СРЕДСТВА ВЫВЕДЕНИЯ НА ОРБИТУ С НЕПОДВИЖНЫМИ И РАЗВЕРТЫВАЕМЫМИ ПОВЕХНОСТЯМИ ТОРМОЖЕНИЯ И/ИЛИ ФАСОННЫМИ ТОПЛИВНЫМИ БАКАМИ И СООТВЕТСТВУЮЩИЕ СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ Российский патент 2015 года по МПК B64G1/14 B64G1/62 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится, в общем, к средствам выведения на орбиту с неподвижными и развертываемыми поверхностями торможения, включая расширяющиеся поверхности, и к соответствующим системам и способам.

Уровень техники

В течение многих лет ракеты используются для доставки на орбиту людей и полезных грузов. Такие ракеты доставляли первых космонавтов в космос и на луну и выводили на орбиту земли и внеземные орбиты множество искусственных спутников. Такие ракеты используются для приведения в движение автоматических космических летательных аппаратов и с недавнего времени для доставки конструкций, продовольствия и персонала на орбитальные межпланетные космические станции.

Постоянная проблема, связанная с назначением ракет, состоит в возможности повторного использования системы. Аспекты настоящего изобретения направлены на решение этой проблемы.

Краткое описание чертежей

Фиг.1А и 1В - средство, имеющее развертываемую расширяющуюся поверхность по варианту выполнения изобретения.

Фиг.2А и 2В - средство во время подъема и снижения соответственно по варианту выполнения изобретения.

Фиг.3А и 3В - увеличенное изображение участка средства, показывающее развертываемую расширяющуюся поверхность в сложенном положении и развернутом положении соответственно.

Фиг.4А - частично схематичный вертикальный вид сбоку средства, имеющего сложенные развертываемые поверхности, сконфигурированные по другому варианту выполнения изобретения.

Фиг.4В - частично схематичный вертикальный вид сбоку средства, показанного на Фиг.4А, с развернутыми развертываемыми поверхностями.

Фиг.4С - частично схематичный вертикальный вид сверху средства, показанного на Фиг.4В, с развернутыми развертываемыми поверхностями.

Фиг.5А и 5В - частично схематичный вертикальный вид сбоку и вид сверху соответственно средства, имеющего перемещающиеся поверхности по варианту выполнения изобретения.

Фиг.6А и 6В - частично схематичный вертикальный вид сбоку и вид сверху соответственно средства, имеющего две группы развертываемых расширяющихся поверхностей по варианту выполнения изобретения.

Фиг.7 - частично схематичный изометрический вид средства, имеющего направленную вверх и наружу суженную форму по варианту выполнения изобретения.

Фиг.8А-8F - частично схематичные вертикальные виды сбоку участков средств, имеющих направленные вверх и наружу суженные формы по другим вариантам выполнения изобретения.

Фиг.9 - частично схематичный изометрический вид топливного бака, имеющего форму и компоненты по еще одному варианту выполнения изобретения.

Фиг.10 - вертикальный вид сбоку топливного бака с частичным вырезом, сконфигурированного по еще одному варианту выполнения изобретения.

Осуществление изобретения

Настоящее описание, в общем, относится к средствам выведения на орбиту (например, ракетам) с неподвижными и развертываемыми поверхностями торможения и соответствующим системам и способам. Некоторые" подробности, конструкции и процессы, хорошо известные и часто имеющие отношение к потоку в ракетном двигателе, не приводятся в нижеследующем описании для краткости изложения. Кроме того, несмотря на то, что ниже приводится описание нескольких вариантов выполнения, некоторые другие варианты выполнения могут иметь отличающиеся конфигурации, компоновки и/или компоненты по сравнению с тем, что описано в этом разделе. В частности, другие варианты выполнения могут иметь дополнительные элементы и/или в них могут отсутствовать один или несколько элементов, описанных ниже со ссылкой на Фиг.1А-10.

Фиг.1А - вид сверху в изометрии на средство 100, сконфигурированное по варианту выполнения изобретения. Фиг.1В - вертикальный вид сбоку на средство 100, показанное на Фиг.1А. Со ссылкой на Фиг.1А и 1В, средство 100 может быть ракетой (например, орбитальным летательным аппаратом или суборбитальным летательным аппаратом), которая включает в себя модульный отсек 110 с двигательной установкой, несущий модуль 130 полезной нагрузки. Модульный отсек 110 с двигательной установкой может включать в себя один или несколько двигателей, имеющих соответствующие выхлопные сопла 111 двигателя, расположенные в направлении первого или заднего конца средства 100. Средство 100 может продолжаться вдоль продольной оси V средства с обращенной наружу открытой поверхностью 101, имеющей первую зону 103 в направлении первого конца 105 и вторую зону 104, расположенную в направлении второго или переднего конца 102 средства 100. Средство 100 может включать в себя посадочное устройство 120, расположенное в направлении первого конца 105, так чтобы средство 100 могло совершать посадку с ориентацией хвостовой части в нижнем направлении. Средство 100 может дополнительно включать в себя развертываемую или по-иному перемещающуюся поверхность торможения (например, расширяющуюся поверхность), расположенную в направлении второго конца 102 средства 100. Развертываемая поверхность 140 может складываться во время подъема и развертываться во время снижения для стабилизации и уменьшения скорости средства 100 во время снижения и посадки с хвостовой частью, направленной вниз. В конкретных вариантах выполнения развертываемая поверхность 140 торможения может поднимать аэродинамический центр давления средства 100 (например, выше центра тяжести средства 100) для улучшения стабильности и/или улучшения отношения аэродинамической подъемной силы к сопротивлению во время снижения и посадки с хвостовой частью, направленной вниз. Ребра 150 в направлении заднего конца 105 средства 100 могут действовать как стабилизаторы и/или поверхности управления во время подъема и также могут действовать как стабилизаторы и/или поверхности управления во время снижения. Соответственно, ребра 150 могут действовать в переднем направлении (например, во время подъема) и в обратном направлении (например, во время снижения), как описано в находящейся одновременно на рассмотрении американской заявке 12/__,__, озаглавленной «ДВУНАПРАВЛЕННЫЕ ПОВЕРХНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ С ВЫСОКОСКОРОСТНЫМИ СРЕДСТВАМИ И СООТВЕТСТВУЮЩИЕ СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ» и одновременно выпущенной.

