Стартовый комплекс и способ запуска космических ракет легкого и среднего класса без использования 1-й ступени Российский патент 2021 года по МПК B64G5/00 

Изобретение относится к области космической техники.

Данное изобретение базируется на основе патента на изобретение №2733449 от 01.10.2020 «Стартовый комплекс и способ запуска ракет-носителей без использования 1-й ступени» (прототип), однако в данное изобретение внесены изменения в конструкцию стартового комплекса и капсулы, исключен пороховой ускоритель, применяется другая компоновка подвижных элементов конструкции, используемых при запуске ракет-носителей (РН).

Целью изобретения является увеличение массы полезной нагрузки, выводимой на околоземную орбиту РН легкого и среднего класса при облегчении и упрощении компоновки подвижных элементов конструкции, предложенных в вышеуказанном изобретении, повышение надежности и экологичности запуска, снижение стоимости выведения единицы полезной нагрузки в космос.

Цель изобретения достигается тем, что стартовый комплекс круглого сечения для запуска космических ракет строится в сооруженной в склоне горы вертикальной шахте путем накладывания одной на другую, изготовленных в заводских условиях деталей, а пространство между стенками шахты и деталями заливается бетоном, что обеспечивает стартовому комплексу необходимую прочность и устойчивость.

Вертикальный ствол шахты по всей высоте выше технологического проема оборудуется кольцевыми полостями для заполнения их водой. Объем воды, заливаемой в полости, рассчитывается на избыток тепловой энергии поступающей от реактивной струи разгонного блока (двигателя на ТРТ) необходимой для поддержания парогазовой смеси в максимально рабочем состоянии.

В нижней части ствола шахты размещается твердое ракетное топливо (ТРТ) в виде конусов. Пространство между конусами заполняется водой. Дополнительно производится впрыск воды в горизонтальной плоскости из щелевых отверстий, размещенных по внутренней поверхности шахты над конусами ТРТ. Выше щелевых отверстий на упорах устанавливается разгонный блок и капсула, в которой размещается РН с жидкостным ракетным двигателем и полезной нагрузкой.

Цель изобретения достигается тем, что запуск РН осуществляется следующим образом: сначала производится воспламенение конусов ТРТ, а затем запускается ракетный двигатель разгонного блока. Энергия и большой объем высокотемпературных продуктов сгорания конусов ТРТ и двигателя на ТРТ разгонного блока переводят воду в сухой перегретый водяной пар, что приводит к быстрому росту давления перегретой парогазовой смеси в этой зоне.

При достижении расчетного давления парогазовой смеси, разгонный блок и капсула начинают движение вверх по стволу шахты.

Разгонный блок выполняет так же функцию герметизации от проникновения парогазовой смеси к капсуле.

Для поддержания необходимого давления при движении капсулы вверх в быстро растущем объеме под ускоряющейся капсулой, в зону над горящими конусами ТРТ производится впрыск нарастающего объема горячей воды, которая мгновенно превращается в сухой перегретый водяной пар и обеспечивает поддержание необходимой температуры и давления перегретой парогазовой смеси, позволяющей придать необходимое ускорение капсуле при начале движения вверх и получить дополнительную энергию для разгона за счет преобразования в пар воды, находящейся во внутренних полостях ствола шахты.

Для осуществления поставленной цели в качестве первоначального средства придания ускорения капсуле с РН используется давление перегретой парогазовой смеси, полученной путем преобразования воды в сухой перегретый водяной пар от энергии сгорания конусов ТРТ и двигателя разгонного блока, а также большого объема выделяемых при этом газообразных продуктов горения.

В качестве второй силы используется реактивная тяга двигателя разгонного блока.

В качестве третьей силы используется рост давления парогазовой смеси, получаемой от преобразования расчетного объема воды, находящейся в полостях по всей высоте ствола шахты, от энергии высокотемпературных газов при движении разгонного блока и капсулы вверх по стволу шахты.

В качестве четвертой силы после выхода из ствола шахты, отделения разгонного блока и сброса капсулы, используется только жидкостной ракетный двигатель РН, разгоняющий ее до скорости необходимой для вывода полезной нагрузки в космос.

