ПОСАДОЧНОЕ УСТРОЙСТВО МНОГОРАЗОВОЙ ПЕРВОЙ СТУПЕНИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ И СПОСОБ ЕЁ ПОСАДКИ Российский патент 2024 года по МПК B64G1/62 

Область техники

Изобретение относится к области ракетно-космической техники и может найти применение при создании многоразовых ступеней ракет-носителей.

Уровень техники

Известен проект посадочного устройства возвращаемой ступени ракеты-носителя (Журнал «ПРЕТИЧ» 25.01.2022, статья «Вертолет спасает космическую ракету - проект»), содержащего контейнер с парашютами, вертолет с устройством захвата троса вытяжного парашюта, и способ посадки ступени, заключающийся в том, что на заданной высоте парашюты вводятся в воздушный поток, после чего вертолет с помощью специального троса с устройством захвата цепляет трос вытяжного парашюта ступени и далее обеспечивает транспортировку и посадку ступени на посадочную площадку. В декабре 2021 года американская космическая компания Rocket Lab успешно реализовала этот проект, посадив первую ступень легкой ракеты «Электрон». Недостаток устройства и способа посадки ступени заключается в недостаточной надежности сохранения ступени и невозможности посадки таким способом тяжелых ступеней с помощью вертолета.

Известно также посадочное устройство возвращаемой ступени ракеты-носителя (Журнал «Репортер», статья «Возрождение «Байкала»: что не так с российской многоразовой ракетой?»), принимаемое за аналог, содержащее в сложенном состоянии вдоль корпуса ступени раскладываемое крыло, а также элементы стабилизатора, убранные шасси для посадки «по-самолетному» на взлетно-посадочную полосу (ВПП) аэропорта, систему управления с турбореактивными двигателями для управляемого полета в атмосфере и с запасом топлива для них, и способ посадки ступени, заключающийся в том, что на заданной высоте после отделения ступени включается система управления, последовательно раскладывающая крыло, включающая турбореактивные двигатели и обеспечивающая выпуск шасси для посадки ступени на ВПП и управление полетом. Недостаток аналога и способа его посадки заключается в существенном увеличении веса ступени, снижающем эффективность ракеты-носителя в целом.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и принимаемым в качестве прототипа, является посадочное устройство возвращаемой первой ступени ракеты-носителя и способ ее посадки, примененные в проекте ракеты-носителя «Амур-СПГ» (Википедия). Посадочное устройство состоит из четырех раскладываемых до касания посадочной площадки с малой скоростью посадочных опор, установленных в нижней части ступени и обеспечивающих сохранение конструкции ступени при посадке, системы управления посадкой, включающей используемые для посадки дросселируемые маршевые двигатели, установленных в нижней части ступени, и системы ориентации с реактивными двигателями, осуществляющими приведение ступени перед посадкой в вертикальное положение, и способа посадки, заключающегося в раскладывании посадочных опор и приведении ступени в вертикальное положение до момента касания посадочной площадки с малой скоростью нижними посадочными опорами. Недостаток прототипа заключается в необходимости иметь маршевые двигатели многократного включения, а также оставлять после отделения 13 т топлива для обеспечения работы маршевых двигателей на участке спуска, что приводит к уменьшению массы выводимого на низкую околоземную орбиту полезного груза с 12,5 т до 10,5 т.

Таким образом, известные технические решения не могут обеспечить посадку многоразовой первой ступени ракеты-носителя без существенного снижения надежности приведения ступени в заданный район или массы выводимого на орбиту полезного груза.

Причиной, препятствующей решению этой технической проблемы, является отсутствие проектов способов посадки многоразовой первой ступени ракеты-носителя, обеспечивающих необходимую надежность приведения ступени в заданный район и минимальное снижение массы выводимого на орбиту полезного груза.

Раскрытие сущности изобретения

Предлагается способ посадки многоразовой первой ступени ракеты-носителя, обеспечивающий необходимую надежность приведения ступени в заданный район приземления с минимально возможным уменьшением массы выводимого на орбиту полезного груза.

