СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ И КОМПЛЕКТ РАКЕТНЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК B64G1/14 B64G1/22 

Изобретение относится к области ракетно-космической техники и может найти применение при создании ракетных комплексов многократного использования для выведения на орбиту различных космических объектов.

Из технической литературы (см. “Космонавтика на рубеже тысячелетий. Итоги и перспективы”. - М.: Машиностроение/Машиностроение-Полет, 2001, стр. 325...327, 369...372) известен способ эксплуатации ракет-носителей, заключающийся в:

- однократном использовании в составе нескольких ракет-носителей одноразового ускорителя (например, центрального или бокового ускорителя первой ступени в ракетах-носителях среднего и тяжелого классов семейства одноразовых ракет-носителей “Ангара”), а также одной или нескольких его частей (например, универсального ракетного модуля первой ступени в ракетах-носителях легкого, среднего и тяжелого классов семейства одноразовых ракет-носителей “Ангара”);

- многократном использовании в составе нескольких ракет-носителей многоразового ускорителя (например, многоразового ускорителя “Байкал” в ракетах-носителях тяжелого и сверхтяжелого классов семейства частично многоразовых ракет-носителей).

Из того же источника известен комплект ракетных ускорителей для эксплуатации ракет-носителей, содержащий одноразовые и многоразовые ракетные ускорители. При этом многоразовые ускорители предполагается создавать с максимальным использованием задела по одноразовым ракетным ускорителям.

Известные способ эксплуатации ракет-носителей и комплект ракетных ускорителей для его осуществления имеют ряд недостатков: - большая (до 100) кратность использования многоразовых ускорителей, приводящая к необходимости назначения им значительных потребных сроков службы и ресурсов; - значительные отличия, в том числе обусловленные значительными различиями сроков службы и ресурсов, одноразовых и многоразовых ускорителей в конструкции, составе и компоновке корпусов отсеков, оборудования, электрических, пневматических, гидравлических и др. коммуникаций; - низкие надежность и безопасность функционирования ракет-носителей в целом, обусловленные большими потребными сроками службы и ресурсами многоразовых ускорителей.

Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются создание способа эксплуатации ракет-носителей и комплекта ракетных ускорителей для его осуществления, позволяющих сократить затраты на разработку, изготовление, испытания и эксплуатацию упомянутых ракет-носителей с соответствующим снижением стоимости выведения на орбиту различных космических объектов.

Другой задачей изобретения является повышение параметров надежности и безопасности функционирования ракет-носителей в целом.

Решение поставленных технических задач достигается тем, что в способе эксплуатации ракет-носителей, заключающемся в однократном использовании в составе, по крайней мере, одной ракеты-носителя, по крайней мере, части, по крайней мере, одного одноразового ракетного ускорителя, и многократном использовании в составе, по крайней мере, одной ракеты-носителя, по крайней мере, части, по крайней мере, одного многоразового ракетного ускорителя, в соответствии с изобретением перед, по крайней мере, одним повторным использованием, по крайней мере, одного многоразового ракетного ускорителя заменяют, по крайней мере, одну работоспособную часть последнего на новую, и замененную часть устанавливают на, по крайней мере, один одноразовый ракетный ускоритель. Замененную часть устанавливают на, по крайней мере, один одноразовый ракетный ускоритель перед каждым использованием его в составе, по крайней мере, одной ракеты-носителя в течение, по крайней мере, двух запусков последней. Осуществляют замену части, имеющей наименьший остаточный ресурс. Осуществляют замену части, имеющей наименьший остаточный срок службы. Перед установкой, по крайней мере, одной замененной части осуществляют ее хранение. Осуществляют использование, по крайней мере, одной части, по крайней мере, одного многоразового ракетного ускорителя в составе, по крайней мере, двух различных ракет-носителей.

