Устройство для запуска ракет-носителей (РН) Российский патент 2024 года по МПК B64G5/00 

Изобретение относится к отрасли космонавтики, которая занимается пусковыми сооружениями для запусков ракет-носителей (РН), а точнее к стартовым устройствам и комплексам. Как правило все существующие запуски в мире (РН) производятся со специальных открытых, стартовых площадок (столов). Лишь небольшая часть запусков производится из закрытых контейнеров и шахт, так называемым минометным стартом (выстрелом). Пороховые газы, образованные при сжигании пороха, выталкивают ракету из канала контейнера или шахты. Выпушенная из канала ракета продолжает самостоятельное движение. Эти объекты не подходят, в качестве прототипов или ближайших аналогов.

В предлагаемом изобретении, в качестве выталкивающей силы для ракеты-носителя (РН), выступает сжатый воздух. Сжатый воздух образуется в устройстве из 4-х сообщающихся между собой воздуховодов, два из которых установлены вертикально и два боковых соединены с ними сверху и снизу. В одном вертикальном размещена (РН), а в другом бак. При сбросе бака заполненного водой, в канале воздуховода сжимается воздух, который через нижний боковой воздуховод поступает под днище (РН), и сообщает ему вертикальное ускорение. (РН) вылетает из воздуховода с определенной начальной скоростью. Применения сжатого воздуха и воды, для разгона очень массивных (РН), является перспективным направлением. Задачей предлагаемого устройства является сохранение ракетного топлива на самом энергоемком, начальном этапе разгона (РН).

Пусковое, устройство для запуска ракет-носителей (РН) представлено на фиг. 1, где показана (подготовка к старту). Устройство содержит, конструкцию из 4-х сообщающихся воздуховодов. Два вертикальных: первый - (пусковой) 1, второй - (вспомогательный) 2 и два боковых 3 и 4, которые присоединены сверху и снизу и снабжены клапанами 5. На выходном отверстии пускового воздуховода 1, установлена створчатая крышка, в виде конусного колпака 6. Она содержит круговой набор равнобедренных, треугольных створок 7, (см. фиг. 2) - увеличен колпак 6. Каждая створка 7 снабжена форточкой 8, которая соединена со штоком пневмоцилиндра 9. Последние закреплены радиально на опорном кольце 10. Уплотнения створок 7 между собой и форточек 8 не показаны.

Внизу пускового воздуховода 1, на рельсовой тележке контейнера 11 на «сбрасываемой» подставке 12, установлена ракета-носитель (РН) 13 (см. р-з В-В) фиг. 10, Вверху воздуховода 2, установлен на рельсовой тележке бак 14, с раскрывающимся внутрь дном 15, в виде набора створчатого конуса. К баку 14 подведен трубопровод 16. В нижней части воздуховода 2 размещен бассейн 17, где на дне установлена коническая стойка 18, содержащая демпферную тарелку 19 с пружинами 20 под ней. Бассейн 17 снабжен водоотводным трубопроводом 21. На стенках воздуховодов 1,2 размещены воздухонапорные устройства (вентиляторы 22-А и Б), которые содержат крышки-заглушки 23 (фиг. 3) - увеличено. Нижняя часть воздуховода 2 содержит силовую обечайку 24, охватывающую бассейн 17.

На фиг. 2, 3, 5, 6, 7, 10, 11, 12 и 13 показаны части конструкции устройства. Так вверху воздуховода 1 - фиг. 2, 5 размещены радиально-дренажные каналы 25 с клапанами 26. Внизу у бокового воздуховода 4 установлено воздухонагревательное устройство 27 фиг. 1, 4, 8, 9 и 14. На фиг. 10 показано звездообразное размещение колесных тележек, увеличенный р-з В-В с фиг. 1, для контейнера 11. Ниже на р-зе Г-Г фиг. 11 показано пунктиром расположение разнесенных тележек, если это потребуется для устойчивости (РН). В этом колесные буксы крепятся в консолях прямоугольной формы. Подставка 12 в варианте имеет форму (см. рис. справа), а ее карманы после отделения от контейнера 11 закрываются откидными крышками, не забываем что это поршень для (РН). Колесные буксы 28, в которых установлены колеса 29 на подшипниках качения 30, показаны на виде - Д фиг. 12. Колеса 29 имеют реборды и установлены на рельсы 31, которые закреплены в тоннеле воздуховода 1 на колоннах 32. Для крепления рельс 31, в колоннах 32 размещены резьбовые втулки 33. Облицовка тоннеля, выложена панелями 34 с зазором ≈25 мм к стенкам корпусов контейнера 11 и бака 14. На фиг. 10, 11 показано дно контейнера 11 с раскрывающимися наружу створками 35. Они соединены с гидроприводами 36. Так же на фиг. 11 в разрезе Г-Г контейнера 11 показаны, тормозные колодки 37, которые соединены с поршнями размещенными в цилиндрах 38. На увеличенном виде Д и К фиг. 12, 13, а так же на виде В-В фиг. 10 под колесной тележкой, показан один из пяти секторов круговой пластины 39, прокрытой термозащитой 40 и размещенной между двумя смежными буксами 28, на штыри 41, установленные с рабочим зазором в ≈5 мм к облицовке 34 см. вид Д - фиг. 12. Буксы 28 тележек снабжены пружинами 42 - вид К фиг 13. Корпуса контейнера 11 и бака 14, могут служить объектами, при строительстве тоннелей, пунктиром обозначено положение (контрольного троса). Устройство колесных тележек бака 14 аналогичное.

Работа пускового устройства для запусков ракет-носителей (РН) представлена на - фиг. 1, 4, 14. На фиг. 1 ракета-носитель (РН) 13 устанавливается установщиком в вертикальное положение, в пусковом воздуховоде 1, на подставку 12 (см. фиг. 1) размещенную на контейнере 11. Закрываются герметичные створы ворот воздуховода 1 (показаны пунктиром). Створки 7, конусного колпака 6, герметично закрыты, а также и откидные клапаны 26 дренажных каналов 25 - фиг. 2. В воздуховоде 2, бак 14 из водопровода 16 заполняется водой. Она удерживается конусообразным дном 15, при смыкании набора створок. Бак 14 удерживается захватами (не показаны) в канале воздуховода 2. Включаются одновременно два вентилятора 22-А и Б на пусковом и вспомогательном воздуховодах 1, 2. Первый - А откачивает воздух (фиг. 3), увеличенный фрагмент вентилятора 22-А и Б, где показаны крышки-заглушки 23 в открытом положении. При этом доступ наружного атмосферного воздуха в воздуховод 1 закрыт; клапаном 5 воздуховода 3, колпаком 6, и откидными клапанами 26 дренажных каналов 25 фиг. 1, 2, а внизу створками 35 дна контейнера 11 с (РН) 13 фиг. 10, 11. Давление воздуха в канале воздуховода 1 снижается и становится меньше атмосферного р<1. На фиг. 3 стрелка выхода воздуха показана только для вентилятора 22-А.

