Воздушно-космический летательный аппарат многоразового применения Советский патент 1993 года по МПК B64G1/14 

Изобретение относится к авиакосмической технике, а именно к конструкциям летательных аппаратов многоразового применения.

Целью изобретения является повышение надежности и грузоподъемности аппарата.

На фиг. 1 изображен общий вид аппарата, содержащего две кольцевые камеры сгорания; на фиг.2 - схема лопасти многолопастной системы; на фиг.З - второе исполнение корпуса аппарата со значительным расширением сквозной полости, вдоль оси аппарата, куда установлена многолопастная система с килями и содержащий три и более кольцевые камеры сгорания.

Воздушно-космический летательный аппарат содержит корпус 1, выполненный в виде усеченного конуса торообразной формы, в центральной части которого, вдоль оси аппарата, имеется сквозная полость 2, расширяющаяся от середины корпуса к его торцам.

В верхней части корпуса установлен рассекатель воздуха 3, выполненный в виде устройства, состоящего из нескольких звеньев, собранных в кольцевое сопло, имеющего два положения: при первом положении сопловая часть направлена вперед, в сторону движения аппарата с поверхности земли на орбиту, и второе положение, после выхода аппарата на орбиту земли, при котором сопловая часть развернута на периферию на угол 90 ± 5° градусов.

В нижней части аппарата, с наружи корпуса установлено нижнее рулевое сопло 4, состоящее из звеньев, сопловые части которых направлены на периферию на угол 90 ±5° к оси аппарата.

Жидкостной ракетный двигатель установлен в нижней части аппарата и содержит две кольцевые камеры сгорания: основную 5, и дополнительную б, частичное центральное тело 7, выполненное в виде продолжения одной стороны сопла. Кольцевое сопло основной камеры сгорания 5, во время старта направлено в противоположную сторону движения аппарата и развернуто к оси аппарата на угол 15± 1°. Сопло дополнительной кольцевой камеры сгорания 8 в момент старта также направлено в противоположную сторону движения аппарата и развернуто на угол 15 ± 1° к оси аппарата. После выхода аппарата на орбиту земли сопловая часть дополнительной кольцевой камеры сгорания б разворачивается от первоначального положения на периферию на угол 30 ± 1°.

Для охлаждения нагревающихся элементов аппарата, жидкостной ракетный двигатель содержит воздушно-космическую рубашку 8, выполненную в виде камер,

охватывающих кольцевые камеры сгорания, частичные центральные тела. Система охлаждения состоит из трех основных элементов: всасывающей с воздухозабором от сквозной центральной полости аппарата,

самой рубашки, охватывающей нагревающиеся элементы аппарата и выхлопной частью, соединяющую рубашку с местом выхода нагретого рабочего тела кольцевых камер сгораний.

С наружи корпуса аппарата выше общего центра тяжести аппарата, установлена многолопастная система 9, привод которой осуществляется с помощью турбин торообразной формы 10 по соосной схеме. Под

каждой парой турбин, имеющих противоположные направления вращений, и на торцах центральной сквозной полости 2 установлены кили 11,12,13,прикрепленные к корпусу аппарата, по 4 штуке на каждом уровне,

имеющие угол между собой и по отношению к оси аппарата 90 ± 5°.

На фиг.2 изображена схема лопасти многолопастной системы 9, снабженная раструбами 14, соплами 15, 16, автррегуляторами 17, 18, 19, устройством изменения геометрии лопасти 20.

Раструбы 14, выполненные в виде сплюснутой воронки, проходят сквозь лопасть снизу кверху (при нахождении лопасти на ребре) загнуты сужающейся частью влево от оси лопасти на угол 45 ± 1° между направлениями в сторону турбины торообразной формы и стороны самопроизвольного раскручивания лопасти под действием

потока воздуха, действующего на него при посадке на землю.

Тормозное сопло 15 и сопло ускоренного раскручивания многолопастной системы 16 установлены на конце лопасти, сквозь

которую происходит их соединение с турбиной торообразной формы через авторегуляторы 17. 18, 19. Тормозное 15 и разгонное 16 сопла 1 б развернуты между собой на угол 90 ± 5°, а тормозное сопло 15, по отношению к вертикали (при нахождении лопасти на ребре) имеет угол 45 ± 1°.

Клапаны авторегулятора 17, 18, 19 выполнены в виде цилиндра, заглушенного по торцам, внутри которого помещен поршень

с возвратной пружиной. Поперек цилиндра по диаметру имеется проход рабочему телу. Клапаны 18 и 19 имеют два положения От-- крыто и Закрыто, клапан 17-три положения поршня ; при крайних положениях

Открыто а в среднем положении Закрыто.