Главная задача изобретения - достижение максимально возможной скорости и ускорения при выходе капсулы из ствола шахты, для дальнейшего разгона жидкостным ракетным двигателем РН до скорости необходимой для вывода полезной нагрузки на расчетную орбиту.

Технический результат изобретения заключается в использовании большого объема газообразных продуктов сгорания конусов ТРТ и двигателя на ТРТ разгонного блока и их тепловой энергии для перевода воды в состояние пара многократно увеличиваясь в объеме (при атмосферном давлении из 1 кг воды получается примерно 1,425 м³ сухого насыщенного пара), а тепловая энергия от сгорания 1 кг ТРТ превращает в пар примерно 30 кг воды.

Давление перегретой парогазовой смеси, полученной при испарении расчетного объема воды от сгорания необходимого количества ТРТ в донной части шахты, и энергия высокотемпературных продуктов сгорания двигателя разгонного блока и его реактивная тяга, позволяют обеспечить первичный разгон капсулы с РН в стволе шахты до скорости, позволяющей в дальнейшем с использованием только жидкостного ракетного двигателя РН вывести в космическое пространство полезную нагрузку без использования 1-й ступени.

Новизна способа, в отличие от прототипа, заключается в получении и использовании дополнительного источника энергии от преобразования в пар расчетного объема воды, размещенной в полостях стен шахты от высокотемпературных продуктов сгорания двигателя разгонного блока при движении вверх по стволу шахты.

Реактивная тяга двигателя разгонного блока, высокотемпературные продукты сгорания двигателя и переводимая в парообразное состояние вода из полостей стены шахты при движении капсулы с РН в стволе шахты обеспечивают повышение давления перегретой парогазовой смеси. Это состояние достаточно для придания необходимого ускорения капсуле с РН в стволе шахты, с последующим разгоном жидкостным двигателем РН до скорости достаточной для вывода полезной нагрузки на околоземную орбиту.

На фиг. 1 показаны основные элементы заявленного устройства упрощенной компоновки, на фиг. 2 показано устройство полостей для воды и положение разгонного блока и РН при движении вверх по стволу шахты.

1. Шахта.

2. Твердое ракетное топливо.

3. Вода.

4. Разгонный блок (ракетный двигатель на ТРТ).

5. Капсула.

6. Ракета-носитель с двигателем на жидком топливе.

7. Полезная нагрузка.

8. Затворяемый технологический проем.

9. Емкость для воды.

10. Водовод.

11. Камера для подогрева воды.

12. Плоские отверстия для впрыскивания воды.

13. Полости для воды в стволе шахты.

Стартовый комплекс, сооруженный в склоне горы, состоит из круглого вертикального ствола шахты 1 (разгонного участка), в нижней части которого размещается ТРТ 2, в виде конусов с запалами на вершине, пространство между которыми заполняется водой 3 с таким расчетом, чтобы их верхняя часть воды не касалась. На расчетной высоте, над конусами ТРТ 2, на упорах размещается разгонный блок 4, на него устанавливается подвижная капсула 5, в которой находится ступень РН 6 с жидкостным ракетным двигателем и выводимой на орбиту полезной нагрузкой 7.

На уровне поверхности (местности) делается затворяемый технологический проем 8 расчетного размера, который целесообразно делать из 2-х половин: верхняя часть для установки разгонного блока и капсулы, подготовки и заправки топливом РН 6, а нижняя часть - для доступа в основание ствола шахты, установки конусов ТРТ, проверки размещаемого оборудования, а также для аварийного выпуска продуктов сгорания ТРТ в случае возникновения нештатной ситуации, для исключения потери РН и полезной нагрузки.

Расчетный объем воды поступает из емкости 9, расположенной на этой же горе, по водоводу 10, через камеру предварительного подогрева 11 к плоским отверстиям 12, расположенным на разных уровнях по внутренней поверхности в нижней части шахты, для впрыскивания воды в горизонтальной плоскости в зону над горящими конусами ТРТ для преобразования ее в состояние сухого перегретого пара.

Для создания дополнительного давления, необходимого для придания капсуле с РН необходимой скорости и ускорения при выходе ее из ствола шахты, происходит преобразование в сухой перегретый пар расчетного объема воды, находящейся в кольцевых полостях 13 стенок шахты, расположенных по всей высоте шахты выше технологического проема, от энергии высокотемпературных продуктов сгорания разгонного блока.

