МНОГОРАЗОВАЯ КОСМИЧЕСКАЯ ТРАНСПОРТНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ МАССОВОЙ ДОСТАВКИ С ОКОЛОЗЕМНОЙ ОРБИТЫ НА ОКОЛОЛУННУЮ ОРБИТУ ТУРИСТОВ ИЛИ ПОЛЕЗНЫХ ГРУЗОВ И ПОСЛЕДУЮЩЕГО ВОЗВРАЩЕНИЯ НА ЗЕМЛЮ Российский патент 2020 года по МПК B64G1/12 B64G1/14 

Область техники

Изобретение относится к области ракетно-космической техники и может найти применение при создании ракетно-космических комплексов, обслуживающих индустрию космического туризма.

Уровень техники

Известна ракетно-космическая система (Гудилин В.Е., Слабкий Л.И. Ракетно-космические системы. (История. Развитие. Перспективы). - М., 1996. - 326 с.), разработанная в СССР для доставки космонавтов на Луну, состоящая из трехступенчатой ракеты-носителя (РН) Н1 (ступени А, Б, В), разгонного к Луне ракетного блока Г, доразгонного и тормозного для перехода на орбиту вокруг Луны и для спуска к Луне блока Д, лунного орбитального корабля (ЛОК) с ракетным блоком И и лунного корабля (ЛК) с ракетным блоком Е, предназначенного для посадки одного космонавта на поверхность Луны в составе ЛК с ракетным блоком Ε и последующего взлета ЛК с ракетным блоком Ε с поверхности Луны, стыковки ЛК с ЛОК, разгона ЛОК к Земле с помощью ракетного блока И, входа спускаемого аппарата ЛОК со второй космической скоростью в атмосферу Земли и посадки на Землю на парашютах. Недостатком данного технического решения является невозможность массовой доставки с околоземной орбиты на окололунную орбиту туристов или полезных грузов и последующего возвращения на Землю в связи с ограниченностью диаметра лунного комплекса ЛЗ, обусловленной ограниченностью диаметра ракетного блока Г РН Н1, применение одноразовых элементов, требующих больших материальных затрат и удорожающих стоимость «путевки» для полета к Луне, большие перегрузки, испытываемые космонавтами при возвратном движении в атмосфере Земли с гиперзвуковой скоростью и невозможность управления траекторией по дальности и боковой координате при полете в атмосфере.

Известна ракетно-космическая система (Александров В.Α., Владимиров В.В., Дмитриев Р.Д. и др. Ракеты-носители. - М.: Воениздат, 1981. - 315 с.), созданная в США, включающая трехступенчатую РН «Сатурн-5» с космическим аппаратом (КА) «Аполлон» и лунным модулем, обеспечившая 50 лет назад впервые в истории цивилизации переход с околоземной орбиты на окололунную орбиту с использованием третьей ступени РН, КА с тремя астронавтами на борту и лунного модуля. Посадочная ступень лунного модуля обеспечивала спуск двух астронавтов с окололунной орбиты на поверхность Луны, а взлетная ступень лунного модуля -взлет с поверхности Луны и стыковку с КА, находящимся на окололунной орбите. Служебный модуль КА обеспечивал выход на траекторию движения к Земле и движение по этой траектории, командный модуль КА обеспечивал вход в атмосферу Земли со второй космической скоростью, движение в атмосфере Земли и посадку на парашютах на морскую поверхность. Недостатком системы является невозможность массовой доставки с околоземной орбиты на окололунную орбиту туристов или полезных грузов и последующего возвращения на Землю в связи с ограниченностью диаметра КА «Аполлон», обусловленной ограниченностью диаметра третьей ступени РН «Сатурн-5», применение одноразовых элементов, требующих больших материальных затрат и удорожающих стоимость «путевки» для полета к Луне, большие перегрузки, испытываемые астронавтами при возвратном движении в атмосфере Земли с гиперзвуковой скоростью и невозможность управления траекторией по дальности и боковой координате при полете в атмосфере.

В качестве аналога можно привести межорбитальный космический аппарат (патент РФ №2061630), содержащий связанные между собой с возможностью отделения дозвуковой самолет-разгонщик, снабженный турбореактивной двигательной установкой, выполненную по самолетной схеме промежуточную разгонную ступень, снабженную прямоточным воздушно-реактивным и ракетным двигателями, и орбитальный самолет, снабженный ракетным двигателем, причем промежуточная разгонная ступень и орбитальный самолет размещены на фюзеляже дозвукового самолета-разгонщика. Каждый из элементов межорбитального космического аппарата для выполнения своих функций должен быть оснащен выпускаемыми шасси для взлета и посадки, аэродинамическими рулями управления, системой управления, кабиной экипажа с фонарем кабины, снабжен необходимым запасом рабочего тела, необходимым оборудованием, снаряжением и средствами жизнеобеспечения экипажа. Все элементы межорбитального космического аппарата должны обеспечивать многоразовое применение. Технический результат от использования межорбитального космического аппарата заключается в эффективном использовании атмосферного кислорода двигательными установками устройства, что позволяет уменьшить массу заправляемого в бортовые емкости жидкого окислителя и, соответственно, увеличить массу полезной нагрузки. Недостатком данного межорбитального космического аппарата является невозможность массовой доставки с околоземной орбиты на окололунную орбиту туристов или полезных грузов и последующего возвращения на Землю в связи с ограниченностью диаметра фюзеляжа орбитального самолета.