Решение поставленных технических задач достигается также тем, что в комплекте ракетных ускорителей для эксплуатации ракет-носителей, содержащем, по крайней мере, один одноразовый ракетный ускоритель и, по крайней мере, один многоразовый ракетный ускоритель, в соответствии с изобретением, по крайней мере, одна часть оборудования одноразового ускорителя и, по крайней мере, одна часть оборудования многоразового ускорителя установлены на упомянутых ускорителях с возможностью замены и выполнены взаимозаменяемыми между собой. По крайней мере, часть взаимозаменяемого оборудования выполнена связанной между собой, по крайней мере, частью коммуникаций, и конструктивно объединенной в, по крайней мере, один взаимозаменяемый модуль, по крайней мере, частью, корпуса, по крайней мере, одного отсека ускорителя. По крайней мере, часть взаимозаменяемого оборудования упомянутых ракетных ускорителей выполнена с возможностью установки на, по крайней мере, одну ракету-носитель. По крайней мере, часть взаимозаменяемого оборудования упомянутых ракетных ускорителей выполнена с возможностью установки на, по крайней мере, две различные ракеты-носителя.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показаны общие виды ракет-носителей, многоразовых и одноразовых ракетных ускорителей. На фиг.2 приведен вариант компоновки средств обеспечения возвращения многоразового ракетного ускорителя. На фиг.3 приведена примерная схема функционирования многоразового ракетного ускорителя. Некоторые варианты схем эксплуатации ракет-носителей приведены на фиг.4, 5, 6.

Комплект ракетных ускорителей для эксплуатации, например, ракеты-носителя 1 содержит, например, один одноразовый ракетный ускоритель 2 и, например, два многоразовых ракетных ускорителя 3, 4 (см. фиг.1).

Комплект ракетных ускорителей для эксплуатации, например, ракеты-носителя 5 содержит, например, один одноразовый ракетный ускоритель 6 и, например, один многоразовый ракетный ускоритель 7 (см. фиг.1).

Например, ускорители 2, 3, 4 выполнены с возможностью установки на ракету-носитель 1 (см. фиг.1).

Например, ускоритель 7 выполнен с возможностью установки на ракету-носитель 5 (см. фиг.1).

Ускорители 3, 4, 7 выполняют, например, функции ускорителей 1-й ступени, соответственно, ракет-носителей 1 и 5 (см. фиг.1).

Ускоритель 2 выполняет, например, функции ускорителя 2-й ступени ракеты-носителя 1 (см. фиг.1).

Ускоритель 6 выполняет, например, функции ускорителя 2-й ступени ракеты-носителя 5 (см. фиг.1).

Количество входящих в состав ракет-носителей 1, 5 как одноразовых, так и многоразовых ускорителей может варьироваться в зависимости от потребной грузоподъемности и принятых схем запусков ракет-носителей 1, 5 (см. фиг.1).

Например, ускорители 2, 3, 4, 7 содержат корпуса отсеков с установленным на них оборудованием, например (см. фиг.1):

- хвостовые отсеки 8;

- баковые отсеки 9 и 10;

- межбаковые отсеки 11.

Кроме того, ускоритель 2 содержит, например, промежуточный отсек 12, ускоритель 7 содержит, например, промежуточный отсек 13 и ускорители 3, 4 содержат, например, передние отсеки 14 (см. фиг.1).

На корпусах отсеков 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 может быть установлено оборудование, необходимое для функционирования ускорителей 2, 3, 4, 7 в составе ракет-носителей 1, 5, например, агрегаты маршевой двигательной установки (маршевые двигатели 15 с агрегатами пневмогидросистемы), средств обеспечения теплового режима и пожаропредупреждения, приборы систем управления, наземных измерений и телеметрического контроля, датчиковая аппаратура (см. фиг.1). Оборудование ускорителей 2, 3, 4, 7 связано между собой электрическими, пневматическими, гидравлическими и др. коммуникациями, выполненными, например, в виде электрических кабелей, трубопроводов и др. (см. фиг.1).

