ПЕРВАЯ СТУПЕНЬ МНОГОСТУПЕНЧАТОГО РАКЕТОНОСИТЕЛЯ Российский патент 2004 года по МПК F02K9/76 

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а более конкретно к многоступенчатым ракетоносителям, выводящим с поверхности Земли на космические орбиты как научно-исследовательские аппараты, например с космонавтами, так и боевые баллистические ракеты.

Известны устройства первых ступеней многоступенчатых ракетоносителей “Спутник” и “Восток”, выполненные из нескольких конусообразных блоков, соединенных по пакетной схеме вокруг центрального блока второй ступени, которые отделяются от него после выработки запаса горючего. При этом каждый блок первой ступени имеет по четыре главные камеры, размещенные равномерно по всей площади днища [1], [2]. По такой же конструктивной компоновке выполнена и первая ступень ракетоносителя “Союз” [3].

Недостатком конструкций аналогов [1], [2] и [3] является то, что в них первая ступень ракетоносителя выполнена из отдельных автономных реактивных блоков, которые вплотную присоединены к центральному блоку второй ступени. Такая пакетная конструкция не позволяет получить дополнительную реактивную тягу от использования атмосферного кислорода в качестве дополнительного рабочего тела. Кроме того, главные камеры и в первой и во второй ступени размещены по всей поверхности их днищ, создавая донное сопротивление, и, кроме того, корпуса отдельных блоков первой ступени, размещенные по известной пакетной схеме, создают и большое гидравлическое сопротивление встречному потоку воздуха.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является известное устройство “Первая ступень многоступенчатого ракетоносителя” [4]. Это устройство, содержащее главные реактивные двигатели и емкости для горючего и окислителя, расположенное осесимметрично вокруг центрального блока второй ступени с возможностью отделения и выполненное в виде единого блока в форме гладкостенной трубы, установленное на пилонах, и с кольцевым зазором вокруг двигательной части блока второй ступени. При этом, камеры сгорания главных реактивных двигателей первой ступени размещены по кольцевому периметру и равноудаленно друг от друга, и которые охвачены камерой дожигания, имеющей на своей наружной поверхности стабилизаторы, к гребням которых прикреплены управляющие камеры. А емкости для горючего и окислителя размещены в трубчатой стенке первой ступени.

Недостатком этого устройства является то, что отделение такой сплошной трубчатой первой ступени от блока второй ступени, которые соединены между собой, как минимум восемью пилонами, является достаточно технически сложной операцией. Кроме того, в устройстве-прототипе во входной части кольцевого зазора для эжектируемого потока не предусмотрено устройства сопла Лаваля, что исключает получение дополнительной реактивной тяги.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в достижении увеличения стартовой скорости космического аппарата на разгонном участке траектории полета.

Это достигается тем, что первая ступень многоступенчатого ракетоносителя, выполненная в виде автономного устройства со своими реактивными двигателями и емкостями для окислителя и горючего, и размещенного осесимметрично вокруг блока второй ступени, имеющей также свои реактивные двигатели и емкости для окислителя и горючего, при этом ступень выполнена в виде единого блока, в форме гладкостенной трубы, установленной на пилонах с кольцевым зазором от второй ступени и с возможностью отделения от нее, причем главные камеры сгорания реактивных двигателей ступени размещены по кольцевому периметру торца вплотную друг к другу и охвачены общей камерой дожигания, имеющей на внутренней поверхности сопло Лаваля, а на наружной стабилизаторы, к гребням которых прикреплены управляющие камеры, при этом емкости для горючего и окислителя размещены в трубчатой стенке ступени. Трубчатая стенка первой ступени составлена по круговому периметру без зазора из нескольких разъемных долевых секторов, каждый из которых снабжен емкостями для окислителя и горючего и внутренней поверхностью через два яруса своих пилонов разъемно соединен с центральным блоком второй ступени, причем с центральным блоком второй ступени пилоны соединены с помощью отстрелочных устройств, кроме того, по внутренней сомкнутой трубчатой поверхности первой ступени все долевые секторы на одной высоте от главных камер снабжены выступами, образующими в сомкнутом виде кольцевую горловину, более узкую, чем внутренний диаметр размещения главных камер и кольцевого конуса, в форме которого выполнена головная часть первой ступени, при этом отношение внутреннего диаметра размещения главных камер первой ступени к наружному диаметру центрального блока второй ступени на уровне ее главных камер может составлять величину от 1,2 до 3,5.