Таким образом, известные технические средства не могут обеспечить массовую доставку туристов с околоземной орбиты на окололунную орбиту, стремящихся побывать вблизи Луны за низкую стоимость «путевки», и последующее их возвращение на Землю, а также обеспечить многоразовую доставку полезных грузов на околоземную или на окололунную орбиту. Причинами, препятствующими решению этой технической проблемы, являются ограниченность диаметра последних ступеней известных РН и самолетов малого диаметра фюзеляжа.

Раскрытие сущности изобретения

Предлагается многоразовая космическая транспортная система для массовой доставки с околоземной орбиты на окололунную орбиту туристов или полезных грузов и последующего возвращения на Землю, состоящая из пяти элементов, взаимодействие между отдельными элементами которой обеспечивает выполнение поставленной задачи.

а. Первым элементом системы, выполняющим задачу массовой доставки туристов с околоземной орбиты на окололунную орбиту и последующего возвращения на Землю, является ОК многоразового применения, являющийся второй ступенью двухступенчатой РН, рассчитанный на выведение на околоземную орбиту заданного числа туристов и членов экипажа. Согласно изобретению целью является выведение ОК на околоземную орбиту, по которой движется орбитальная заправочная станция (ОЗС), являющаяся вторым элементом предлагаемой системы, сближение и стыковка с ОЗС для заправки топливом, необходимым для выведения ОК с околоземной орбиты на окололунную орбиту и последующего возвращения на Землю. Корпус ОК выполнен в форме сплюснутого в поперечном направлении и заостренного в передней части диска с развитым плоским и скошенным к хвостовой части днищем. Эффективность управления при спуске с орбиты достигается за счет большего, чем у самолета, коэффициента аэродинамического качества и снижения веса конструкции по сравнению с самолетом при сопоставимой грузоподъемности, поскольку внешние нагрузки распределяются более равномерно по всей конструкции диска. Диск обеспечивает также меньшие перегрузки и меньшие внешние тепловые потоки при прохождении плотных слоев атмосферы с гиперзвуковой скоростью. ОК снабжен маршевыми и рулевыми ракетными двигателями, установленными в кормовой части диска, необходимым запасом топлива, системой управления, необходимым оборудованием, снаряжением и средствами жизнеобеспечения экипажа и туристов, а также выпускаемыми шасси. Маршевые и рулевые двигатели используются для выведения ОК на орбиту вокруг Земли, маневрирования на орбите для сближения и стыковки с ОЗС, выдачи разгонного импульса скорости для выведения на траекторию облета Луны, перехода на окололунную орбиту и последующего выведения на траекторию полета к Земле и спуска в атмосфере. В процессе выведения на орбиту ОЗС маршевые двигатели ОК поочередно отключают или дросселируют для удержания перегрузки в заданных пределах. Для управления углами атаки и крена при возвратном движении в атмосфере на всех участках полета используются аэродинамические рули - кормовой щиток и элевоны, устанавливаемые в кормовой части плоского днища. Для предотвращения срыва потока на больших углах атаки по бокам диска установлены аэродинамические кили. На задних частях килей установлены аэродинамические рули направления. Управление по дальности и по боковой координате осуществляется путем отклонения корпуса ОК на углы атаки и крена при движении в плотных слоях атмосферы. Для защиты корпуса ОК от внешних тепловых потоков при возвратном движении в атмосфере с гиперзвуковой скоростью на переднюю часть корпуса, днище, аэродинамические кили и рули нанесено теплозащитное покрытие. В конструкции ОК предусматривается кабина с экипажем и с фонарем кабины для управления на заключительном этапе движения в атмосфере Земли и посадки на аэродром базирования. ОК рассчитан на многоразовое применение, все его двигатели рассчитаны на многократное включение. Для сближения и стыковки с ОЗС с целью заправки топливом ОК дополнительно снабжен рулевыми ракетными двигателями, установленными в носовой части корпуса, телескопическим выдвигаемым за обводы корпуса стыковочным узлом, устанавливаемым в верхней части корпуса, радиолокационной системой для выполнения операций поиска, обнаружения, сближения, причаливания, стыковки и отстыковки от ОЗС, входящей в состав системы управления, а также электрическими и заправочными интерфейсами, используемыми при стыковке и заправке.

b. Вторым элементом системы является ОЗС, которая обеспечивает заправку ОК топливом, необходимым для его перелета с околоземной орбиты на окололунную орбиту и последующего возвращения на Землю. ОЗС представляет собой конструкцию из последовательно состыкованных между собой на орбите следующих герметичных модулей: служебного модуля, оснащенного панелями солнечных батарей, узлового модуля 1, обеспечивающего стыковку с четырьмя шлюзовыми модулями 1 и модулем окислителя, модуля горючего, узлового модуля 2, обеспечивающего стыковку с четырьмя шлюзовыми модулями 2. В служебном модуле размещаются: система управления полетом, средства жизнеобеспечения космонавтов, энергетический и информационный центр, средства навигации и связи, а также каюты для космонавтов. В кормовой части размещены ракетные двигатели, служащие для выдачи импульсов скорости с целью поддержания заданных параметров орбиты ОЗС. С шлюзовыми модулями 1 стыкуются космические корабли типа «Союз» и «Прогресс» для доставки космонавтов, средств жизнеобеспечения и топлива для ракетных двигателей служебного модуля. С шлюзовыми модулями 2 стыкуется ОК для заправки топливом перед полетом к Луне.