В составе ракеты-носителя 1 ускорители 2, 3, 4 могут быть объединены при помощи межускорительных связей 16, установленных, например, на промежуточном отсеке 12, передних отсеках 14, хвостовых отсеках 8 (см. фиг.1).

Ускорители 3, 4, 7 могут быть снабжены средствами обеспечения возвращения на космодром, различного состава и конструкции.

Так, средства обеспечения возвращения, например, ускорителей 3, 4 могут содержать, например (см. фиг.2):

- средства ориентации, выполненные, например, в виде сопел 17 реактивных систем управления 18;

- средства пассивной стабилизации, выполненные, например, в виде поворотных щитков 19;

- парашютные системы 20;

- средства обеспечения захвата 21;

- средства обеспечения посадки, выполненные, например, в виде посадочных тросов 22, 23;

- средства тепловой защиты хвостовых отсеков 8, выполненные, например, в виде съемных панелей 24;

- бортовые комплексы управления возвращением 25.

Часть средств возвращения ускорителей 3, 4 может быть установлена на корпусах их передних отсеков 14 (см. фиг.2):

- под обтекателем 26 корпусов передних отсеков 14 могут быть установлены, например, парашютные системы 20 и средства обеспечения захвата 21;

- внутри корпусов передних отсеков 14 могут быть установлены, например, посадочные тросы 22, агрегаты и приборы реактивных систем управления 18 и бортовых комплексов управления возвращением 25;

- на внешней поверхности корпусов передних отсеков 14 могут быть установлены, например, щитки 19 и реактивные сопла 17;

- в нишах 27 корпусов передних отсеков 14 могут быть установлены, например, посадочные тросы 22.

Часть средств возвращения ускорителей 3, 4 может быть установлена на корпусах их хвостовых отсеков 8 (см. фиг.2):

- на внешней поверхности корпусов хвостовых отсеков 8 могут быть установлены, например, съемные панели 24;

- в нишах 28 корпусов хвостовых отсеков 8 могут быть установлены, например, посадочные тросы 23.

Ускоритель 7 может быть снабжен средствами возвращения, аналогичными вышеприведенным средствам возвращения ускорителей 3, 4 (см. фиг.2).

Части оборудования ускорителей 2, 3, 4, 7, например, их маршевые двигатели 15 могут быть установлены с возможностью замены и выполнены взаимозаменяемыми между собой (см. фиг.1).

Части оборудования ускорителей 2, 3, 4, 7, например, маршевые двигатели 15 с частью агрегатов пневмогидросистемы, могут быть выполнены связанными, например, гидравлическими коммуникациями и конструктивно объединенными корпусами хвостовых отсеков 8 в, например, хвостовые взаимозаменяемые модули 29, установленные на ускорителях 2, 3,4, 7 с возможностью замены (см. фиг.1).

Части оборудования ускорителей 2, 3, 4, 7, например, агрегаты маршевой двигательной установки (маршевые двигатели 15 с агрегатами пневмогидросистемы), средства обеспечения теплового режима и пожаропредупреждения, приборы систем управления, наземных измерений и телеметрического контроля, датчиковая аппаратура и др. могут быть выполнены связанными между собой электрическими, пневматическими, гидравлическими и др. коммуникациями и конструктивно объединенными корпусами отсеков 8, 9, 10, 11 в, например, взаимозаменяемые ракетные модули 30, установленные на ускорителях 2, 3, 4, 7 с возможностью замены (см. фиг.1).

В процессе многократного использования многоразовых ускорителей 2, 3, 4, 5, 7 возможны различные схемы их функционирования.

