МЕЖОРБИТАЛЬНЫЙ РОССИЙСКИЙ АТОМНЫЙ АВИАПОРТ-ПОСРЕДНИК Российский патент 2016 года по МПК B64C39/06 B64G1/22 B64C29/00 

Устройство и способ относится к проектированию экспериментальных разработок универсальных по аэродинамике и функциональным возможностям летательных аппаратам, может быть использовано как прототип для создания нового класса летательных аппаратов - долговременного автономного режима, полета в атмосфере и вне ее (космического полета), в том числе - боевой единицы для авиакосмических войск ВВС МО РФ (двойное назначение).

Известны устройства создания и регулирования подъемной силы: крыло летательного аппарата, фюзеляж (корпус летательного аппарата), комбинированный с крылом, парашют [1, с. 372, с. 244, с. 541, с. 345].

Известны устройства создания и регулирования реактивной тяги: сопла Лаваля [1, с. 248, 262] - аэродинамического канала специального профиля, предназначенного для разгона газа и придания потоку газа заданного направления, реактивного сопла с регулируемым сечением [1, с. 417].

Указанные устройства имеют ограничение маневренности по отношению к углу атаки [1, с. 37] внешних сил (ветровой нагрузки), обуславливающее вероятность потери стабилизации полета устройства.

Известно устройство движителя комбинированного [2]. Прототип данного изобретения по функции движителя.

Известны обратимые устройства МГД-генерации электроэнергии [1, с. 269-270], [3, с. 379-380]. Прототип данного изобретения по функции генерации электроэнергии и предварительного ускорения рабочего тела реактора-двигателя.

Известны многочисленные способы и устройства ускорения высокоионизированного рабочего тела - плазмы, например [3, с. 541-542, 298-299] [4] [5] [6] [7] [8]. Прототип по функции ускорения топливного компонента реактора-двигателя и инициации УТС - [4] [5]. Прототип магнитной системы устройства - [6].

Известны способы и устройства осуществления реакций управляемого термоядерного синтеза (УТС) в условиях линейного ускорения рабочего тела - плазмы [4] [5] [8] [9].

Известны многочисленные способы и устройства изотопного обогащения в ионных ускорителях методами ионно-циклотронного резонанса [10], массовой сепарации равнозаряженных ионов [11] [12].

Указанные способы и устройства не применялись для создания летательных аппаратов.

Цели заявленного объекта - соединение полезных свойств известных из уровня техники аналогов для создания индифферентного по отношению к углу атаки реактивного летательного аппарата с высокой степенью стабилизации полета и высокой маневренностью - цель 1, обеспечиваемая аэродинамической системой летательного аппарата; автономного длительного полета с получением энергии из окружающей среды - цель 2; обеспечение энергоприводной системой дальнего космического полета летательного аппарата - цель 3.

Указанная цель 1 достигается тем, что для реализации индифферентности летательного аппарата спонтанным сопротивлением горизонтальной (ветровой и т.п.) атаке (посредством демпфирования соединений верхнего и нижнего куполов - механической реакции периферийных амортизационно-демпфирующих узлов на любое направление горизонтальной компоненты угла ветровой (либо иной внешней) атаки, регулируемым соотношением сечений сегментов диффузора сопла, являющегося зазором между внутренней поверхностью верхнего купола и внешней - нижнего) при асимптотически вертикальном направлении оси симметрии аппарата, устройство имеет форму осесимметричных соосно помещенных друг в друга куполов - верхнего внешнего (ВК), нижнего внутреннего (НК), направленных выпуклостью вверх, и третьего - обратного (с выпуклостью в обратном направлении выпуклости ВК и НК и кривизной, меньшей кривизны ВК) купола (ОК), который осесимметрично неподвижно соединеняют с НК. Наружние поверхности куполов имеют форму, обеспечивающую положительную подъемную силу при любом направлении обтекающего устройство внешнего воздушного (водного) потока (выпуклость ВК больше выпуклости ОК). На периферии устройства осесимметрично располжены элементы (элероны [1, с. 585) изменяющие кривизну поверхности ВК - переходящую в нулевую и отрицательную чем обеспечено управление креном устройства при изменении угла атаки от собственного геотангенциального ускорения и от внешнего геотангенциального потока (течения) - наружняя динамическая упрвляемая стабилизация.