Устройство автоматического изменения лопасти находится на расстоянии 1 /4 длины лопасти от турбины торообразной фор- мы и состоит из поднимающейся части лопасти с его основанием и возвратной пружины 20, установленной в клинообразной прорези (при нахождении лопасти на ребре). Изменение геометрии лопасти про- исходит путем поднятия лопасти на угол 30±5°.

На фиг.З изображено второе исполнение корпуса аппарата 22. По сравнению с его первым (вышеуказанным) второе испол- нение имеет значительно расширенную сквозную полость вдоль оси аппарата, где установлены многолопастная система 23 с килями 24. Кили 25, 26 имеют большие размеры по сравнению с размерами килей 12, 13 (фиг.1). Многолопастная система при первом исполнении корпуса аппарата имеет форму ромашки, а во втором исполне- нии - звездочки. Торообразное исполнение корпуса аппарата позволяет применять две и более кольцевые камеры сгорания. В качестве рассекателя воздуха, а также верхних рулей применяется секционное кольцевое сопло 27. В качестве привода многолопастной системы используется тур- бина торообразной формы 28. .

Принцип действия аппарата заключается в следующем. ,

Стартовый запуск аппарата. . Во время стартового запуска аппарата приводится во вращательное состояние многолопастная система 9 (фиг.1) лопасти которой находятся в рабочем положении (не на ребре) путем подачи рабочего тела в турбину 10 торообразной формы. Рабочеетело, поступившее в турбину, одновременно с действием на лопатки турбины, проходит вдоль лопасти через клапан 17, открывающий проход рабочему телу в двух случаях, При вращении лопасти ниже номинальной скорости или выше нее проходит через клапан 19, который находится в открытом положении до тех пор, пока многолопастная система не наберет номинальную угловую скорость. При таком положении клапана 1-9 рабочее тело выходит наружу через сопло 16, создавая при этом дополнительную тягу многолопастной системе по принципу сег- нерово колесо. После установления номинальной угловой скорости клапаны 17, и 19 перекрывают проход рабочему телу к соплам 15,1 б, после чего остаются в закрытом положении.

Включается в работу рассекатель воздуха 3 (фиг. 1), предназначенный для уменьшения лобового сопротивления с помощью кольцевого сопла, направленного в сторону движения аппарата, через которое поступает узкий пучок рабочего тела. После выхода аппарата из атмосферы разворачивается сопловая часть 3 на угол 90± 5° на периферию и увеличивается пучок рабочего тела, выходящего через сопло. В последующем до самой посадки аппарата на землю оно выполняет функцию верхних реактивных рулей. Поворот верхней части аппарата производится за счет отключения одной из секций кольцевого сопла.

Включается в работу дополнительная кольцевая камера сгорания 6 жидкостного ракетного двигателя, сопловая часть которой установлена на стартовый режим работы и имеет направление выхода рабочего тела в противоположную сторону движения аппарата, т.е. смещена к оси аппарата на угол 15 ± 1°с целью использования эффекта частичного центрального тела (аналогично разработке проекта ракеты Нексесс),

С включением в работу основной коль- цевой камеры сгорания 5 она направлена в противоположную сторону движения аппарата и смещена к оси аппарата на угол 15± 1° также с целью использования эффекта частичного центрального тела. Аппарат начинает ускоренное Движение

Одновременно с начала работы кольце- . вых камер сгораний начинает работать система охлаждения 8, производящая охлаждение кольцевых камер сгораний 5, б и частично центральное тело 8 с помощью воздушно-космической рубат::и 8. Рабочее тело, выходящее от кольцевых камер сгораний 5. 6, создает разрежение в выхлопной части воздушной-космической рубашки, при этом забор воздуха производится из сквозной центральной полости 2, предназначенной для охлаждения нагревающихся элементов аппарата.

Управление аппаратом производится несколькими способами.

Кольцевой камерой сгорания 6, состоящей из нескольких отдельных секций, путем отключения той секции, в сторону которой необходимо осуществить поворот аппарата.

Реактивным рулем 4, состоящим из отдельных секций, путем включения или отключения группы или отдельной секции для. корректировки положения аппарата.

Кольцевым соплом 3 после того, как аппарат выйдет за пределы атмосферы и будет развернуто сопло на периферию на угол 90 ±5° путем включения или отключения отдельных секций.

Многолопастной системой (в пределах атмосферы) путем поворота плоскости верхней пары турбин торообразной формы в сторону необходимого перемещения.