Так, схема функционирования, например, ускорителей 3, 4 может включать в себя, например, следующие этапы (см. фиг.3):

А - запуск ускорителей 3, 4 в составе ракеты-носителя 1;

В - отделение отработавших ускорителей 3, 4 от ракеты-носителя 1;

С - баллистический полет ускорителей 3, 4 в верхних слоях атмосферы;

D - парашютное торможение ускорителей 3, 4 в плотных слоях атмосферы;

Е - захват парашютирующих ускорителей 3, 4 спасательными вертолетами 31;

F - вертолетная посадка на подготовленную площадку 32 ускорителей 3, 4;

G - послеполетное обслуживание ускорителей 3, 4;

Н - транспортировка на космодром старта ускорителей 3, 4;

I - подготовка к повторному использованию ускорителей 3, 4;

J - повторный запуск в составе ракеты-носителя 1.

Этапы С, D, Е, F, G, Н (см. фиг.3) являются составляющими процесса возвращения ускорителей 3, 4 на космодром старта.

Отделение от ракеты-носителя ускорителей 3, 4 может быть осуществлено по окончании выполнения ими своих функций, например, после выработки запаса компонентов ракетного топлива маршевой двигательной установки 15 (см. фиг.1).

В процессе баллистического полета ускорителей 3, 4 в верхних слоях атмосферы целесообразно обеспечить снижение разброса параметров траектории и действующих нагрузок. С этой целью возможны, например, ориентация ускорителей 3, 4 с использованием реактивных сопел 17 реактивной системы управления 18 и, например, их пассивная стабилизация и предварительное торможение с использованием поворотных щитков 19 (см. фиг. 2, 3). При этом защита конструкции хвостовых отсеков 8 от теплового воздействия может быть осуществлена за счет панелей 24 (см. фиг.2).

Площадка 32, подготовленная для вертолетной посадки ускорителей 3, 4, может быть расположена, например, вблизи станции железной дороги, аэродрома, речного или морского порта. Кроме того, площадка может быть размещена, например, на речных или морских судах и выдвигаться в район захвата за некоторое время до запуска ракеты-носителя 1.

Транспортировка на космодром старта ускорителей 3, 4 может быть осуществлена железнодорожным, авиационным, речным, морским, автомобильным и др. видами транспорта.

В процессе подготовки к повторному использованию ускорителей 3, 4 может быть проведена диагностика их состояния. Для упрощения диагностики возможно, например, оснащение бортовых комплексов управления возвращением 25 ускорителей 3, 4 средствами регистрации и накопления данных о внешних факторах, действующих на них в процессе эксплуатации.

После диагностики состояния ускорителей 3, 4 может быть осуществлена замена неработоспособных (неисправных, с истекшим сроком службы, с израсходованным ресурсом) оборудования и элементов конструкции.

Схема функционирования ускорителя 7 может быть аналогичной вышеприведенной схеме функционирования ускорителей 3, 4 (см. фиг.3).

Возможна эксплуатация ракеты-носителя 1 (см. фиг.4), при которой, например, перед очередным повторным использованием ускорителя 3 в составе ракеты-носителя 1 заменяют на новую работоспособную часть оборудования ускорителя 3, имеющую наименьший остаточный ресурс или (и) срок службы, например, маршевый двигатель 15 (на фиг.4 процесс замены маршевого двигателя 15 на новый условно показан стрелкой "а"), и замененный маршевый двигатель 15 устанавливают на ускоритель 2 (на фиг.4 процесс установки замененного маршевого двигателя 15 на ускоритель 2 условно показан стрелкой "b"). Замена маршевого двигателя 15 ускорителя 3 на новый позволяет продлить ресурс или (и) срок службы ускорителя 3 в целом, а осуществляемая при этом установка замененного маршевого двигателя 15 на одноразовый ускоритель 2 позволяет снизить затраты на продление ресурса или (и) срока службы ускорителя 3. Однако такая замена и установка маршевых двигателей 15 сопряжена с большим объемом и трудоемкостью работ по стыковке-расстыковке механических, пневматических, гидравлических, электрических и др. связей маршевых двигателей 15 с корпусами отсеков и оборудованием ускорителей 2, 3.