Центр масс устройства (с учетом полезного груза) расположен внутри третьего купола, в области пересечения геометрической средней плоскости (трехмерный аналог средней линии двумерной фигуры) и общей оси симметрии устройства - динамично зафиксировав путем сопряжения полезного груза с фюзеляжем посредством амортизационно-демпфирующего узла крепления регулируемых линейных размеров (АДКР) нижнего (Н-АДКР) - внутренняя статическая стабилизация.

Сопло устройства выполннено в форме зазора переменного сечения между обращенными друг к другу (внутренним) поверхностям ВК и НК, задавая их формой изменение (уширение пропорциональное конусности сопла Лаваля) нормального сечения - зазора по ходу истечения рабочего тела при расположении источника (источников) рабочего тела реактивной тяги в области между вершинами ВК и НК, чем обеспечивают куполообразное, направленное вниз истечение рабочего тела. Внутренним поверхностям диффузора сопла (ДС) придают форму (кривизна НК больше кривизны ВК), создающую силу, сопротивления давлению потока рабочего тела, приложенному к поверхностям ДС, - внутренняя динамическая стабилизация. Соединение ВК и НК - выполняют подвижным, посредством верхнего АДКР (В-АДКР), расположенного в области вершин ВК и НК, и нескольких АДКР (П-АДКР) обтекаемой формы, равномерно расположенных в ДС, предназначенных для симметричного изменения сечения сопла (смещением ВК по вертикали) - чем регулируют силу суммарной реактивной тяги, и асимметричного изменения сечения ДС - чем регулируют силу (углового перераспределения) радиальной компоненты (углового перераспределения) реактивной тяги. При изменении угла атаки и (или) внешнего напора автоматической реакцией П-АДКР на возникший градиент внешнего давления, приложенный к поверхности ВК, изменяют геометрию сопла с увеличением горизонтальной компоненты силы тяги с направлением, противоположным (в плане) возникшему изменению напора.

На фиг. 1; 2 показано:

1. Внешняя поверхность ВК (1-го купола);

2. Внутренняя поверхность ВК-внешняя диффузора сопла;

3. Внешняя поверхность НК (2-го купола) - внутренняя диффузора сопла;

4. Внешняя поверхность ОК (3-го купола);

5. окружности сопряжений рабочих поверхностей НК и ОК;

6. В-АДКР;

7. П-АДКР;

8. диффузор сопла;

9. Элероны;

10. Стыковочный узел;

11. Н-АДКР;

12. Геометрическая средняя плоскость устройства.

Пример 1 устройства реализации способа (фиг. 1; 2): поверхности ВК (1-2), НК (3) и ОК (4) около центральной части устройства (на 80-90% общей поверхности каждого купола) выполнены в форме жестких квадратичных параболоидов вращения (y=kx²) с коэффициентами k_i ~0,5 (фиг. 1) -:- 5 (фиг. 2), имеющих окружности сопряжений (5) при y_c=~x_c с поверхностями иной кривизны (в области средней горизонтальной плоскости А-А), соединены между собой В-АДКР (6) и П-АДКР (7). Для поверхностей ВК (2) и НК (3) сопла соотношение параболических коэффициентов k_BK~(1,05-:-1,2)k_HK, что определяет исходный параметр ДС (9). П-АДКР (8) в ДС (8) относительно друг друга разнесены на 120°. Элероны (9) равномерно размещены по окружностям (5) ВК (1) и НК (3). Стыковочный узел (10) устройства расположен в нижней части НК (3). Центр масс устройства находится в области пересечения вертикальной оси симметрии и средней плоскости А-А (регулируется Н-АДКР (11)).

Коэффициенты k_i~0,5 (фиг. 1) применимы к исполнению устройства, предназначенного преимущественно для ускоренного вертикального взлета и дальнего следования, k_i~2-:-5 (фиг. 2) - преимущественно для горизонтальных и орбитальных полетов. Конусообразно расходящийся поток рабочего тела, исходящий из ДС (8), обеспечивает аксиальную стабилизацию, кроме того - вызывает эжекционное снижение давления воздушной среды под ОК (4), в результате чего постепенно смыкается в указанной области, вызывая коррекцию соотношения компонент силы тяги в сторону аксиальной (в норме - вертикальной) компоненты. Вертикальное ускорение устройства регулируется смещением ВК (1-2) относительно НК (3) вдоль оси симметрии устройства путем управления АДКР (6), (7) - меняя сечение ДС (8), горизонтальное - асимметричным смещением ВК (1-2) относительно НК (3), под управлением П-АДКР (7), изменяя геометрию ДС (8).