В частном варианте выполнения модуль 130 полезной нагрузки может быть сконфигурирован для транспортирования груза и/или экипажа. В варианте выполнения, показанном на Фиг.1А и 1В, модуль 130 полезной нагрузки может иметь полусферическую форму, и в других вариантах выполнения модуль 130 полезной нагрузки может иметь другие формы.

В частном варианте выполнения средство 100 включает в себя пять двигателей внутри средства 100 (не показано на Фиг.1А и 1В), и каждый из них имеет соответствующее выхлопное сопло 111 двигателя. Двигатели используются во время этапа разгона для приведения в движение средства 100 в верхнем направлении (например, вертикально, с составляющей траектории полета или без нее). Как вариант, двигатели также могут обеспечивать отклоняемый вектор тяги для управления средством 100 во время этапа разгона отдельно и совместно с другими системами управления.

После того как двигатели завершат фазу разгона, развертываемая поверхность 140 может быть развернута для замедления снижения средства 100. Развертываемая поверхность 100 может повысить устойчивость средства, когда средство 100 снижается (хвостовой частью вниз), за счет увеличения сопротивления средства и уменьшения равновесной скорости средства 100 перед повторным пуском двигателя для вертикальной посадки. В конкретном варианте выполнения развертываемая поверхность 140 используется только во время полета и затем убирается наземным обслуживающим персоналом после приземления средства 100. Ребра 150 могут использоваться для контроля и управления средством 100 во время снижения и посадки. Соответственно, средство 100 может направляться непосредственно в то место, откуда оно было запущено. В других вариантах выполнения средство 100 может направляться в другие места. В любом из этих вариантов выполнения, когда средство 100 приближается к месту посадки, двигатели могут быть запущены повторно для дальнейшего торможения средства 100. Посадочное устройство 120 развертывается для окончательной посадки.

Фиг.2А - частично схематичный вертикальный вид сбоку средства 100 во время подъема, указанного стрелкой А. Во время этапа подъема развертываемая поверхность 140 (которая образует часть наружной поверхности 101) сложена и может соответственно прилегать к нижележащей поверхности 106 средства 100 и, в общем, быть расположенной заподлицо с остальной частью наружной поверхностью 101. Во время этапа подъема посадочное устройство 120 (Фиг.1А, 1В) сложено.

На Фиг.2В показано средство 100 во время этапа снижения, указанного стрелкой D. Во время снижения развертываемая поверхность 140 развертывается, например, за счет поворачивания поверхности 140 таким образом, что она продолжается наружу от нижележащей поверхности 106. Как указано выше, предполагается, что эта конфигурация тормозит средство 100 и также может стабилизировать средство. Например, как отмечено выше, развертывание поверхности 140 может переместить центр давления, действующий на средство 100, вверх (например, выше центра тяжести средства), так что гравитационные силы, действующие на средство 100, стремятся стабилизировать возмущения, вызываемые аэродинамическими усилиями, действующими на средство 100.

Эффект развертывания поверхности 140 состоит в том, чтобы увеличить площадь поперечного сечения или площадь формы в плане средства 100 во второй зоне 104 относительно первой зоны 103. Например, площадь поперечного сечения средства 100 в первой позиции 191 (включая сюда площадь поперечного сечения ребер 150) или во второй позиции 192, каждое из которых находится в первой зоне 103, будет меньше площади поперечного сечения средства 100 в третьей позиции 193, расположенной во второй зоне 104, когда развертываемая поверхность 140 развернута. Это изменение площади поперечного сечения может быть временным, благодаря возможности последовательно складывать или иным образом перемещать развертываемую поверхность 140. В других вариантах выполнения, описываемых ниже со ссылкой на Фиг.7-10, увеличенная площадь поперечного сечения может быть фиксированной частью наружной геометрии средства.

Фиг.3А - частично схематичный боковой вид второй зоны 104 средства 100 со сложенной развертываемой поверхностью 140, например, во время этапа разгона или подъема средства 100. Развертываемая поверхность 140 может включать в себя множество развертываемых сегментов 141 или других соответствующих поверхностей или элементов поверхности. В сложенной конфигурации сегменты 141 сомкнуты у нижележащей поверхности 106 средства 100. Соответственно, сегменты 141 могут быть образованы из секций цилиндра, чтобы соответствовать форме цилиндрической наружной поверхности 101. В других вариантах выполнения сегменты 141 могут иметь другие формы. В любых из этих вариантов выполнения наружные сегменты 141а могут чередоваться с промежуточными внутренними сегментами 141b и перекрывать их.

