СПОСОБ ВОЗВРАТА ГОЛОВНОГО ОБТЕКАТЕЛЯ РАКЕТЫ НА ЗЕМЛЮ (ВАРИАНТЫ) И ОБТЕКАТЕЛЬ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ЭТОГО СПОСОБА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2022 года по МПК B64G1/62 

Изобретение относится к космонавтике и может быть применено при многоразовом использовании элементов запускаемых ракет.

Известен способ запуска ракет, в котором отработавшая первая ступень и створки головного обтекателя свободно падают на землю. Недостатком такого способа является одноразовое использование этих элементов ракеты. Например, стоимость полностью новой ракеты Falcon 9, а точнее ее пуска, оценивают в 62 миллионов долларов, при этом первая ступень стоит ОКОЛО 40 миллионов долларов, вторая - 12 миллионов, а головной обтекатель 6 миллионов (Лонгрид: Как и зачем SpaceX сажает ракетные ступени - Наука на TJ (tjournal.ru)). Кроме того, для падения отделяющихся частей необходимо отведение полей падения, которые зачастую ограничены в своих размерах и не всегда находятся в плоскости траектории планируемого пуска. В связи с этим при пуске ракет стремятся вернуть отработавшие первую ступень и головной обтекатель для повторного использования.

Известен способ возврата головного обтекателя упомянутой ракеты Falcon 9, в котором вскоре после отделения первой ступени при выходе ракеты из плотных слоев атмосферы головной обтекатель сбрасывают в виде двух раздельных створок. Каждая створка обтекателя оборудована азотными двигателями для управления ориентацией в вакууме и системой управления парафойлом, обеспечивающими плавное управляемое приводнение в заданной точке с точностью 50 м. Чтобы избежать контакта створки с водой SpaceX пытается поймать ее в сетку площадью ~3716 м², натянутую подобно батуту над быстроходными судами (Eric Ralph. SpaceX completes vast Mr Steven arm upgrades for quadruple-sized net. Teslarati (11 июля 2018)).

Недостатком такого способа является необходимость создания специальных судов и сеток. При этом сложность улавливания головного обтекателя удваивается, так каждая из двух створок движется к земле независимо.

Известен способ улавливания головного обтекателя (Патент CN111232252), в котором также используют управляемый парафойл и устройства обратной тяги, которые расположены на обтекателе. Для спуска используют систему управления, которая управляет работой парафойла и устройств обратной тяги, системой приема Земли, которая снабжена мобильной посадочной платформой, а мобильная посадочная платформа снабжена буферной сеткой, которая принимает обтекатель.

Недостатком такого способа является также необходимость быстрого реагирования на перемещения спускаемых створок. Кроме того, не при всяком рельефе местности возможно необходимое и своевременное перемещение мобильной посадочной платформы для улавливания створок в сеть.

Известен способ (Патент CN111174646) приема створок обтекателя, согласно которому парафойл при спуске захватывает в воздухе воздушное транспортное средство (самолет), которое снабжено механическим рычагом для проведения захвата антенны на обтекателе.

Недостатком такого способа является необходимость оперативных действий при ловле в воздухе достаточно быстро движущегося парафойла, которое может существенно осложняться неблагоприятными метеоусловиями.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка способа возврата на землю головного обтекателя ракет, который бы обеспечивал при высокой степени надежности его высокую сохранность для повторного использования, а также простоту поиска и возврата на космодром после основного этапа торможения в атмосфере.

Техническим результатом, достигаемым в заявленном изобретении, является получение простой и надежной системы возврата головных обтекателей, которая обеспечит высокую степень их многоразового использования.

Получение технического результата изобретения осуществляют за счет того, что освобождение ракеты от ее головного обтекателя осуществляют после выхода из плотных слоев атмосферы до завершения работы предыдущей ступени ракеты. Связанные друг с другом механически створки головного обтекателя ракеты, разводят так, что ракета свободно проходит через раскрываемое обтекателем сечение. Обтекатель за счет ускорения ракеты сдвигают по поверхности ракеты на головную часть первой ступени, где его фиксируют на упорах. После этого разъединяют первую и вторую ступень, и после отхода второй ступени на необходимое расстояние закрывают створки обтекателя на первой ступени. После закрытия створок запускают двигатели второй ступени, а обтекатель возвращают на землю вместе с первой ступенью.

