Стартовый комплекс и способ запуска ракет-носителей без использования 1-й ступени Российский патент 2022 года по МПК B64G5/00 

Изобретение относится к области космической техники.

Данное изобретение базируется на основе патента на изобретение №2747888 от 17.05.2021 «Стартовый комплекс и способ запуска ракет-носителей легкого и среднего класса без использования 1-й ступени». В отличие от прототипа внесены изменения в конструкцию стартового комплекса: исключены из конструкции конусы твердого ракетного топлива (далее - ТРТ), щелевые отверстия для впрыска воды, камера для подогрева воды, для прогрева ствола шахты и воды добавлены электрические нагревательные элементы в донной части и полостях ствола шахты.

Первая ступень современных многоступенчатых ракет-носителей (далее - РН), составляет более половины стартовой массы, а вес выводимой полезной нагрузки не более 5%. Предлагаемый способ запуска позволяет сократить время, кратно увеличить коэффициент выведения и соответственно снизить стоимость запуска.

В предложенном способе функцию первой ступени выполняет стартовый комплекс.

Целью изобретения является достижение максимально возможной скорости и ускорения капсулы с РН при выходе ее из ствола шахты и последующего достижения скорости и высоты достаточной для доставки полезной нагрузки на расчетную орбиту с использованием блока выведения.

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

Вертикальный ствол шахты, по всей высоте выше технологического проема оборудуется кольцевыми полостями, заполняемыми водой в расчетных объемах.

В связи с большой перегрузкой при разгоне капсулы с РН в стволе шахты и сложных условий для работы под действием высокого давления парогазовой смеси (далее - ПГС) используется ракетный двигатель на ТРТ.

Подвижная часть стартового комплекса включает: капсулу, в которую помещены РН, блок выведения и полезная нагрузка. Сопло двигателя РН через специальный проем выведено под капсулу.

Капсула выполняет функцию защиты элементов конструкции РН при движении по стволу шахты, обеспечивает герметичность от проникновения ПГС из-под нее в пространство над ней и позволяет использовать ее для запуска РН различных масс и габаритов.

В донной части ствола шахты размещается вода в объеме, рассчитанном на преобразование ее в состояние сухого перегретого пара тепловой энергии продуктов сгорания двигателя РН на ТРТ за время от запуска до достижения кольцевых полостей шахты.

Выше уровня воды на упорах устанавливается капсула с РН.

Кольцевые полости, оборудованные по всей высоте ствола шахты, наполняются объемом воды из расчета перевода ее в состояние сухого перегретого пара путем утилизации тепловой энергии продуктов сгорания двигателя на ТРТ при движении капсулы вверх по стволу шахты.

При запуске двигателя на ТРТ реактивная тяга, большой объем и высокая температура газообразных продуктов сгорания, переводят воду в донной части ствола шахты в состояние сухого перегретого водяного пара, что приводит к быстрому росту давления ПГС в зоне под капсулой и энергичному старту с большой перегрузкой и ускорением вверх по стволу шахты.

Дополнительную энергию для разгона капсула получает за счет нарастания давления от преобразования в ПГС воды, находящейся во внутренних полостях ствола шахты, что позволяет получить максимальное ускорение и скорость при выходе из него.

После выхода из ствола шахты и сброса капсулы для придания ей необходимой скорости и высоты полета используется только реактивная тяга двигателя РН на ТРТ. После его полного срабатывания и отделения, вывод полезной нагрузки на расчетную орбиту осуществляется с применением блока выведения.

Технический результат изобретения заключается в достижении высокой начальной скорости при выходе капсулы из ствола шахты за счет полученного высокого давления ПГС под ней от большого объема газообразных продуктов сгорания ТРТ и использование их высокой тепловой энергии для перевода воды в состояние сухого перегретого пара (при сгорании 1 кг ТРТ образуется около 1 м³ газообразных продуктов сгорания, а их тепловая энергия переводит в состояние сухого перегретого пара примерно 30 литров воды. При атмосферном давлении из 1 литра воды получается 1,425 м³ сухого насыщенного пара).

Последующее увеличение скорости и достижение расчетной высоты полета происходит только за счет реактивной тяги двигателя РН и блока выведения для доставки полезной нагрузки на орбиту.

Новизна предложенного способа запуска заключается в том, что в отличие от способа запуска, применяемого в настоящее время для первичного разгона РН используются не только реактивная тяга ракетного двигателя, но и давление ПГС под капсулой с РН в стволе шахты от большого объема газообразных продуктов сгорания и перегретого пара, получаемого при утилизации их высокой температуры.