Указанная цель 2 достигается тем, что для реализации автономного перманентного полета с получением энергии из окружающей среды (атмосферы) в вершине первого купола выполнены открывающиеся эжекторы-воздухозаборники (режим воздушно-реактивного двигателя); параболические стенки сопла (внутренняя поверхность верхнего купола и наружняя поверхность второго купола) конструктивно выполнены в качестве обратимой МГД-машины с дополнительными функциями изотопного масс-сепаратора и трехмерного циклотронно-линейного ускоритель-реактора на изотопах легких элементов (ионно-реактивный двигатель/ускоритель/реактор/бридер/МГД-генератор): мозаично футерованы активными полюсами универсальной автоматизированной магнитной системы, топливными форсунками двигателя и коллекторными газоотборниками масс-сепаратора; в полостях крыла и фюзеляжа размещена распределительно-накопительная топливная система бридера (стартовой системы устройства).

Режимы бридера и межорбитального разгона устройства (для цели 3) реализуют реакциями способа УТС:

Конструкция трехмерного циклотронно-линейного ускоритель-реактора (МГД-машины) представляет собой синтез газонаполненного плазменного ускорителя [3, с. 541-542], например типа [3, с. 298-299] и циклотрона типа [10] с единой магнитной системой, представляющей собой кольцевую осесимметричную группу виркаторов с инжекторами топлива - в верхней части устройства, и многопробочную открытую ловушку с функцией МГД-генератора - в нижней. Конструкция такого типа обеспечивает заданное направление перемещения рабочего тела машины от вершины параболоида по параболическому соплу асимптотически его медиальной (виртуальной) поверхности, испытывая (в режиме ускорителя) одновременно тангенциальную (циклотронную) компоненту ускорения, создающее условия для УТС и необходимый градиент кинетической энергии (соответствующий ~10-50 Mev ионов рабочего тела), определяющий линейную компоненту ускорения, задающую результирующий вектор подъемной силы аппарата.

Таким образом, сопло совмещает в себе функции рабочей зоны ускоритель/реактора/двигателя реактивного летательного аппарата и серверной обратимой МГД-машины (предназначенной для электропитания ускоритель/реактора/двигателя и внутреннего автономного электроснабжения систем аппарата).

Пример устройства системы бридера, предназначенного для обеспечения режимов I (стартового) и III, IV, V (ускорения/торможения/маневра) в космической фазе полета с попутной дозаправкой топливом из атмосфер планет или их спутников, состоит из:

- коллектора масс-сепаратора (типа [10] [11]) ионов ¹⁵Ν с использованиям атмосферного азота ¹⁵N (~0,3% воздуха), и атмосферного ¹H (из паров H₂O), отбираемых эжекторами-воздухозаборниками в верхнюю область рабочей зоны бридера, образующей камеру сгорания с виртуальными катодами по типу виркатора [8];

- химического каталитического реактора синтеза тяжелого аммиака ¹⁵N¹H₃ (бридерного топлива для реакции (4) - см. [3, с. 358, табл. 1, п. 21], обеспеченной магнитодинамическим режимом ускорителя по типу [8] [9]);

- топливных баков, трубопроводов, насосов, форсунок бридера.

В режимах II (основной режим - атмосферный взлет с поверхности Земли или Титана) и VI (атмосферная посадка) в качестве основных энергетических реакций двигателя предлагается:

и реакция (4) обеспеченная магнитодинамическим режимом ускорителя по типу [8], [9] с использованиям атмосферного азота ¹⁴N₂ (~78% земного воздуха), отбираемого в верхнюю область рабочей зоны сопла эжекторами-воздухозаборниками. В режиме VII (базирование на поверхности планеты) описанный аппарат - основной энергоблок экологически чистой АЭС на легких элементах.

Объект предназначен для инициации создания экспериментального устройства, воплощающего пилотный проект строительства межорбитального корабля - авианосца-ракетоносца.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:

1. Политехнический словарь, гл. ред. Артоболевский И.И., М, «С.Э.», 1976.

2. Зубов С.Н. Патент РФ №98395, 2010.

3. Физический энциклопедический словарь, гл.. ред. Прохоров A.M., М, “С.Э.”, 1984.

4. Карбушев Д.Н., Рыжков С.В., Тройник М.К. Об улучшенных аналитических зависимостях для скоростей энерговыделения и сечений реакций синтеза, МГТУ им. Н.Э. Баумана, апрель 2009, ryzhkov@power.bmstu.ru.

5. Димов Г.И., Амбиполярная ловушка, УФН, ноябрь 2005, том 175, №11.