Крышка-заглушка 23 второго, вентилятора 22-Б, так же открыта, фиг. 1, но здесь атмосферный воздух, наоборот поступает в воздуховод 2 и давление воздуха в нем растет р>1. Входящий под давлением воздух удерживается, створками 35 дна контейнера 11 с подставкой 12 и (РН) 13 см. р-з Г-Г фиг. 11. В результате одновременного включения вентиляторов 22-А и Б контейнер 11 с подставкой 12 и (РН) 13 получают из-за разности давлений, предварительное, подъемное силовое воздействие, перед стартом. Боковые воздуховоды 3 и 4 выполнены дугообразными, для ламинарного перетекания воздушных потоков. Во время старта и разгона (РН) их клапаны 5, полностью открыты см. фиг. 14. При полном завершении подготовки к старту (РН) 13 по фиг. 1, вентиляторы 22-А и Б (см. фиг. 3) отключаются и закрываются их крышки-заглушки 23. Водопроводы подачи и слива воды 16 и 21 так же перекрываются.

Теперь обратимся к фиг. 4, 14 где изображен процесс старта (РН) 13. Бак 14 заполненный водой освобождается от захватов и свободно начинает падать-скатываться на колесах 29 рельсовых тележек, по рельсам 31 в воздуховоде 2. Он гонит объем воздуха впереди себя так, что энергия сжатого воздуха аккумулируется под контейнером 11 с РН (13) на подставке 12 и заставляет его двигаться с ускорением вверх. За «спиной» бака 14, уже разряженный воздух «вытягивается» из воздуховода 1 и не мешает движению Сборка с (РН) 13 после создания под ее дном необходимого давления воздуха р>1, а над ней р<1, освобождается от захватов воздуховода 1 и с опорного кольца (находится под контейнером 11) начинает свободное, ускоренное движение вверх по рельсам 31. В результате по сообщающимся воздуховодам происходит круговое движение воздуха. Бак 14 при подходе к нижней части вспомогательного воздуховода 2 достигает «max» скорости. Эта скорость близка к скорости (РН) 13 на выходе, что опасно.

Внизу бак 14 пересекает, своим корпусом, отверстие воздуховода 4 и в этот момент клапан 5 воздуховода 4 закрывается. Находясь в замкнутом пространстве и далее продолжая движение вниз, бак 14 еще более сжимает под собой воздух и его движение тормозится, для этого необходимо предусмотреть «тормозной» отрезок пути до бассейна 17. Увеличение давления -р сжатого воздуха, заставляет створки конического дна 15 бака 14 раскрыться внутрь. Часть воды при этом сливается по стенкам тоннеля и в бассейн 17. Полному раскрытию и удержанию створок конического дна 15 от «схлопывания» способствует коническая стойка 18. Бак 14 освобождается от воды, перед падением в бассейн 17 и производит в нем «щадящий» гидравлический удар. Этот удар смягчается так же демпферной тарелкой 19 и пружинами 20 размещенными под ней. Вода бассейна 17 тормозит бак 14 и предохраняет его от деформаций. Вода, из бассейна 17, сливается в трубопровод 21. Как вариант см. фиг. 1, 4 показана обечайка 24, которая служит усилением стенок бассейна 17 от гидравлических ударов.

В воздуховоде 1, в это же время, при приближении (РН) 13 к коническому колпаку 6 (фиг. 4), закрывается клапан 5 бокового воздуховода 3, срабатывают пневмоцилиндры 9, которые своими штоками открывают форточки 8, размещенные на створках 7 конического колпака 6 (см. фиг. 5). После поступления атмосферного воздуха в форточки 8 под колпак 6 и совместного действия части воздуха, толкаемого перед (РН) 13, увеличивается давление р>1 под колпаком 6. Пневмоцилиндрам 9 облегчаются условия по быстрому раскрытию створок 7, до внутреннего диаметра опорного кольца 10 и которые до этого, были обжаты давлением наружного воздуха. Одновременно так же быстрому раскрытию створок 7 служат и дополнительные дренажные каналы 25 (фиг. 5), которые «продувают» пространство над колпаком 6, скоростным напором воздуха из раскрытых клапанов 26. Напор создается, когда подставка 12 с (РН) 13 пересекает дренажные отверстия каналов 25 см. фиг. 5 и в них под давлением поступает поток сжатого воздуха. Пропущенный через колпак 6 - (РН) 13 вместе со «сбрасываемой» подставкой 12, вылетают из воздуховода 1 в свободный полет - см. фиг. 6. При этом значительно «смягчается» ударная встреча головного обтекателя (РН) с открытой атмосферой. Этому способствует и уменьшение плотности ρ воздуха с высотой воздуховодов 1, 2. На высоте в 2000 м - ρ=1,007 кг/м³, 4000 м - ρ=0,80 кг/м³ и 8000 м - ρ=0,526 кг/м^{3 ***1}.

- *** Список использованной литературы

На фиг. 4, 7 крышки-заглушки 23 вентиляторов 22 закрыты. В момент пересечения отверстий дренажных каналов (РН)13, клапан 5 воздуховода 3, быстро закрывается (см. фиг. 4, 5).

До момента пересечения отверстий дренажных каналов РН(13) на подставке 12, необходимо затормозить и остановить рельсовую тележку с контейнером 11. Этому помогает его собственный вес и тормозные колодки 37, которые прижимаются к рельсам 31 поршнями, размещенными в цилиндрах 38, см. фиг. 11. Перед этим открываются створки 35 его дна гидроприводами 36 и он теряет подъемную силу. Сжатый воздух проходит сквозь него, и продолжает воздействовать на «сбрасываемую» подставку 12 с (РН)13, как на поршень.

После проведения старта, контейнер 11 на рельсовой тележке скатывается и «садится» на опорное кольцо-место (старта). Его спуск может происходить за счет регулируемого смыкания створок 35 дна, а оставшийся воздух в воздуховоде 1, или воздух нагнетаемый вентилятором 22-А с учетом реверса, может в этом помочь. А вентилятор 22-Б можно использовать для подъема пустого бака 14, т.к. давление воздуха развиваемые ими, могут создавать подъемные силы большие, чем вес самих объектов.

Рассмотрим по фиг. 8, 9 циркуляцию воздуха по конструкции. Сжатый воздух (показан густым закрашиванием), а разряженный, бледным. При скатывании бака 14, сжатый воздух «перетекает» из воздуховода 2 в воздуховод 1 по нижнему боковому воздуховоду 4 (фиг. 8), и одновременно из воздуховода 1 в воздуховод 2 разряженный воздух «перетекает» по верхнему боковому воздуховоду 3 за баком 14 (фиг. 9). На фиг. 8, 9 изображена картина, где разряженный воздух с давлением р<1 не стоит на пути у разгоняемого (РН)13. Он полностью, почти с синхронным ускорением «перетекает» в освобождаемый объем воздуховода 2 за баком 14. За счет этого, сопротивление для (РН)13 в воздуховоде 1 незначительны, а закрытый колпак 6, клапаны 26 патрубков 25 защищающие канал воздуховода 1 от проникновения атмосферного воздуха, играют в этом главную роль.

Определим объемы и массы воздуха в воздуховодах 1 и 2 в трех исполнениях высот - 2 км, - 4 км, - 8 км. Известно, что такие ракеты-носители, как «АНТАРА-А5», «СОЮ3-2.1» при максимальной сборке, имеют наибольший диаметр около 10 метров. В расчетах, ориентируемся на эти размеры. На фиг. 1, 4, 8, 9, 14 этот диаметр показан в масштабе, в 1 мм=1 м. При диаметре воздуховодов 1 и 2-10 м, определим объемы и массы воздуха в каждом из них. Площадь S диаметра 10 м равна 78,54 м². Масса m_в для 2000 м составит, объем V на плотность ρ=1,29 кг/м³ т.е. -157080 м³ ⋅ 1,29 кг/м³=202633,2 кг.

