КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ МНОГОРАЗОВОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК B64G1/14 

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для доставки на орбитальные станции и возвращения на Землю космонавтов и грузов, а также для осуществления автономных пилотируемых полетов.

Из предшествующего уровня техники известны космические корабли многократного использования [1] включающие орбитальный аппарат, содержащий отсек для экипажа, отсек для выводимых на орбиту полезных грузов, двигатели, систему управления, ускорители и топливный бак.

Недостатки этого корабля заключаются в том, что он является частично многоразовым, так как ускорители и топливный блок используются однократно, кроме того, в нем совмещаются одновременно функции выведения на орбиту космонавтов и доставки относительно больших полезных нагрузок, что приводит к завышению размеров и массы корабля. Он характеризуется недостаточным уровнем автоматизации на всех этапах эксплуатации и соответственно высокой стоимостью осуществления космических полетов.

Ближайшим аналогом является космический корабль многоразового использования [2] содержащий осесимметричный корпус, покрытый тепловой защитой, двигательную установку с кольцевым соплом и центральным телом, дополнительные реактивные двигатели, топливную систему обеспечения работы двигателей и посадочное приспособление, при этом кольцевое сопло установлено под углом к продольной оси аппарата так, что поверхность центрального тела является продолжением ближайшей к оси аппарата внутренней поверхности кольцевого сопла, а дополнительные реактивные двигатели установлены в верхней части корпуса аппарата. Кроме того, аппарат содержит дополнительные кольцевые камеры сгорания, рулевые кольцевые секционные сопла и многолопастную систему с приводом, выполненным в виде турбины торообразной формы со сквозным каналом по оси и камерами воздушного охлаждения двигателей.

Недостаток этого космического корабля многократного использования заключается в том, что он имеет сложную конструкцию двигательной установки и корпуса, а также большие габариты. Кроме того, конструкция этого космического корабля не обеспечивает спасение экипажа корабля в случае аварии на участке выведения.

В основу изобретения поставлена задача разработать космический корабль многоразового использования с такими корпусом и двигательной установкой, конструктивное выполнение которых совместно с системой управления обеспечило бы возвращение и посадку корабля на посадочную площадку космодрома при спуске корабля с орбиты, спасение экипажа корабля в случае аварии ракеты-носителя на участке выведения, существенное снижение затрат на осуществление пилотируемых космических полетов, на доставку грузов на орбитальные станции.

Поставленная задача решена так, что космический корабль многоразового использования содержит осесимметричный корпус, покрытый тепловой защитой, жидкостную ракетную двигательную установку, включающую в себя кольцевую систему из трех многокамерных посадочных двигателей, корректирующие и управляющие двигатели, топливную систему, посадочное устройство, систему управления. Корпус корабля выполнен в виде цилиндра, торцы которого сопряжены с соответствующими выпуклыми сферическими днищами.

Камеры сгорания и сопла кольцевой системы посадочных двигателей расположены равномерно по окружности, плоскость которой перпендикулярна продольной оси корабля, причем оси сопел расположены под углом примерно 30^oC к продольной оси корабля и ориентированы в направлении переднего отсека корабля, в котором расположены посадочное устройство в сложенном положении, корректирующие двигатели, часть управляющих двигателей, топливная система и другое оборудование.

Отношение длины космического корабля к его диаметру составляет 2,5-3,0.

На участке выведения на орбиту космический корабль устанавливается на ракете-носителе хвостовой частью вверх.

Каждый из трех посадочных двигателей состоит из четырех секций, в состав которых входят m≥1 камер сгорания с соплами. Общее количество камер сгорания с соплами в кольцевой системе посадочных двигателей составляет N=12m.

Топливная система содержит топливо для обеспечения работы ракетных двигателей корабля в процессах орбитальных операций (перевод корабля на рабочую орбиту, сближение и причаливание к орбитальной станции, перевод корабля после его отделения от орбитальной станции с орбиты на траекторию спуска) и в процессах спуска с орбиты и торможения на участке вертикальной посадки при возвращении корабля на Землю. В случае аварии ракеты носителя топливо для орбитальных операций полностью или частично используется в посадочных двигателях для увода корабля от аварийной ракеты-носителя.

Суммарная тяга посадочных двигателей выбирается такой, чтобы в случае аварии ракеты-носителя на участке выведения корабля на орбиту ее хватило на увод корабля от аварийной ракеты-носителя.