а. Предлагается способ посадки многоразовой первой ступени ракеты-носителя, содержащий операции раскладывания нижних посадочных опор и приведения ступени в вертикальное положение до момента касания посадочной площадки с малой скоростью посадочными опорами. Сразу после отделения ступени на восходящем участке траектории осуществляются операции освобождения лопастей несущего винта и их выведения в рабочее положение за счет набегающего потока воздуха. Перевод несущего винта на режим авторотации и ориентация продольной оси ступени осуществляются за счет набегающего потока воздуха. С момента начала работы на выходе до обратного входа в плотные слои атмосферы и при их прохождении поддержание постоянных заданных оборотов несущего винта обеспечивается путем управления общим шагом лопастей. После перехода на участок траектории с установившимся пониженным скоростным напором и пониженной скоростью вертикального снижения осуществляется одновременное управление общим и циклическим шагом лопастей для обеспечения необходимой надежности приведения ступени в заданный район приземления. Перед касанием Земли осуществляется раскладывание посадочных опор и быстрое увеличение общего шага лопастей, уменьшается скорость их вращения, но увеличивается подъемная сила винта, благодаря чему гасится остаточная скорость снижения ступени.

Задачей этого изобретения является разработка способа посадки многоразовой первой ступени ракеты-носителя, обеспечивающего необходимую надежность приведения ступени в заданный район приземления с минимально возможным уменьшением массы выводимого на орбиту полезного груза.

Поставленная задача решается тем, что способ посадки многоразовой первой ступени ракеты-носителя, содержащий операции раскладывания нижних посадочных опор и приведения ступени в вертикальное положение до момента касания посадочной площадки с малой скоростью посадочными опорами, согласно изобретению сразу после отделения ступени на восходящем участке траектории осуществляются операции освобождения лопастей несущего винта и их выведения в рабочее положение за счет набегающего потока воздуха, перевод несущего винта на режим авторотации, поддержание постоянных заданных оборотов несущего винта с момента начала работы на выходе до обратного входа в плотные слои атмосферы и при их прохождении путем управления общим шагом лопастей, а после перехода на участок траектории с установившимся пониженным скоростным напором и пониженной скоростью вертикального снижения осуществляется одновременное управление общим и циклическим шагом лопастей для обеспечения необходимой надежности приведения ступени в заданный район приземления, при этом перед касанием Земли осуществляется раскладывание посадочных опор и быстрое увеличение общего шага лопастей, уменьшается скорость их вращения, но увеличивается подъемная сила винта, благодаря чему гасится остаточная скорость снижения ступени.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

На фиг. 1 приведена схема посадочного устройства многоразовой первой ступени ракеты-носителя.

На этой схеме:

1 - основание;

2 - неподвижная труба;

3 - вращающаяся труба;

4 - втулка несущего винта;

5 - втулка вертикального шарнира;

6 - ротор реверсивного шагового электродвигателя;

7 - статор реверсивного шагового электродвигателя;

8 - неподвижная труба;

9 - неподвижная площадка;

10 - приемная антенна;

11 - радиопрозрачный обтекатель;

12 - опорный подшипник осевого шарнира;

13 - радиально-упорный подшипник осевого шарнира;

14 - радиально-упорный подшипник между трубами;

15 - опорный подшипник между трубами.

Осуществление изобретения

Пример возможной реализации предложенного технического решения.

Посадочное устройство многоразовой первой ступени ракеты-носителя состоит из четырех посадочных опор (на фиг. 1 не показано), установленных симметрично в нижней части ступени. Посадочное устройство (фиг. 1) состоит из основания 1, опирающегося на верхнюю обечайку ступени, установленной на нем неподвижной силовой трубы 2, вращающейся трубы 3 с закрепленной на ней сверху втулкой несущего винта 4. При этом втулка вертикального шарнира 5 лопасти соединена с ротором реверсивного шагового электродвигателя 6, который вместе со статором реверсивного шагового электродвигателя 7 образует осевой шарнир несущего винта. Внутри вращающейся трубы 3 закреплена неподвижная труба 8, проходящая через вращающуюся втулку несущего винта 4 и заканчивающаяся неподвижной площадкой 9, на которой установлена приемная антенна 10 аппаратуры потребителя системы глобального навигационного позиционирования под радиопрозрачным обтекателем 11. В конструкции устройства применены опорный подшипник осевого шарнира 12, радиально-упорный подшипник осевого шарнира 13, радиально-упорный подшипник между трубами 14 и опорный подшипник между трубами 15.