2000 м ⋅ 78,54 м²=157080 м³, составит -203 т,

4000 м ⋅ 78,54 м²=314160 м³, составит -406 т,

8000 м ⋅ 78,54 м²=628320 м³, составит -812 т.

Воздушные «столбы» с указанными массами, «нависают», как над контейнером 11 с (РН)13 в воздуховоде 1, так и над бассейном 17 в воздуховоде 2 Перед стартом комплекса с (РН), воспользуемся вентилятором 22-А, фиг. 8 Он уменьшает атмосферное давления -р в воздуховоде 1 ≈ 0,2 атм, и более и также и массу воздуха. Это обеспечит более легкий разгон контейнера 11 с (РН) 13. Ниже приводятся «облегченные» массы воздуха в воздуховоде 1.

при высоте в 2000 м, - 203 т -[(0,2 × 157080 м³) ⋅ 1,29 кг/м³]=162 т.

при высоте в 4000 м, - 406 т -[(0,2 × 314160 м³) ⋅ 1,29 кг/м³]=325 т.

при высоте в 8000 м, - 812 т -[(0,2 × 628320 м³) ⋅ 1,29 кг/м³]=650 т.

Итак указанные массы воздуха, «перетекают» в воздуховод 2, т.е. вместо 203 т→162 т, 406 т→325 т и 812 т→650 т. По фиг. 8, 9 видим следующее: из воздуховода 1, масса «перетекаемого» в воздуховод 2 воздуха, уменьшается с 162 т до 0, а в воздуховоде 2, эта масса прибавляется сверху к баку 14, что положительно для раз гона (РН). Также до старта комплекса с (РН), вентилятор 22-Б фиг. 8 нагнетает воздух в воздуховод 2. на ≈0,2 атм. и более. В воздуховоде 2 увеличивается его масса -m_в с 203 т до 244 т и так же для других высот это:

-203 т +[(0,2 × 157080 м³) ⋅ 1,29 кг/м³]=244 т.при высоте в 2000 м,

-406 т +[(0,2 × 314160 м³) ⋅ 1,29 кг/м³]=487 т.при высоте в 4000 м,

-812 т +[(0,2 × 628320 м³) ⋅ 1,29 кг/м³]=974 т.при высоте в 8000 м

Из расчета m_в воздуха больше в воздуховоде 2 и меньше в воздуховоде 1 - фиг. 8, 9, что при старте (РН)13 замедляет ее ускорение. На «спину» бака 14 постепенно «нажимает» масса воздуха из воздуховода 1. Так в воздуховод 1 при 2000 м, из воздуховода 2 поступает при старте от 0 до 244 т, а за баком 14 идет, прибавление массы воздуха из возд-да 1 от 0 до 162 т, С учетом этого, в расчетах ускорения -α _кон., к массе (РН)13 в воздуховоде 1 прибавляется только 244 т-162 т=82 т воздуха, вместо 244 т. При расчете ускорений -(α) для (РН) это учитываем. То же и в начале разгона. Поэтому усредняем массу воздуха для воздуховода 1, а это вместо 162/2=61 т, т.к. уже отмечалось, что при разгоне (РН) 162 т→0 т. На основании сказанного целесообразно рассчитать два ускорения -(α), как в начале в воздуховоде 1, так и в конце -α_нач. и -α_кон., чтобы увидеть разницу.

В воздуховоде 2 с внутренним D=10 м зададим размеры и рассчитаем массу пустого бака 14. Итак D=9,95 м, высота - 25 м. Определим пустой вес бака 14. Расчет показывает, что при толщине его боковой стенки в 20 мм, а всего остального подкрепления по 10 мм; крышек; верхней и нижней конической, составной и внутренних 22 шт. колец жесткости, диаметром 9,9 м и шириной обода 0,5 м. Бак из стали с

будет весить ≈145 т.

Объем бака 14 с указанными размерами составит; его площадь на высоту 78,54 м² × 25 м ≈1964 м³.

Установим комплекс (РН) «АНГАРА-А5» на стартовую позицию. Общая масса: сам (РН) - 773 т, контейнер 11 с опорной подставкой 12, еще - 27 т, итого: - 800 т.

Пусть масса заполненного водой бака 14 - 2100 т. (вес воды 1955 т и бака 145 т). На дно контейнера 11 с (РН)13, при сбросе бака 14 будет нарастать давление р сжатого воздуха, которое при достижении некоторого значения начнет разгонять (РН). С этого момента и до конца разгона, между объектами будем считать давление воздуха -р и объем V (условно) постоянным. Процесс сжатия воздуха считаем близким к изотермическому (T-const) т.к. из-за большой площади воздуховодов 78,54 м² давление разгона будет лежать в небольших пределах 1,58-1,98 атм. см. табл. 1, 2 и 3.

Найдем неизвестные ускорения -(α) используя известный алгоритм решения задач по физике, на связанные тела с идеальным блоком и двумя разными грузами, как наиболее подходящий к нашей задаче. Для этого напишем условия задачи и ниже нарисуем схему запуска РН, вначале пуска и в конце разгона, используя фиг. 8 и 9.

Определяем ускорение -α _нач. (РН) - с начала старта, см. фиг. 8

Условие для конечного ускорения -α _кон. в верхней точке см. фиг. 9

По первому условию ускорение -α _нач.

Нарисуем схему и определим направление сил и ускорений α _нач.

Применяем второй закон И. Ньютона и систему СИ в расчетах

р - давление одинаково, между баком и РН (условно)

М_Б ⋅ g и m_рн ⋅ g - сила тяжести бака и РН

так же m_в2 ⋅ g и m_в1 ⋅ g для воздуха

Зададим оси ox₁ и ox₂ для выбора направления ускорения α _нач., как для бака так и РН

чтобы решить уравнения, в каждом выделим -р, тогда давление р будет для лев. ч. и ниже в прав. ч.

т.к. давление р между объектами считаем условно одинаковым, поэтому эти уравнения приравняем по правой части откуда:

При завершении разгона (РН) запишем уравнение используя вторую схему и фиг. 9.

Рассчитаем -α _кон.

р - давление одинаково, между баком и РН - условно

М_Б ⋅ g и m_рн ⋅ g - сила тяжести бака и РН

так же - m_в2 ⋅ g и m_в1 ⋅ g - для воздуха

чтобы решить уравнения, в каждом выделим р, тогда давление р будет для лев. ч. и ниже в прав. ч.

т.к. давление р между объектами условно одинаково, поэтому уравнения приравняем по правой части

(m_рн+m_в2) ⋅ α _кон.+(m_рн.+m_в2) ⋅ g=(М_Б+m_в1) ⋅ g- (М_Б.+m_в1) ⋅ α _кон.

(m_рн+m_в2) ⋅ α _кон.+(М_Б+m_в1) ⋅ α _кон.=(М_Б+m_в1) ⋅ g- (m_рн.+m_в2) ⋅ g

подставляя числовые данные:

882⋅α _кон.+2262⋅α _кон.=2262⋅g-882⋅g далее выносим за скобки α _кон. и g α_кон. ⋅ (2262+882)=g ⋅ (2262-882)

откуда:

Среднее арифметическое значение , но интерес представляют только выходные ускорения РН. α _кон.=4,3 м/сек.

