| RU2268209C2 | 2006-01-20 | |||
| RU2481252C1 | 2013-05-10 | |||
| RU2297949C2 | 2007-04-27 | |||
| RU139040U1 | 2014-04-10 | |||
| US3103323A | 1963-09-10 |
| Формула изобретения: 1. Авиационный носитель, предназначенный для вывода авиационных и космических аппаратов в атмосферу для их дальнейшего запуска, характеризующийся тем, что основная подъемная сила, удерживающая в воздухе носитель вместе с запускаемым одним или несколькими аппаратами, создается вертикальной тягой одной или нескольких лопаточных машин, приводимых в действие одним или несколькими электрическими двигателями, для работы которых основная электроэнергия подается по электрическим проводам от внешнего источника. 2. Носитель по п.1, отличающийся тем, что электроэнергия подается от источника, находящегося на поверхности планеты, с которой происходит запуск. 3. Носитель по п.1, отличающийся тем, что электроэнергия подается от источника, находящегося на поверхности планеты, с которой происходит запуск, через один или несколько промежуточных летательных аппаратов. 4. Носитель по п.1, отличающийся тем, для создания подъемной силы используется разновидность лопаточной машины - воздушный винт. 5. Носитель по п.1, отличающийся тем, для создания подъемной силы используется разновидность лопаточной машины - соосный воздушный винт. 6. Носитель по п.1, отличающийся тем, для создания подъемной силы используется разновидность лопаточной машины - вентилятор, подобный вентилятору двухконтурного турбореактивного двигателя. 7. Носитель по п.6, отличающийся тем, для создания подъемной силы используются соосные вентиляторы. 8. Носитель по п.4 или п.5, отличающийся тем, что сечение лопасти, по всей длине или в ее части, представляет собой сверхзвуковой аэродинамический профиль. 9. Носитель по п.1, отличающийся тем, лопатки лопаточных машин имеют управляемый изменяемый угол установки. 10. Носитель по п.З, отличающийся тем, что в качестве промежуточного летательного аппарата используется дирижабль, один или несколько. |
КОСМИЧЕСКИХ РАКЕТ
Область техники
Изобретение относится к авиационно-космической области и описывает устройство носителя авиационных и космических аппаратов, который предназначен для их вывода в атмосферу для дальнейшего запуска (так называемого, воздушного старта).
Подходящие коды МПК: B64D 5/00, B64G.
Воздушный старт космических ракет позволяет выводить на орбиту существенно более массивную полезную нагрузку, в сравнении со стартом с земли, при одинаковой начальной массе ракеты, что повышает эффективность и дает, в частности, экономический эффект. Запуск осуществляется с высоты нескольких километров, и запускаемый аппарат не расходует горючее на набор высоты и преодоление сопротивления плотных слоев атмосферы. В настоящее время разрабатывается множество проектов воздушного старта. Ссылки на источники:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Bo3flyLiiHbm старт (русский)
https://en.wikipedia.org/wiki/Air_launch_to_orbit (английский)
Предшествующий уровень техники
В качестве носителя обычно используют самолет или сходные по конструкции крылатые аппараты, в которых подъемная сила создается за счет обтекания корпуса и фюзеляжа набегающим потоком воздуха.
Использование в качестве носителя самолета накладывает ограничения:
1. По массе выводимого объекта. Ракеты, которые выводят хотя бы 2 тонны на орбиту, весят порядка 100 тонн, что близко к пределу грузоподъемности существующих самолётов, а ракеты тяжелого класса весят более 700 тонн.
2. По возможности вертикального старта. В существующих системах воздушного старта аппараты запускаются из горизонтального положения на большой скорости, в процессе чего, на них действуют существенные боковые перегрузки. Следствием этого являются:
а. необходимость разработки специальных ракет-носителей и полезных нагрузок,
Ь. увеличение массы запускаемых аппаратов.
Раскрытие изобретения
Целью изобретенного авиационного носителя является подъем в атмосферу летательных аппаратов для дальнейшего запуска, и прежде всего - космических ракет большой массы с возможностью вертикального старта. Для подъема и удерживания в воздухе носителя с запускаемым аппаратом используется подъемная сила, создаваемая работой лопаточных машин (далее - винтов), примерами которых служат несущий винт вертолета, вентилятор и компрессор двухконтурного турбореактивного двигателя. За счет возможности использования множества винтов, практически снимается ограничение по максимальной удерживаемой массе. Носитель может находится в режиме висения, что позволяет расположить ракету вертикально по причине отсутствия действия на нее сил от набегающего потока.