Возможна эксплуатация, например, ракеты-носителя 1 (см. фиг.5), при которой, например, перед каждым использованием ускорителя 2 в составе ракеты-носителя 1 в течение, например, двух запусков ракеты-носителя 1, начиная, например, со второго (на фиг.5 запуски ракеты-носителя 1 условно показаны стрелками "с" и порядковый номер запуска условно показан цифрой, заключенной в окружность) заменяют, например, работоспособный хвостовой модуль 29 одного из ускорителей 3, 4 на новый (на фиг.5 процесс замены хвостового модуля 29 на новый условно показан стрелками "d") и замененный хвостовой модуль 29 устанавливают на ускоритель 2 (на фиг.5 процесс установки замененного хвостового модуля 29 на ускоритель 2 условно показан стрелками "е"). При этом, если хвостовые модули 29 ускорителей 3, 4 имеют различные остаточные ресурсы или (и) сроки службы, то заменяют хвостовой модуль 29, имеющий наименьший остаточный ресурс, или (и) наименьший остаточный срок службы. Такая эксплуатация ракеты-носителя 1 позволяет без снижения экономического эффекта от многоразовости ограничить потребный ресурс и (или) потребный срок службы хвостовых модулей 29 до величин, обеспечивающих относительно небольшую кратность их использования (например, в данном случае - трехкратное использование). Кроме того, выполнение заменяемого оборудования многоразовых ракетных ускорителей 3, 4 в виде взаимозаменяемых хвостовых модулей 29 позволяет понизить трудоемкость работ по стыковке-расстыковке механических, пневматических, гидравлических, электрических и др. связей, обусловленных предусмотренными регулярными заменами и установками оборудования ракетных ускорителей 3, 4.

Возможна эксплуатация двух ракет-носителей 1, 5 (см. фиг.6), при которой, например, после, например, трехкратного использования ракетного ускорителя 7 в составе ракеты-носителя 5 (на фиг.6 запуски ракеты-носителя 5 условно показаны стрелками "f и порядковый номер запуска условно показан цифрой, заключенной в окружность) заменяют, например, работоспособный ракетный модуль 30 ускорителя 7 на новый (на фиг.6 процесс замены ракетного модуля 30 на новый условно показан стрелкой "g") и замененный ракетный модуль 30 устанавливают на ускоритель 2 ракеты-носителя 1 (на фиг.6 процесс установки замененного ракетного модуля 30 на ускоритель 2 условно показан стрелками "h"). При этом, для обеспечения гибкости эксплуатации ракет-носителей 1, 5, перед установкой на ускоритель 2 ракеты-носителя 1 замененного ракетного модуля 30 возможно его хранение (на фиг.6 процесс хранения замененного ракетного модуля 30 условно показан стрелкой "i"). Такая эксплуатация ракет-носителей 1, 5 позволяет продлить ресурс или (и) срок службы ускорителя 7 в целом, а осуществляемая при этом установка замененного ракетного модуля 30 на одноразовый ускоритель 2 позволяет существенно снизить затраты на продление ресурса или (и) срока службы ускорителя 7. Кроме того, выполнение заменяемого оборудования многоразовых ракетных ускорителей 3, 4, 7 в виде взаимозаменяемых ракетных модулей 30 позволяет свести к минимуму трудоемкость работ по стыковке-расстыковке механических, пневматических, гидравлических, электрических и др. связей, обусловленных предусмотренными регулярными заменами и установками оборудования ракетных ускорителей 3, 4, 7.

Возможны также варианты реализации способа эксплуатации ракет-носителей 1, 5 основанные, например, на комбинациях, приведенных выше (см. фиг.4, 5, 6) схем эксплуатации.

