Стартовый комплекс и способ запуска ракет-носителей без использования 1-й ступени Российский патент 2020 года по МПК B64G5/00 

Изобретение относится к области космической техники.

Известен способ запуска, опубликованный писателем-фантастом Жюлем Верном в фантастической повести "С земли на Луну прямым путем за 97 часов 20 минут. Вокруг Луны. Гос. Издательство Худ. литература. Москва, 1954 год Ново-Басманная 19.

Недостатками устройства (огромной пушки) являются некомпенсируемая энергия отката ствола пушки и линейная характеристика предполагаемого выстрела, что могло вызвать разрушение лафета при отдаче ствола или всей пушки и сверхкритические перегрузки для человека в ядре-каюте.

Известен также способ запуска сверхтяжелых космических ракет и устройство для его осуществления (патент на изобретение РФ №2412875, опубл. 27.02.2011), заключающийся в применении артиллерийского ствола и энергии сгорания пороха. В качестве средства, сообщающего первоначальное ускорение ракете, применяется энергия гидроаккумулятора, создающаяся путем предварительного откачивания воды из ствола с закрытой нижней частью, помещенного вертикально в водоем, удерживаемого на плаву понтонами, причем отдача энергии выстрела при сгорании пороха гасится тем же гидроаккумулятором, выполняющим в этот момент функцию гидравлического амортизатора.

Недостатком данного способа и устройства является сложность реализации проекта в жизнь при настоящем уровне техники и ненадежность, связанная с размещением устройства на понтонах, а также зависимость от погодных условий.

Целью изобретения является увеличение массы полезной нагрузки и снижение экономических затрат при запуске космических аппаратов на околоземную орбиту без применения 1-х ступеней ракет-носителей (РН) используемых для этих целей в настоящее время.

Цель изобретения достигается тем, что стартовый комплекс для запуска космических ракет, состоит из круглой вертикальной шахты, сооружаемой для снижения стоимости и упрощения строительства на склоне горы, с затворяемым технологическим проемом, в нижней части шахты размещено твердое ракетное топливо (ТРТ) в виде конусов. Пространство между конусами заполнено водой. Форсунки для дополнительного впрыскивания воды установлены по внутренней поверхности шахты над конусами, выше форсунок на упорах расположена подвижная термостойкая платформа с установленной на ней капсулой, состоящей из порохового ускорителя и ракеты-носителя с выводимой на околоземную орбиту полезной нагрузкой.

Цель изобретения достигается также тем, что запуск ракет-носителей осуществляют следующим образом: воспламеняют твердое ракетное топливо, энергия сгорания которого переводит воду в перегретый водяной пар. Давление водяного пара и газообразных продуктов горения (далее - парогазовая смесь) от сгорания ТРТ придает первоначальное ускорение капсуле в шахте. Последующий разгон ракеты с полезной нагрузкой осуществляют пороховым ускорителем, а затем полезную нагрузку жидкостным ракетным двигателем выводят на околоземную орбиту.

Для осуществления поставленной цели в качестве первоначального средства придания ускорения ракете применяется энергия сгорания ТРТ для преобразования воды в перегретый сухой насыщенный пар. В качестве второй силы для увеличения ускорения применяется химическая реакция сгорания пороха в замкнутом объеме, с нагревом и увеличением давления. В качестве третьей силы применяется энергия ускорения, осуществляемая традиционным жидкостным ракетным двигателем.

Главная задача - достижение максимально возможной скорости при выходе капсулы из ствола шахты, для дальнейшего разгона пороховым ускорителем до скорости близкой к той, которую получает РН после завершения работы 1-й ступени при классическом запуске.

Технический результат изобретения заключается в использовании свойства воды при переходе в состояние пара увеличивать объем в 1725 раз (при атмосферном давлении из 1 кг воды получается примерно 1,425 м сухого насыщенного пара), а тепловая энергия от сгорания 1 кг твердого ракетного топлива превращает в пар примерно 30 кг воды. Для заполнения шахты, например, объемом 14180 м³ (при диаметре 3.0 м и высоте 1000 м) насыщенным паром нужно примерно 10 т воды и менее 0,5 т ТРТ. Давление, перегретой парогазовой смеси, полученное при сгорании расчетного количества ТРТ и испарения воды, позволит обеспечить первичный разгон РН до скорости, позволяющей в дальнейшем с применением порохового ускорителя и ступени с ракетным двигателем на жидком топливе вывод в космическое пространство полезной нагрузки без применения 1-й ступени.