На участке торможения корабля перед приземлением используются либо два либо все три посадочных двигателя, в зависимости от складывающейся ситуации и оставшихся запасов топлива.

Посадочные и корректирующие ракетные двигатели корабля в качестве топлива используют нетоксичные компоненты (например, пару перекись водорода и керосин).

Металлический корпус корабля имеет две герметичные оболочки, внутреннюю и наружную, между которыми проложена экранно-вакуумная теплоизоляция. Снаружи на металлический корпус корабля нанесено многоразовое теплозащитное покрытие.

Экипаж и оборудование корабля размещаются таким образом, чтобы центр масс корабля находился относительно переднего носка корабля (т.е. относительно носка переднего отсека) на расстоянии, меньшем, чем центр аэродинамических сил (примерно на расстоянии 0,38-0,39 длины корабля), и был смещен относительно продольной оси корабля на величину около 0,0,25-0,05 длины корабля, чтобы имело место такое взаимное положение центра масс и центра аэродинамических сил, при котором корабль устанавливается на участке спуска под углом атаки 30 40^o, что позволяет получить аэродинамическое качество корабля на участке спуска, достаточное для обеспечения посадки корабля на космодром, если для спуска с орбиты выбирается виток, трасса которого проходит на наиболее близком расстоянии от космодрома.

Посадочное устройство корабля размещается в сложенном состоянии в переднем отсеке и выдвигается вперед только на участке торможения в процессе вертикальной посадки корабля.

На фиг. 1 изображен общий вид пилотируемого варианта космического корабля многоразового использования (продольный разрез); на фиг. 2 размещение сопел посадочных двигателей (вид снизу); на фиг. 3 посадочное устройство; на фиг. 4 аэродинамические силы, действующие на корабль при его движении в атмосфере на участке спуска с орбиты, и схема его балансировки.

Корабль состоит из трех отсеков: переднего (агрегатного) 1, кабины 2 и хвостового 3. В переднем (агрегатном) отсеке размещаются баки 4, посадочные двигатели 5, 6, 7, корректирующие и управляющие двигатели, оборудование, посадочное устройство. В кабине размещаются экипаж и оборудование. В хвостовом отсеке размещаются стыковочный узел 8, упрочняющие двигатели и оборудование. Хвостовой отсек закрыт крышкой 9, открывающейся во время полета корабля на орбите.

Размещение секций посадочных двигателей и их камер сгорания с соплами (для варианта, когда в каждой секции каждого посадочного двигателя используются три камеры сгорания с соплами) показано на фиг. 2. Камеры сгорания с соплами размещены по окружности, плоскость которой перпендикулярна продольной оси корабля.

Посадочное устройство состоит из четырех выдвижных амортизированных стоек-опор 10.

На металлический корпус нанесено многоразовое теплозащитное покрытие.

Грузовой вариант корабля отличается от пилотируемого тем, что на нем не устанавливается оборудование ручного управления, кресла для экипажа, дополнительные средства аварийного спасения на случай необходимости приземления экипажа отдельно от корабля, средства обеспечения жизнедеятельности и т. п.

Система управления космического корабля многоразового использования базируется на использовании современных бортовых вычислительных машин и средств измерений, позволяющих автоматизировать процессы межполетного обслуживания корабля, его предполетных испытаний, автоматизировать его полет при минимальном объеме связи и информации между бортом корабля и центром управления полетом, с тем чтобы сократить наземные средства, обеспечивающие полет корабля, сократить численность персонала для его межполетного обслуживания, подготовки и осуществления полета.

Космический корабль многоразового использования работает следующим образом.

Ракета-носитель и корабль устанавливаются на стартовом устройстве, проходят предстартовые испытания, заправку и другие операции подготовки к полету, после чего осуществляется старт ракеты-носителя.

Корабль устанавливается на ракете-носителе таким образом, чтобы его продольная ось совпадала с продольной осью носителя, а передний отсек корабля был обращен к ракете.

В случае аварии ракеты на участке выведения выключаются двигатели ракеты-носителя, рвутся связи между ракетой-носителем и кораблем, одновременно включаются посадочные двигатели корабля и обеспечивают увод корабля от аварийной ракеты-носителя вверх и в боковом направлении за счет использования топлива, предназначенного при нормальном полете для выполнения орбитальных операций. После ухода от аварийной ракеты-носителя корабль возвращается на Землю.

