ТРАНСПОРТНАЯ СИСТЕМА ВЕРТИКАЛЬНОГО СТАРТА Российский патент 1997 года по МПК B64G1/10 B64G1/40 

Изобретение относится к области ракетно-космической техники и, в частности к транспортным системам, предназначенным для старта, подъема, разгона и выведения на орбиту полезной нагрузки с поверхности планеты, имеющей атмосферу (с поверхности Земли).

Известна транспортная система с горизонтальным стартом, первая ступень которой имеет планер, создающий аэродинамическую подъемную силу для преодоления гравитации. Транспортная система включает также двигатели, которые могут быть воздушно-реактивными и, таким образом, совместно с планером, используется масса и энергия атмосферы для подъема и разгона полезной нагрузки (Мишин В.П. Безвербый В.К. Панкратов Б.М. и др. Основы проектирования летательных аппаратов (транспортные системы). Учебник для технических вузов/ Под ред. В.П. Мишина. М. Машиностроение, 1985, с. 360, рис. 5.2).

Однако система горизонтального старта сложна по конструкции, в частности необходим планер с развитыми несущими поверхностями в виде крыльев. По этой причине у такой системы, в отличие от системы вертикального старта, в 5-10 раз выше относительная масса конструкции, несмотря на низкую относительную массу топлива разгонной ступени. Поэтому, с учетом удельной стоимости топлива и конструкции (примерно на два порядка выше), экономичность транспортных систем с горизонтальным и экономичность систем с вертикальным стартом могут быть сопоставимы только, например, при условии на порядок большего ресурса материальной части многоразовой транспортной системы с горизонтальным стартом.

Наиболее близким аналогом изобретения является транспортная система с вертикальным стартом, содержащая первую ступень и реактивный маршевый двигатель с выходным соплом (см. указанный источник, рис. 1.11).

Недостатком данной системы является низкая экономичность выведения на орбиту полезной нагрузки, большой расход топлива, так как при этом традиционном вертикальном старте подъем осуществляется только за счет внутренних ресурсов ракетного двигателя и не используется значительная свободная кинетическая энергия высокоскоростной струи маршевого двигателя, а также масса и энергия давления атмосферного воздуха. Это снижает экономичность и эффективность применения транспортной системы.

Техническим результатом настоящего решения является существенное улучшение экономических показателей транспортной системы, а именно повышение общего КПД, снижение общей массы, повышение массы полезной, выводимой на орбиту нагрузки.

Указанный технический результат достигается тем, что на выходное сопло маршевого двигателя первой ступени транспортной системы (или на выходные сопла стартовых ускорителей) соосно с соплом установлен эжекторный усилитель тяги со средством организации течения активного и пассивного потоков в его камере. Эжекторный усилитель тяги выполнен в виде осесимметричных диффузоров, цилиндрического корпуса и конфузора.

Кроме того, указанное средство выполнено в виде сопла с вращающимся выходным, соосным двигателю, раструбом, имеющим наклонные гофры.

При этом длина эжекторного усилителя тяги, состоящего из конфузора, цилиндрического корпуса и диффузора, составляет 2-3 диаметра цилиндрического корпуса.

На фиг. 1 представлен общий вид транспортной системы вертикального старта с последовательным расположением ступеней, с эжекторным усилителем тяги первой ступени; на фиг. 2 местный разрез вращающегося сопла; на фиг. 3 - транспортная система со стартовыми ускорителями без эжекторных усилителей тяги; на фиг. 4 транспортная система с эжекторными усилителями тяги на выходных соплах стартовых ускорителей; на фиг. 5 графики потерь и увеличения скорости в зависимости от относительной массы; на фиг. 6 графики увеличения фактической скорости выводимой нагрузки в зависимости от относительной массы транспортной системы при ее разгоне.

Транспортная система вертикального старта (фиг. 1) состоит из первой 1 и установленных на ней последующих разгонных ступеней 2. В верхней части системы устанавливается полезная нагрузка 3, выводимая на орбиту. Предлагаемый в изобретении эжекторный усилитель тяги 5 устанавливается при помощи растяжек соосно к выходным соплам 4 первой ступени 1. Эжекторный усилитель тяги 5 состоит из соединенных последовательно и соосно: конфузора 6, цилиндрической обечайки 7 и диффузора 8. При этом раструбы 9 выходных сопел 4 имеют наклонные гофры и выполнены с возможностью вращения, то есть установлены в подшипниковых узлах 10. Аналогичную конструктивную схему имеет транспортная система со стартовыми ускорителями (фиг. 4), в которой эжекторный усилитель тяги установлен соосно к выходным соплам 4 двигателей стартовых ускорителей 11.

Система работает следующим образом.