Новизна способа заключается в применении в специально оборудованной шахте перегретого сухого пара, полученного при сгорании ТРТ для запуска РН без использования традиционной компоновки РН с 1-й ступенью, составляющей до 70% стартового веса ракеты, используя для этого дешевые расходные материалы.

На чертеже (Фиг. 1) основные элементы заявленного устройства.

1. Шахта.

2. Твердое ракетное топливо.

3. Вода.

4. Подвижная термостойкая платформа.

5. Капсула.

6. Пороховой ускоритель.

7. Ступень РН с двигателем на жидком топливе.

8. Полезная нагрузка.

9. Емкость для воды.

10. Водовод.

11. Камера для подогрева воды.

12. Водяные форсунки.

13. Затворяемый технологический проем.

Стартовый комплекс, сооруженный на склоне горы, состоит из вертикальной шахты 1 (разгонного участка), высота которой рассчитывается исходя из массы и предельно допустимой перегрузки по прочности конструкции ступени РН и приборов выводимого полезного груза при разгоне до требуемой скорости. В нижней части шахты 1 размещается твердое ракетное топливо 2, изготовленное в виде конусов, пространство между которыми заполняется водой 3 с таким расчетом, чтобы их верхняя часть воды не касалась. На расчетной высоте, над ТРТ 2, на упорах устанавливается подвижная термостойкая платформа 4, на которую устанавливается капсула 5, в которой находится пороховой ускоритель 6, ступень РН 7 и выводимая на орбиту полезная нагрузка 8. Дополнительный объем воды поступает из емкости 9, расположенной на этой же горе, по водоводу 10, через камеру предварительного подогрева 11, к форсункам 12, расположенным по внутренней поверхности шахты, для впрыскивания в зону под платформой 2, для преобразования ее в состояние перегретого пара.

На уровне поверхности (местности) делается затворяемый технологический проем 13 расчетного размера, через который обслуживается и комплектуется шахта необходимыми расходными материалами и запускаемой капсулой.

Принцип работы устройства и осуществление способа.

Круглая вертикальная шахта сооружается на склоне горы в нижней (подземной) части которой, размещается расчетное количество ТРТ 2, изготовленного в виде конусов, покрытое гидроизоляционным слоем, пространство между которыми заполняется водой 3 с таким расчетом, чтобы верхняя часть ТРТ ее не касалась. Выше, на подвижной термостойкой платформе 4 устанавливается капсула 5 с пороховым ускорителем 6, ступенью ракеты 7 и полезной нагрузкой 8. При запуске производится воспламенение верхних частей конусов ТРТ 2, которое при сгорании повышает температуру и давление под РН. При догорании ТРТ до уровня воды 3, она начинает испаряться и превращаться сначала в насыщенный, а затем и в перегретый пар. Определенной температуре насыщенного пара всегда соответствует определенное давление, а при повышении давления удельный объем пара уменьшается и как упругое тело сжимается, для совершения внешней работы при расширении. Платформа 4 при достижении установленного давления парогазовой смеси, достаточного для выталкивания и разгона ее с капсулой 5 начинает движение по стволу шахты 1. Температуру и давление парогазовой смеси в быстро нарастающем объеме под платформой необходимо поддерживать или увеличивать. Для этого расчетный объем воды из емкости 9, находящейся на вершине этой же горы, по водоводу 10 через камеру предварительного подогрева 11, поступает для впрыскивания к форсункам 12, размещенным по внутренней поверхности шахты 1 для преобразования ее в состояние сухого насыщенного пара в зоне максимальной температуры от сгорания ТРТ. Преимущество перегретого пара настолько значительно и выгодность его применения настолько велика, что необходимо добиться этого состояния и поддерживать его на всем протяжении движения капсулы 5 по стволу шахты 1 до выхода из нее. Для этого прогревать ствол шахты перед запуском горячим воздухом и крепить в нижней части подвижной термостойкой платформы 4 определенное количество ТРТ 2, которое воспламенять с таким расчетом, чтобы не допустить снижения температуры парогазовой смеси до выхода капсулы 5 из шахты 1. Пороховой ускоритель 6 включается в работу в момент выхода капсулы 5 из шахты 1, запуск двигателя РН 7 на жидком топливе и выход ее из капсулы 5 производится автоматически датчиком перегрузки, при прекращении нарастания ускорения и обеспечивает вывод полезной нагрузки в космическое пространство.

