Станция орбитальная заправочная криогенная Российский патент 2020 года по МПК B64G1/00 B64G1/10 

Изобретение относится к ракетно-космической технике и служит для пребывания на орбите экипажа, например роботов-андроидов, для проведения научных исследований, длительного хранения компонентов топлива на орбите, криостатирования криогенного топлива и перелива его в другие космические средства.

Из литературы известны реализованные на практике орбитальные станции «Салют» [1], «Скайлеб» [2], «Мир» [3], Международная космическая станция «МКС» [4], использующие в своей работе, дозаправке и перекачке долгохранимые высококипящие компоненты топлива, дающие относительно низкий удельный импульс тяги ракетным двигателям, а после выработки ресурса станции превращаются во многотонный техногенно-опасный космический мусор, требующий утилизации.

Из патентной литературы известна криогенная орбитальная заправочная станция, содержащая модули со стыковочными агрегатами для стыковки друг с другом и с транспортным орбитальным средством. Станция включает базовый модуль со средствами функционирования орбитальной станции, со средствами обеспечения энергией - энергетическим модулем с солнечными батареями, связью, средствами телеметрического контроля и контроля состояния и положения станции, топливный модуль с топливными баками и двигательной системой ориентации и стабилизации станции и модуль полезной нагрузки с жилым отсеком и аппаратурой управления и проведения исследований, датчиками и научной аппаратурой. (См., например, патент США №7559508, НКИ 244/172.2, МКИ B64G 1/00, 2009 г.) [5], взятый за прототип.

Однако в этой станции во время нахождения ее на орбите неэффективно используются бортовые энергосистемы для криостатирования топлива, что приводит к их повышенному износу. Кроме того ремонт станции потребует выхода экипажа в открытый космос.

Задачей данного изобретения является обеспечение длительного хранения топлива на орбите с достижением технического результата в виде более эффективного использования энергосистем станции, в том числе при переливе криогенного топлива в стыкующиеся к ней транспортные корабли за счет температурной стабилизации и уменьшения потерь в длительном автономном и совместном полете.

Данная задача решается моноблочным исполнением станции орбитальной заправочной с возможностью ее посадки на планеты и астероиды для периодического наземного обслуживания и ремонта, повторного взлета на орбиту, перелива и дозаправки топлива, хранящегося на борту в разных агрегатных состояниях и соединениях с возможностью перевода из одного в другое.

По традиции станция орбитальная заправочная криогенная (далее СОЗК или станция) содержит стыковочные агрегаты для стыковки с транспортным орбитальным средством, включает средства функционирования орбитальной станции, средства обеспечения энергией - первичным источником энергии, например, с солнечными батареями, связью, средствами телеметрического контроля и контроля положения станции, системой ориентации и стабилизации станции с двигателями и топливными баками, жилым отсеком, научной аппаратурой, системой управления, топливный бак, выполненный в виде криогенного бака с возможностью криостатирования и длительного хранения криогенных компонентов топлива станции и пристыкованных к станции транспортных средств, для чего в криогенные баки введены средства активного криостатирования в виде криорефрижератора на основе цикла Брайтона и устройства в виде манипуляторов для стыковки криомагистралей и передачи криогенных компонентов топлива, которые выполнены в виде подвижных штанг, снабженных платами гидроразъемов многократного действия с возможностью крепления в транспортном положении к конструкции станции, а после стыковки к транспортным орбитальным средствам переводиться в положение передачи топлива, при этом высококипящие компоненты передаются в заправочную станцию в прямом режиме, а криогенные в режиме циркуляции для активного криостатирования компонентов топлива, и с возможностью продувки топливных магистралей перед их расстыковкой, на СОЗК установлены развертываемые радиаторы системы терморегулирования для сброса тепла, выделяемого при работе средств активного термостатирования.

Далее предлагаемое изобретение поясняется более подробно с использованием схем и чертежей, где на рис. 1 - общий вид станции орбитальной заправочной криогенной на участке выведения на орбиту, а на рис. 2 - в орбитальном полете совместно с заправляемым кораблем. На рис. 3 вид СОЗК снизу, а на рис. 4 бюджетный вариант СОЗК на базе РН «Корона».

Станция орбитальная заправочная криогенная (СОЗК) содержит: моноблочный корпус - позиция 1, с радиатором - 2 и солнечными батареями - 3 средств функционирования орбитальной станции, средства обеспечения энергией - энергоблоком - 4, с ядерной электростанцией 5, и радиаторами - 6 энергетического модуля, интерфейсами и радиосвязью, средствами телеметрического контроля и контроля состояния и положения СОЗК.

СОЗК содержит топливные баки - 7 для воды, топливные баки водорода - 8 и кислорода - 9, с развертываемыми радиаторами - 10 системы терморегулирования в крыльях-трансформерах, манипуляторы - 11 и жилой отсек с аппаратурой управления и проведения исследований, датчиками и научной аппаратурой.