Лопаточная машина - это, по определению, устройство для преобразования энергии вращения вала в энергию движущейся жидкости или газа (и наоборот), состоящее из лопастных элементов (лопаток, лопастей), закрепленных на валу или втулке. Каждая лопатка представляет собой аэродинамический профиль. Преобразование энергии происходит в результате обтекания рабочим телом лопатки.
Для целей настоящего изобретения не важно, какая именно разновидность лопаточных машин используется. Это может быть и несущий винт вертолета, и вентилятор, и многоступенчатый компрессор, и иные типы и комбинации, например, соосные винты. Важен сам способ преобразования подаваемой на вал энергии в энергию движущегося газа, что обеспечивает подъемную силу.
В качестве привода используются электродвигатели - для них не нужно горючее, и они не теряют мощность с высотой. Более того, им вообще не нужен кислород, что позволяет применять рассматриваемое устройство носителя на любых планетах с атмосферой.
Электроэнергия подается по проводам извне. Для целей настоящего изобретения не важно, откуда именно подается электроэнергия, важно только, что извне. Это позволяет сделать носитель легким, маневренным и надежным, чтобы удерживать ракету. Можно придумать множество вариантов источников. Здесь рассматривается возможность подачи электроэнергии с земли, напрямую или через промежуточный летательный аппарат (один или несколько). Промежуточные аппараты могут быть полезны, чтобы избавить носитель от тяжести электрических проводов, а также действующих на них ветровых нагрузок.
В качестве промежуточных летательных аппаратов могут использоваться дирижабли, что повышает простоту конструкции.
Воздушный винт - распространенная версия лопаточных машин, используемых для создания тяги. Обычный пример применения - воздушный винт вертолета. Воздушные винты могут применяться в соосной схеме, что дает, в частности, выигрыш в компактности компоновки при сохранении несущей способности.
Ссылка на источник:
https://ru.wikipedia.org/wiki/CoocHbie несущие винты (русский)
С увеличением высоты плотность атмосферы падает, что приводит к необходимости либо увеличивать количество используемых лопаточных машин, либо менять их характеристики.
Для повышения тяги можно увеличивать количество лопастей и скорость вращения вала лопаточной машины. Увеличение количества лопастей воздушного винта и увеличение скорости вращения приводит к его эволюции в вентилятор, подобный тому, что используются в турбовентиляторных двигателях.
С увеличением количества лопастей усиливается закрученность воздушного потока, выпрямление его соосным винтом дает возможность увеличить КПД. Поэтому целесообразно применять вышеописанные вентиляторы в соосной схеме. С увеличением скорости вращения на лопастях могут создаваться зоны со сверхзвуковой скоростью обтекания, что делает целесообразным применение в этих местах сверхзвуковых аэродинамических профилей для увеличения КПД.
Для управления подъёмной силой лопаточных машин целесообразно иметь возможность управлять изменением угла установки лопастей. Иными словами, шагом винта. Помимо этого, можно влиять на скорость вращения вала, за счет изменения параметров напряжения, подаваемого на электродвигатели.
Заявляемое устройство носителя позволяет сделать его простым и надежным, т.к. применяемые технологии (электродвигатели и лопаточные машины) хорошо отработаны, повсеместно распространены и имеют высокую надежность.
Промышленная применимость.
Ниже на примере показано, что существующий уровень технологий позволяет реализовать на практике предлагаемое устройство носителя.
Пусть масса запускаемой ракеты-носителя вместе с полезной нагрузкой равна 100 тонн. Оценим параметры авиационного носителя для воздушного старта, который позволит поднять ее в воздух. Несущую способность воздушных винтов и конструкции, а также необходимую мощность двигателей оценим на примере вертолета Ми-26:
• Максимальная взлетная масса - 56 тонн.
· Масса пустого - 28 тонн. Соответственно, относительная грузоподъемность составляет 100%.
• Взлетная мощность двух двигателей Мотор Сич Д-136 серии 1 - 22 800 л. с.
(приблизительно 16 800 кВт). Отношение мощности двигателей к тяге винта (56 000 кгс /16 800 кВт) равно 3,33 кгс/кВт.
· Масса двух двигателей - 2,1 тонн.