с. Третьим элементом системы является многоразовый космический танкер (КТ), который предназначен для выведения на круговую околоземную орбиту, на которой находится ОЗС, стыковки с ОЗС с использованием одного из шлюзовых модулей 2 с целью перекачки в нее необходимого объема топлива, доставленного с Земли. По форме, конструкции, размерам и другим параметрам КТ повторяет ОК. Отличие от ОК состоит в том, что КТ представляет собой беспилотный корабль с автоматическим управлением, у которого увеличенные по объему топливные баки вмещают дополнительное количество топлива для доставки на ОЗС. Другое отличие состоит в том, что у КТ отсутствует кабина экипажа с фонарем кабины. На всех этапах полета, включая выведение на орбиту, стыковку с ОЗС, перекачку топлива, спуск с орбиты и посадку на аэродром базирования КТ управляется автоматически. КТ рассчитан на многоразовое применение, все его двигатели рассчитаны на многократное включение. Для доставки топлива на космический объект, находящийся на окололунной орбите, КТ после выведения на околоземную орбиту стыкуется с ОЗС для заправки топливом, необходимым для полета к Луне и последующего возвращения на Землю, после чего стартует к Луне и на окололунную орбиту, на которой стыкуется с заданным космическим объектом, после чего производится перекачка в него доставленного топлива. Далее КТ отстыковывается и возвращается на Землю.

d. Четвертым элементом системы является многоразовый космический грузовик (КГ), задачей которого является доставка с Земли на околоземную или на окололунную орбиту полезных грузов заданной массы. КГ по форме, конструкции, размерам и другим параметрам повторяет КТ. Отличие КГ от КТ состоит в том, что вместо баков для топлива, предназначенного для доставки на ОЗС, КГ имеет отсек для полезного груза, загружаемая масса которого равна массе топлива, доставляемого на ОЗС. Для доставки полезного груза на околоземную орбиту КГ после выведения на эту орбиту стыкуется с заданным космическим объектом, находящимся на этой орбите, с использованием своего стыковочного узла, после чего космонавты, находящиеся на заданном космическом объекте, переносят в него доставленный полезный груз. Далее КГ отстыковывается и возвращается на Землю. Для доставки полезного груза на окололунную орбиту КГ вначале выводится на орбиту ОЗС, где стыкуется с ОЗС, заправляется топливом, необходимым для перелета на окололунную орбиту и последующего возвращения на Землю, далее выводится на траекторию полета к Луне и на окололунную орбиту, на которой стыкуется с заданным космическим объектом, после чего космонавты, находящиеся на заданном космическом объекте, переносят в него доставленный полезный груз. Далее КГ отстыковывается и возвращается на Землю.

е. Пятым элементом системы является ОК-спасатель, представляющий собой снаряженный ОК, но выводимый на околоземную или на окололунную орбиту, или на траекторию возвращения марсианского пилотируемого корабля (МПК) без экипажа и туристов. Задачей ОК-спасателя является спасение экипажа и туристов в случае возникновения на ОК, находящимся на околоземной или на окололунной орбите, или на МПК, движущимся по траектории возвращения с Марса, опасной нештатной ситуации. При возникновении на борту ОК или МПК опасной нештатной ситуации для спасения экипажа и туристов на эту орбиту или на траекторию возвращения МПК выводится снаряженный ОК-спасатель, который стыкуется с ОК или МПК, терпящем бедствие, экипаж и туристы через стыковочный узел переходят в ОК-спасатель, который отстыковывается от ОК или МПК, терпящего бедствие, и возвращается на аэродром базирования. Если ОК терпит бедствие на околоземной орбите, ОК-спасатель стыкуется с ним без дополнительной заправки, в остальных случаях ОК-спасатель заправляется на ОЗС.

Задачей этого изобретения является разработка многоразовой космической транспортной системы для массовой доставки с околоземной орбиты на окололунную орбиту туристов или полезных грузов и последующего возвращения на Землю.

Поставленная задача решается тем, что многоразовая космическая транспортная система для массовой доставки с околоземной орбиты на окололунную орбиту туристов или полезных грузов и последующего возвращения на Землю, содержащая ОК, представляющий собой вторую ступень ракеты-носителя, выполненный в форме сплюснутого в поперечном направлении и заостренного в передней части диска с плоским и скошенным к кормовой части днищем, по бокам которого установлены аэродинамические кили, оснащенный маршевыми и рулевыми ракетными двигателями, установленными в кормовой части корпуса и работающими на экологически чистых компонентах топлива, аэродинамическими рулями, кормовым щитком и элевонами, установленными в кормовой части днища, а также рулями направления, установленными на задних частях аэродинамических килей, выпускаемыми шасси, кабиной экипажа с фонарем кабины, системой управления, тепловой защитой передней части корпуса, днища, аэродинамических килей и рулей от внешних тепловых потоков, снабженный необходимым запасом рабочего тела, необходимым оборудованием, снаряжением и средствами жизнеобеспечения заданного числа членов экипажа и туристов, рассчитанный на многоразовое применение, а все его двигатели - на многократное включение, причем для сближения и стыковки с ОЗС ОК дополнительно снабжен рулевыми ракетными двигателями, установленными в передней части корпуса, телескопическим выдвигаемым за обводы корпуса стыковочным узлом, установленным в верхней части корпуса, радиолокационной системой, входящей в состав системы управления, а также электрическими и заправочными интерфейсами.