Топливные баки закреплены термомостовой фермой в корпусе станции, манипуляторы выполнены в виде подвижных штанг, заканчивающихся платами гидроразъемов многократного действия с возможностью в транспортном положении крепиться к конструкции СОЗК под теплозащиту, а после стыковки с другим СОЗК или заправляемым космическим кораблем (КК) переводиться в положение передачи топлива в простом режиме или в режиме циркуляции для активного криостатирования топлива и с возможностью продувки остатков топлива в магистралях перед их расстыковкой.

Радиаторы установлены на СОЗК для сброса тепла, выделяемого при работе энергоустановки и средств активного термостатирования, и встроены в оперение изменяемой геометрии, в частности в жаропрочные крылья-трансформеры изменяемой геометрии.

Манипуляторы 11 размещаются на внешней поверхности СОЗК и снабжены платами гидроразъемов многократного действия. В транспортном положении они крепятся к конструкции СОЗК под теплозащитой. После стыковки СОЗК с заправляемым КК манипуляторы переводятся в рабочее положение. СОЗК имеет стыковочные агрегаты (например, поз. 12 и шлюзовые отсеки - поз. 13, для перемещения экипажей СОЗК и КК. СОЗК имеет маршевую двигательную установку 14 и двигатели ориентации и стабилизации. - 15.

Конструкция корпуса СОЗК может быть выполнена в форме суборбитального самолета типа МГ-19 [6], рис. 3 или на порядок более дешевой многоразовой одноступенчатой ракеты-носителя «Корона» [7], рис. 4, которые включают топливные баки, объемом около 3000 и 1500 кубических метров соответственно. Топливные баки снабжены криогенностойкой теплоизоляцией и защищены жаропрочной конструкцией, например, из вольфрамово-молибденовых сплавов 16, и карбидов циркония 17. В орбитальном полете для теплоизоляции традиционно используется экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ). Для защиты от воздействия внешних источников тепла (Солнце, Земля, Луна, Марс) и техногенного мусора применяется лепестковая теплозащита 18 из титановых листов. Между баками размещается оборудование бортовых систем СОЗК, в том числе и средства активного криостатирования компонентов топлива.

Для передачи топлива манипуляторы 11 переводятся в рабочее положение, в котором магистрали передачи топлива состыкованы с топливными магистралями транспортных орбитальных средств или космических кораблей. Манипуляторы осуществляют передачу воды в стандартном режиме для высококипящих компонентов, а криогенного топлива в режиме циркуляции. Когда манипуляторы не используются, то они переводятся в положение фиксации к СОЗК под защитными лентами 18, с которыми они могут быть скомплексированы, например, смонтированы.

Криостатирование топлива осуществляется за счет средств активного криостатирования, которые выполнены в виде криорефрежератора, например, на основе цикла Брайтона, в режиме циркуляции криогенного компонента по трубопроводам манипуляторов между станцией и пристыкованным к нему космическим кораблем. В режиме циркуляции топливо из баков КК поступает в баки СОЗК, где происходит его охлаждение и затем охлажденное топливо снова поступает в баки корабля.

Перед расстыковкой перекрываются магистрали, ведущие в баки СОЗК, и после заправки баков корабля до требуемого уровня происходит перекрытие магистралей. Перед расстыковкой разъемных соединений манипуляторов производится очистка магистралей от остатков компонентов топлива путем его дренажа, например через криорефрижератор, в баки СОЗК.

Станция выходит на орбиту самостоятельно, не требуя ракет-носителей, как показано в заявках автора [8, 9], и при необходимости переводится на более энергоемкие орбиты, например, окололунную или ареацентрическую, дооснащается и дозаправляется аналогичной станцией, снабженной баками для воды, либо имеющей криогенные баки большего объема для перелива неиспользуемых остатков.

При дальнейшем функционировании станции, она снабжается водными ресурсами, добываемыми на Земле, Луне, Марсе и расходует их по мере необходимости, совершая орбитальные маневры и заправляя пролетающие космические корабли и орбитальные транспортные средства.

В чрезвычайной ситуации, дежурящая на орбите заправленная станция, имея маршевые двигатели и ядерные энергоустановки мегаваттного и гигаваттного класса [8, 9], может быть направлена на встречу или вдогонку угрожающего Земле астероиду для изменения его орбиты.

После выработки значительной части ресурса СОЗК совершают его посадку на двигателях вертикальной посадки 19 на ближайшие к Земле небесные тела и с помощью роботов заглубляют в грунт (в пыль, собираемую в мешки), для использования СОЗК в качестве помещений напланетной базы или хранилища 20. Для формирования интерьера используют оборудование: измельчители, 3D-принтеры и внутрибаковые перегородки-трансформеры.