Другой вариант изобретения состоит в том, что при освобождении ускоряемой части ракеты от ее головного обтекателя после выхода из плотных слоев атмосферы и сброса первой ступени связанные друг с другом механически створки головного обтекателя ракеты разводят так, что продолжающую ускорение часть ракеты свободно пропускают через раскрываемое обтекателем сечение. После прохода ступени через обтекатель запускают тормозные двигатели, установленные на внутренней поверхности створок, после чего его створки вновь соединяют в цельный обтекатель, а затем выбрасывают из обтекателя и раздувают легким газом тороидальную термостойкую оболочку, уложенную под створками обтекателя и связанную с обтекателем стропами.

Для создания импульса торможения используют твердотопливные ракетные двигатели или ракетные двигатели сжатого газа.

В качестве источника газа для оболочки используют баллонную систему высокого давления.

В процессе спуска в плотных слоях атмосферы давление в тороидальной термостойкой оболочке поддерживают равным давлению окружающего воздуха.

Для торможения используют незамкнутую тороидальную оболочку, которую наполняют встречным потоком воздуха и создают аэростатическую подъемную силу оболочки за счет сжигания топлива в потоке поступающего в нее воздуха.

При приближении к режиму висения из обтекателя выбрасывают на тросе шар, заполненный легким газом, для захвата всей конструкции вертолетом спасательной службы.

Преимуществом предлагаемого изобретения является упрощение всей процедуры возврата обтекателя на землю: не требуется сложная наземная или морская система улавливания половинок обтекателя, включающая быстроходные суда с системой улавливающих сетей и нет необходимости в следящей системе, обеспечивающей посадку в заданную точку с большой точностью.

Предлагаемый способ поясняется чертежами фиг. 1-3. На фиг. 1 оказан процесс отделения головного обтекателя с переносом его на первую ступень ракеты. На фиг. 2 показан вариант полного разделения обтекателя и ракеты, а на фиг. 3 показан дальнейший спуск обтекателя на надувной оболочке по этому варианту.

На фиг. 1 показан способ возврата головного обтекателя вместе с первой ступенью ракеты. Ракета имеет первую ступень 1 и вторую ступень 2, с головным обтекателем 3. Между первой ступенью 1 и второй ступенью 2 установлен силовой переходный отсек 4. Позицией 5 условно показан ускорительный блок и выводимый на орбиту объект.

На фиг. 2 представлен процесс полного отделения обтекателя 3 от ракеты. На фиг. 3 представлен обтекатель 3, выпустивший торообразную надувную оболочку 6, имеющую стропы 7, либо парашютную оболочку 6, которую раздувают встречным потоком атмосферного воздуха. Воздух поступает в оболочку через отверстие 8. Для захвата вертолетом обтекателя, спускающегося на оболочке, используют шар 9 с легким газом.

Возврат обтекателя ракеты на землю осуществляют следующим способом. При возврате обтекателя 3 на землю совместно с первой ступенью 1 вторую ступень 2 ракеты освобождают от обтекателя 3 еще при работающем двигателе первой ступени 1, как показано на фиг. 1-а, б. На последнем этапе работы первой ступени раскрывают половинки обтекателя 3, при этом прекращают механический контакт обтекателя 3 и ступени 2. Поскольку ракета продолжает ускоряться, то ракета проходит через открытое отверстие между двумя половинами обтекателя 3. Это происходит до тех пор, пока обтекатель 3 не упрется в упоры на переходном отсеке 4, как показано на фиг. 1-в. Таким образом обтекатель с головной части ракеты перемещают на головную часть первой ступени. Когда двигатели первой ступени 1 прекращают работу, разделяют первую 1 и вторую 2 ступени ракеты, например, за счет подрыва пиропатронов. Когда расстояние между ступенями 1 и 2 становится достаточным, как показано на фиг. 1-г, начинают закрывать обтекатель 3. После закрытия обтекателя 3 запускают двигатели ступени 2, как показано на фиг. 1-д. Возврат обтекателя 3 и первой ступени 1 осуществляют совместно, как единого целого одним из известных способов, например, ракетным способом за счет работы двигателей первой ступени.