Устройство имеет следующие характеристики. Диаметр цилиндрической части корпуса ступени равен 4,1 м, масса ступени в момент касания поверхности Земли принята большей на 1 т ее сухой массы за счет заполнения топливных магистралей и гарантированного остатка топлива и равной 26,4 т.Число лопастей несущего винта равно 6. Длина лопастей равна 10 м, ширина 0,3 м. Лопасти несущего винта, их силовые элементы и обшивка изготовлены из титана. Суммарная масса ступени за счет применения несущего винта увеличивается на 1,3 т. В многоразовом варианте на участке выведения первой ступени не используются 13 т с целью обеспечения ее последующего динамического спуска, что приводит к снижению массы выводимого на низкую околоземную орбиту полезного груза на 2 т.Отсюда следует, что при увеличении массы ступени на 1,3 т за счет использования несущего винта масса выводимого на низкую околоземную орбиту полезного груза уменьшается на 0,2 т и становится равной 12,3 т.

В результате применения настоящего изобретения техническое решение, направленное на разработку способа посадки многоразовой первой ступени, обеспечивающего необходимую надежность приведения ее в заданный район и минимальное снижение массы выводимого на орбиту полезного груза, реализуется за счет применения способа спуска ступени в атмосфере Земли «по-вертолетному» в режиме авторотации без затрат топлива.

Изобретение относится к области ракетно-космической техники, а более конкретно к посадке элементов ЛА. Способ посадки многоразовой первой ступени ракеты-носителя включает операции раскладывания посадочных опор и приведения ступени в вертикальное положение до момента касания посадочной площадки с малой скоростью посадочными опорами. При этом сразу после отделения ступени на восходящем участке траектории осуществляются операции освобождения лопастей несущего винта и их выведения в рабочее положение за счет набегающего потока воздуха, перевод несущего винта на режим авторотации. Заданные обороты несущего винта поддерживаются с момента начала работы на выходе до обратного входа в плотные слои атмосферы и при их прохождении путем управления общим шагом лопастей. После перехода на участок траектории с установившимся пониженным скоростным напором и пониженной скоростью вертикального снижения осуществляется одновременное управление общим и циклическим шагом лопастей. Перед касанием земли осуществляется раскладывание посадочных опор и быстрое увеличение общего шага лопастей. Достигается надежность приведения ступени в заданный район. 1 ил.

Способ посадки многоразовой первой ступени ракеты-носителя, содержащий операции раскладывания посадочных опор и приведения ступени в вертикальное положение до момента касания посадочной площадки с малой скоростью посадочными опорами, отличающийся тем, что сразу после отделения ступени на восходящем участке траектории осуществляются операции освобождения лопастей несущего винта и их выведения в рабочее положение за счет набегающего потока воздуха, перевод несущего винта на режим авторотации, поддержание постоянных заданных оборотов несущего винта с момента начала работы на выходе до обратного входа в плотные слои атмосферы и при их прохождении путем управления общим шагом лопастей, а после перехода на участок траектории с установившимся пониженным скоростным напором и пониженной скоростью вертикального снижения осуществляется одновременное управление общим и циклическим шагом лопастей для обеспечения необходимой надежности приведения ступени в заданный район приземления, при этом перед касанием Земли осуществляется раскладывание посадочных опор и быстрое увеличение общего шага лопастей, уменьшается скорость их вращения, но увеличивается подъемная сила винта, благодаря чему гасится остаточная скорость снижения ступени.