При нормальном полете на участке выведения после выключения двигателей ракеты-носителя корабль отделяется от ракеты и выдает несколько импульсов тяги корректирующего двигателя для сближения с орбитальной станцией или для выхода на выбранную рабочую орбиту. После сближения, причаливания и стыковки корабля с орбитальной станцией он остается в составе орбитальной станции в дежурном режиме до принятия решения о спуске с орбиты. Спуск с орбиты производится на витке, трасса которого проходит на минимальном расстоянии от космодрома в сутки спуска. После отделения от орбитальной станции корабль выдает импульс тяги корректирующего двигателя для перевода корабля с орбиты на траекторию спуска. За счет управления траекторией спуска корабль спускается в район космодрома и совершает там вертикальную посадку на специально подготовленную посадочную площадку.

После посадки осуществляются выход экипажа из корабля, слив остатков компонентов топлива и других заправок корабля, осмотр, испытания и другие операции межполетного обслуживания корабля и подготовки его к очередному полету.

Использование: в ракетно-космической технике для доставки на орбитальные станции и возвращения на Землю космонавтов и грузов при снижении расходов на осуществление пилотируемых полетов. Сущность изобретения: корабль содержит осесимметричный корпус, ракетную двигательную установку, имеющую в своем составе посадочные, корректирующие и управляющие двигатели, топливную систему, посадочное устройство, систему управления. Корабль имеет форму цилиндра с торцами, закрытыми выпуклыми сферическими днищами. Относительное удлинение корпуса составляет около 2,5-3,0. Корабль устанавливается на ракете-носителе хвостовой частью вперед. Посадочные ракетные двигатели расположены таким образом, что они создают тягу вдоль продольной оси корабля в направлении от передней к хвостовой части корабля, с тем чтобы использовать ее для торможения корабля при вертикальной посадке его на Землю. В случае аварии ракеты посадочные двигатели обеспечивают увод корабля от ракеты, используя топливо, предназначавшееся в нормальном полете для орбитальных операций. Экипаж и оборудование размещаются таким образом, чтобы получить взаимное положение центра масс и центра аэродинамических сил, при котором корабль устанавливается на участке спуска под углом атаки 30 - 40^o и тем самым обеспечивается получение аэродинамического качества около 0,5-0,7 достаточное для управления траекторией возвращения на Землю и посадки корабля на космодром. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Космический корабль многоразового использования, содержащий осесимметричный корпус, покрытый тепловой защитой, жидкостную ракетную двигательную установку, включающую в себя кольцевую систему посадочных двигателей, корректирующие и управляющие двигатели, топливную систему, посадочное устройство, систему управления, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде цилиндра, торцы которого сопряжены с соответствующими выпуклыми сферическими днищами, кольцевая система посадочных двигателей состоит из многокамерных двигателей, сопла которых расположены равномерно по окружности, плоскость которой перпендикулярна продольной оси корабля, причем оси сопел двигателей расположены под углом примерно 30^o к продольной оси корабля и ориентированы в направлении переднего отсека корабля, в котором расположены посадочное устройство в сложенном положении, корректирующие двигатели, часть управляющих двигателей и топливная система, при этом отношение длины космического корабля к его диаметру составляет 2,5 3,0, центр масс корабля расположен на расстоянии (0,38 0,39)•L от носка переднего отсека и смещен относительно продольной оси на величину (0,025 - 0,05)•L, где L длина корабля. 2. Космический корабль по п.1, отличающийся тем, что на участке выведения корабля на орбиту он устанавливается на ракетоносителе хвостовой частью вверх и тем, что кольцевая система посадочных двигателей выполнена в виде трех двигателей, каждый из которых имеет четыре секции по m ≥ 1 камер сгорания с соплами в каждой секции, при этом общее количество камер сгорания с соплами составляет N 12m и суммарная тяга этих двигателей выбирается такой, чтобы в случае аварии ракеты-носителя на участке выведения на орбиту ее хватило на увод корабля от аварийной ракеты-носителя, на участке торможения корабля перед приземлением используются либо два посадочных двигателя из трех, либо все три в зависимости от складывающейся ситуации и оставшихся запасов топлива.