Вариант самостоятельного возврата обтекателя представлен на фиг. 2 и 3. На фиг. 2-а показана вторая ступень 2 с головным обтекателем 3 после отделения первой ступени 1. При отделении головного обтекателя 3 его раскрывают, как показано на фиг. 2-б, при этом прекращают механический контакт обтекателя 3 и ступени 2. Половинки обтекателя 3 механически связаны между собой в единое целое, как условно показано на фиг. 2-г и виде А. Поскольку вторая ступень 2 продолжает ускоряться, то ее скорость увеличивается, и она проходит через открытое отверстие (вид А) между двумя половинами обтекателя 3. Этот процесс показан на фиг. 2-в. После того, как обтекатель 3 полностью сошел со ступени 2 (фиг. 2-г) создают тормозной импульс, который обеспечивают с помощью твердотопливных ракетных двигателей или ракетных двигателей сжатого газа. Условно работа этих двигателей показана стрелками на фиг. 2-г. После торможения две половины обтекателя 3 закрывают, как показано на фиг. 2-д. Затем из хвостовой части обтекателя 3 выпускают надувную торообразную оболочку 6, уложенную под створками обтекателя 3, как показано на фиг. 3-а. С оболочкой 6 обтекатель 3 соединен стропами 7. Оболочку при этом раздувают легким газом из баллонной системы. На фиг. 3-б показана незамкнутая торообразная тормозная оболочка 6, которую раздувают потоком набегающего воздуха через отверстие 8. В процессе спуска обтекателя 3 в нижние, холодные слои атмосферы, оболочка 6 осуществляет торможение обтекателя 3 как за счет силы сопротивления формы (парашютный эффект), так и за счет возникающей аэростатической силы Архимеда. Сила сопротивления и аэростатическая сила оболочки 6 обеспечивает устойчивое движение обтекателя 3. В результате этого скорость его движения тормозится до нуля, аэростатическая сила Архимеда становится равной весу обтекателя 3 и достигается нулевая плавучесть системы на некоторой высоте от поверхности земли.

При приближении к режиму висения из обтекателя выбрасывают на тросе шар 9, заполненный легким газом, для захвата всей конструкции вертолетом спасательной службы.

Известно устройство возврата на землю головного обтекателя ракеты (CN111232252) после ее выхода из плотных слоев атмосферы, в котором обтекатель разделяется на две половины, каждая из которых имеет свой тормозной двигатель и парашют-крыло (парафойл). Кроме того, имеется система навигации и наземная посадочная установка, которая представляет собой автомобильную платформу с растянутой над ней сетью.

Недостатком такой системы является низкая надежность, так как работа наземной установки сильно зависит от рельефа местности. При запуске ракеты с берегового космодрома такая система потребует слишком много топлива для преодоления больших расстояний при возврате для посадки на сушу.

Известна система (CN111174646) приема створок обтекателя, согласно которому парафойл при спуске захватывает в воздухе воздушное транспортное средство (самолет), которое снабжено механическим рычагом для проведения захвата антенны на обтекателе.

Недостатком такого способа является необходимость оперативных действий при ловле в воздухе достаточно быстро движущегося парафойла, которое может существенно осложняться неблагоприятными метеоусловиями.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка такого головного обтекателя, который бы обеспечивал при высокой степени надежности его высокую сохранность для повторного использования, а также простоту поиска и возврата на космодром после основного этапа торможения в атмосфере.

Техническим результатом, достигаемым в заявленном изобретении, является получение простой и надежной системы возврата головных обтекателей, которая обеспечит высокую степень их многоразового использования.

Получение технического результата изобретения осуществляют за счет того, что обе половины обтекателя соединены в одно целое с помощью системы рычагов, приводимых в действие пневмоцилиндрами, которые раздвигают половины обтекателя так, что ракета свободно проходит между ними.

В другом варианте обтекателя обе половины обтекателя соединены в одно целое с помощью системы рычагов, приводимых в действие пневмоцилиндрами, которые раздвигают половины обтекателя так, что ракета свободно проходит между ними, при этом в передней части половин обтекателя имеются тормозные ракетные двигатели, а на внутренней поверхности обеих половин размещена торообразная тормозная оболочка со стропами, закрепленными на оболочке и на хвостовой части обтекателя, а в одной из половин обтекателя находится шаровая оболочка, заполняемая легким газом и баллон с легким газом.

Тормозные двигатели являются твердотопливными ракетными двигателями или ракетными двигателями сжатого газа, подключенными к баллону со сжатым газом.

Торообразная тормозная оболочка выполнена замкнутой и подключена к баллону высокого давления с легким газом.

Торообразная тормозная оболочка имеет отверстие со стороны набегающего потока для заполнения ее воздухом, а в одной из половин обтекателя имеется емкость с топливом и система подачи топлива для нагрева воздуха в оболочке.

Преимуществом предлагаемого изобретения является существенное упрощение поиска и возвращения на космодром головных обтекателей ракет, повышение надежности и сохранение целостности обтекателей, необходимой для их повторного использования.