В состав системы входит создаваемая на околоземной орбите ОЗС, состоящая из следующих последовательно состыкованных между собой герметичных модулей: служебного модуля с панелями солнечных батарей, узлового модуля 1, модуля окислителя, модуля горючего, узлового модуля 2, причем к узловому модулю 1 пристыкованы еще четыре шлюзовых модуля 1 для стыковки пилотируемых и грузовых космических кораблей, а к узловому модулю 2 пристыкованы еще четыре шлюзовых модуля 2 для стыковки ОК, при этом в служебном модуле располагаются система управления полетом, средства навигации и связи, энергетический и информационный центр, система жизнеобеспечения космонавтов, а также каюты для космонавтов, а в кормовой части размещены ракетные двигатели.

В состав системы входит многоразовый КТ для доставки, с использованием одного из шлюзовых модулей 2, на ОЗС топливо с Земли, по форме и размерам близкий к ОК и представляющий собой беспилотный корабль с автоматическим управлением, у которого увеличенные по объему топливные баки способны вмещать дополнительное количество топлива для доставки на ОЗС, причем КТ выполнен без кабины экипажа и фонаря кабины и с возможностью доставки топлива, после его заправки топливом на ОЗС, на космический объект, находящийся на окололунной орбите.

В состав системы входит многоразовый КГ, имеющий вместо указанных баков для топлива отсек для полезного груза, при этом загружаемая в него перед стартом масса полезного груза равна массе топлива, доставляемого КТ на ОЗС.

В состав системы входит ОК-спасатель, представляющий собой снаряженный ОК, стартующий с Земли без экипажа и туристов, и предназначенный для выведения, после заправки на ОЗС необходимым количеством топлива, на орбиту ОК или МПК, терпящих бедствие, для стыковки с ними с обеспечением перехода экипажа и туристов ОК или МПК через стыковочный узел в ОК-спасатель, отстыковки ОК-спасателя от ОК или МПК, терпящих бедствие, и возвращения на аэродром базирования.

Сущность изобретения поясняется чертежами элементов системы.

На фиг. 1 приведены проекции ОК на вертикальную, горизонтальную и нормальную плоскости, на которых видны основные элементы конструкции ОК.

На фиг. 2 приведена схема ОЗС.

На фиг. 3 приведены проекции КТ (КГ) на вертикальную, горизонтальную и нормальную плоскости, на которых видны основные элементы конструкции КТ (КГ).

На этих фигурах:

1 - корпус ОК;

2 - плоское и скошенное к хвостовой части днище;

3 - рулевые ракетные двигатели;

4 - маршевые ракетные двигатели,

5 - кормовой щиток;

6 - элевоны;

7 - аэродинамические кили;

8 - рули направления;

9 - фонарь кабины экипажа;

10 - стыковочный узел;

11 - крышка отсека стыковочного узла;

12 - шлюзовая камера;

13 - люк шлюзовой камеры;

14 - служебный модуль;

15 - панели солнечных батарей;

16 - узловой модуль 1;

17 - шлюзовой модуль 1;

18 - модуль окислителя;

19 - модуль горючего;

20 - узловой модуль 2;

21 - шлюзовой модуль

2. Осуществление изобретения

Пример возможной реализации предложенного технического решения

1. ОК предназначен для выведения 100-а туристов и 10-и членов экипажа на круговую околоземную орбиту высотой 420 км, на которой находится ОЗС, стыковки с ней с целью заправки топливом для выведения на окололунную орбиту и последующего возвращения на Землю.

По форме корпус ОК 1 (фиг. 1) представляет собой сплюснутый в поперечном направлении и заостренный в передней части диск с развитым плоским и скошенным к хвостовой части днищем 2 диаметром 25 м и высотой 5 м. Стартовая масса ОК равна 165 т и распределена следующим образом:

- масса конструкции - 26,5 т;

- масса топлива для выведения на орбиту ОЗС -115,5 т;

- масса оборудования и снаряжения -12 т;

- масса туристов (100 ч.) и экипажа (10 ч.) -11 т;

- масса заправляемого на ОЗС топлива -100 т;