При старте транспортной системы из сопла 4 маршевого двигателя первой ступени 1 истекает основной поток газа. Через каналы пассивного потока газа, через конфузор 6 эжектируется, "затягивается" воздух из атмосферы. При изменении скорости эжектируемого газа на внутренних поверхностях конфузора 6 образуется пониженное давление газа (разрежение), а на диффузоре 8 - повышенное давление. В цилиндрической обечайке 7 происходит взаимодействие, обмен энергиями между активным и пассивным потоками газа. После прохождения обечайки статическое давление в общем потоке повышается. В диффузоре 8 в расширяющейся части эжектора, повышенное давление газа снижается до атмосферного давления. От распределенных давлений на внутренних поверхностях конфузора и диффузора образуется дополнительная составляющая силы тяги. То есть суммарная сила от этих распределенных давлений на поверхностях эжектора и является той дополнительной силой, которая увеличивает тягу двигателя транспортной системы в целом. Образуемая на поверхностях диффузора и конфузора дополнительная сила тяги совместно с выходным соплом 4 дает общую тягу вертикально стартующей транспортной системы и, в конечном итоге, после отработки первой ступени 1 и последующих ступеней 2, осуществляет подъем и выведение на орбиту полезной нагрузки 3. Проходя через сопло 4, далее через раструб 9, имеющий гофры (вид А фиг. 2), формируется "звездообразная" в поперечном сечении форма основного активного потока газа. За счет наклона гофр под углом (фиг. 1) создается вращающий момент сил, обеспечивающий вращение раструба 9 выходного сопла 4 в подшипниковом узле 10 и "закрутку" активного потока в эжекторном усилителе тяги 5. То есть, для снижения потерь, для повышения эффективности эжекторного усилителя тяги 5, в нем организуют сложный газодинамический процесс за счет того, что выходное сопло 4 выполнено с возможностью вращения вокруг своей оси симметрии, а выходной раструб 9 имеет наклонные гофры. В организованном таким образом газодинамическом процессе за счет более эффективного обмена энергиями между эжектируемым, активным потоком газа из сопла маршевого двигателя и эжектируемым, пассивным газом (воздухом из атмосферы); существенно уменьшаются газодинамические потери в сравнении с обычным эжекционным процессом. В обычном процессе взаимодействие и смешение потоков осуществляется за счет сил трения по боковым границам этих потоков. Поэтому процесс в предлагаемом устройстве относится к последовательному взаимодействую потоков в отличие от "параллельного" взаимодействия в "обычном" эжекторе.

Для осуществления заложенной в транспортную систему возможности увеличения тяги на выходное сопло первой ступени установлен эжекторный усилитель тяги, состоящий из конфузора, цилиндрической обечайки и диффузора. Система с "обычным" эжектором, то есть с активным потоком без "закрутки" позволяет повысить тягу реактивного двигателя на старте примерно на 25-35% При этом длина самого эжектора превышает 7-8 калибров, что существенно увеличивает габариты всей системы. Кроме этого из-за незначительных газодинамических потерь при росте скорости транспортной системы резко снижается степень тягоусиления такого эжектора.

Для более значительного увеличения тяги двигателя с эжектором необходимо улучшить эффективность газодинамического процесса передачи свободной энергии от активного потока пассивному. Это достигается в одном из признаков заявляемого устройства, основным конструктивным элементом которого является эжекторный усилитель тяги. Для повышения эффективности эжекторного усилителя тяги в нем организуют нестационарный рабочий процесс за счет установки вращающегося сопла с наклонными гофрами. Вращающееся сопло является конструктивно простым устройством, обеспечивающим сложный нестационарный и неодномерный газодинамический процесс в эжекторном усилитиле тяги с управляемым режимом течения. В сравнении с взаимодействием потоков в обычном эжекторе, за счет трения и турбулентного смещения по границам активного и пассивного потоков, в нестационарном, специально организованном процессе, газодинамические потери меньше.

Физические картины нестационарного и стационарного рабочих процессов различаются. В каждой точке внутреннего пространства эжекторного усилителя тяги образуется "квазипульсирующий" режим течения газов, когда протекают поочередно активный поток из выходного сопла и пассивный поток эжектируемого из атмосферы воздуха "последовательное" взаимодействие.

В соответствии с эффектом, выявленным при теоретических и экспериментальных исследованиях, коэффициент усиления тяги в эжекторе с нестационарным рабочим процессом может достигать значительных величин. В экспериментальных исследованиях (см. библиографию в нижеуказанном источнике) получен результат по приросту тяги на 100-140% (K 2,0-2,4) по сравнению с тягой сопла без эжектора, то есть более чем в два раза. Процесс обмена энергиями при нестационарном "квазипульсирующем" течении более эффективен, поэтому он происходит с меньшими потерями и на меньшем расстоянии, сто существенно снижает и длину эжектора.

Таким образом, можно считать доказанным, что управление режимом течения в эжекторном насадке, организация нестационарного рабочего процесса в нем позволяют достичь качественно новых результатов по повышению эффективности эжекторных усилителей тяги (Явление аномально высокого прироста тяги в газовом эжекционном процессе с пульсирующей активной струей. Сборник ГК СССР по делам изобретений и открытий, 1986, Открытие 314 по заявке ОТ-89-18).

Степень тягоусиления любого эжектора, оцениваемая коэффициентом усиления тяги, определяется по известной формуле (Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М. Наука, 1991, с. 561):

где K коэффициент усиления тяги эжектора;
n коэффициент эжекции отношение расходов пассивного и активного потоков газа;
ζ коэффициент полезного действия эжектора.