Фиг.3В - частично схематичный вид сверху в изометрии, показывающий развертываемую поверхность 140 в развернутой конфигурации. В этой конфигурации сегменты 141 были повернуты наружу от нижележащей поверхности 106 средства 100, например, с помощью одного или нескольких исполнительных механизмов 142. В конкретном варианте выполнения смежные сегменты 141 могут перекрывать друг друга в сложенном положении и могут перекрывать друг друга или примыкать друг к другу в развернутом положении. В других вариантах выполнения сегменты 141 могут быть разнесены на некоторое расстояние или, по меньшей мере, частично разнесены на некоторое расстояние в развернутом положении. Конкретная компоновка, выбираемая для развертываемой поверхности 140, может зависеть от ожидаемого уровня торможения, который должен быть обеспечен развертываемой поверхностью 140, соединения со средством 100 и/или других факторов.

В конкретном варианте выполнения развертываемая поверхность 140 включает в себя 16 сегментов 141, каждый из которых развертывается с помощью отдельного пневматического, гидравлического, электрического или другого исполнительного механизма. Сегменты 141 могут перекрывать друга друга в сложенном положении с помощью первой группы из восьми сегментов 141, расположенных снаружи, и второй группы из восьми сегментов 141, распложенных внутри и уплотняемых сегментами первой группы, так что между смежными сегментами 141, когда раструб 140 полностью развернут, не существует никаких значительных зазоров. Средство 100 может включать в себя удерживающие фиксаторы или другие элементы, которые удерживают сегменты 141 в сложенном положении до того, как поступит команда на их открывание. В частном варианте выполнения вторая зона 104 средства 100 может включать в себя композитные сэндвич панели, поддерживаемые алюминиевыми кольцевыми шпангоутами для обеспечения дополнительной жесткости. Сегменты 141 также могут быть образованы из композитных сэндвич панелей. В других вариантах выполнения любые из этих конструкций могут иметь другие составы.

В конкретном варианте выполнения отдельные сегменты 141 перемещаются совместно, так что каждый сегмент перемещается на то же расстояние с такой же скоростью и в том же направлении (например, наружу или внутрь), что и другие сегменты. В других вариантах выполнения отдельные сегменты 141 развертываемой поверхности 140 могут по отдельности перемещаться и/или контролироваться. В таких вариантах выполнения сегменты 141 могут перемещаться относительно друг друга с разными скоростями, на разные расстояния и/или в разных направлениях, например, для управления средством 100 помимо его торможения. Перемещение сегментов 141 может контролироваться блоком 160 управления. В варианте выполнения блок 160 управления является электромеханическим устройством, установленным на средстве 100. В других вариантах выполнения блок 160 управления является цифровым или компьютерным устройством 160, установленным на средстве 100 или на земле и имеющим машинно-читаемый носитель, содержащий соответствующие указания. Блок 160 управления может принимать входные сигналы от любого из множества датчиков (например, датчика ускорений, GPS-датчика, датчика высоты, датчика давления или датчика времени (например, часов), на основании которых блок 160 управления выдает указания на приведение в действие сегментов 141. Блок управления 160 также может выполнять управление другими функциями, например работой двигателей, посадочного устройства и поверхностей управления.

Как указано выше, сегменты 141 могут плотно контактировать друг с другом в развернутом положении. В других вариантах выполнения соседние сегменты могут быть разнесены друг от друга в развернутом положении, образуя зазоры, продолжающиеся в осевом направлении. В еще одном варианте выполнения сегменты могут вентилироваться. Например, сегменты 141 могут включать в себя вентиляционные отверстия 143 (показаны пунктиром на Фиг.3В) для прохождения воздуха через сегменты 141. Вентиляционные отверстия могут быть расположены в шахматном порядке или по другой пригодной схеме. По другому аспекту этого варианта выполнения отдельные вентиляционные отверстия 143 могут избирательно открываться и зарываться (например, с помощью подвижной панели, перегородки ли другого пригодного устройства) для управления протеканием воздуха через отверстия 143. Таким образом, сопротивление, создаваемое развертываемой поверхностью 140, может контролироваться. По другому аспекту этого варианта выполнения вентиляционные отверстия 143 в одном месте окружности могут быть открыты, а вентиляционные отверстия в другом месте окружности могут быть закрыты для обеспечения другого сопротивления, что может быть, в свою очередь, использовано для управления средством 100.

В вариантах выполнения, описанных выше со ссылкой на Фиг.1А-3В, развертываемая поверхность расположена в направлении верхнего или второго конца средства. Фиг.4А - частично схематичный вертикальный вид сбоку средства 400, имеющего развертываемую поверхность, расположенную в направлении нижнего конца по другому варианту выполнения изобретения. По аспекту этого варианта выполнения средство 400 имеет наружную поверхность 401 с первой или нижней зоной 403, имеющей расширяющуюся наружу форму, и второй или верхней зоной 404 над первой зоной 403. Развертываемая поверхность 440 расположена в первой зоне 403. Развертываемая поверхность 440 может включать в себя четыре развертываемых панели 441 (три из которых видны на Фиг.4А), которые показаны в сложенном положении. На Фиг.4В и 4С показаны боковой вертикальный вид и вид сверху соответственно средства 400 с развертываемой поверхностью 440 в развернутом положении. В этом положении панели 441 повернуты наружу от нижележащей поверхности 406 средства 400 для увеличения площади поперечного сечения средства 400 относительно площади поперечного сечения расширяющейся наружной поверхности 401 в первой зоне 403. Эта компоновка может повысить устойчивость расширяющегося компонента при снижении.