Работа стартового комплекса складывается из следующих операций:

1. Подготовка к запуску через затворяемый проем:

- установка в нижнюю часть ствола шахты конусов ТРТ;

- установка на специальные упоры разгонного блока и капсулы с РН на нем;

- заправка РН топливом и окислителем;

- заполнение донной части шахты и полостей в стволе шахты горячей водой;

- закрытие верхней и нижней части технологического проема в стволе шахты.

2. Воспламенение верхних частей ТРТ и начало преобразования воды в пар воды в донной части шахты.

3. Запуск ракетного двигателя разгонного блока.

4. Впрыскивание воды через щелевые отверстия в зону над конусами ТРТ и нарастание давления парогазовой смеси в донной части ствола шахты до расчетного значения.

5. Начало движения разгонного блока и капсулы вверх по стволу шахты.

6. Преобразование в пар воды из полостей в стенках шахты от высокотемпературных газов двигателя разгонного блока.

7. Разгон капсулы в стволе шахты до максимально возможной скорости и ускорения.

8. Отделение капсулы от разгонного блока после выхода из ствола шахты.

9. Запуск жидкостного двигателя РН.

10. Разгон РН до скорости, обеспечивающей вывод полезной нагрузки на околоземную орбиту.

Принцип работы устройства и осуществление способа.

В нижней части ствола шахты 1 размещается расчетное количество ТРТ 2, изготовленного в виде конусов, пространство между которыми заполняется водой 3 с таким расчетом, чтобы она не касалась верхней части ТРТ 2 с запалами.

ТРТ 2 изготавливается в виде конусов для того, чтобы объем сгорания их постоянно нарастал, и выделяемой при этом тепловой энергии было достаточно для перевода увеличивающегося количества впрыскиваемой воды в состояние сухого перегретого пара.

Сначала производится воспламенение запалами конусов ТРТ 2, а затем запуск ракетного двигателя разгонного блока 4, большой объем и высокая температура продуктов сгорания которых переводят воду 3, находящуюся в нижней части ствола шахты и поступающую через щелевые отверстия 12 в состояние сухого перегретого водяного пара и быстрому росту давления парогазовой смеси в этом объеме.

При достижении расчетного давления парогазовой смеси в донной части ствола шахты (выполняет функцию аккумулятора давления), разгонный блок 4 и капсула 5 начинают движение вверх по стволу шахты 1. В ходе движения полости с водой в стволе шахты поочередно попадают в зону высокой температуры газов, выходящих из работающего на максимальном режиме двигателя разгонного блока 4, переводя ее в состояние перегретой парогазовой смеси, давлением которой производится разгон капсулы 5 в стволе шахты 1 до максимальной скорости и ускорения при выходе из него.

После выхода из ствола шахты 1 отработавший разгонный блок 4 и капсула 5 сбрасываются, запускается жидкостной ракетный двигатель РН 6, который разгоняет ее до скорости необходимой для вывода полезной нагрузки 7 на расчетную орбиту.

Заявленное изобретение позволяет упростить для ракет легкого и среднего класса предложенную в прототипе компоновку, повысить массу полезной нагрузки и надежность запуска, сократить время вывода на расчетную орбиту.

Преимущества данной компоновки:

1. Преобразование воды находящейся в полостях шахты в пар не только способствует повышению давления парогазовой смеси и ускорению капсулы в стволе шахты, но и снижает температуру газов в нем, продлевая эксплуатационный срок внутреннего покрытия ствола шахты.

2. Для запуска используются дешевые и экологически безопасные расходные материалы (вода и ТРТ).

3. Предложенное изобретение имеет большой диапазон совершенствования в первую очередь по замене ТРТ как источника энергии для преобразования воды в перегретый пар, что позволит прекращать запуск, в случае необходимости, без потери РН и полезной нагрузки, так как остановить горение ТРТ после его воспламенения невозможно.

4. Опыт, накопленный в ходе практических запусков предложенным способом, может быть использован так же для запуска тяжелых и сверхтяжелых РН.