В кормовой части ОК размещены рулевые ракетные двигатели 3 для управления угловым положением корпуса относительно всех трех осей и маршевые ракетные двигатели 4 с суммарной тягой 240 тс. Количество маршевых ракетных двигателей определяется величиной номинальной тяги каждого из них и возможностью дросселирования тяги. Они работают на экологически чистом топливе «жидкий кислород плюс жидкий водород» и имеют удельный импульс за пределами атмосферы не ниже 450 с. Поочередным отключением двигателей или их дросселированием обеспечивается перегрузка при работе ОК не более 4 единиц, и при этом обеспечивается необходимый уровень надежности выполнения задачи. Кроме того, в кормовой части установлены аэродинамические поверхности: кормовой щиток 5 и элевоны 6 для управления углами атаки и крена. Для предотвращения срыва потока на больших углах атаки по бокам диска установлены аэродинамические кили 7. На задних частях килей установлены аэродинамические рули направления 8. На переднюю часть ОК, днище 2, аэродинамические кили 7 и рули 5, 6, 8 нанесено теплозащитное покрытие (на фиг. 1 не показано). Имеется система управления, необходимое оборудование и снаряжение для туристов и экипажа со средствами жизнеобеспечения (на фиг. 1 не показано), кабина экипажа с фонарем кабины экипажа 9 для управления ОК при выполнении последующих после выведения на околоземную орбиту операций, при полете на окололунную орбиту и при возвращении к Земле, при движении в атмосфере и при посадке на аэродром базирования. Имеются выпускаемые шасси (на фиг. 1 не показано) для посадки «по-самолетному» на аэродром базирования. На всех скоростях полета ОК управление аэродинамическими рулями 5, 6, 8, при необходимости, дополняется управлением маршевыми ракетными двигателями 4 и рулевыми ракетными двигателями 3. ОК рассчитан на многоразовое применение, все его двигатели рассчитаны на многократное включение. Для сближения и стыковки с ОЗС с целью заправки топливом ОК дополнительно снабжен рулевыми ракетными двигателями 3, установленными в носовой части корпуса, телескопическим стыковочным узлом 10, устанавливаемым в верхней части корпуса и выдвигаемым за обводы корпуса после открытия крышки отсека стыковочного узла 11, шлюзовой камерой 12 с люком шлюзовой камеры 13, радиолокационной системой (на фиг. 1 не показано) для выполнения операций поиска, обнаружения, сближения, причаливания, стыковки и отстыковки от ОЗС, входящей в состав системы управления, а также электрическими и заправочными интерфейсами, используемыми при стыковке и заправке (на фиг. 1 не показано). Имеющееся после заправки на борту ОК количество топлива 100 т распределяется следующим образом: 95 т расходуется на выведение ОК с околоземной орбиты на круговую окололунную орбиту высотой 5000 км над поверхностью Луны и последующий разгон и выведение на траекторию движения к Земле и 5 т используются для управления при движении в атмосфере со второй космической скоростью и при посадке на аэродром базирования. Запас характеристической скорости ОК на перелет к Луне и обратно составляет 5311 м/с. При этом обеспечивается ее расход следующим образом: 3600 м/с - на разгон и выведение на траекторию полета к Луне, 775 м/с - на торможение и переход на окололунную орбиту, еще 775 м/с - на разгон и выведение на отлетную траекторию полета от Луны, оставшиеся 161 м/с - на возможные коррекции траектории.

2. ОЗС предназначена для заправки ОК топливом, необходимым для его перелета с околоземной круговой орбиты высотой 420 км на круговую окололунную орбиту высотой 5000 км и последующего возвращения на Землю. ОЗС представляет собой конструкцию (фиг. 2), состоящую из последовательно состыкованных между собой следующих герметичных модулей, служебного модуля (СМ) 14, оснащенного панелями солнечных батарей 15, узлового модуля 1 (УМ-1) 16, обеспечивающего стыковку с четырьмя шлюзовыми модулями 1 (ШМ-1) 17, модуля окислителя (МО) 18, модуля горючего (МГ) 19, узлового модуля 2 (УМ-2) 20, обеспечивающего стыковку с четырьмя шлюзовыми модулями 2 (ШМ-2) 21. В служебном модуле размещены система управления полетом, средства жизнеобеспечения, энергетический и информационный центр, средства навигации и связи, а также каюты для космонавтов. В кормовой части размещены ракетные двигатели (на фиг. 2 не показано), служащие для поддержания заданных параметров орбиты ОЗС. Со шлюзовыми модулями ШМ-1 стыкуются космические корабли типа «Союз» и «Прогресс» для доставки космонавтов, средств жизнеобеспечения и топлива для ракетных двигателей служебного модуля. Шлюзовые модули ШМ-1 могут использоваться для выхода космонавтов в открытый космос. Со шлюзовыми модулями ШМ-2 стыкуется ОК для заправки топливом перед полетом к Луне, КТ для перекачки доставленного с Земли топлива или для заправки перед полетом к Луне, КГ для заправки топливом перед полетом к Луне и ОК-спасатель для заправки топливом. Заправка ОК топливом производится при наличии на борту ОЗС 100 т топлива. Максимальная заправка ОЗС топливом составляет 114 т. При массовом соотношении потребного кислорода к водороду 5,85 масса кислорода равна 97,4 т, а масса водорода -16,6 т. При удельном весе жидкого кислорода 1,14 т/м³, заправляемого при температуре минус 185°С, объем кислородного бака равен 85,1 м³. При удельном весе жидкого водорода 0,071 т/м³, заправляемого при температуре минус 253°С, объем водородного бака равен 233,8 м³. При диаметре баков 5,1 м условная длина цилиндра бака кислорода равна 4,2 м, а бака водорода -11,5 м. Массовые характеристики модулей ОЗС следующие:

- масса модуля СМ - 30 т;

- масса модуля УМ-1 - 4 т;

- масса модуля ШМ-1 - 6 т;

- масса модуля МО - 5 т;

- масса модуля ΜГ - 15 т;

- масса модуля УМ-2 - 4 т;

- масса модуля ШМ-2 - 8 т.