Таким образом, СОЗК нар яду с обычными функциями орбитальной станции выполняет новые функции:

- длительное хранение криогенных компонентов топлива станции на орбите в форме воды;

- перевод воды в криогенные кислород и водород по мере необходимости;

- криостатирование и длительное хранение криогенных компонентов топлива транспортных орбитальных средств, пристыкованных к станции;

- периодическое наземное обслуживание и ремонт станции с оснащением научной аппаратурой и оборудованием для решения очередных актуальных задач;

- утилизацию станции на осваиваемых небесных телах в качестве помещений напланетных баз и хранилищ или в качестве массивного тела для создания точки опоры тросовых орбитальных транспортных систем.

То есть имеет место расширение арсенала многоцелевых технических средств в области космонавтики.

Литература *)

1) Орбитальная станция «Салют» - картинки.

2) Орбитальная станция «Скайлэб» - фото.

3) Орбитальная станция «Мир» - картинки.

4) Международная космическая станция (МКС) - фото.

5) Патент США №7559508, НКИ 244/172.2, МКИ B64G1/00, 2009 г.

6) Суборбитальный самолет «М-19» картинки. + Иллюстрированная энциклопедия самолетов Мясищева В.М., том 8.

7) Многоразовая ракета-носитель «Корона» - картинки.

8) Денисов В.Д. Заявка на патент №2018129132 от 9.08.18 г.

9) Денисов В.Д. Заявка на патент №2018135618 от 9.10.18 г.

Список позиций на чертежах

Изобретение относится к ракетно-космической технике и обеспечивает наряду с обычными функциями орбитальной станции длительное хранение на орбите компонентов топлива с переводом их в криогенные по мере необходимости и криостатирование криогенных станции и транспортных орбитальных средств, пристыкованных к станции. Изобретение позволяет более эффективно использовать энергосистемы станции при длительном хранении топлива, уменьшить потери криогенного топлива на орбите за счет его стабилизации. Криогенная орбитальная заправочная станция выполнена моноблочной с возможностью наземного или налунного обслуживания с последующим возвращением на орбиту базирования, содержит баки для воды, энергоустановку и электролизеры, встроенные криогенные топливные баки с возможностью криостатирования и длительного хранения воды и криогенных компонентов топлива на станции на орбите и длительного хранения криогенных компонентов топлива кораблей, пристыкованных к станции, для чего в криогенный модуль введены средства активного криостатирования и манипуляторы для стыковки криомагистралей и передачи криогенных компонентов топлива, топливные баки, оборудование бортовых систем размещено внутри гермокорпуса, манипуляторы выполнены в виде подвижных штанг, снабженных платами гидроразъемов многократного действия с возможностью в транспортном положении крепиться под теплозащитой станции, а после стыковки переводиться в положение передачи топлива в режиме циркуляции для активного криостатирования топлива и с возможностью дренажа топлива из магистралей передачи топлива перед расстыковкой, на станции установлены развертываемые радиаторы системы терморегулирования для сброса тепла, выделяемого при работе средств активного термостатирования, выполненные в виде крыльев-трансформеров изменяемой геометрии. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Станция орбитальная заправочная криогенная (СОЗК) для хранения запасов топлива и перекачки его из одного космического корабля в другой через станцию, заправки космических кораблей, содержащая герметичный корпус и баки со стыковочными агрегатами для стыковки друг с другом и с транспортным орбитальным средством, включающая средства функционирования орбитальной станции, средства обеспечения энергией с солнечными батареями, связью, средствами телеметрического контроля и контроля состояния и положения станции, топливный модуль с топливными баками и двигательной системой ориентации и стабилизации станции и модуль полезной нагрузки с жилым отсеком и аппаратурой управления и проведения исследований, датчиками и научной аппаратурой, двигателями, отличающаяся тем, что с целью обеспечения наземного обслуживания и ремонта станции она выполнена моноблочной и снабжена маршевыми двигателями для взлета с небесных тел и посадки.

2. СОЗК по п. 1, отличающаяся тем, что с целью хранения и заправки кораблей криогенными компонентами топлива она снабжена криогенными баками со средствами активного криостатирования для длительного хранения криогенных компонентов топлива на станции на орбите и длительного хранения криогенных компонентов топлива кораблей, пристыкованных к станции и манипуляторами с платами гидроразъемов многократного действия для стыковки с криомагистралями космических кораблей и передачи криогенных компонентов топлива в любом направлении.

3. СОЗК по п. 1, отличающаяся тем, что для сокращения затрат энергии на хранение криогенной пары топлива кислород + водород она снабжена баками для их хранения в виде воды и средствами ее перевода в кислород и водород по мере необходимости, например электролизерами и рефрижераторами для захолаживания.

4. СОЗК по п. 1, отличающаяся тем, что для обеспечения компактности при взлете и посадке в ней в качестве радиаторов для сброса тепла энергоустановки, например ядерной электростанции, используется оперение изменяемой геометрии, например жаропрочные крылья-трансформеры, а манипуляторы выполнены в виде подвижных штанг с возможностью в транспортном положении убираться и фиксироваться под теплозащитой.