Определим давление -р между баком 14 и контейнером 11 с (РН)13. для этого воспользуемся уравнением (1)* в начале стр. 11 запишем:

(перевод с учетом системы СИ - - 1 кг ≈ 10Н), - сила F_{разгона} 1244 т между двумя объектами баком 14 и (РН) 13. Выразим давление р, в кг/см², тогда на манометре (избыточное), в воздуховоде 1+1,58=2,58 кг/см².

Выполним проверку данной силы F_{разгона} еще одним решением, так же воспользуемся уравнением (1)* стр. 11 р=(m_рн+m_в2) ⋅ α _кон.+(m_рн.+m_в2) ⋅ g=[(m_рн.+m_в2)] ⋅ (α_кон.+g)=882 ⋅ (4,3+9,8)=12437кН=1244 т (4) результат подтвердился.

Увеличим массу бака 14 - М_Б=4200 т используем уравнение (3)* стр. 11

Пересчет со значением М_Б=4200 т, дал α _кон.=6,35 м/сек², с учетом масс столбов воздуха в 325 т и 487 т, так же высот воздуховодов до 4000 м.

составим три бака 14 с массой М_Б=6300 т, то

Пересчет со значением М_Б=6300 т, дал α _кон.=7,06 м/сек², для 8000 м.

При высоте S воздуховодов 1 и 2, в 2000 м, узнаем при разных значениях α _кон, время разгона t (РН), его выходную скорость - v_ск. Из формулы S=α⋅t²/2, 2⋅2000м=α⋅t², t²=2⋅2000/α, из этого соотношения время разгона (РН) выходная скорость (РН) v_ск.=α⋅t.

По табл. 1, 2 и 3 -связка с 3-мя баками громоздка, и при достижении небольшой прибавки к ускорению всего 0,7 м/сек² по сравнению с -α _кон.=6,35 м/сек², к дальнейшему применению не годится. Расчеты и законы физики показывают, что только за счет массы сбрасываемых баков, невозможно достичь ускорений для (РН) даже до уровня g=9,8M/сек².

Далее стоит задача достижения ускорений α _кон. м/сек² рассчитанных по табл. 1, 2, 3 в воздуховоде 1. Для достижения этого необходимо: снизить потери на трение в элементах конструкции и также потерь воздуха. Для удобства обращения к темам выделяю их названия.

Трение механическое и тепловое расширение металла

Начнем с контейнера 11 и бака 14, см. фиг. 10, 11, 12 и 13. Чтобы уменьшить трение при разгонах указанных объектов, в тоннелях воздуховодов, отказываемся от контактных уплотнительных элементов, типа: манжет, кольцевых эластичных прокладок и т.д., в пользу колесных тележек, как указано ранее. При больших скоростях, по стенкам тоннелей эти уплотнения из-за механического трения и нагревания, будут выходить из строя. Вместо этого будем использовать зазор, в виде круговой щели между стенками контейнера 11, бака 14 и облицовкой 34 тоннеля воздуховода 1, 2. Ранее уже был установлен диаметр бака D - 9,95 м. так, что круговой зазор корпуса бака 14 и контейнера 11 составил 25 мм. Установим под дном указанных объектов и выделим штриховкой, один из пяти секторов круговой пластины 39, с термопокрытием 40, у которой наружная кромка выходит за обводы контейнера и бака р-з, В-В фиг. 10, 12 и 13, и вид Д, а зазор составляет 5 мм к стенке облицовки 34. Разместим эту пластину между двумя смежными буксами 28 на штыри 41 так, чтобы, она имела наибольшее температурное расширение вдоль осевой линии М, т.е. своих пазов (см. р-з В-В фиг. 10, вид Д фиг. 12.), а это более 5 м. Щель, для кругового сектора пластины 39 и облицовки 34 уже задали: σ=5 мм. Т.к. буксы 28 тележек, прижаты к рельсам 31 пружинами 42 и сохраняют постоянство размера при движении относительно поверхности облицовки 34 воздуховодов, тоже движение повторят и связанные с ними пластины 39 с термопокрытием 40 установленные на штырях 41. Температурное увеличение кругового сектора пластины 39 в радиальном направлении от осевой линии пазов, к поверхности облицовки 34 будет значительно меньше, чем между буксами 28 со штырями 41. В масштабе рис. фиг. 10, а это ≈1 м от осевой линии М до кромки щели, (при 100°С линейное расширение металла 1,2 мм)^***1 это уменьшит зазор σ на 1,2 мм, т.е. до 3,8 мм. Задевов кромок секторных пластин 39 не будет. Надо учесть и «термопокрытие» 40 пластины 39, которая нанесена из соответствующих материалов. Следует учитывать и то, что бак 14 заполнен водой и он не может нагреться выше 100°С (справка, если пустые металлоконструкции контейнера и бака нагреть до 100°С, их наружный D=10 м увеличится на 12 мм и станет 9,962 м).^***1 т.е. не выйдет за пределы зазора в 25 мм. Также некоторое количество воды могут содержать и стенки контейнера 11. Не забываем и о низких скоростях теплопередачи в сталях, и малом времени разгона (РН) по табл. 1, 2, 3, соответственно и малом времени воздействия невысоких температур на выбранные узлы. Остановимся на размере щели σ=5 мм, а вопрос о возможности безконтактного движения, можно считать решенным.

Потери воздуха через щели

Возникает вопрос, о потерях воздуха через щель? Для этого определим площадь щели σ=5 мм. Площадь воздуховода D=10 м равна 78,54 м², а площадь щели в 5 мм бака 14 и контейнера 11 - D=9,99 м и равна 78,34 м², т.е. площадь щели 78,54 м²-78,34 м²=0,2 м²=20 дм². Воздушные потери через щель, за время разгона РН из табл. 1 стр. 12 например: по первой строке 30,5 сек. Скорость воздуха через щель можно принять используя таблицу^***1. Как известно скорость истечения воздуха через прямую щель не может превышать его собственной скорости звука при данной t°C. В нашем случае из табл. 1 p=2,58 кг/см² - низкое, поэтому выбираем значение скорости по температуре. Выберем t°C например: t°С=100 и с=387,1 м/с. За 1 сек объем воздуха проходящего через щель составит: 0,2 м²⋅387,1 м/с=77,42 м³/с, а за 30,1 с - 77,42 м³⋅30,1 сек=2330 м³. У нас два объекта для утечек, поэтому результат удваиваем - ≈4660 м³. За счет того, что высота щели вдоль стенки контейнера и бака протяженная до 25 м, утечки будут меньше расчетных (влияние трения воздуха о стенки).

Сравним потери объемов воздуха через щели при разгонах (РН), между контейнером 11 и баком 14. При общем значении объема V=[(0,2×157080 м³)]+157080 м³=31416 м³+157080 м³=188496 м³, потери через щели ≈ 4660 м³. Результат потерь от общего V в воздуховодах 1 и 2 составит 2,47%. Сокращение утечек через щели может быть выполнено например: уменьшением размера «просвета» круговых щелей в 25 мм объектов 11 и 14. Это может быть частичная «обертка» поверхности цилиндров ковром с жесткой щетиной, которая не касается облицовки тоннеля, но влияет на уменьшение утечек. Вариантом сокращения утечек может быть предложена и закрепленная на круговом секторе термопластины 39 - гребенка, которая применяется при уплотнении валов паровых турбин - (см. вид К фиг. 13). Проход сжатой среды через уплотнения сопровождается многочисленными завихрениями в лабиринтах гребенки. Скорость прохода в данном случае воздуха через такое уплотнение снижается и даже еще больше, при повышении Т°С воздуха т.к. растет его вязкость.