Масса сухой станции ОЗС равна 114 т, заправленной топливом - 228 т. Стрелка на фиг. 2 указывает на направление полета ОЗС. Каждая из четырех панелей СБ устанавливается на СМ с помощью двухстепенного карданового подвеса с приводами. В процессе полета ОЗС ориентируется в осях текущей орбитальной системы координат, так что на освещенной части витка приводы панелей солнечных батарей обеспечивают непрерывное совмещение направления нормали к панелям с направлением на Солнце. Перед проведением маневра поддержания заданных параметров орбиты ОЗС разворачивается по каналу рыскания на 90° до совмещения продольной оси ОЗС с направлением полета таким образом, чтобы направление вектора тяги маршевых двигателей служебного модуля совпадало с направлением полета, после чего включаются ракетные двигатели служебного модуля.

3. Третьим элементом системы является КТ, который предназначен для выведения на круговую околоземную орбиту высотой 420 км, на которой находится ОЗС, стыковки с ней с целью перекачки в нее необходимого объема топлива, доставленного с Земли, и последующего возвращения на Землю. По форме (фиг. 3), конструкции, размерам и другим параметрам КТ повторяет ОК (фиг. 1). Отличие от ОК состоит в том, что КТ представляет собой беспилотный корабль с автоматическим управлением, у которого увеличенные по объему топливные баки (на фиг. 3 не показано) вмещают дополнительное количество топлива массой 19 т для доставки на ОЗС. Другое отличие состоит в том, что у КТ отсутствуют кабина экипажа с фонарем кабины, экипаж и туристы со средствами обеспечения их жизнедеятельности. Стартовая масса КТ равна 165 т и распределена следующим образом:

- масса конструкции - 26,5 т;

- масса топлива для выведения на орбиту ОЗС - 115,5 т;

- масса топлива для спуска с орбиты ОЗС - 4 т;

- масса заправляемого для ОЗС топлива - 19 т.

При необходимости доставки 19 т топлива на окололунную станцию (ОЛС), находящуюся, например, на высоте 5000 км над поверхностью Луны, КТ после выведения на околоземную орбиту и стыковки с ОЗС дополнительно к имеющимся в баках 23 т топлива заправляет 86 т и выводится на траекторию полета к Луне и далее переходит на орбиту ОЛС и стыкуется с ней для перекачки топлива. Если высота орбиты ОЛС меньше 5000 км, масса заправляемого на ОЗС топлива должна быть увеличена. На всех этапах полета - запуска на орбиту, сближения и стыковки с ОЗС, перекачки топлива в баки ОЗС, спуска с орбиты и посадки «по-самолетному» на аэродром базирования - КТ управляется автоматически. КТ рассчитан на многоразовое применение, все его двигатели рассчитаны на многократное включение.

4. Четвертым элементом системы является КГ, который предназначен для многоразовой доставки полезных грузов на околоземную или на окололунную орбиту. КГ по форме, конструкции, размерам и другим параметрам повторяет КТ (фиг. 3). Отличие КГ от КТ состоит в том, что вместо баков для топлива, предназначенного для доставки на ОЗС, КГ имеет отсек для полезного груза, например, для доставки на международную космическую станцию (МКС), загружаемая масса которого равна массе топлива, доставляемого на ОЗС. Стартовая масса КГ равна 165 т и распределена следующим образом:

- масса конструкции - 26,5 т;

- масса топлива для выведения на орбиту МКС - 115,5 т;

- масса топлива перед спуском с орбиты МКС - 4 т;

- масса полезного груза - 19 т.

При необходимости доставки 19 т полезного груза на ОЛС, находящуюся, например, на высоте 5000 км над поверхностью Луны, КГ после выведения на околоземную орбиту и стыковки с ОЗС дополнительно заправляет 86 т топлива и выводится на траекторию полета к Луне и далее переходит на орбиту ОЛС и стыкуется с ней для разгрузки полезного груза. Если высота орбиты ОЛС меньше 5000 км, масса заправляемого на ОЗС топлива должна быть увеличена.

На всех этапах полета - запуска на орбиту, сближения и стыковки с МКС, с ОЗС, или с ОЛС, выведения на траекторию обратного полета к Земле, спуска с орбиты и посадки «по-самолетному» на аэродром базирования КГ управляется автоматически. КГ рассчитан на многоразовое применение, все его двигатели рассчитаны на многократное включение.