Ссылки на источники:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Mn-26 - характеристики вертолета (RU)
https://en.wikipedia.org/wiki/Mil_Mi-26 - характеристики вертолета (EN) http://www. motorsich.com/rus/prod ucts/aircraft/turboshaft/d-136 -характеристики двигателя (RU)
http://ivchenko-progress.com/?portfolio=dl36&lang=en - характеристики двигателя (EN) Исходя из достижимой грузоподъемности 100%, масса носителя должна быть 100 тонн. Таким образом общая масса конструкци и - 200 тонн. Для ее поднятия в воздух достаточ но четырех несущих ви нтов Ми-26. Нужно отметить, что тяга вентиляторов современных турбовентиляторных двигателей совпадает по порядку велич ины с тягой рассматриваемых несущих ви нтов (например, у двигателя GE90-115B). Необходимая мощность двигателей равна (200 ООО кгс / 3,33 кгс/кВт) 60 ООО кВт (60 М Вт). Передавать такую мощность по п роводам не составляет проблем. Вот характеристики п ропускной способности обычных воздушных линий электропередач : для линии напряжением 220 кВ максимальная передаваемая мощность составляет 150 М Вт, для линии 330 кВ - 400 МВт, для линии 500 кВ - 1300 М Вт, 750 кВ - 2000 МВт, 1150кВ - 6000 М Вт. Видно, что возможности передач и мощности по проводам на порядки превосходят описываемые потребности.
Таблице 1\1°1 приведены значения энерговооруженности некоторых современных электродвигателей :
Таблица Ngl.
Ссылка на источник: https://en.wikipedia.org/wiki/Power-to-weight_ratio
Возьмем для расчета характеристики YASA-400, который используется в электромобилях. Эквивалентная масса электродвигателей для обеспечения мощности 60 МВт составит (60 ООО кВт / 6.875 кВт/кг) 8 727 кг, что почти совпадает с массой вертолетных двигателей, необходимых для работы четырех винтов Ми-26 (2.1 тонна * 4 шт. = 8.8 тонн). Таким образом, на конструкцию носителя и несущих винтов останется еще 91,3 тонны из 100 тонн.
Электрическая энергия может подаваться по проводам с земли. Либо напрямую, либо через промежуточный летательный аппарат, например, дирижабль.
Алюминий - хороший проводник. На примере сплава, приведенного в Таблице 1\1°2, можно показать, что свободно свисающий трос постоянного сечения, сделанный из этого сплава, выдержит собственный вес (пренебрегая ветровыми нагрузками) при длине до 17,5 км, причем вес такого троса диаметром 5 мм составит всего лишь 981 кг. Трос переменного сечения позволит практически неограниченно увеличивать высоту. Также возможно для облегчения веса применять армирование троса высокопрочными композитными нитями, например, из кевлара, углеродных или стекловолокон.
Таблица N°2.
Ссылки на источники:
http://www.vsmpo.ru/ru/manufacture/Aljuminij/property/Tab lica_splavov
http://metallicheckiy-portal.ru/marki_metallov/alu/V95
Плотность сплава (р) равна 2,85 г/см 3 = 0,00285 кг/см 3
Предел текучести (t) равен 490 МПа=4997кг/см 2
Максимальная длина (I) троса постоянного сечения равна t/p = 1 753 196 см=17,5 км Площадь сечения (s) прута диаметром 5мм равна 0,1963 см 2
Объем троса (V) равен s х I = 1 753 196 см χ 0,1963 см 2 =344 229 см 3
Масса троса равна V х р = 344 229 см 3 х2,85 г/см 3 =981 053 г=981 кг Вариант осуществления изобретения
Лучший вариант реализации рассматриваемого изобретения привести не представляется возможным, т.к. он зависит от параметров запускаемого объекта и высоты старта, которые заранее не известны. Здесь приводится один из вариантов реализации. На приложенных чертежах схематически изображена возможная компоновка носителя с установленной на нем космической ракетой, - это крестообразная платформа, в центре которой установлена ракета, а по краям - двигатели с несущими винтами. На чертежах не изображены электрические провода, т.к. это не существенно. Например, один провод может быть подсоединен в районе крепления одного из двигателей, а второй - симметрично на противоположной стороне. Вместо изображенных одинарных винтов могут быть установлены соосные, также могут быть использованы вентиляторы. На чертежах изображена установка для вертикального старта космической ракеты, но ничто не мешает запускать с подобной установки иные летательные аппараты из иного положения.
Краткое описание чертежей
На фигурах изображена компоновка авиационного носителя с установленной вертикально ракетой:
Fig. 1. Вариант компоновки носителя: изометрическая проекция.
Fig. 2. Вариант компоновки носителя: вид сверху.
Fig. 3. Вариант компоновки носителя: вид сбоку.
Состав компоновки:
• Крестообразная платформа
· Двигатели (по краям платформы)
• Несущие винты
• Запускаемая ракета