Фиг.5А - частично схематичный вертикальный вид сбоку средства 500, имеющего развертываемую поверхность 540, которая смещается, а не поворачивается во время эксплуатации. Фиг.5В - частично схематичный вид сверху средства 500, показанного на Фиг.5А. Со ссылкой на Фиг.5А и 5В развертываемая поверхность 540 может включать в себя множество ребер или лопаток 541 (на Фиг.5А и 5В показано четыре ребра), которые во время подъема расположены в направлении первой или нижней зоны 503 средства 500. Соответственно, развертываемые поверхности 540 могут обеспечивать устойчивость и дополнительно управление средством 540 из положения ниже центра тяжести средства. Перед снижением или во время снижения хвостовой частью вниз ребра 541 перемещаются вверх, как показано стрелками U, во вторую или верхнюю зону 504 средства. В этом положении ребра 541 могут действовать таким образом, чтобы перемещать центр давления средства 500 вверх, например, выше центра тяжести средства. Поскольку ребра 541 являются устройствами, создающими подъемную силу, средство будет перевертываться из полностью вертикального в наклонное положение для обеспечения угла атаки, позволяющего ребрам создавать достаточную подъемную силу. Средство 500 может возвращаться в полностью вертикальное положение перед посадкой. Средство 500 может включать в себя направляющие, рельсы или другие пригодные направляющие конструкции для направления поступательного перемещения ребер 541.

Фиг.6А и 6В - частично схематичный боковой вертикальный вид и вид сверху соответственно средства 600, имеющего множество развертываемых поверхностей, совместно действующих для управления расположением центра давления средства относительно центра тяжести средства. В частности, средство 600 может включать в себя первую или нижнюю развертываемую поверхность 640а, расположенную в первой или нижней зоне 603 средства 600, и вторую или верхнюю развертываемую поверхность 640b, расположенную во второй или верхней зоне 604 средства 600. Первая развертываемая поверхность 640а может включать в себя первые расширяющиеся элементы 641а, и вторая развертываемая поверхность 640b может включать в себя вторые расширяющиеся элементы 641b. Как первые расширяющиеся элементы 641а, так и вторые расширяющиеся элементы 641b могут развертываться наружу относительно средства 600 и возвращаться в сложенное положение, как показано стрелками Р1 и Р2 соответственно. Во время подъема вторые расширяющиеся элементы 641b могут складываться, в общем, параллельно наружной поверхности средства 600, в то время как первые расширяющиеся элементы 641а поворачиваются наружу для обеспечения устойчивости и/или контроля. В конкретном варианте выполнения первые расширяющиеся элементы 641а могут оставаться во время подъема в сложенном положении, если нет необходимости в обеспечении дополнительной устойчивости. Такая необходимость может возникнуть в случае отказа одного или нескольких двигателей во время подъема. Во время снижения относительные ориентации первых и вторых расширяющихся элементов 641а, 641b могут реверсироваться. В частности, первые расширяющиеся элементы 641а могут быть сложены, в общем, параллельно наружной поверхности средства 600, в то время как вторые расширяющиеся элементы 641b развертываются для обеспечения перемещения центра давления, в общем, аналогично перемещению, описанному выше со ссылкой на Фиг.1А-2В.

В некоторых из вариантов выполнения, описанных выше, развертываемые поверхности контролируют изменение центра давления между подъемом средства и снижением средства. В других вариантах выполнения, описанных ниже со ссылкой на Фиг.7-10, общая форма средства может остаться фиксированной, но может иметь изменение формы поперечного сечения между нижним концом средства и верхним концом средства, которое обеспечивает повышенное сопротивление во время снижения по сравнению с обычной цилиндрической формой ракеты или формой ракеты, суженной в верхнем или нижнем направлении. Соответственно, наружная поверхность средства может быть заданной (например, фиксированной) или позиционируемой (например, подвижной) для обеспечения требуемого изменения формы поперечного сечения.

Фиг.7 - частично схематичное изометрическое изображение средства 700 выведения на орбиту, продолжающегося вдоль оси V средства между первым концом 705 и вторым концом 702. Средство 700 включает в себя модуль 730 полезной нагрузки в направлении второго конца 702 и модульный отсек 710 с двигательной установкой с одним или несколькими выхлопными соплами 711 в направлении первого конца 705. В конкретном варианте выполнения средство 700 включает в себя три выхлопных сопла, при этом два наружных сопла являются неподвижными, а центральное сопло является поворотным для управления средством. В других вариантах выполнения средство 700 может иметь другое количество и/или компоновки двигателей и соответствующих сопел. Средство 700 также может включать в себя ребра 750, которые могут приводиться в действие для обеспечения дополнительного управления средством во время как подъема, так и снижения. Наружная поверхность 701 средства 700 включает в себя первую зону 703 в направлении первого конца 705 и вторую зону 704 в направлении второго конца 702. Площадь поперечного сечения средства 700, ограниченная наружной поверхностью 701, увеличивается вдоль оси V средства от первой зоны 703 ко второй зоне 704. Соответственно, площадь поперечного сечения средства 700 в первой позиции 791 в первой зоне 703 меньше соответствующей площади поперечного сечения во второй позиции 792, расположенной во второй зоне 704.