5. Пятым элементом системы является ОК-спасатель, который предназначен для спасения экипажа и туристов орбитального корабля, находящегося на околоземной или на окололунной орбите, на борту которого возникла опасная нештатная ситуация, представляет собой снаряженный ОК, но стартует он с Земли без экипажа и туристов и после заправки на ОЗС необходимым количеством топлива выводится на орбиту ОК, терпящего бедствие, стыкуется с ним, экипаж и туристы через стыковочный узел переходят в ОК-спасатель, который отстыковывается от орбитального корабля, терпящего бедствие, и возвращается на аэродром базирования. Для спасения экипажа и туристов до ста десяти человек в МПК, возвращающемся из марсианской экспедиции, при возникновении на его борту опасной нештатной ситуации ОК-спасатель, не израсходовавший весь свой запас топлива при выведении на орбиту, дозаправляется на ОЗС топливом до максимальной величины 115,5 т. При этом он для проведения спасательной операции располагает характеристической скоростью 8000 м/с, которая обеспечивает встречу МПК и стыковку с ним на обязательном удалении от поверхности Земли более 132000 км на траектории движения МПК к Земле. Оставшиеся 5 т топлива используются для управления при движении в атмосфере со второй космической скоростью и при посадке на аэродром базирования.

Многоразовая космическая транспортная система для массовой доставки с околоземной орбиты на окололунную орбиту туристов или полезных грузов и последующего возвращения на Землю работает следующим образом.

После окончания сборки ОЗС на круговой околоземной орбите высотой 420 км и проведения необходимых тестовых испытаний осуществляется снабжение ОЗС топливом с использованием многоразового космического танкера, доставляющего на ОЗС за один запуск 19 т топлива и стыкующегося с одним из шлюзовых модулей ШМ-2 ОЗС. После первой заправки ОЗС необходимыми 114 тоннами топлива на орбиту выводится ОК с туристами и экипажем, осуществляется сближение и стыковка ОК с ОЗС с использованием одного из шлюзовых модулей ШМ-2. После заправки 100 тоннами топлива и отстыковки от ОЗС в заданный момент времени включаются двигатели ОК для выдачи необходимого импульса скорости с целью выведения на траекторию полета к Луне, тормозных импульсов для перехода на круговую окололунную орбиту высотой 5000 км, после пребывания на которой в течение заданного времени, например, одних суток, ракетные двигатели ОК включаются с целью выхода на траекторию движения к Земле с последующим входом в атмосферу Земли со второй космической скоростью. После снижения до заданной высоты полета экипаж обеспечивает выпуск шасси и посадку ОК «по-самолетному» на аэродром базирования. На всех скоростях полета ОК в атмосфере Земли управление аэродинамическими рулями дополняется управлением маршевыми и рулевыми ракетными двигателями.

Для доставки полезного груза, например, на МКС, используется КГ, который выводится на орбиту МКС, стыкуется с МКС с использованием своего стыковочного узла, после чего космонавты, находящиеся на МКС, переносят в нее доставленный полезный груз, далее КГ отстыковывается и возвращается на Землю.

Для доставки полезного груза на окололунную станцию, находящуюся на круговой окололунной орбите высотой, например, 5000 км над поверхностью Луны, КГ вначале выводится на орбиту орбитальной заправочной станции, стыкуется с ОЗС, заправляется 86 т топлива, затем выводится на траекторию полета к Луне с выходом на окололунную орбиту, на которой стыкуется с окололунной станцией, после чего космонавты, находящиеся на ОЛС, переносят в нее доставленный полезный груз, далее КГ отстыковывается от ОЛС и возвращается на Землю. Если заданная высота орбиты ОЛС меньше 5000 км, КГ заправляется на ОЗС большим количеством топлива.

По аналогичной схеме осуществляется доставка топлива на окололунную станцию с использованием КТ.

При возникновении на борту ОК, находящегося на околоземной орбите, опасной нештатной ситуации для спасения экипажа и туристов на эту орбиту выводится снаряженный ОК-спасатель, который стыкуется с ОК, терпящем бедствие, экипаж и туристы через стыковочный узел переходят в ОК-спасатель, который отстыковывается от ОК, терпящего бедствие, и возвращается на аэродром базирования.

При возникновении на борту ОК, находящегося на окололунной орбите, опасной нештатной ситуации для спасения экипажа и туристов снаряженный ОК-спасатель выводится вначале на околоземную орбиту, на которой находится ОЗС, стыкуется с ней, заправляется необходимым количеством топлива и далее выводится на окололунную орбиту, на которой находится ОК, стыкуется с ним, экипаж и туристы через стыковочный узел переходят в ОК-спасатель, который отстыковывается от ОК, терпящего бедствие, выходит на траекторию движения к Земле, входит в атмосферу Земли и возвращается на аэродром базирования.

Для спасения экипажа и туристов до ста десяти человек в МПК, возвращающемся из марсианской экспедиции, при возникновении на его борту опасной нештатной ситуации ОК-спасатель после дозаправки на ОЗС топливом до максимальной величины 115,5 т переводится на траекторию движения МПК, в заданной точке траектории на удалении от поверхности Земли более 132000 км выравнивает скорость движения со скоростью МПК путем торможения и последующего разгона по направлению к Земле, так что в заданный момент времени он оказывается рядом с МПК, стыкуется с ним, экипаж и туристы МПК через стыковочный узел переходят в ОК-спасатель, который отстыковывается от МПК, терпящего бедствие, и возвращается на аэродром базирования.