Итак, приведенные выше способ эксплуатации, например, ракет-носителей 1, 5 и комплект ракетных ускорителей для его осуществления позволяют:

- практически достигнуть максимальной экономической эффективности (теоретически возможной лишь при использовании бесконечно многоразовых ракетных ускорителей) от повторного использования оборудования и конструкции многоразовых ускорителей 3, 4, 7, при относительно небольшой потребной кратности их использования (например, при трехкратном использовании - см. фиг.5);

- ограничить потребный ресурс и (или) потребный срок службы оборудования и конструкции многоразовых ускорителей 3, 4, 7 до величин, обеспечивающих потребную кратность их использования;

- уменьшить массу оборудования и элементов конструкции ускорителей 3, 4, 7 за счет ограничения их потребного ресурса и (или) потребного срока службы;

- повысить надежность и безопасность функционирования ракет-носителей 1, 5 в целом за счет сокращения кратности использования оборудования и конструкции многоразовых ускорителей 3, 4, 7;

- сблизить потребные ресурсы и (или) потребные сроки службы оборудования и элементов конструкций одноразовых и многоразовых ракетных ускорителей с обусловленной этим возможностью совместить процессы разработки, изготовления и испытаний ускорителей 2, 3, 4, 7;

- свести к минимуму трудоемкость работ по стыковке-расстыковке механических, пневматических, гидравлических, электрических и др. связей, обусловленных предусмотренными регулярными заменами оборудования ракетных ускорителей 3, 4, 7 и установками замененного оборудования на ракетный ускоритель 2.

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может найти применение при создании ракетных комплексов многократного использования. Предлагаемый способ заключается в однократном использовании в составе ракеты-носителя по крайней мере одного одноразового ракетного ускорителя и многократном использовании в ее составе по крайней мере части многоразового ракетного ускорителя. При этом перед повторным использованием многоразового ракетного ускорителя заменяют по крайней мере одну работоспособную часть этого ускорителя на новую, а замененную часть устанавливают на одноразовый ускоритель. Комплект содержит один или более одноразовых и многоразовых ракетных ускорителей, причем по крайней мере одна часть оборудования одноразового и одна часть оборудования многоразового ускорителей установлены на указанных ускорителях с возможностью замены и выполнены взаимозаменяемыми. Эта часть оборудования многоразового ускорителя может устанавливаться на одноразовый ускоритель после по крайней мере одного ее использования в составе многоразового ускорителя. Технический результат изобретения состоит в снижении стоимости выведения на орбиту полезных грузов за счет сокращения затрат на разработку, изготовление, испытания и эксплуатацию ракет-носителей с повышением надежности и безопасности их функционирования. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ эксплуатации ракет-носителей, заключающийся в однократном использовании в составе ракеты-носителя по крайней мере одного одноразового ракетного ускорителя и многократном использовании в составе по крайней мере одной ракеты-носителя по крайней мере одного многоразового ракетного ускорителя, отличающийся тем, что перед повторным использованием многоразового ракетного ускорителя заменяют по крайней мере одну работоспособную часть этого ускорителя на новую, а замененную часть устанавливают на указанный одноразовый ракетный ускоритель.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что заменяют часть, имеющую наименьший остаточный ресурс.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что заменяют часть, имеющую наименьший остаточный срок службы.4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что перед установкой по крайней мере одной замененной части осуществляют ее хранение.5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что используют по крайней мере одну часть по крайней мере одного многоразового ракетного ускорителя в составе по крайней мере двух различных ракет-носителей.6. Комплект ракетных ускорителей для эксплуатации ракет-носителей, содержащий по крайней мере один одноразовый ракетный ускоритель и по крайней мере один многоразовый ракетный ускоритель, отличающийся тем, что по крайней мере одна часть оборудования одноразового ускорителя и по крайней мере одна часть оборудования многоразового ускорителя установлены на указанных ускорителях с возможностью замены и выполнены взаимозаменяемыми, при этом взаимозаменяемая часть оборудования многоразового ускорителя выполнена с возможностью установки на одноразовый ускоритель после по крайней мере одного использования в составе указанного многоразового ускорителя.7. Комплект ракетных ускорителей по п.6, отличающийся тем, что по крайней мере одна взаимозаменяемая часть указанного оборудования выполнена в виде по крайней мере одного взаимозаменяемого модуля.