6. Васильева Р.В. и др., Опыты по МГД преобразованию энергии сверхзвукового потока воздуха в электрическую энергию, ЖГФ. 1994, том 64, в. 2.

7. Медведев Д.В. и др., Ускорение ионов плазмы, инжектированной в закритический релятивистский электронный пучок при его пространственно-временной модуляции, Письма в ЖТФ, 2008, т. 32, вып. 18.

8. Челпанов В.Н., Голяков И.И., Корнилов В.Г., Волков Α.Α., Дубинов А.Е., Селемир В.Д., Жданов B.C.. Коллективное ускорение ионов ксенона в виркаторе с плазменным анодом. ЖТФ, 2009, т. 79, вып. 1.

9. Дидик В.А. и др. Распределение изотопов, образованных в арсениде галлия при облучении высокоэнергетичными протонами, дейтонами и ядрами ³Не, ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, С-Пб, 1995.

10. Карчевский А.И., Потанин Е.П., Способ разделения стабильных изотопов в плазме методом ионно-циклотронного резонанса. Патент РФ №2217223, МПК Н05Н 15/00, B01D 59/48, 2003.

П. Богданов Н.В., Ворогушин М.Ф., Кухтин В.П., Ламзин Е.А., Строкач А.П., Сычевский С.Е. Патент РФ №2373673, МПК Н05Н 13/00, 2009.

12. Морозов А.И., Семашко Н.Н. О сепарации по массам квазинейтральных пучков, Письма в ЖТФ, 2002, т. 28, вып. 24.

Изобретение относится к области авиации и космонавтики, в частности к конструкциям летательных аппаратов. Устройство энергоприводной системы реактивного летательного аппарата для реализации автономного перманентного полета с получением энергии из окружающей среды содержит в вершине первого купола открывающиеся эжекторы-воздухозаборники. Параболические стенки сопла конструктивно выполнены в качестве обратимой МГД-машины и трехмерного параболоид-линейного ускоритель-реактора. Система рабочих поверхностей крыла, фюзеляжа, сопла и парашюта комбинирована воедино в форму осесимметричных соосно помещенных друг в друга куполов, двух направленных выпуклостью вверх, третьего - выпуклостью вниз. Третий купол неподвижно соединен со вторым, образуя фюзеляж, первый соединен со вторым подвижно посредством амортизационно-демпферных регулируемых узлов крепления. Способ энергоснабжения реактивного летательного аппарата реализуют с помощью реакций УТС на изотопах легких элементов в режиме ускоритель-реактора УТС. Достигается повышение стабилизации и маневренности аппарата. 3 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство энергоприводной системы реактивного летательного аппарата, отличающееся тем, что для реализации автономного перманентного полета с получением энергии из окружающей среды в вершине первого купола выполнены открывающиеся эжекторы-воздухозаборники; параболические стенки сопла конструктивно выполнены в качестве обратимой МГД-машины и трехмерного параболоид-линейного ускоритель-реактора УТС на изотопах легких элементов, мозаично футерованы активными полюсами МГД-машины, в верхней части полости между куполами осесимметрично расположена кольцевая группа виркаторов ускоритель-реактора с топливными инжекторами, в полостях верхнего купола-крыла и 2-го - 3-го куполов фюзеляжа размещена распределительная топливная система.

2. Устройство аэродинамической системы реактивного летательного аппарата стабилизации подъемной силы реактивной тягой движителя аэродинамического с энергоприводной системой по п. 1, отличающееся тем, что система рабочих поверхностей крыла, фюзеляжа, сопла и парашюта комбинирована воедино в форму осесимметричных соосно помещенных друг в друга куполов, двух - направленных выпуклостью вверх - крыло-парашют и стенки сопла, и третьего - выпуклостью вниз, третий неподвижно соединен со вторым, образуя фюзеляж; третий - с кривизной меньшей кривизны верхнего, верхний - первый купол, с кривизной меньшей кривизны второго соединен со вторым подвижно посредством амортизационно-демпферных регулируемых узлов крепления: верхнего узла, размещенного между вершинами первого и второго куполов, и периферийных, симметрично размещенных в диффузоре сопла - зазора между первым и вторым куполами, по крайним окружностям куполов симметрично размещены элероны - створки сопла с двумя поворотными степенями свободы, центр масс устройства позиционируется в области оси симметрии устройства.

3. Способ энергоснабжения реактивного летательного аппарата по п. 1 или 2, отличающийся тем, что его реализуют с помощью реакций УТС на изотопах легких элементов в режиме ускоритель-реактора УТС.