В результате применения настоящего изобретения техническое решение, обеспечивающее массовую доставку туристов с околоземной орбиты на окололунную орбиту и последующее возвращение на Землю и, как следствие, уменьшение стоимости туристической «путевки» для полета к Луне, многоразовую доставку топлива или полезных грузов на околоземную или на окололунную орбиту, а также спасение экипажа и туристов ОК, находящегося на околоземной или окололунной орбите, или МПК, возвращающегося из марсианской экспедиции, на борту которого возникла опасная нештатная ситуация, реализуется за счет многоразовости используемых элементов ОК, КТ, КГ и ОК-спасателя, а также благодаря созданию ОЗС на околоземной орбите.

Изобретение относится к ракетно-космической технике. Предлагаемая транспортная система включает в себя: многоразовый орбитальный корабль (ОК) (вторую ступень ракеты-носителя), околоземную орбитальную заправочную станцию (ОЗС), космический танкер (КТ), подобный ОК, но в беспилотном варианте и с увеличенными топливными баками, космический грузовик (КГ), подобный КТ, но вместо баков имеющий отсек для полезного груза (ПГ), а также ОК-спасатель. ОК выполнен в форме сплюснутого заостренного спереди диска с плоским скошенным к кормовой части днищем. ОК перевозит туристов и экипаж между околоземной и окололунной орбитами, дозаправляясь при стыковке с ОЗС, которая заправляется многоразовым КТ. КГ доставляет ПГ на околоземную или окололунную орбиту. При возникновении опасной или нештатной ситуации на ОК на его орбиту выводится снаряженный ОК-спасатель, который стыкуется с ОК, экипаж и туристы переходят в ОК-спасатель и возвращаются на Землю. Технический результат состоит в обеспечении массовой и безопасной доставки туристов и ПГ с околоземной на окололунную или иную орбиту в межпланетном пространстве с последующим возвращением на Землю. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Многоразовая космическая транспортная система для массовой доставки с околоземной орбиты на окололунную орбиту туристов или полезных грузов и последующего возвращения на Землю, содержащая орбитальный корабль (ОК), представляющий собой вторую ступень ракеты-носителя и выполненный в форме сплюснутого в поперечном направлении и заостренного в передней части диска с плоским и скошенным к кормовой части днищем, по бокам которого установлены аэродинамические кили, оснащенный маршевыми и рулевыми ракетными двигателями, установленными в кормовой части корпуса и работающими на экологически чистых компонентах топлива, аэродинамическими рулями, кормовым щитком и элевонами, установленными в кормовой части днища, а также рулями направления, установленными на задних частях аэродинамических килей, выпускаемыми шасси, кабиной экипажа с фонарем кабины, системой управления, тепловой защитой передней части корпуса, днища, аэродинамических килей и рулей от внешних тепловых потоков, снабженный необходимым запасом рабочего тела, необходимым оборудованием, снаряжением и средствами жизнеобеспечения заданного числа членов экипажа и туристов, рассчитанный на многоразовое применение, а все его двигатели - на многократное включение, причем для сближения и стыковки с орбитальной заправочной станцией (ОЗС) ОК дополнительно снабжен рулевыми ракетными двигателями, установленными в передней части корпуса, телескопическим выдвигаемым за обводы корпуса стыковочным узлом, установленным в верхней части корпуса, радиолокационной системой, входящей в состав системы управления, а также электрическими и заправочными интерфейсами.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в ее состав входит создаваемая на околоземной орбите ОЗС, состоящая из следующих последовательно состыкованных между собой герметичных модулей: служебного модуля с панелями солнечных батарей, узлового модуля (1), модуля окислителя, модуля горючего, узлового модуля (2), причем к узловому модулю (1) пристыкованы четыре шлюзовых модуля (1) для стыковки пилотируемых и грузовых космических кораблей, а к узловому модулю (2) пристыкованы четыре шлюзовых модуля (2) для стыковки ОК, при этом в служебном модуле располагаются система управления полетом, средства навигации и связи, энергетический и информационный центр, система жизнеобеспечения космонавтов, а также каюты для космонавтов, а в кормовой части размещены ракетные двигатели.

3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что в ее состав входит многоразовый космический танкер (КТ) для доставки, с использованием одного из шлюзовых модулей (2), на ОЗС топлива с Земли, по форме и размерам близкий к ОК и представляющий собой беспилотный корабль с автоматическим управлением, у которого увеличенные по объему топливные баки способны вмещать дополнительное количество топлива для доставки на ОЗС, причем КТ выполнен без кабины экипажа и фонаря кабины и с возможностью доставки топлива, после заправки топливом на ОЗС, на космический объект, находящийся на окололунной орбите.

4. Система по п. 3, отличающаяся тем, что в ее состав входит многоразовый космический грузовик (КГ), имеющий вместо указанных баков для топлива отсек для полезного груза, при этом загружаемая в него перед стартом масса полезного груза равна массе топлива, доставляемого КТ на ОЗС.

5. Система по п. 3, отличающаяся тем, что в ее состав входит ОК-спасатель, представляющий собой снаряженный ОК, стартующий с Земли без экипажа и туристов и предназначенный для выведения, после заправки на ОЗС необходимым количеством топлива, на орбиту ОК или марсианского пилотируемого корабля (МПК), терпящих бедствие, для стыковки с ними с обеспечением перехода экипажа и туристов ОК или МПК через стыковочный узел в ОК-спасатель, отстыковки ОК-спасателя от ОК или МПК, терпящих бедствие, и возвращения на аэродром базирования.