МНОГОРАЗОВЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ-РАЗГОНЩИК Российский патент 2003 года по МПК B64C39/08 B64G1/40 

Изобретение относится к области авиа- и ракетостроения, в частности к самолетам-разгонщикам, многоразовым летательным аппаратам-разгонщикам и/или разгонным ступеням.

Изобретение может быть использовано при создании самолетов-разгонщиков и многоразовых разгонных первых ступеней для разгона ракет-носителей с космическими аппаратами (КА) с целью выведения КА на околоземные орбиты и отлетные траектории, а также для экспериментальной летной отработки новых летательных аппаратов (ЛА), в том числе сбрасываемых в полете, и высокоскоростных двигателей и их агрегатов, а также авионики и оборудования.

Известен многоразовый летательный аппарат-разгонщик, выполняющий функцию самолета-разгонщика, известный как самолет "Геракл" (см., например, сообщение по докладу на 7-й международной конференции AIAA, Г.Е. Лозино-Лозинский и др. Проект МАКС и перспективы его развития. 7-th International Spaceplanes and Hypersonics Systems & Technology Conference, November 18-22, 1996, Norfolk, VA), выполненный по схеме "триплан" с двумя фюзеляжами и тремя несущими плоскостями, разнесенными по продольной и вертикальной осям, с подвешенными под консолями среднего крыла турбореактивными двигателями. Консоли среднего крыла сопряжены таким образом, что позволяют подвешивать сбрасываемые ракетные ступени или устанавливать грузовые и другие, не сбрасываемые, отсеки. Имеющееся шасси позволяет осуществлять горизонтальный взлет и горизонтальную посадку с аэродромов не ниже первого класса.

Однако описанный летательный аппарат, выполняющий функцию разгонной первой ступени, не обеспечивает сверхзвуковую скорость при отделении ракетных ступеней, что существенно снижает его эффективность как разгонной ступени для выведения КА в космическое пространство. "Геракл" принципиально не может быть использован для экспериментальной летной отработки ЛА на сверхзвуковых скоростях без отделения их от самолета.

Известен многоразовый летательный аппарат-разгонщик (самолет-разгонщик), выполняющий функцию разгонной первой ступени в двухступенчатом многоразовом аэрокосмическом летательном аппарате МИГАКС (см. например, сообщение по докладу на 10-й международной конференции AIAA, N.P.Dulepov and others. Propulsion Systems For TSTO Airplane - Accelerators of different types. 10-th Internationals Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, April 24-27, 2001, Kyoto, Japan), содержащий несущие плоскости сверхзвуковой аэродинамической формы, воздушно-реактивные двигатели и элементы крепления полезной нагрузки. Однако этот многоразовый летательный аппарат-разгонщик имеет ряд технических проблем, среди которых:
- чрезмерный температурный нагрев конструкции, обусловленный продолжительным участком разгона,
- достаточно большое аэродинамическое сопротивление, обусловленное наличием крыла большой площади, оптимизированного на дозвуковой и сверхзвуковой режимы полета,
- сложная динамика отделения орбитального самолета на большой сверхзвуковой скорости,
- неудовлетворительные взлетно-посадочные характеристики, обусловленные сверхзвуковым крылом, которые компенсируются увеличением площади крыла и, как следствие, увеличением аэродинамического сопротивления на сверхзвуковых скоростях полета.

Задачей изобретения является создание многоразового летательного аппарата-разгонщика - полезной нагрузки с достижением технических результатов, которыми являются:
- уменьшение аэродинамического сопротивления на больших сверхзвуковых скоростях полета,
- уменьшение тепловых нагрузок за счет уменьшения времени разгона,
- упрощение динамики отделения полезной нагрузки,
- отказ от использования взлетно-посадочной полосы (ВПП).

Задача решается за счет того, что многоразовый летательный аппарат-разгонщик, содержащий несущие плоскости сверхзвуковой аэродинамической формы, оснащенный воздушно-реактивными двигателями в качестве маршевой двигательной установки, а также элементами крепления разгоняемой полезной нагрузки, в соответствии с изобретением представляет собой "биплан", крылья которого разнесены по продольной и поперечной осям, при этом переднее крыло имеет прямую стреловидность и смещено вверх по оси Y относительно центра масс, а заднее крыло имеет обратную стреловидность и расположено ниже центра масс, двигательные отсеки, ориентированные по продольной оси изделия, размещены на концах крыльев и образуют вместе с ними единую жесткую конструкцию, причем двигатели оснащены поворотными соплами-насадками, которые обеспечивают управление вектором тяги, шасси, размещенные в задней по полету части двигательных отсеков, и ориентированы для вертикального взлета и посадки, а элементы крепления полезной нагрузки размещены с возможностью ее крепления и отделения во время полета с нижней части верхнего крыла, при этом источники электропитания, топливные отсеки и навигационное оборудование размещены как в двигательных отсеках, так и в крыльях разгонной ступени. При этом кабины экипажа могут быть установлены на переднем крыле.

Предложенный многоразовый летательный аппарат-разгонщик (МЛАР) показан на прилагаемом чертеже в трех проекциях.

МЛАР содержит несущие плоскости сверхзвуковой аэродинамической формы, которые разнесены по продольной и поперечной осям, при этом переднее крыло 1 имеет прямую стреловидность и смещено вверх по оси Y относительно центра масс, заднее крыло 2 имеет обратную стреловидность и расположено ниже переднего крыла.