Технический и экономический предел классической схемы старта себя исчерпывает. Заявленное изобретение позволяет обойти существующие ограничения и значительно повысить массу полезной нагрузки, снизив при этом стоимость ее выведения на околоземную орбиту без применения 1-х ступеней РН, используемых для этих целей в настоящее время.

Предложенное изобретение может быть материализовано наиболее рационально при выполнении следующих рекомендаций:

- необходимо предусмотреть возможность унификации стартового комплекса для запуска РН различных диаметров и массовых характеристик, с помощью капсул-переходников;

- строительство стартового комплекса (шахты) производить накладыванием одну на другую, изготовленных в заводских условиях кольцевидных деталей (как конструктор LEGO), а пространство между стволом шахты и деталями, заливать бетоном;

- для повышения эффективности расхода ТРТ воду, заливаемую в нижнюю часть шахты перед запуском и впрыскиваемую в процессе запуска целесообразно нагревать до температуры близкой к 100 градусам С;

- внутри конуса ТРТ делается канал для увеличения площади горения после начала разгона платформы с капсулой;

- капсула, как и подвижное термостойкое основание, выполняет функцию не только защиты корпусов порохового ускорителя и РН с полезной нагрузкой от деформаций при движении по шахте, но и герметизации от утечек парогазовой смеси;

- при необходимости увеличения разгонного участка, шахту можно нарастить выше или углубить на нужную величину;

- емкость для воды, впрыскиваемой в зону сгорания ТРТ целесообразно разместить на вершине этой же горы, чтобы подавать ее к форсункам для впрыскивания без применения насосов.

- крепить в нижней части подвижной термостойкой платформы можно не только ТРТ, а вместо него ракетный двигатель на ТРТ, который будет не только поддерживать нужную температуру перегретого водяного пара при его запуске, но и придавать дополнительную кинетическую энергию платформе с капсулой;

- количество жидкого ракетного топлива, заправляемого в ступень РН будет зависеть от скорости, которой удастся достичь после разгона в шахте и срабатывания пороховых ускорителей.

К достоинствам изобретения можно отнести относительную простоту конструкции стартового комплекса, возможность использования его для запуска РН различных диаметров и масс при снижении стоимости вывода полезной нагрузки на околоземную орбиту. При этом значительно снижается применение токсичных и вредных веществ за счет применения дешевых расходных материалов - ТРТ и воды. Сокращается также время выведения космических аппаратов на околоземную орбиту.

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к стартовым комплексам ракет-носителей (РН) и способу запуска РН космического назначения. Стартовый комплекс для запуска космических ракет без использования 1-й ступени включает круглую вертикальную шахту, твердое ракетное топливо (ТРТ) и подвижной платформы. На платформе устанавливается капсула, состоящая из порохового ускорителя и ракеты-носителя с выводимой на околоземную орбиту полезной нагрузкой. ТРТ выполнено в виде конусов и размещено в нижней части шахты. Пространство между ними заполнено водой. На внутренней поверхности шахты установлены форсунки для дополнительного впрыскивания воды. Давлением перегретого пара придают первоначальное ускорение капсуле в шахте, с последующим разгоном РН пороховым ускорителем. Достигается сокращение времени выведения РН на орбиту. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Стартовый комплекс для запуска космических ракет без использования 1-й ступени, включающий круглую вертикальную шахту с затворяемым технологическим проемом, расположенным на уровне местности, в нижней части шахты размещено твердое ракетное топливо в виде конусов, пространство между ними заполнено водой, а форсунки для дополнительного впрыскивания воды установлены по внутренней поверхности шахты над конусами, выше форсунок на упорах расположена подвижная термостойкая платформа с установленной на ней капсулой, состоящей из порохового ускорителя и ракеты-носителя с выводимой на околоземную орбиту полезной нагрузкой.

2. Способ запуска космических ракет без использования 1-й ступени, заключающийся в применении энергии сгорания твердого ракетного топлива для перевода воды в перегретый водяной пар, давлением которого придают первоначальное ускорение капсуле в шахте, с последующим разгоном пороховым ускорителем ракеты-носителя с полезной нагрузкой, а затем жидкостным ракетным двигателем ракеты-носителя полезную нагрузку выводят на околоземную орбиту.