В соответствии с этой формулой, выведенной из закона сохранения энергии, коэффициент усиления тяги K может достигать значительных величин до нескольких единиц. Эффективность процесса зависит только от коэффициента полезного действия эжектора z, который для обычных эжекторов не превышает 0,2-0,4, а для эжекторов с нестационарным, организованным рабочим процессом достигает 0,8-0,9. При коэффициенте эжекции n 3-5, который может обеспечить реальная конструкция, расчетный коэффициент усиления тяги для эжектора с нестационарным рабочим процессом достигает K 1,8-2,3.

На фиг. 3 и 41 показаны в сравнении две транспортные системы вертикального старта со стартовыми ускорителями. Позиции соответствуют позициям на фиг.1, а именно: первая ступень транспортной системы 1; последующие (вторая, третья и т.д.) ступени 2; полезная нагрузка 3; эжекторный усилитель тяги 5; конфузор 6; цилиндрическая обечайка 7; диффузор 8; вращающийся гофрированный раструб выходного сопла 9; стартовые ускорители 11. Основным отличием систем со стартовыми ускорителями от транспортной системы соосной схемы (фиг.1) является то, что эжекторные усилители тяги 5 установлены на выходные сопла только стартовых ускорителей 11, а не маршевого двигателя первой ступени и, таким образом, без значительных изменений конструкции самой ракеты, можно увеличить эффективность всей транспортной системы.

На фиг. 5 показаны графики потерь скорости стартующей транспортной системы вследствие тяготения Dv₁, аэродинамического сопротивления Δv₂ и барометрического давления Δv₃,, увеличения скорости из-за работы эжекторного усилителя тяги Δv_θ. Кривые получены для типичной ракеты. Для вертикально стартующей системы потери от тяготения возрастают пропорционально времени. Потери скорости от аэродимического сопротивления изменяются в зависимости от скорости полета и плотности атмосферы. Потери от барометрического давления также изменяются и зависят от высоты над поверхностью Земли. Степень увеличения скорости за счет установки эжекторного усилителя тяги зависит от скорости движения ракеты относительно воздуха и от плотности атмосферы.

На фиг. 6 графики изменения фактической скорости транспортной системы в зависимости от относительной массы системы без эжекторного насадка и с эжекторным насадком. Показано, что при наличии эжекторного насадка увеличение относительной массы полезной нагрузки составляет m_к ≈ 0,04, то есть примерно 4% Для современных транспортных систем это означает увеличение массы выводимой на орбиту полезной нагрузки примерно в два раза.

Для повышения эффективности эжекторного усилителя тяги в нем организуется сложный газодинамический процесс за счет того, что гофры создают "звездообразный" в сечении газовый поток, а благодаря наклону гофр обеспечивается вращение раструба. Таким образом, одной из важных особенностей предлагаемого устройства является установка на транспортную систему эжекторного усилителя тяги с нестационарным рабочим процессом, принцип работы которого основан на особой организации течения потоков и струй, выходящих из сопла двигателя в эжектор. Можно сказать, что организация рабочего газодинамического процесса в эжекторе заключается в управлении режимом течения активного потока, а именно в отклонении газового потока в наклонных гофрах и, одновременно в закрутке потока.

Использование: в ракетно-космической технике; в транспортных системах (ТС), предназначенных для старта, подъема, разгона и выведения на орбиту полезной нагрузки с поверхности планеты, имеющей атмосферу. Сущность изобретения: ТС содержит первую ступень 1 ракеты с выходным соплом 4 маршевого двигателя и с установленным на нем эжекторным усилителем (ЭУ) тяги 5, верхние ступени 2 и полезную нагрузку 3. ЭУ 5 может быть выполнен в виде осесимметричных кофузора 6, цилиндрического корпуса 7 и диффузора 8; сопло 4 может быть установлено в подшипниках 10 и имеет возможность вращения вокруг оси двигателя, а раструб 9 сопла 4 имеет наклонные гофры для обеспечения его вращения и "закрутки" активного потока. Благодаря эффективному процессу взаимодействия активного и пассивного потоков в ЭУ увеличивается степень тягоусиления, повышается экономичность выведения на орбиту полезной нагрузки. Длина ЭУ 5 составляет 2-3 диаметра корпуса 9. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Транспортная система вертикального старта, содержащая ступень с маршевым реактивным двигателем, включающим в себя выходное сопло, отличающаяся тем, что выходное сопло снабжено эжекторным усилителем тяги со средством организации течения активного и пассивного потоков в камере эжектора, а также осесимметричными конфузором, диффузором и расположенным между ними цилиндрическим корпусом. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что средство организации течения активного и пассивного потоков в камере эжектора выполнено в виде сопла с вращающимся выходным раструбом, раструб снабжен наклонными гофрами, а ось вращения совпадает с осью симметрии реактивного двигателя. 3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что эжекторный усилитель тяги, включающий в себя конфузор, цилиндрический корпус и диффузор, выполнен длиной, составляющей 2 3 диаметра цилиндрического корпуса.