В связи с полученной высокой начальной скоростью вывод полезной нагрузки на расчетную орбиту займет значительно меньше времени, чем при запуске традиционным способом.

Кроме того, утилизация высокой температуры продуктов сгорания двигателя на ТРТ при переводе воды в состояние пара позволяет повысить ресурс ствола шахты.

На чертежах показаны: на фиг. 1 - основные элементы заявленного устройства упрощенной компоновки, на фиг. 2 - устройство полостей для воды в стенках ствола шахты и последовательность их срабатывания в ходе разгона капсулы в стволе шахты.

1. Склон горы;

2. Шахта;

3. Вода;

4. Упоры;

5. Капсула;

6. РН;

7. Блок выведения;

8. Полезная нагрузка;

9. Уровень местности;

10. Затворяемый технологический проем;

11. Емкость для воды;

12. Водовод;

13. Полости для воды в стволе шахты;

14. Электрические нагревательные элементы.

Стартовый комплекс, сооруженный в склоне горы 1, состоит из круглого вертикального ствола шахты 2 (разгонного участка), нижней части шахты в которой размещается вода 3. На расчетной высоте на упорах 4 размещается капсула 5 с РН 6, блоком выведения 7 и полезной нагрузкой 8.

На уровне местности 9 сооружается затворяемый технологический проем 10 необходимого размера, через который производится сборка составных частей капсулы 5, подготовка и обслуживание размещаемого там оборудования.

Вода 3 в донную часть и полости ствола шахты 2 поступает из емкости 11, расположенной на этой же горе, по водоводу 12.

Заливка воды 3 в донную часть и полости 13 ствола шахты 2 производится за время достаточное для подогрева ее до заданной температуры электрическими нагревательными элементами 14.

Принцип работы стартового комплекса и реализация способа.

Производится запуск двигателя РН 6 на ТРТ, большой объем и высокая температура продуктов сгорания которого быстро переводят воду 3, находящуюся в нижней части ствола шахты 2, в состояние сухого перегретого водяного пара и быстрому росту давления ПГС.

При достижении расчетного давления в донной части ствола шахты 2, капсула 5 начинает ускоренное движение вверх. В ходе движения полости 13 с водой в стволе шахты 2 последовательно попадают в зону высокой температуры продуктов сгорания, работающего на максимальном режиме двигателя РН 6 на ТРТ, переводя ее в состояние перегретой ПГС, давление которой при этом непрерывно нарастает и производится разгон капсулы 5 до заданной скорости и ускорения на выходе из ствола шахты 2 (фиг. 2). После выхода капсулы 5 из ствола шахты 2 капсула 5 сбрасывается и дальнейшее увеличение скорости полета будет нарастать только за счет реактивной тяги двигателя РН 6 на ТРТ. Величина ускорения и перегрузки будет уменьшаться, но будет достаточной для достижения расчетной скорости и высоты за счет работы на максимальном режиме ракетного двигателя РН 6 на ТРТ. После полного выгорания ТРТ РН 6 сбрасывается и блок выведения 7 доставляет полезную нагрузку на расчетную орбиту.

Расчет высоты ствола шахты (s) для достижения необходимой скорости (v) капсулы при выходе из него используем формулы для равноускоренного движения:

где: а - ускорение; g - перегрузка; v - скорость; s - высота; t - время.

Так при заданной скорости выхода капсулы из стартового комплекса (v), перегрузке (g) и ускорении (а), время разгона в стволе шахты (t) и высота ствола шахты (s) составит (см. табл.):

В связи с большой перегрузкой, использовать предложенный способ для запуска человека не представляется возможным,

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

полости изготавливать овальной формы, что позволит струе высокотемпературных газов ракетного двигателя мгновенно и эффективно превращать воду в сухой перегретый пар;

сначала наполняются водой кольцевые полости, затем донная часть шахты поочередно сверху вниз, расчетным объемом воды, которая наполнив одну, начинает перетекать в полость, находящуюся ниже, после наполнения самой нижней излишки воды по каналу попадают в нижнюю часть шахты;

объем воды, заливаемый в донную часть и полости ствола шахты, рассчитывается на избыток тепловой энергии, поступающей от реактивной струи двигателя РН на ТРТ, необходимой для поддержания парогазовой смеси в максимально рабочем состоянии;

для сглаживания взрывных пульсаций давления при мгновенном переходе воды в состояние пара кольцевые полости для воды целесообразно делать небольшого объема по всей высоте шахты;