При этом первая ступень составлена по круговому периметру из четырех долевых секторов.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид многоступенчатого ракетоносителя. На фиг.2 изображен осесимметричный вырыв первой ступени с изображением половины вида и разреза по оси аппарата. На фиг.3 изображен вид фиг.1 по стрелке А. На фиг.4 изображено сечение А-А фиг.1. На фиг.5 изображено сечение Б-Б фиг.1, повернутое на 45°. На фиг.6 изображена схема движения и взаимодействия двух эжектирующих потоков и одного эжектируемого потока газов в объеме камеры дожигания. На фиг.7 изображен момент отделения долевых секторов первой ступени от центрального блока второй ступени.

Устройство первой ступени 1 выполнено в виде автономного устройства, имеющего свои реактивные двигатели и емкости для окислителя и горючего, и размещенного осесимметрично вокруг центрального блока 2 второй ступени, которая также имеет свои емкости для окислителя и горючего, и блок реактивных двигателей 3. Устройство первой ступени 1 выполнено в форме сплошной по окружности гладкостенной трубы, установленной на пилонах с кольцевым зазором 4 от второй ступени 2 и с возможностью отделения от нее, причем главные камеры сгорания 5 реактивных двигателей ступени 1 размещены по кольцевому периметру торца вплотную друг к другу так, что расстояние между их осями составляет величину γ. Все главные камеры 5 ступени 1 охвачены общей камерой дожигания 6, имеющей на внутренней поверхности сопло Лаваля 7, а на наружной стабилизаторы 8, к гребням которых прикреплены управляющие камеры 9, при этом емкости для горючего и окислителя размещены в трубчатой стенке ступени. Трубчатая стенка ступени 1 составлена по круговому периметру без зазора из нескольких разъемных долевых секторов 10, каждый из которых снабжен емкостями для окислителя 11 и горючего 12 и который внутренней поверхностью 13 через два яруса своих пилонов 14 и 15 разъемно соединен с центральным блоком второй ступени 2, причем с центральным блоком второй ступени 2 пилоны 14 и 15 соединены с помощью отстрелочных устройств 16 и 17. Кроме того, по внутренней трубчатой поверхности 13, сомкнутой из отдельных секторов 10 первой ступени 1, все долевые секторы 10 на одной высоте от главных камер 5 снабжены выступами 18, образующими в сомкнутом виде кольцевую горловину 19, более узкую, чем внутренний диаметр D размещения главных камер 5, и кольцевого конуса 20, в форме которого выполнена головная часть первой ступени 1. При этом конструктивное отношение внутреннего диаметра D размещения главных камер 5 первой ступени 1 к наружному диаметру d центрального блока второй ступени 2 на уровне ее главных камер 5 может составлять величину от 1,2 до 3,5. Кроме того, расстояние между главными камерами 5 отдельных долевых секторов 10 составляет величину β, которая равна величине γ.

Устройство работает следующим образом.

Для обеспечения старта многоступенчатого ракетоносителя 21 с трубчатой первой ступенью 1, включается зажигание одновременно всех главных камер 5 первой ступени 1 и всех главных камер 3 блока второй ступени 2.

После старта, реактивные струи от главных камер 5 ступени 1 и от главных камер 3 второй ступени 2, ракетоноситель 21 начинает работать в режиме прямоточно-эжекторного ракетоносителя. В этом режиме в кольцевой зазор 4 начинает непрерывно поступать атмосферный воздух, который в объеме камеры 6 обеспечивает дожигание в среде атмосферного кислорода не сгоревших продуктов реактивного топлива и выступает как дополнительное рабочее тело. При этом в объеме камеры 6 создается значительное падение давления, что также создает градиент давления, обеспечивающий эффект “выталкивающей силы”, действующей в направлении убывания давления, т.е. на поверхность диффузора ниже горловины 18, вдоль внутренней поверхности 13 прямоточного кольцевого канала 4, что увеличивает реактивную тягу и, следовательно, стартовую скорость ракетоносителя 21, сокращая время его выхода на баллистическую орбиту без дополнительных затрат горючего. После выработки горючего и окислителя во всех секторах 10 первой ступени 1, осуществляется синхронное срабатывание отстрелочных устройств 16 и 17, и долевые секторы 10 выходят из силовых гнезд 22 и отстреливаются от блока 2, размыкаясь между собой и освобождая центральный блок 2 второй ступени ракетоносителя 21 от первой ступени 1.

Такая конструкция первой ступени многоступенчатого ракетоносителя позволяет получить дополнительную реактивную тягу за счет того, что все главные камеры 5 первой ступени 1 размещены равноудаленно друг от друга по кольцевому периметру и создают трубчатый в сечении эжектирующий поток I, который охватывает сплошной в сечении эжектирующий поток II от центрального блока 2, а между ними создается трубчатый в сечении эжектируемый поток III встречного воздуха атмосферы. При этом работа прямоточного эжектора такова, что на место сжигаемого эжектируемого воздуха в камере дожигания 6, по кольцевому зазору 4 поступают новые порции воздуха за счет скоростного давления встречного потока и за счет создания пониженного давления в камере 6. Кроме того, сгораемый эжектируемый поток атмосферного воздуха выступает как дополнительное рабочее тело, увеличивающее реактивную тягу и стартовую скорость устройства, и тем самым обеспечивая сокращение времени вывода ракетоносителя на баллистическую или межпланетную орбиту.