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

- емкость для воды целесообразно размещать на этой же горе для подачи воды в донную часть шахты без дополнительных насосов;

- в верхней части ствола шахты (над технологическим проемом), кольцевые полости, наполняются водой перед запуском РН поочередно сверху вниз, через водовод расчетным объемом воды, которая, наполнив одну, начинает перетекать в полость, находящуюся ниже и т.д. до самой нижней;

- полости изготавливать без острых углов, что позволит струе высокотемпературных газов ракетного двигателя быстро «выдувать» их в зону максимальной температуры и мгновенно превращать в сухой перегретый пар;

- объем воды, заливаемый в полости ствола шахты рассчитывать на избыток тепловой энергии поступающей от реактивной струи двигателя разгонного блока необходимой для поддержания парогазовой смеси в максимально рабочем состоянии;

- для сглаживания амплитуды пульсаций давления при мгновенном переходе воды, находящейся в кольцевых полостях в состояние пара, их целесообразно делать одинакового, небольшого объема по всей высоте шахты, а расстояние между ними от минимального в нижней части до максимального в верхней, исходя из величины избытка тепловой энергии, поступающей от реактивной струи двигателя на единицу пройденного расстояния;

- применяемую при запуске воду целесообразно использовать дистиллированную (опресненную), для предотвращения образования накипи на стенках шахты;

- воду, используемую в процессе запуска целесообразно подогревать до температуры близкой к кипению;

- для исключения (минимизации) появления конденсата от горячей воды на стенках шахты (особенно в зимний период) целесообразно перед запуском ствол шахты прогревать горячим воздухом;

- плоские щелевые отверстия вместо форсунок для впрыска воды в нижней части шахты целесообразно применять для того, чтобы исключить попадание их в режим «запирания», возникающем при переходе воды в состояние пара до выхода из форсунок;

- двигатель на ТРТ (разгонный блок) после выхода из ствола шахты может быть использован для дополнительного разгона капсулы с РН до полного выгорания ТРТ.

Группа изобретений относится к наземным комплексам для запуска космических ракет. Стартовый комплекс включает в себя вертикальную шахту, в нижней части которой размещены конические заряды твердого ракетного топлива, окруженные водой, и щелевые отверстия для горизонтального впрыска воды в шахту. Выше по стволу шахты образованы кольцевые полости для воды. В шахте расположен твердотопливный разгонный блок с установленной на нем капсулой, включающей в себя ракету-носитель и полезную нагрузку. При запуске ракет за счет сгорания топлива конических зарядов и двигателя разгонного блока образуется большое количество сухого перегретого пара из воды в нижней части шахты и в кольцевых полостях. Действием высокого давления парогазовой смеси капсуле при вылете из шахты сообщается скорость, эквивалентная сообщаемой первой ступенью ракеты. Последующий разгон осуществляется двигателем ракеты-носителя. Технический результат заключается в повышении эффективности парогазовой смеси для разгона капсулы за счет интенсификации парообразования продуктами сгорания твердого топлива. Преимущества изобретения: для запуска используются дешевые и экологически безопасные расходные материалы (вода и ТРТ), простота и надежность конструкции, быстрая подготовка стартового комплекса к последующим запускам. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Стартовый комплекс для запуска космических ракет легкого и среднего класса без использования первой ступени, включающий круглую в поперечном сечении вертикальную шахту с затворяемым технологическим проемом, расположенным на уровне местности, при этом в нижней части шахты размещено твердое ракетное топливо в виде конусов, пространство между которыми заполнено водой, а по внутренней поверхности шахты над конусами установлены щелевые отверстия для дополнительного впрыскивания воды в горизонтальной плоскости, выше щелевых отверстий на упорах расположен разгонный блок с установленной на нем капсулой, состоящей из ракеты-носителя с жидкостным ракетным двигателем и выводимой на околоземную орбиту полезной нагрузкой, а ствол шахты по всей высоте над технологическим проемом оборудован кольцевыми полостями для воды.

2. Способ запуска космических ракет легкого и среднего класса без использования первой ступени, заключающийся в применении большого объема продуктов сгорания и энергии твердого ракетного топлива для перевода воды в сухой перегретый водяной пар в донной части и из полостей ствола шахты, при этом образовавшейся парогазовой смесью под высоким давлением придают первоначальное ускорение капсуле с ракетой-носителем и полезной нагрузкой в стволе шахты, с последующим разгоном и выведением полезной нагрузки на околоземную орбиту жидкостным ракетным двигателем ракеты-носителя.