Отсеки с маршевыми двигателями 3 ориентированы по продольной оси ступени, размещены на периферии крыльев, соединены между собой крыльями и образуют вместе с ними единую жесткую конструкцию, причем двигатели с воздухозаборниками 4 оснащены поворотными соплами-насадками 5, которые обеспечивают управление вектором тяги. Шасси 6 размещены в задней по полету части двигательных отсеков и ориентированы для вертикального взлета и посадки.

Элементы крепления разгоняемой полезной нагрузки 7, например ракетной ступени в виде переднего механизма подвески 8 и заднего механизма подвески 9. На двигательных отсеках установлены аэродинамические органы управления 10. Навигационное, связное и другое оборудование, топливные (специальные) отсеки 11, а также источники электропитания могут быть размещены в любых отсеках МЛАР. МЛАР может оснащаться отделяемыми или не отделяемыми отсеками полезной нагрузки.

Взлет и посадка МЛАР осуществляется вертикально, в этом случае продольная ось МЛАР, совпадающая с направлением движения в момент старта, направлена вдоль вектора силы притяжения. После вертикального взлета МЛАР в соответствии с программой полета выходит на заданный курс и при достижении определенной точки полета отделяет полезную нагрузку, которая продолжает полет в космос, а МЛАР возвращается на взлетно-посадочную площадку. Посадку МЛАР осуществляет также вертикально.

Уменьшение аэродинамического сопротивления достигается за счет уменьшения площади крыльев, применения сверхзвуковых профилей и стреловидных крыльев.

Уменьшение тепловых нагрузок достигается за счет уменьшения времени разгона, что в свою очередь обусловлено применением маршевой двигательной установки, которая обеспечивает стартовую тяговооруженность больше единицы.

Улучшение динамических характеристик на этапе отделения полезной нагрузки достигается за счет обеспечения беспрепятственного движения полезной нагрузки по направлению силы притяжения и за счет появления противоположно направленных сил, действующих на МЛАР и полезную нагрузку.

В момент разделения полезная нагрузка, не обладающая достаточной подъемной силой, будет двигаться вниз относительно МЛАР под действием силы притяжения. В то же время МЛАР, освободившись от значительной части веса, при той же пространственной ориентации, имея ту же подъемную силу и существенно меньшее суммарное аэродинамическое сопротивление, под действием подъемной силы будет перемещаться вверх относительно отделившейся полезной нагрузки. Таким образом, упрощается динамика этапа отделения, что приводит к увеличению надежности отделения.

Наличие двигательной установки, которая обеспечивает стартовую тяговооруженность больше единицы, позволяет осуществить вертикальную посадку, применяя специальные алгоритмы управления при заходе на посадку и приземлении. При этом горизонтальная составляющая посадочной скорости близка нулю, что позволяет осуществить заход на посадку и приземление на специальную ограниченную площадку существенно меньших размеров, чем ВПП (чем стандартная взлетно-посадочная полоса).

Таким образом, предлагаемый многоразовый летательный аппарат-разгонщик позволяет значительно улучшить характеристики известных многоразовых разгонных ступеней с воздушно-реактивными двигателями, что достигается путем рационального сочетания конструктивных элементов, оптимизированных для полета на больших сверхзвуковых скоростях. При этом наличие плохих взлетно-посадочных характеристик при горизонтальном полете на малых скоростях компенсируется вертикальным способом посадки при большой тяге двигательных установок, что, в свою очередь, позволяет отказаться от использования взлетно-посадочных полос и ограничиться наличием небольших специальных площадок для взлета и посадки. Минимизация аэродинамического сопротивления на больших сверхзвуковых скоростях полета за счет применения специальных сверхзвуковых форм позволяет сократить время разгона и, как следствие, уменьшить тепловое нагружение конструкции.

Изобретение относится к области авиа- и ракетостроения. Аппарат-разгонщик содержит переднее крыло прямой стреловидности, отсеки с маршевыми воздушно-реактивными двигателями, топливные отсеки, шасси, источники электропитания, навигационное оборудование, элементы крепления и отделения в полете полезной нагрузки. Аппарат снабжен задним крылом обратной стреловидности, которое смещено относительно переднего крыла по продольной и поперечной осям. Отсеки с маршевыми двигателями и оба крыла образуют единую жесткую конструкцию. В задней по полету части отсеков с двигателями размещены упомянутые шасси, ориентированные с возможностью вертикального взлета и посадки. Топливные отсеки и навигационное оборудование размещены как в отсеках с двигателями, так и в обоих крыльях. Аппарат снабжен кабиной экипажа, которая установлена на первом крыле. Изобретение направлено на уменьшение аэродинамического сопротивления на больших сверхзвуковых скоростях полета. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Многоразовый летательный аппарат-разгонщик полезной нагрузки, содержащий переднее крыло прямой стреловидности, отсеки с маршевыми воздушно-реактивными двигателями, топливные отсеки, шасси, источники электропитания, навигационное оборудование, элементы крепления и отделения в полете упомянутой полезной нагрузки, отличающийся тем, что он снабжен задним крылом обратной стреловидности, которое смещено относительно переднего крыла по продольной и поперечной осям, отсеки с маршевыми двигателями размещены на концах обоих крыльев по продольной оси так, что отсеки с маршевыми двигателями и оба крыла образуют единую жесткую конструкцию, шасси размещены в задней по полету части отсеков с маршевыми двигателями, ориентированных с возможностью вертикального взлета и посадки, а топливные отсеки и навигационное оборудование размещены как в отсеках с маршевыми двигателями, так и в обоих крыльях. 2. Летательный аппарат-разгонщик по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен кабиной экипажа, которая установлена на переднем крыле.