Предлагаемый головной обтекатель поясняется чертежами фиг. 4. На фиг. 4-а и 6 показан головной обтекатель в закрытом и открытом положении. Головной обтекатель 3 имеет рычаги 10 и 11, которые соединяют две половины обтекателя 3 в одно целое. Рычаги 10 и 11 закреплены на внутренней поверхности обтекателя 3 и соединены с силовыми пневмоцилиндрами 12. Пневмоцилиндры 12 работают от баллона со сжатым газом (не показано). Для варианта самостоятельного возврата на землю обтекателя 3 в его передней части установлены ракетные двигатели 13, имеющие заглушки 14. На внутренней поверхности обеих половин обтекателя 3 размещена торообразная тормозная оболочка 6 со стропами 7. В одной из половин 3 находится шаровая оболочка 15, заполняемая легким газом, и баллон 16 с легким газом. При использовании тормозной оболочки, надуваемой воздухом, на одной из половин обтекателя 3 размещена емкость 17 с топливом и система его подачи.

Обтекатель работает следующим образом. При возврате обтекателя 3 вместе с первой ступенью 1 до завершения работы двигателей первой ступени раскрывают замки, соединяющие его половины (не показано) и раздвигают эти половины за счет усилия, создаваемого пневмоцилиндрами 12. При перемещении штоков пневмоцилиндров 12 рычаги 10 и 11 раздвигают половины обтекателя 3. Рычагами 10 и 11 половины обтекателя 3 соединены в одно целое. При этом раскрытие двух половин осуществляют настолько, что половины обтекателя 3 позволяют свободно находящимся под обтекателем ускорительному блоку и полезной нагрузке 5 покинуть объем обтекателя 3. Это соответствует тому, что передние кромки двух половин расходятся на расстояние, равное внутреннему диаметру обтекателя 3 в закрытом состоянии. На фиг. 4-б это показано штрихпунктирной тонкой линией. За счет прекращения механической связи с ракетой обтекатель 3 начинает отставать, т.е. двигаться вдоль ступени ракеты, пока не упрется в упоры на силовом переходном отсеке 4. После этого происходит разделение первой 1 и второй 2 ступени ракеты. После этого пневмоцилиндры 12 осуществляют обратный ход, сдвигают половины обтекателя 3, и они соединяются с помощью замков (не показано). Головной обтекатель оказывается на головной части первой ступени 1 ракеты и возвращается вместе с нею на землю одним из известных способов.

В варианте самостоятельного возвращения обтекателя на землю его работа осуществляется следующим образом. После выхода ракеты из плотных слоев атмосферы открываются замки двух половин обтекателя 3 и проводится его открытие, как описано выше. После прохода второй ступени 2 ракеты через открытый обтекатель 3 запускают тормозные двигатели 13, которые вышибают заглушки 14 и осуществляют тормозной импульс. Затем пневмоцилиндры 12 осуществляют обратный ход, сдвигают половины обтекателя 3, и они соединяются с помощью замков (не показано). Затем выбрасывают торообразную тормозную оболочку 6 со стропами 7, закрепленными на оболочке 6 и на хвостовой части обтекателя 3. При этом оболочку наполняют легким газом из баллона 16. При незамкнутой тормозной оболочке 6 ее раздувают воздухом, а температуру в оболочке 6 поддерживают на заданном уровне за счет сжигания топлива из емкости 17. При приближении к режиму висения из обтекателя 3 выбрасывают на тросе шар 9, заполненный легким газом, для захвата всей конструкции вертолетом спасательной службы.