Форма наружной поверхности 701 модульного отсека 710 с двигательной установкой и модуля 730 полезной нагрузки может быть выбрана для получения требуемых характеристик сопротивления как при подъеме, так и при снижении. В частности, форма наружной поверхности 701 в общем выбирается для уменьшения или сведения к минимуму бафтинга во время подъема, особенно при околозвуковых скоростях, обеспечивая аэродинамические силы, которые стабилизируют средство во время снижения хвостовой частью вниз.

Характеристикой компоновки, описанной выше со ссылкой на Фиг.7, является то, что она может устранить необходимость в развертываемых поверхностях торможения. Соответственно, предполагается, что эта компоновка может уменьшить общую массу средства. И наоборот, ожидаемое преимущество развертываемых поверхностей, описанных выше со ссылкой на Фиг.1А-6В, состоит в том, что они могут обеспечить большую силу торможения, чем сопротивление, создаваемое наружным обводом корпуса (OML) средства 700, тем самым уменьшая количество топлива, используемое двигателями для торможения средства во время снижения. Эта компоновка может компенсировать или частично компенсировать предполагаемую дополнительную массу развертываемых поверхностей. Конкретный выбор поверхностей торможения (например, развертываемых поверхностей или неподвижных расширяющихся поверхностей) может зависеть от множества факторов, включая сюда задачу, которую должно выполнять средство, и полезную нагрузку, которую должно транспортировать средство. Две эти компоновки не требуют взаимного исключения. Соответственно, в других вариантах выполнения развертываемые поверхности могут комбинироваться с фиксированными формами OML для получения требуемой комбинации сил торможения и массы средства.

Независимо от того, используется ли фиксированная наружная поверхность средства отдельно или с развертываемыми поверхностями торможения, она может иметь множество форм, которые, как ожидается, увеличивают сопротивление во время снижения средства без чрезмерного увеличения сопротивления во время подъема. На Фиг.8А-8F показан представительный выбор таких форм средства. С целью пояснения модули полезной нагрузки и компоновки двигателей/сопел, а также другие наружные элементы средства (например, ребра) на Фиг.8А-8F не показаны. Во время эксплуатации модуль полезной нагрузки может снижаться отдельно от модульного отсека с двигательной установкой, как показано на Фиг.8А-8F, или может оставаться прикрепленным к модульному отсеку с двигательной установкой во время снижения, как показано на Фиг.7. На Фиг.8А-8С показаны соответствующие средства 800а, 800b, 800с соответственно, имеющие поверхности, которые изменяются немонотонным образом по длине соответствующей оси средства. В частности, эти формы включают в себя, в общем, цилиндрический участок в направлении нижнего конца средства и направленный наружу и вверх суженный участок в направлении верхнего конца средства. Сужение может быть линейным (например, коническим) или нелинейным (например, вогнутым или выпуклым). В других вариантах выполнения, показанных на Фиг.8D, 8Е и 8F, соответствующие средства 800d, 800e и 800f соответственно включают в себя наружные поверхности, которые являются непрерывным конусом от нижнего конца средства к соединению с соответствующей капсулой полезной нагрузки (не показано). Выбор конкретного угла расширения поверхностей относительно оси средства зависит, например, от задачи средства и полезной нагрузки средства с целью обеспечения большой величины сопротивления во время снижения и небольшого и пошагового увеличения сопротивления во время подъема.

В любом из вышеуказанных вариантов выполнения топливо транспортируется в баках, расположенных в пределах верхней поверхности (или образующих часть верхней поверхности) средства. Баки для жидкого ракетного топлива, сконфигурированные по конкретным вариантам выполнения настоящего изобретения и пригодные для средств выведения на орбиту, имеют формы, образованные таким образом, чтобы (а) уменьшить динамические эффекты колеблющейся жидкости внутри бака и (b) обеспечить установку в пределах OML направленного вверх и наружу суживающегося средства. Например, OML бака может изменяться посредством регулирования радиуса бака для уменьшения эффектов дестабилизации колеблющейся жидкости. По другому конкретному аспекту этого варианта выполнения топливный бак может включать в себя внутренние гасители колебаний топлива, которые заформованы в облицовку пластикового бака. Эта конфигурация может исключить необходимость механического крепления гасителей внутри бака. В других вариантах выполнения гасители могут быть образованы внутри бака. По другому аспекту вышеуказанных вариантов выполнения форма бака может быть сконфигурирована для усиления и/или оптимизации центра масс ракетного топлива в средстве с целью уменьшения эффектов дестабилизации, которые в противном случае могут возникать, если жидкое ракетное топливо в баке колеблется во время нормальной эксплуатации.

Фиг.9 - частично схематичный боковой вертикальный вид участка средства 900 (например, ракеты), имеющего топливный бак 960, сконфигурированный по конкретному варианту выполнения изобретения. Средство 900 может иметь, в общем, цилиндрическую форму, как показано сплошными линиями на Фиг.9, или средство может иметь любую из направленных вверх и наружу суженных форм, описанных выше, как показано пунктирными линиями на Фиг.9. В конкретном аспекте этого варианта выполнения бак 960 для жидкого ракетного топлива имеет большую переднюю или верхнюю зону 961, в общем, с куполообразной наружной поверхностью, и меньшую заднюю или нижнюю зону 963, также, в общем, с куполообразной наружной поверхностью, но меньшего диаметра, чем диаметр передней зоны 961. Верхняя и нижняя зоны 961, 963 могут быть расположены с противоположных сторон промежуточной зоны 962, имеющей, в общем, коническую форму с радиусом, который линейно изменяется с высотой. Соответственно, бак 960 может иметь общую форму типа «груши» и может быть симметричным относительно продольно оси 966 бака. Однако форма бака 960 является асимметричной относительно боковой оси 967. Эта форма может быть выбрана на основании имеющейся высоты и объема внутри средства 900, чтобы по желанию регулировать центр масс ракетного топлива в средстве 900 от высокого во время подъема до низкого в средстве 900 во время снижения за счет формы (например, суживающейся форме) OML средства, и/или по желанию регулировать требование в отношении снижения колебания для различных количеств ракетного топлива при заливке.