расчет количества воды производится с учетом ее температуры;

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

для получения большего объема сухого перегретого пара воду в донной части и полостях шахты подогревать до температуры близкой к кипению, для чего оборудовать в донной части шахты и полостях ствола шахты электрические нагревательные элементы, которые перед наполнением водой использовать для прогрева ствола шахты;

в нижней части каждого канала заливки воды в полость (в том числе в донную часть) необходимо устанавливать заглушку для предотвращения попадания ПГС высокого давления в полость, расположенную выше при повышении давления в нижестоящей при движении капсулы вверх. Заглушка должна открывается под действием веса заливаемой воды и под действием собственного веса закрывает отверстие после прекращения поступления воды;

для уменьшения аэродинамической нагрузки атмосферного воздуха при движении капсулы вверх по стволу шахты, непосредственно перед запуском заполнять шахту легким газом (гелием) снизу-вверх вытесняя воздух, используя в качестве перегородки между ними куполообразную воронку (широкой частью вниз), через которую производится наполнение шахты гелием, которую убирать с верхней части ствола шахты в момент начала движения РН.

Работа стартового комплекса складывается из следующих операций:

Включение прогрева ствола шахты электрическими нагревательными элементами.

1. Подготовка к запуску через затворяемый проем:

сборка через технологический проем капсулы и ее составных частей: РН, блока выведения и полезной нагрузки;

заполнение донной части шахты и полостей в стволе шахты водой и нагрев ее до заданной температуры;

закрытие технологического проема в стволе шахты;

заполнение ствола шахты гелием.

2. Запуск и выведение полезной нагрузки на расчетную орбиту: запуск ракетного двигателя на ТРТ;

нарастание давления парогазовой смеси под капсулой в донной части ствола шахты до расчетного значения и начало движения капсулы вверх по стволу шахты;

дополнительный прирост давления под капсулой от преобразования воды из полостей в стенках шахты в ПГС от высокотемпературных газов двигателя РН;

разгон капсулы в стволе шахты до максимально возможной скорости и ускорения при выходе из нее;

выход из ствола шахты и сброс капсулы;

дальнейшее увеличение скорости и высоты полета за счет реактивной тяги двигателя РН на ТРТ, обеспечивающей вывод полезной нагрузки с помощью блока выведения на околоземную орбиту.

Группа изобретений относится к способам и средствам запуска РН. Стартовый комплекс состоит из круглой в сечении вертикальной шахты, нижняя часть которой заполнена расчетным объемом воды. Выше на упорах расположена капсула, включающая РН, блок выведения и выводимую полезную нагрузку (ПН). В стволе шахты по всей ее высоте над технологическим проемом выполнены кольцевые полости для воды. При запуске производят испарение нижнего объема воды электронагревателями, и далее струи реактивных двигателей РН при воздействии на воду создают большой объем парогазовой смеси. Нарастающее давление этой смеси придает первоначальную скорость и ускорение капсуле при выходе из ствола шахты. Последующий разгон РН и выведение ПН осуществляются обычным образом. Технический результат заключается в достижении максимально возможной скорости и ускорения при выходе РН из шахты и тем самым снижения потребных массы и числа ступеней РН для доставки ПН на орбиту. 2 ил., 1 табл.

1. Стартовый комплекс для запуска ракет-носителей без использования 1-й ступени, включающий круглую вертикальную шахту с затворяемым технологическим проемом, расположенным на уровне местности, причем нижняя часть шахты заполнена расчетным объемом воды, выше нее на упорах расположена капсула, состоящая из ракеты-носителя (РН), блока выведения и выводимой на околоземную орбиту полезной нагрузки, а ствол шахты по всей высоте над технологическим проемом оборудован кольцевыми полостями для воды.

2. Способ запуска ракет-носителей без использования 1-й ступени, заключающийся в применении реактивной тяги двигателя РН и давления, создаваемого большим объемом парогазовой смеси из продуктов сгорания топлива и сухого перегретого водяного пара, который образуют путем передачи значительной тепловой энергии работающего ракетного двигателя - сначала воде в донной части шахты, а затем – воде в указанных кольцевых полостях ствола шахты в ходе движения вверх, придавая нарастающим давлением парогазовой смеси первоначальную высокую скорость и ускорение капсуле при выходе из ствола шахты, с последующим разгоном до скорости, обеспечивающей вывод полезной нагрузки на околоземную орбиту с применением блока выведения.