Что касается точности выполнения щелей: σ=5 мм, она может быть выполнена, еще меньше, если при строительстве строго придерживаться определенных технологических правил: использования заранее приготовленных конструкций контейнерной рельсовой тележки и бака, а так же использование контр, тросов и т.д. Точность исполнения этого зазора, между облицовкой 34 тоннеля и объектами движения, можно добиться прокаткой тележек по заранее точно выставленным рельсам и крепления настила из панелей 34 с выдержанным зазором относительно секторных пластин 39.

Окружные скорости колес

Коснемся темы максимальной окружной скорости вращения стальных колес 29 по рельсам 31. Известно, достижение скоростным поездом скорости в 574,8 км/ч (A francia TGV 2007) испытание во Франции в 2007 г. При такой скорости, окружная скорость ж/д колес с диаметром в 950 мм будет равна 159 м/сек или 53,3 об/сек=3198 об/мин.

Для тележек наших колес 28, где сохраняя тот же размер ж/д колес диаметром в 950 мм привожу такой расчетный пример:

Диск Ильгнера постоянной толщины диаметр его 0,95 м, материал-сталь. Какое число оборотов можно сообщить диску, чтобы максимальное напряжение в диске не превышало предела прочности - стали Х18Н9 - 5500 кг/см^{2 ***2} ? Из формулы для σ_в в случае сплошного диска определяем:

γ - удельн. вес стали 7,8 г/см², μ - коэфф. Пуассона (0,3), - предел прочности σ_в

Окружную скорость делим на длину окружности колеса D=0,95m 409,5 м/сек :(π ⋅ D)=409,5:2,983=137об/сек=8220об/мин. Более прочные стали например: ст. 45 с σ_в=150 кг/мм² дают v=676 м/сек и скорость вращения составит: 226,6 об/сек=13597об/мин. Подборка профиля колес помогут увеличить и запас прочности.^***2

Механическое трение колес

Рассмотрим трение колес по рельсам. У ж/д колес коэфф. трения по рельсам равен 0,05 см.^***3 Этот коэфф. показывает ширину контактной линии при качении ж/д колес под нагрузкой. В нашем случае нагрузки на рельсы от колес в устройстве запусков, только вертикальные, и они практически отсутствуют т.е. от колес 29 на рельсы 31 нагрузки нет. Коэффициент трения качения по рельсам в нашем случае, а так же с учетом подшипников качения 30 расположенных на осях колес 29, составит не более 0,003-0,005 см^***1. Таким образом сопротивление движению, по всем приведенным примерам выбранных конструктивных решений, еще имеют резервы уменьшения.

Количество воздуха для расчетных ускорений

Далее, чтобы достичь рассчитанных ускорений (РН) по табл. 1, 2 и 3 необходимо определенное количество сжатого воздуха. Рассчитаем объем сжатого воздуха между (РН)13 и баком 14. Для воздуховодов 1 и 2 с высотой в - 2 км, для ускорения α _кон.=4,3 м/сек² - воспользуемся табл. 1.

Как упоминалось выше считаем процесс сжатия воздуха близким к изотермическому, где (T-const). В нашем случае объем V сжатого воздуха уменьшается, по мере увеличения давления р до начала старта (РН). Далее объем и давление между разгоняемыми объектами сохраняется. По закону Бойля-Мариотта, объем V и давление р связаны зависимостью V⋅р=const. Тогда, параметры воздуха между баком 14 и контейнером 11 с (РН)13 при сжатии будут - V₂⋅р₂. Зависимость состояний воздуха вначале и в конце разгона равна -V₁⋅р₁=V₂⋅р₂. Начальные параметры воздуха с учетом вентиляторов нагнетания V₁=188496 м³ и p₁=1,2 кг/см², стр. 15 а конечные, объем V₂ - искомый, с давлением р₂=2,58 кг/см², стр. 12.

Искомый объем V₂ равен:

что соответствует высоте «столба» сжатого воздуха С учетом потерь утечек 2,47% - 4660 м³, высота утечек то h=1116 м-59 м=1057 м. Расчет показал, что только на отрезке в 1057 м вместо установленных 2000 м будет разгонятся наша ракета-носитель, значит таких воздуховодов 2 с их оснащением, потребуется два.

Проверка h (вспомогательных) воздуховодов 2 с давлением P=2,58 кг/см², на -4000 м и 8000 м при ускорении α _нач=4,53 м/сек², дает те же результаты, их тоже требуется два. Следующие строки таблиц 2, 3 с большими α _нач дают результаты, которые требуют уже не один, а два дополнительных воздуховода 2, а всего их получается три.

Полученные результаты наводят на вопрос, можно ли обойтись только одним (вспомогательным) воздуховодом 2 в составе устройства, хотя бы используя первую строку таблиц 1, 2, и 3 на стр. 12 и 13?. На него можно ответить уклончиво, посмотрим, есть ли такие возможности?

Во-первых до падения-скатывания бака 14, можно полностью заполнить сжатым воздухом воздуховод 2 с параметрами р=2,5 атм, компрессором, а во-вторых решить задачу с помощью термодинамики в газовых процессах. Т.е. попутно подогревать сжатый воздух между баком 14 и контейнером 11 с (РН)13 при разгоне, воздухонагревателем 27 - см. фиг. 14.

Пример первый: при полном заполнении воздухом воздуховода 2 с давлением р=2,58 атм, падающий-скатывающийся бак 14 разгоняет (РН) до выхода из воздуховода 1. Падение бака 14 до бассейна 17 соответствует времени разгона (РН)13 - см. табл. 1, 2 и 3. При этом α _кон. несколько уменьшается, за счет добавления воздуха компрессором в воздуховоде 2, в два раза с 244 т до 488 т, которая «подтормаживает» разгон (РН), т.е. с учетом этого и расчета (обоснование см. стр. 7, 8) - 488 т-162 т=326 т.

откуда:

Потерю ускорения α _кон.=4,3 м/сек² - 3,3 м/сек²=1 м/сек² можно компенсировать увеличением массы бака 14 с 2100 т до 2600 т.

Итак: одним воздуховодом 2 обойтись можно, но это сопряжено с увеличением веса бака 14, появление компрессора и т.д.

Рациональным было бы иметь в составе всего устройства дополнительный - третий (вспомогательный) воздуховод 3 для разных целей например: для запусков (РН) меньших масс, его тоннель мог бы быть например: в два раза с меньшей площадью S=38,48 м², что соответствует диаметру тоннеля около D=7м. Он мог быть снабжен составным баком массой 1050 т или 2100 т либо контейнером с малыми (РН) для решения разных задач. Такой, как например: добавления 1/4 объема воздуха с параметрами p=2,58 атм в основной воздуховод 2, причем с синхронным действием на ускорение (РН). При этом можно использовать строчки 1, 2 из табл. 1, 2, 3 стр. 12, 13. Этот дополнительный объем воздуха мог бы положительно помогать в условиях термодинамических запусков (РН)13 см. стр. 22. В задаче №3 за счет этой добавки можно было бы снизить температуру подогрева воздуха. Рационально и то, что два падающих бака лучше вытягивают воздух из в стартового воздуховода 1 перед разгоняемым (РН). На виде П фиг. 15 сверху показан вариант размещения трех воздуховодов 1, 2 и 3. На фиг. 4 пунктиром обозначено положение дополнительного воздуховода 3 с меньшим D до 7 м.