Как указано выше, средство 900 может быть сконфигурировано для перемещения в переднем направлении (например, носовой частью вперед) во время подъема, как показано стрелкой А, и может перемещаться в заднем направлении (т.е. хвостовой частью вперед) во время снижения, как показано стрелкой D. По меньшей мере, в некоторых вариантах выполнения желательно удерживать центр масс ракетного топлива в средстве 900 в высоком положении во время подъема. Кроме того, что касается подъема, колебание топлива является меньшей проблемой при более высоких количествах заливки. Соответственно, радиус передней зоны 961 может быть относительно большим по отношению к ширине или диаметру средства 900. Когда свободная поверхность ракетного топлива опускается ниже передней зоны 961 и в промежуточную зону 962, центр масс ракетного топлива опускается более быстро, поскольку ракетное топливо, в общем, вытекает из бака 960 с постоянным объемным расходом, и радиус бака уменьшается линейно с длиной. Это приводит к опусканию центра масс в средстве 900 в более желательное положение для устойчивости при снижении. Центр масс может соответственно опускаться более быстро во время последующих фаз подъема и/или во время снижения.

По конкретному аспекту варианта выполнения, показанного на Фиг.9, топливный бак 960 может включать в себя элементы, которые ограничивают тенденцию топлива к колебанию в баке 960. Например, бак 960 может включать в себя гасители 964, которые продолжаются внутрь во внутреннюю зону бака 960 для контроля (например, уменьшения) колебания. Поскольку частота колебания и масса колебания являются нелинейными функциями радиуса бака, уменьшение радиуса бака приводит к уменьшению массы колебания и увеличению частоты колебания, причем оба параметра уменьшают снижение колебания, необходимое для поддержания стабильности управления средством. За счет снижения центра масс ракетного топлива при низких количествах заполнения (когда колебание является более критичным) плечо момента от центра масс ракетного топлива до центра масс средства уменьшается и, соответственно, колебание имеет в средстве 900 уменьшенный эффект дестабилизации. Благодаря форме бака свободная поверхность ракетного топлива снижается нелинейно при постоянной скорости истечения, и для возникновения амплитуды колебаний требуется некоторое время. В конкретных вариантах выполнения пространство между соседними гасителями 964 колебания может изменяться между передней зоной 961 и задней зоной 963, например, с учетом вышеуказанных нелинейностей. В других вариантах выполнения пространство между гасителями может быть постоянным. Поскольку задняя область 963 может удерживать намного меньший объем ракетного топлива, маловероятно, что в этой зоне требуются гасители 964, что может упростить конструкцию и изготовление формы.

В конкретном варианте выполнения бак 960 может быть образован из формованной пластиковой вставки и графитовой/эпоксидной наружной оболочки. Вставка может предотвращать контакт между топливом и оболочкой. Соответственно, бак 960 может использоваться с топливами (например, перекисноводородными топливами), которые в противном случае были бы несовместимы с оболочкой. В других вариантах выполнения бак 960 может содержать другие топлива и/или другие компоненты.

В любом из вышеуказанных вариантов выполнения могут возникнуть сложности по установке стандартных гасителей в бак 960, поскольку (по меньшей мере, в некоторых вариантах выполнения), вставка бака изготовлена как одно целое с помощью центробежной формовки. Соответственно, подход состоит в формовании гасителей 964 колебания как части вставки. Форма, используемая для этой операции, может иметь продолжающиеся внутрь фланцы, которые образуют гасители 964 и которые извлекаются в наружном направлении, когда форма открыта, так чтобы обеспечить возможность удаления бака 960. Этот подход создает полости (например, зазоры 965), которые открыты к наружной линии вставки. Эти полости или зазоры 965 могут быть заполнены пеной низкой плотности или другим материалом для получения некоторой жесткости гасителей 964, выступающих в бак, и получения гладкой наружной поверхности, на которую наматывается графитовая/эпоксидная оболочка.

Фиг.10 - частично схематичный вид топливного бака 960 с частичным вырезом, расположенного в средстве 900 и имеющего гасители 964, изготовленные и расположенные по другому варианту выполнения изобретения. По аспекту этого варианта выполнения топливный бак 960 предварительно формуется (например, с помощью центробежной формовки), и после этого устанавливаются гасители 964. Бак 960 может включать в себя одну или несколько крышек люка (показаны в виде верхней крышки 970а люка и нижней крышки 970b люка) для получения доступа к внутренней стороне бака 960. Крышки 970 также могут поддерживать соответствующие отверстия впуска и/или выпуска топлива в конкретных вариантах выполнения. Опорные кольца 971 (показаны как верхнее опорное кольцо 971а и нижнее опорное кольцо 971b) расположены на внутренней стороне бака 960 и могут быть прикреплены рядом или непосредственно к крышкам 970. Гасители 964 соединены между верхним опорным кольцом 971а и нижним опорным кольцом 971b и поддерживаются ими. Соответственно, гасители 964 могут включать в себя осевые элементы 972 гасителей, которые продолжаются между опорными кольцами 971а, 971b, и боковые элементы 973 гасителей, которые соединены с близлежащими осевыми элементами 972 гасителей и продолжаются между ними. Осевые элементы 972 гасителей могут иметь плоскую форму типа панели и могут образовывать гасители типа «грейпфрут». В конкретных вариантах выполнения осевые элементы 972 гасителей могут быть соединены только с верхним опорным кольцом 971а и нижним опорным кольцом 971b. Боковые элементы 973 гасителей могут также иметь плоскую форму типа панели и могут образовывать кольца, расположенные в пределах внутренней стенки 965 бака 960. Боковые элементы 973 гасителей могут быть соединены только с осевыми элементами 972 гасителей. Соответственно, элементы 972, 973 гасителей могут уменьшать или предотвращать колебания без контакта с внутренней стенкой 965 бака 960. Осевые элементы 972 гасителей и/или боковые элементы 973 гасителей могут быть перфорированными и могут быть образованы из тонких легких материалов (например, из соответствующего металла).

