исскуствеыяой гравитации. Для стыковки с другими объектами предусмотрены стыковочные узля нротивовращения. 13. Осуществив орбитальную задачу, груз 1 спускают используя аэродинамическую форму оболочки 23 сформированои давлением Р4. при этом ее ориентируют к потоку под необходи ш углом и закручивают относительно вертикальной оси для гиростабилизации. и попадании в слой с попутным, ветровым потоком во время снижения груз может совершать горизонтальные перелеты, на длинные дистанции, более 2000 км. ара этом возможна установк тяговых воздушно реактивных двигателей 24 для вертикального маневрирования, (управления высотой, разворотами и т.п.) Посадку ступени и полезный г д осуществляют на воду или твердую поверхность, , Посадку можно также совершать на других небесных телах Фиг. 7. При этом после посадки возможно объединение внутреннего пространства оболочек 23 с другими, аналогичными п е их соединеи с помощью например специальных герметичных замков 25 типа молнии, п ичем с помо ью такого модульного на а ивание герметичного пространства, а после удаления шюща ей объединения 26 внутри линии замков 25 внутри него возможно строительство целых поселков с искусственным климатом и общим герметичным пространством., что не маловажно для создания садов на Марсе и его спутниках или например на спутнике Сатурна Титане.. На фиг 8 изображены варианты использования способа доставки грузов в космос,

ЛИТЕРАТУРА.

СП. Уманский Ракеты -носители. Космодромы. М., Изд-во

Рестарт+. 2001 - 21 6 с.

К. Гэтланд. Ракетно-Космичес ая Техника. Изд. Мир