Как было сказано ранее бак 14 падает-скатывается в конце пути со скоростью, табл. 1 - 131,1 м/сек и покрывает путь в 2000 м за 30,5 сек. Эта скорость довольно большая и грозит разрушением бака при падении в бассейн 17. Уменьшить скорость бака 14, как указывалось на стр. 5 поможет «тормозной» отрезок пути до бассейна 17. На уменьшение скорости бака14 может повлиять и технологическая остановка в воздуховоде 2, если это будет предусмотрено технологией запусков (РН). Набор скорости бака14 будет происходить на меньшем отрезке пути h. Определим этот h. Чтобы остановился бак 14 необходимо равновесие его массы со сжатым воздухом. Для бака 14 это давление р₂ на дно будет:

- это давление на дно остановленного бака путь h пройденный баком составит:

- снизу 2000 м-1078 м=922 м, от верха воздух-да 2. отнош.

Чтобы, остановленный бак 14 не «съезжал» на утечках воздуха через щели, на фиг. 13 вид К показан вариант размещения кругового надуваемого шланга 43 (пунктиром). В дальнейшем ведем расчеты с технологическими остановками для задач №1, 2, 3

Скорость воздуха через боковые воздуховоды 3, 4 зависят от величины площади их сечения. Если проходное сечение будет равно 1/2 от сечений вертикальных воздуховодов 1, 2, то скорость потока в них (см. табл. 1), будет в 2 раза больше т.е. 131,1 м/сек ⋅ 2=262 м/сек и т.д., но не больше скорости звука. В случае больших скоростей бака 14 необходимы будут технологические остановки в воздуховоде 2

Были получены ускорения α _кон. т.н. «холодных» стартов РН, которые показали скромные результаты около 7 м/сек². Увеличению разгонов (РН) поможет воздухонагревательное устройство 27 установленное между баком 14 и контейнером 11 с РН13, как показано на фиг. 14.

Термодинамическое воздействие

Пример: второй - следующей возможностью, может быть получение больших ускорений α _кон., за счет термодинамических процессов. Будем подогревать воздух, под разгоняемыми РН и применим для расчетов объединенный газовый закон Клайперона и решим следующие задачи:

Задача №1: В воздуховоде 2 (фиг. 14) находится объем сжатого воздуха V₁=84717 м³ под давлением p₁=2,67 атм с первоначальной температурой T₁=50°С*. Определить при какой температуре Т₂ данный объем V₁ увеличится в 2,22 раза, а рабочее давление будет р₂=2,58 атм (табл. 1 стр. 12)

* при сжатии воздуха до V₁ температура поднимется примерно до ≈50°C

Нагреванием воздуха устройством 27, получен дополнительный объем V₂, с р₂=2,58 атм и стало возможным достичь ускорения α _кон.=4,3 м/сек² до выхода РН. При этом сохранилась масса воздуха в размере 244 т.Так же не потребовалась помощь третьего воздуховода.

Рассчитаем α _кон.=9,8 м/сек², для этого определим, с каким дополнительным усилием следует разгонять РН. Очевидно, что сначала определим добавочное α _доб.=9,8 м/сек² - 4,3=6,5 м/сек². Теперь определим силу F=m⋅α, F=800t⋅6,5 м/сек²=5200Н=520 т, это то усилие F, которое надо добавить к предыдущей, F равной 1244 т, стр. 12 табл. 1 (1-я строка). Определим дополнительное давление на днище контейнера 11 с РН13 в атм, причем масса бака 14, как и в задаче №1 равна 2100 т.

Задача №2: В воздух-де 2 (фиг. 14) находится объем воздуха V₁=84717 м³ под давлением p₁=2,67 атм с начальной температурой T₁=50°С. Определить, при какой температуре Т₂ данный объем V₁ увеличится в 2,22 раза, а давление повысится до p₂=3,24 атм ? (р₂=2,58+0,66=3,24 атм - рабочее давление).

Пробуем получить α _кон.=29,4 м/сек², для этого определим, с каким дополнительным усилием следует разгонять РН. Очевидно, что сначала определим добавочное α _доб.=29,4 м/сек² - 6,35=23,05 м/сек². Определим силу F=m⋅α, -F=800t⋅23,05 м/сек²=18440Н=1844 т, это та часть силы F, которую надо добавить к предыдущей равной 1557 т, стр. 12 табл.1. Дополнительное давление на днище контейнера 11 с РН13 в атм.

Если будет использована технологическая остановка бака 14 (массой 4200 т) в воздуховоде 2, с учетом давления сжатого воздуха - то он будет находиться - снизу 2000 м-538 м=1462 м, от верха воздуховода 2.

При остановке бака 14 на высоте h от бассейна в 538 м, из-за сжатия воздуха изменятся его параметры, для решения задачи они будут: раза и T₁ значительно повысится. Перед решением задачи №3 определим начальную T₁. Эту температуру T₁ примем по аналогии работы газовой турбины. Компрессор газовой турбины обеспечивает повышение давления воздуха в 5-7 раз. Процесс сжатия происходит адиабатно, поэтому температура повышается до 200°С и более.^***4 Т.к. в нашем расчете отношение 4,45, то T₁ примем 200°С. Перед решением задачи рассмотрим некоторые моменты. Освобождаем захваты контейнера 11 с РН13, при этом под баком 14 его сжатый воздух с давлением - p₁=5,35 атм. и объемом V₂=42279 м³ переходит в возд-вод 1.

В это время бак 14 (массой 4200 т) начинает, как и контейнер 11 с РН13 (массой 800 т) двигаться с ускорением α=6,35 м/сек². Весь сжатый воздух с p₁=5,35 кг/см² перейдет в воздуховод 1 и произведет свою часть работы по ускорению РН. Давление воздуха выровняется с p₁=5,35 кг/см² до р₂=5,32 кг/см². (р₂=2,98+2,34=5,32 атм - рабочее давление)

Задача №3: В воздух-де 2 (фиг. 14) находится объем воздуха V₁=42279 м³ под давлением p₁=5,35 атм. с первоначальной T₁=200°С. При полном переходе данного объема воздуха в воздуховод 1, его параметры изменятся. Определить: при какой температуре Т₂, объем V₁ увеличится в 4,45 раза, а давление будет выровнено до р₂=5,32 кг/см² ?

При решении задачи №3 достигнуто ускорение α _кон.=29,4 м/сек². Температура подогрева объема сжатого между баком и контейнером воздуха составила 1820°С,

Важное замечание: соотношение между временем достижения РН и баком своих конечных точек должно быть таким, чтобы бак успевал вытеснить весь воздух на своем пути h из воздуховода 2 в воздуховод 1.

В задаче №1: - (РН) за 30,5 сек достигает выхода и скорости в 131,1 м/сек. Спуск бака с высоты 1078 м происходит за время с учетом α _кон.=4,3 м/сек² - условие соблюдено! Скорость падения бака v_ск.=α⋅t. v_ск.=4,3⋅22,4=96,32 м/сек.

В задаче №2: - (РН) через 20,2 сек выходит из воздуховода 1, а бак достигает бокового воз-да 4, (табл. 4). Проверка: путь h=1078 м, с учетом α _бак=4,3 м/сек², при Бак падает 22,4 сек. - условие не соблюдено! Выход из положения, отпустить с места бак и РН и начать через 2-3 сек подогрев воздуха, например: на высоте h=850 м от бокового воздуховода 4, тогда при t=19,8 cек - условие будет выполнено! v_ск.=4,3⋅20,1=86,4 м/с - падения бака.