При этом сплошность кольцевой наружной стенки первой ступени 1 и ее гладкостенность снижают аэродинамическое сопротивление. А размещение управляющих камер 9 на наружных гребнях стабилизаторов 8 позволяет удалить их от высокотемпературной стенки камеры дожигания 6.

Выступы 18 по внутренней, сомкнутой трубчатой поверхности 13 образуют сопло Лаваля с горловиной 19 для эжектируемого потока III воздуха атмосферы. При этом сопло Лаваля с горловиной 19 и сопло Лаваля 7 в камере дожигания 6 способствуют созданию пульсирующего режима суммарной реактивной струи, что также способствует приросту общей реактивной тяги.

Источники информации

1. Космонавтика. Энциклопедия. /Под ред. В.П.Глушко. - М., Советская энциклопедия, 1985, стр.67.

2. В.И.Феодосьев. Основы техники реактивного полета - М., Наука, 1979, стр.64-72.

3. Космонавтика. Энциклопедия. /Под ред. В.П.Глушко. - М., Советская энциклопедия, 1985, стр.373.

4. Патент России №2192992 от 20.11.2002 г.

Первая ступень многоступенчатого ракетоносителя выполнена в виде автономного устройства со своими реактивными двигателями и ёмкостями для окислителя и горючего и размещена осесимметрично вокруг блока второй ступени, имеющей также свои реактивные двигатели и ёмкости для окислителя и горючего. Главные камеры сгорания реактивных двигателей ступени размещены по кольцевому периметру торца вплотную друг к другу и охвачены общей камерой дожигания. Трубчатая стенка первой ступени составлена по круговому периметру без зазора из нескольких разъемных долевых секторов, каждый из которых снабжен ёмкостями для окислителя и горючего и внутренней поверхностью соединен с центральным блоком второй ступени через два яруса своих пилонов. Пилоны соединены с центральным блоком второй ступени с помощью отстрелочных устройств. По внутренней сомкнутой трубчатой поверхности первой ступени все долевые секторы на одной высоте от главных камер снабжены выступами, образующими в сомкнутом виде кольцевую горловину, более узкую, чем внутренний диаметр размещения главных камер и кольцевого конуса, в форме которого выполнена головная часть первой ступени. Отношение внутреннего диаметра размещения главных камер первой ступени к наружному диаметру центрального блока второй ступени на уровне её главных камер может составлять величину от 1,2 до 3,5. Изобретение позволит увеличить стартовую скорость космического аппарата на разгонном участке траектории полёта. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Первая ступень многоступенчатого ракетоносителя, выполненная в виде автономного устройства со своими реактивными двигателями и емкостями для окислителя и горючего, и размещенного осесимметрично вокруг блока второй ступени, имеющей также свои реактивные двигатели и емкости для окислителя и горючего, при этом ступень выполнена в виде единого блока, в форме гладкостенной трубы, установленной на пилонах с кольцевым зазором от второй ступени и с возможностью отделения от нее, причем главные камеры сгорания реактивных двигателей ступени размещены по кольцевому периметру торца вплотную друг к другу и охвачены общей камерой дожигания, имеющей на внутренней поверхности сопло Лаваля, а на наружной стабилизаторы, к гребням которых прикреплены управляющие камеры, при этом емкости для горючего и окислителя размещены в трубчатой стенке ступени, отличающаяся тем, что трубчатая стенка первой ступени составлена по круговому периметру без зазора из нескольких разъемных долевых секторов, каждый из которых снабжен емкостями для окислителя и горючего, и внутренней поверхностью через два яруса своих пилонов разъемно соединен с центральным блоком второй ступени, причем с центральным блоком второй ступени пилоны соединены с помощью отстрелочных устройств, кроме того, по внутренней сомкнутой трубчатой поверхности первой ступени все долевые секторы на одной высоте от главных камер снабжены выступами, образующими в сомкнутом виде кольцевую горловину, более узкую, чем внутренний диаметр размещения главных камер и кольцевого конуса, в форме которого выполнена головная часть первой ступени, при этом oтношение внутреннего диаметра размещения главных камер первой ступени к наружному диаметру центрального блока второй ступени, на уровне ее главных камер, может составлять величину от 1,2 до 3,5.2. Первая ступень по п.1, отличающаяся тем, что ступень составлена по круговому периметру из четырех долевых секторов.