Группа изобретений относится к конструкции и эксплуатации многоразовых элементов космических ракет. Возвращаемый на Землю головной обтекатель (ГО) (3) полезного груза (5), установленный на второй ступени (2) ракеты, выполнен из двух створок (половин), связанных друг с другом раздвижным механизмом (не показан). При работающем двигателе первой ступени (1) створки ГО (3) раздвигают так, что ступень (2) свободно проходит через ГО, а ГО фиксируют на упорах первой ступени. После разделения ступеней (1) и (2) створки ГО сдвигают, и возвращают ГО на Землю вместе с первой ступенью. В другом варианте проход ГО через ступень (2) производится после разделения ступеней (1) и (2) и при работе последней. После прохода ГО запускают тормозные двигатели на створках ГО, затем створки сдвигают, а посадку ГО осуществляют с помощью аэростатической оболочки. Техническим результатом является создание простой и надежной системы возврата ГО. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ возврата головного обтекателя ракеты, состоящий в его освобождении от головной части ракеты и последующем аэродинамическом торможении, отличающийся тем, что освобождение ракеты от ее головного обтекателя осуществляют после выхода из плотных слоев атмосферы до завершения работы предыдущей ступени ракеты, причем механически связанные друг с другом створки головного обтекателя ракеты разводят так, что ракета свободно проходит через раскрываемое обтекателем сечение, а обтекатель за счет ускорения ракеты сдвигают по поверхности ракеты на головную часть первой ступени, где его фиксируют на упорах, после чего разъединяют первую и вторую ступени и после отхода второй ступени на необходимое расстояние соединяют створки обтекателя на первой ступени, а затем запускают двигатели второй ступени и возвращают обтекатель на Землю вместе с первой ступенью.

2. Способ возврата головного обтекателя ракеты, состоящий в его освобождении от головной части ракеты и последующем аэродинамическом торможении, отличающийся тем, что при освобождении ускоряемой части ракеты от ее головного обтекателя после выхода из плотных слоев атмосферы механически связанные друг с другом створки головного обтекателя ракеты разводят так, что продолжающую движение с ускорением часть ракеты свободно пропускают через раскрываемое обтекателем сечение, после прохода ступени через обтекатель запускают тормозные двигатели, установленные на внутренней поверхности створок, после чего створки обтекателя вновь соединяют в цельный обтекатель, а затем выбрасывают из обтекателя и раздувают легким газом тороидальную термостойкую оболочку, уложенную под створками обтекателя и связанную с обтекателем стропами.

3. Способ возврата головного обтекателя ракеты по п. 2, отличающийся тем, что для создания импульса торможения используют твердотопливные ракетные двигатели или ракетные двигатели сжатого газа.

4. Способ возврата головного обтекателя ракеты по п. 2, отличающийся тем, что в качестве источника газа для оболочки используют баллонную систему высокого давления.

5. Способ возврата головного обтекателя ракеты по п. 2, отличающийся тем, что в процессе спуска в плотных слоях атмосферы давление в тороидальной термостойкой оболочке поддерживают равным давлению окружающего воздуха.

6. Способ возврата головного обтекателя ракеты по п. 2, отличающийся тем, что для торможения используют незамкнутую тороидальную оболочку, которую наполняют встречным потоком воздуха и создают аэростатическую подъемную силу оболочки за счет сжигания топлива в потоке поступающего в нее воздуха.

7. Способ возврата головного обтекателя ракеты по п. 2, отличающийся тем, что при приближении к режиму висения из обтекателя выбрасывают на тросе шар, заполненный легким газом, для захвата всей конструкции вертолетом спасательной службы.

8. Головной обтекатель ракеты, состоящий из двух половин и сбрасываемый с ракеты после ее выхода из плотных слоев атмосферы, отличающийся тем, что обе половины обтекателя соединены в одно целое с помощью системы рычагов, приводимых в действие пневмоцилиндрами, которые раздвигают половины обтекателя так, что ракета свободно проходит между ними.

9. Головной обтекатель ракеты, состоящий из двух половин и сбрасываемый с ракеты после ее выхода из плотных слоев атмосферы, отличающийся тем, что обе половины обтекателя соединены в одно целое с помощью системы рычагов, приводимых в действие пневмоцилиндрами, которые раздвигают половины обтекателя так, что ракета свободно проходит между ними, в передней части половин имеются тормозные двигатели, на внутренней поверхности обеих половин размещена торообразная тормозная оболочка со стропами, закрепленными на оболочке и на хвостовой части обтекателя, при этом в одной из половин обтекателя находится шаровая оболочка, заполняемая легким газом, и баллон с легким газом.

10. Головной обтекатель ракеты по п. 9, отличающийся тем, что тормозные двигатели являются твердотопливными ракетными двигателями или ракетными двигателями сжатого газа, подключенными к баллону со сжатым газом.

11. Головной обтекатель ракеты по п. 9, отличающийся тем, что торообразная тормозная оболочка выполнена замкнутой и подключена к баллону высокого давления с легким газом.

12. Головной обтекатель ракеты по п. 9, отличающийся тем, что торообразная тормозная оболочка имеет отверстие со стороны набегающего потока для заполнения ее воздухом, а в одной из половин обтекателя имеется емкость с топливом и система подачи топлива для нагрева воздуха в оболочке.