В задаче №3: - РН через 11,66 сек выходит из воздуховода 1, табл. 4 Путь h=538 м, с учетом α _бак.=6,35 м/сек², при этой высоте 2⋅538 м=6,35⋅t², Бак падает 13 сек. - условие не соблюдено!. Выход из положения, как и в задаче №2. Установим высоту в 400 м от бокового воздуховода 4. Тогда в этом случае условие времени полного вытеснения воздуха из воз-да 2 соблюдено! Бак падает 11,2 сек его скорость v_ск.=6,35⋅11,22=71,2 м/сек.

Скорости падения баков: задачах №1, 2, 3 равны v_ск.=96,3 м/сек, - 86,4 м/сек, - 71,2 м/сек. Баки еще более замедляют свои ускорения в условиях действия закона сохранения импульсов для системы из 2-х тел. О сложных, совместных ускорениях бака и РН, будет сказано ниже. Так, что технологические остановки полезны, для уменьшения скорости падения баков.

Выбранная схема достижения полученных ускорений α _кон. за счет термодинамики, базируется на предыдущем материале, рассчитанных т.н. «холодных» ускорениях и на них основывается.

Рассмотрим физику достижения дополнительных ускорений а кон. для РН в задачах №2 и №3. На фиг. 16. показана эквивалентная «механическая» система для рассчитанных процессов ускорений, в виде блока на подвесе и двух грузов на нити. На фиг. 16 представлен идеальный блок (левую часть считаем просто массой), на алгоритме, которого выполнены вычисления ускорений (α) в данной работе. В блоке видоизменена левая часть. Допустим масса груза mg=1 установлена на сжатую пружину, лежащую на опорном диске. Опорный диск соединен нитью, пропущенную через пружину и отверстие в грузе и далее через блок, с грузом массой условно mg=5. Условимся: диск, пружина и нить невесомы. Натяжение нити обозначим Т, оно равно при любых движениях грузов. Когда правый груз большей массы mg=5 начинает воздействовать на левый груз меньшей массы mg=1, то груз слева ускоряется вверх, а справа груз большей массы mg=5 ускоряется вниз, причем с одинаковыми ускорениями(α). Если в этот момент отпускается и начинает разжиматься (пунктиром) пружина, то она передает силу упругости на груз с массой mg=1 и ускоряет его и одновременно действует и на опорный диск с прикрепленной нитью. Нить, через блок, своим натяжением Т передает силу упругости пружины на правый груз. Если, до разжатия пружины каждый груз двигался с равными ускорениями (α), то после разжатия пружины все изменилось. Появляется сложное движение т.н. - «ускорение на ускорении». Груз с массой mg=1 стал двигаться за счет разжатия пружины, допустим с «пятикратным ускорением» относительно первоначального (α) в связке с правым грузом mg=5. А грузу с массой mg=5 по нити также передалось упругое усилие пружины, но это усилие направлено вверх т.е. на замедление первоначального ускорения (α) тяжелого груза. Здесь наблюдаем действие третьего закона Ньютона, где сила действия равна силе противодействия, а также на основании этого закона - действие теоремы импульсов. На этом основании допустим левый груз с массой mg=1 ускорился в 5 раз, во столько же раз правый груз с массой mg=5 уменьшит свое ускорение. По закону сохранения импульсов для системы из 2-х тел, которая связана зависимостью V₁⋅m₁+V₂⋅m₂=0. Можно так же видоизменить формулу α₁⋅m₁+α₂⋅m₂=0. Если α₁=5, α₂=1, m₁=1 и m₂=5, то ускорение α₂=-1

Это отрицательное ускорение относится и к падающему-скатывающемуся баку 14, которое позволит еще более замедлить скорость его падения в бассейн 17.

На фиг. 17 изображена связка тел с такими же массами грузов, как на фиг. 16, но только ускорение -α в горизонтальном направлении идет вместе с объемом воздуха V заключенного между ними. Грузы движутся по рельсам на тележках, а объем воздуха V удерживается условно, упорным стержнем. Если в момент ускоренного движения -α снизу в отверстие подать горячий воздух, то объем начнет увеличиваться, и тело с меньшей массой начнет ускорятся влево в тоннеле быстрее допустим (5 м/с²), а тело большей массы направо - медленнее в (1 м/с²). Здесь так же имеет место действие теоремы сохранения импульсов. Тело с меньшей массой будет ускорятся быстрее, чем тело с большей массой. Если мысленно «развернем» тоннель на оправе (см. фиг. 17), то получим аналог наших воздуховодов со всеми приведенными разгонными процессами.

Интересен вопрос, сколько потребуется топлива для нагрева данной массы воздуха в 244 т ? Решим эту задачу для задачи №3 - стр. 22.

Задача №4. Сколько необходимо бензина, чтобы нагреть массу воздуха в 244000 кг, с Т₁=200°С до Т₂=1820°С? - (1820°С-200°С=1620°С)

Ответы для задач №1 и №2 - №1=2238 кг, №2=3822 кг бензина соответственно.

Представляю в возможном географическом размещении, данного устройства запусков РН.

На географической с.ш. 52° - расположен космодром "Восточный", а есть место еще восточнее в р-не г. Уссурийска, где с.ш. 45°. В этих точках скорость вращения поверхности Земли равны: 285 м/сек и 327 м/сек. соответственно. Там в Приморье, есть и вершины достигающие 2000 м.

При ускорении (РН) -α _кон=9,8 м/сек² в воздух-дах 1, 2 - 2 км, - 4 км, - 8 км, используя табл. 4, 5 и 6 - (45° с.ш.) и с учетом наклонения орбиты для (РН) к северному полюсу, посмотрим какие относительные скорости выхода могут быть достигнуты на этой географ. широте см. табл. 7.

Вектор скорости V - м/сек для (РН) составит 327 м/сек ⋅ cos 45°=231 м/сек

На северной ш. 52°, где расположен космодром "Восточный" можно получить скорость так же высокую, до - 400 м/сек. вместо 429 м/сек.

По результатам расчетов возможных скоростей разгона (РН) в предлагаемом устройстве, составим таблицу - 8: для "Ангара-А5,"-7" -773 т, без учета приращения скорости за счет вращения Земли, по табл. 7.

В табл. 8 показаны минимальные скорости разгона (РН) при S=2000m

Показываю ниже график полета ракеты носителя Falcon 9 Heavy, запуск - 03.09.20 г. (данные из Интернета) см. табл. 9. Сравним график и таблицу 8 для (РН) "Ангара-А5", которую предполагается разгонять в воздуховоде 1 устройства запусков, по расходу топлива.

При сравнении таблиц 8 и 9, виден выигрыш в экономии топлива для предлагаемого устройства запусков (РН). Так при достижении скорости в 198 м/сек, (см. табл. 8), в воздуховоде 1, высотой 2000 м и в течении разгона (РН) - 20,2 сек., топливо не тратилось. По другой (табл. 9) за 44 сек. топлива сгорело ≈44 т, (почти ж/д цистерна), а достигнутая скорость около 220,6 м/сек. (разница всего - 22,6 м/сек). Рассмотрена картина, без учета приращения скорости (РН), от вращения Земли. Сложенная скорость с учетом вращения Земли составит 429 м/сек (см. табл. 7), а это почти 463 м/сек, как на экваторе. Хотя надо отметить, что Американские космодромы имеют более близкое и выгодное расположение к экватору Земли, что позволят забрасывать на орбиту более массивные объекты.