В конкретном варианте выполнения гасители 964 могут быть установлены в баке за счет открывания верней крышки 970а люка и опускания оператора во внутренний объем бака 960. Оператор может принимать элементы гасителя 964 (например, осевые элементы 972 гасителей и боковые элементы 973 гасителей) и крепить элементы друг к другу и к опорным кольцам 971а, 971b. В конкретном варианте выполнения осевые элементы 972 гасителей могут первоначально включать в себя множество компонентов, например нижний компонент 972а, промежуточный компонент 972b и верхний компонент 972с. Эти компоненты 972а-972с могут опускаться по отдельности в бак 960 и собираться на месте оператором внутри бака. Для предотвращения контакта между оператором и внутренней стенкой 965 бака 960 оператор может стоять на трапеции или другой пригодной платформе, подвешенной на портальном кране или другой конструкции снаружи бака. В зависимости от размера отверстий доступа в бак 960 некоторые из компонентов 972а-972с могут быть предварительно собраны перед опусканием в бак 960. Например, нижний компонент972а и верхний компонент 972b могут быть прикреплены друг к другу в конкретном варианте выполнения. Если отверстие для доступа достаточно большое, весь осевой элемент 972 гасителя может быть опущен в виде узла в бак 960. Боковые элементы 973 гасителей первоначально могут быть собраны в сегменты, например, с отдельными сегментами, присоединенными между близлежащими боковыми элементами 973 гасителей.

Из вышесказанного можно понять, что конкретные варианты выполнения изобретения были описаны здесь в пояснительных целях, и описание также может включать в себя другие варианты выполнения. Например, развертываемые поверхности 140 могут иметь сегменты 141 с таким формами и/или компоновками, которые отличаются от показанных и описанных выше. В другом примере дополнительные элементы топливного бака могут быть объединены со средством выведения на орбиту. Например, по меньшей мере, часть наружной поверхности средства выведения на орбиту может быть образована наружной поверхностью топливного бака. Определенные аспекты изобретения, описанные в контексте конкретных вариантов выполнения, могут быть скомбинированы или исключены в других вариантах выполнения. Например, суженный топливный бак, описанный выше со ссылкой на Фиг.9 и 10, может быть скомбинирован с любой из описанных суженных наружных поверхностей средства, и/или суженные наружные поверхности могут быть скомбинированы с любой из описанных выше развертываемых поверхностей торможения. Кроме того, несмотря на то, что преимущества, относящиеся к определенным вариантам выполнения, были описаны в контексте этих вариантов выполнения, другие варианты выполнения также могут иметь такие преимущества, и не все варианты выполнения должны иметь такие преимущества, чтобы попадать в объем настоящего изобретения. Соответственно, изобретение может содержать в себе другие варианты выполнения, которые не показаны или не описаны здесь в явной форме.

Группа изобретений относится к аэрокосмической системе для выведения полезной нагрузки (ПН) на орбиту и возвращения с орбиты путем торможения в атмосфере. Система содержит средство выведения (100) с вертикальным взлетом и посадкой. Средство (100) включает в себя двигательный отсек (110) с выхлопными соплами (111), модуль ПН (130), посадочное устройство (120). Средство (100) имеет наружную поверхность (101) с хвостовой (103) и носовой (104) зонами. Развертываемая поверхность (РП) (140) сложена при выведении на орбиту. При спуске РП развернута для стабилизации и торможения средства (100) во время его снижения хвостовой частью вперед. РП может быть выполнена в каждой из зон (103, 104), либо может перемещаться из одной зоны в другую. Стабилизаторы (поверхности управления) (150) могут действовать как во время подъема, так и при снижении. В некоторых вариантах средство выведения (100) выполнено с топливными баками, в которых обеспечен специальный контроль перемещения центра тяжести топлива при изменении его уровня в баке. Технический результат группы изобретений направлен на создание эффективной аэрокосмической системы многоразового использования. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 22 ил.