Если доведем скорость до 485 м/с при высоте воздуховода 1, h=4000 м (см. табл. 5 стр. 25), то даже без учета «помощи», от вращения Земли запуски (РН) в России станут самыми экономичными и грузоподъемными в мире.

Рассматривать грузоподъемность (РН) при скорости в 429 м/сек не будем (см. табл. 7). Существующие данные лежат в пределах 25-30% при запусках в р-не экватора (космодр. - Куру).

Рассмотрим только экономию топлива по разгону ракет-носителей по результатам развиваемых скоростей в воздуховодах: с высотой, S=(2 - 4 - 8) км. Для этого применим закон сохранения импульсов для системы из 2-х тел, которая связана зависимостью V₁⋅m₁+V₂⋅m₂=0. Где примем V₁ - скорость ракеты-носителя - 198 м/сек и т.д., m₁ - масса ракеты-носителя 773 т, V₂ - скорость истечения газа ≈3300 м/сек, m₂ - масса сгоревшего топлива (газа). Отсюда из известных параметров находим массу сэкономленного топлива при разных высотах S воздуховода 1. Так для скорости в 198 м/сек, экономия топлива, (почти совпадает см. строка 2, в табл. 9), при 280 м/сек - =65,6 т, при 396 м/сек - =92,7 т. Если применить из табл. 5 - v_ск.=485 м/сек, то 113,6 т

При такой экономии топлива, и при использовании трех-ступенчатой ракеты-носителя (РН) "Ангара-А5", можно догрузить выводимый на орбиту блок соответственно: еще на - 3,3 т, - 4,6 т, - 6,6 т.и 8,1 т. Расчет получен по известным аналогиям, делим указанные выше расходы топлива на 14.

Здесь не учтена еще скорость, прибавляемая от вращения Земли, что приведена, в табл. 7, на стр. 26, и с учетом этого, все перечисленные результаты догрузок можно увеличить, в пределах еще на 25-30%.

Заключение:

1. Предлагаемое устройство для запусков разнообразных по массе ракет-носителей (РН) представляет из себя настоящий космический испытательный стенд - лабораторию. Здесь могут отрабатываться и находить решения задачи, по разнообразным пускам, которые недоступны никаким существующим средствам: по грузоподъемности и скорости.

2. В составе устройства целесообразно иметь малый воздуховод диаметром - ∅7 м. для целей использовании в качестве запусков более легких типов ракет и т.д.

3. Современные технологии строительства позволяют выполнить предлагаемое изобретение качественно и в короткие сроки. Мой взгляд, необходимо использовать строительство тоннелей для воздуховодов в горах высотой не менее 2000 м над уровнем моря. Затем можно достраивать более высокую надстройку воздуховодов уже на верхней площадке.

Приложение: К описанию заявочных материалов на 28 стр.

*** Список использованной литературы

1. А.С. Енохович

Справочник по физике и технике, Москва. Просвещение 1989 г.

стр. 91 табл. 100, «скорость звука в воздухе при различ. температуре t°С»

стр. 49 табл. 47 на «плотность атмосферы ρ на разной высоте h над Землей»

стр. 60 табл. 100 «Коэффициент трения качения»

стр. 110 и 111 табл. 139, «темпер. коэффициент линейного расширения металла t°C»

стр. 110 и 111 табл. 135, 136 «Удельные теплоемкости воздуха и бензина»

2. Г.Г. Ростовцев

Выбор конструкционных материалов, Москва. Лениздат 1969 г.

стр. 52 табл. Выбор марки улучшенной стали - сталь 45

стр. 48 - последняя строка - сталь Х18Н9

3. Справочник по технической механике.

Под редакцией акад. А.Н. Динника ОГИ3-ГОСТЕХИЗДАТ-1949

стр. 600, «формула расчета стальных дисков»

стр. 72, табл. 13, коэфф. трения

4. О.Ф. Кабардин

Физика, Справочные материалы

Москва Просвещение 1991 г.

Стр. 112 - Газовая турбина, примеры решения задач.

Изобретение относится к космонавтике, а точнее к стартовым комплексам. Комплекс запуска ракет-носителей (РН) содержит шахтную пусковую установку и контейнер, выполненный с возможностью размещения РН. В вертикальном воздуховоде на контейнере с рельсовой тележкой установлена подставка, выполненная с возможностью размещения ракеты-носителя. Вертикальный воздуховод сообщается посредством боковых воздуховодов со вторым вертикальным воздуховодом, в котором на рельсовой тележке установлен бак с водой с возможностью при свободном падении-скатывании по рельсам привести в движение объем воздуха в сообщающихся воздуховодах так, чтобы, с одной стороны, аккумулировать энергию сжатого воздуха под контейнером для его ускорения и, с другой, разряженным воздухом снизить сопротивление на его пути. На первом воздуховоде установлены створчатая крышка, дренажные каналы и воздухонагреватель, а во втором размещен бассейн. Боковые воздуховоды и дренажные каналы содержат клапаны, а между колес рельсовых тележек контейнера и бака установлены круговые, секторные пластины, с возможностью создания щелевых уплотнений у стенок воздуховодов, на которых размещены воздухонапорные устройства. Достигается экономия топлива. 3 з.п. ф-лы, 17 ил., 9 табл.

1. Комплекс запуска ракет-носителей (РН), включающий шахтную пусковую установку и контейнер, выполненный с возможностью размещения РН, отличающийся тем, что в вертикальном воздуховоде на контейнере с рельсовой тележкой установлена подставка, выполненная с возможностью размещения ракеты-носителя, при этом вертикальный воздуховод сообщается посредством боковых воздуховодов со вторым вертикальным воздуховодом, в котором на рельсовой тележке установлен бак с водой с возможностью при свободном падении-скатывании по рельсам привести в движение объем воздуха в сообщающихся воздуховодах так, чтобы, с одной стороны, аккумулировать энергию сжатого воздуха под контейнером для его ускорения и, с другой, разряженным воздухом снизить сопротивление на его пути, при этом на первом воздуховоде установлены створчатая крышка, дренажные каналы и воздухонагреватель, а во втором размещен бассейн, причем боковые воздуховоды и дренажные каналы содержат клапаны, а между колес рельсовых тележек контейнера и бака установлены круговые, секторные пластины, с возможностью создания щелевых уплотнений у стенок воздуховодов, на которых размещены воздухонапорные устройства.

2. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что вокруг створчатой крышки в форме конического колпака установлены дренажные каналы, при этом колпак содержит круговой набор равнобедренных треугольных створок, снабженных форточками, которые установлены напротив пневмоцилиндров, с возможностью легкого раскрытия створок колпака, а также движением скоростного потока воздуха вокруг колпака снизить ударные нагрузки на головной обтекатель, при выходе (РН) из воздуховода.

3. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что в воздуховодах корпусы контейнера и бака установлены с зазором, с возможностью обеспечить его при тепловых расширениях их материалов, при этом на штыри смежных колесных букс тележек установлены своими пазами круговые секторные пластины с термопокрытием, которые установлены с минимальным зазором к стенкам воздуховодов.

4. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что содержит в каналах боковых воздуховодов клапаны, например, шиберного типа.