1. Аэрокосмическая система, содержащая:
средство выведения на орбиту с вертикальным взлетом и посадкой, с ориентацией хвостовой части в нижнем направлении, имеющее первый конец и первую зону в направлении первого конца и второй конец, в общем, на стороне, противоположной первому концу, и вторую зону в направлении второго конца, причем средство выведения на орбиту ориентировано вдоль оси средства, проходящей между первым концом и вторым концом,
силовую установку, которую содержит средство выведения на орбиту и которая имеет, по меньшей мере, одно сопло средства для запуска, расположенное у первого конца средства выведения на орбиту,
развертываемую и складываемую, обращенную наружу поверхность, которую содержит средство выведения на орбиту, причем развертываемая поверхность может перемещаться относительно средства выведения на орбиту между сложенным положением и развернутым положением и развертываемая поверхность устанавливается в заданное положение для получения площади первого поперечного сечения, в общем, под прямым углом к оси указанного средства в собранном положении и площади второго поперечного сечения, в общем, под прямым углом к оси средства в развернутом положении, при этом площадь второго поперечного сечения, расположенного во второй зоне средства выведения на орбиту, больше площади первого поперечного сечения, расположенного в первой зоне, и
блок управления, который содержится в средстве выведения на орбиту и сконфигурирован для складывания развертываемой поверхности во время подъема этого средства и выполнения развертывания развертываемой поверхности во время снижения средства, при этом
система дополнительно содержит датчик, функционально соединенный с блоком управления для обеспечения сигнала, указывающего на изменение между подъемом указанного средства и снижением средства.

2. Система по п. 1, в которой развертываемая поверхность включает в себя множество развертываемых панелей, при этом близлежащие панели имеют разное расположение по окружности.

3. Система по п. 2, в которой близлежащие панели перекрываются.

4. Система по п. 1, в которой развертываемая поверхность перемещается с возможностью поворачивания относительно средства выведения на орбиту.

5. Система по п. 1, в которой развертываемая поверхность, в общем, имеет аэродинамическое уплотнение.

6. Система по п. 1, в которой развертываемая поверхность имеет воздушные каналы для протекания воздуха через развертываемую поверхность.

7. Система по п. 1, в которой развертываемая поверхность включает в себя лопатку.

8. Система по п. 1, в которой развертываемая поверхность включает в себя раструб.

9. Система по п. 1, в которой развертываемая поверхность включает в себя множество элементов и в которой блок управления запрограммирован указаниями по перемещению отдельного элемента независимо от другого отдельного элемента.

10. Система по п. 9, в которой развертываемая поверхность является второй развертываемой поверхностью и в которой средство включает в себя первую развертываемую поверхность, расположенную в направлении первого конца средства, и в которой блок управления запрограммирован указаниями по независимому управлению перемещениями первой и второй развертываемых поверхностей.

11. Система по п. 3, в которой перекрывающиеся панели включают в себя множество наружных панелей и множество внутренних панелей с отдельной внутренней панелью, расположенной между двумя смежными наружными панелями и радиально внутрь от этих панелей.

12. Аэрокосмическая система, содержащая:
средство выведения на орбиту с вертикальным взлетом и посадкой с ориентацией хвостовой части в нижнем направлении, имеющее первый конец и второй конец, в общем, на стороне, противоположной первому концу, при этом средство выведения на орбиту ориентировано вдоль оси средства, проходящей между первым концом и вторым концом;
средство выведения на орбиту содержит обращенную наружу открытую поверхность, открытая поверхность имеет первую зону, которая расположена или может быть расположена для получения первой площади открытой поверхности в направлении первого конца средства, также открытая поверхность имеет вторую зону, которая расположена или может быть расположена для получения второй площади открытой поверхности в направлении второго конца указанного средства, при этом вторая площадь поверхности превышает первую площадь поверхности,
в которой вторая зона включает развертываемую поверхность, которая может перемещаться между свернутым положением и развернутым положением и образовывать вторую площадь в плане в развернутом положении, при этом вторая зона находится в свернутом положении во время подъема и в развернутом положении во время снижения средства, и
силовую установку, которую содержит средство выведения на орбиту и которая имеет, по меньшей мере, одно сопло средства для запуска, расположенное у первого конца средства выведения на орбиту,
блок управления, который содержится в средстве выведения на орбиту и сконфигурирован для складывания развертываемой поверхности во время подъема этого средства и выполнения развертывания развертываемой поверхности во время снижения средства, при этом
система дополнительно содержит датчик, функционально соединенный с блоком управления для обеспечения сигнала, указывающего на изменение между подъемом средства и снижением средства.

13. Система по п. 12, в которой вторая зона включает в себя множество развертываемых панелей, при этом близлежащие панели имеют разное расположение по окружности.

14. Система по п. 13, в которой близлежащие панели перекрываются.

15. Система по п. 14, в которой перекрывающиеся панели включают в себя множество наружных панелей и множество внутренних панелей, с отдельной внутренней панелью, расположенной между двумя смежными наружными панелями и радиально внутрь от этих панелей.

16. Система по п. 12, в которой вторая зона перемещается с возможностью поворачивания относительно средства выведения на орбиту.

17. Система по п. 12, в которой вторая зона, в общем, имеет аэродинамическое уплотнение.

18. Система по п. 12, в которой вторая зона имеет воздушные каналы для протекания воздуха через развертываемую поверхность.

19. Система по п. 12, в которой вторая зона включает в себя лопатку.

20. Система по п. 12, в которой вторая зона включает в себя раструб.

21. Система по п. 12, в которой вторая зона включает в себя множество элементов и в которой блок управления запрограммирован указаниями по перемещению отдельного элемента независимо от другого отдельного элемента.

22. Система по п. 12, в которой вторая зона включает в себя вторую развертываемую поверхность и в которой средство включает в себя первую развертываемую поверхность, расположенную в направлении первого конца средства, и в которой блок управления запрограммирован указаниями по независимому управлению перемещениями первой и второй развертываемых поверхностей.