С помощью килей 11, 12, 13,24, 25, 26. Для осуществления поступательного перемещения аппарата с помощью килей 11, 26, расположенных на одной прямой в противоположных сторонах от оси аппарата, их необходимо повернуть в одну и ту же сторону, а если кили 11, 12, 13, 24, 25, 26, расположенные на одной прямой в противоположных сторонах от оси аппарата, повернуть в разные стороны, то будет производиться вращательное движение аппарата. . Торможение аппарата.

Во время посадки аппарата на землю корпус 1 находится в таком же положении, как и при старте, рулевое кольцевое сопло 3, (27) находится в верхней части, а кольце- вое сопло 4 в нижней и расположено ближе к поверхности земли. Направление оси аппарата должно совпадать с направлением действия воздушного потока, воздух проходит сквозь полость 2. -

Перед посадкой аппарата на землю не- обходимо перевести лопасти многолопастной системы из рабочего положения в положение на ребро; кольцевые сопла камер сгорания, которые работают в тормоз- ном режиме, разворачиваются от первоначально стартового положения на уголЗО± 1° на периферию 6, фиг. 1.

Торможение аппарата производится за счет включения в работу тормозных кольце- вых камер сгорания б и 29, направленных в сторону движения аппарата.

Для защиты многрлопастной системы от разрушающего действия воздушного потока, под «корпусом аппарата образуется воздушная, которая образуется за счет раздвижения кольцевого сопла 6, на периферию на угол 30 ± 1°, при котором рабочее тело, выходящее из кольцевой камеры сгорания 6, образует газовую оболочку (юбку), под которой образуется воздушная подушка. ; Для защиты многолопастной системы 23 и килей 24, 25, 26 кольцевое сопло 29 от вертикального положения разворачивается на угол 15 ±1°, за счет чего образуется газовый конус, который предохраняет аппарат от разрушающего действия воздушного потока.

Принцип действия многолопастной сие- темы.

При входе аппарата в атмосферу в первоначальный момент многолопастная система выполняет пассивную функцию

самосохранения, лопасти установленные на ребро, могут перенести значительные нагрузки. После преодоления больших скоростей лопасти разворачиваются на угол 90 ± 1° и устанавливаются в рабочее положение, при котором сопла 15,16 и раструбы 14 направлены к верху.

Из-за наличия раструбок 14 при расположении лопасти на ребре уменьшается лобовое сопротивление воздушного потока, действующего на него снизу. Вместе с тем путем рекуперации энергию воздушного потока, проходящего сквозь раструбы, направляют таким образом, чтобы силы, возникающие при этом, противодействовали чрезмерному раскручиванию лопасти под действием потока огибающей лопасть с обеих сторон поверхности, -вместе с тем противодействовали силам, поднимающим лопасть кверху. После разворота лопасти в рабочее состоянй&функции раструбов из активного состояния переходят в пассивное.

На фиг.2, а изображено устройство автоматического изменения геометрии лопасти под действием сил воздушного потока, оказывающих давление на лопасть снизу, поднимающих лопасть кверху (при нахождении лопасти на ребре).

Под действием воздушного потока, огибающего лопасть, многолопастная система приводится во вращательное движение в левую сторону, если смотреть на сечение А-А фиг.2, б. С помощью шарнира 21 лопасть под давлением воздушного потока поднимается кверху, при этом сжимает возвратную пружину 20, установленную в клинообразной прорези лопасти.

На приподнятую лопасть, приведенную во вращательное движение, действует центробежная сила, направленная от турбины торообразной формы на периферию, и центростремительная, удерживающая лопасть с помощью шарнира 21 на окружности. В результате векторного сложения этих сил получается результирующая действующая сила Гд фиг.2.а, возвращающая приподнятую лопасть в перпендикулярное по отношению к оси аппарата положение.

Рд РЦб + Рцс

С целью ускоренного раскручивания многолопастной системы и в случаях экстренного торможения многолопастной системы по принципу сегнерово колесо применяется дополнительный привод многолопастной системы с помощью сопл 15, 16. Поступление рабочего тела к соплам 15, 16 происходит через клапаны 17, 18, 19 авторегулятора, открытие и закрытие которых происходит в зависимости от центробежной

силы, т.е. угловой скорости многолопастной системы.

В начальный момент, когда угловая скорость многолопастной системы меньше но- минального значения, клапан 19 ускоренного раскручивания многолопастной системы и клапан 17 общий находятся в открытом положении. С поступлением рабочего тела в турбину 10 и оказанием действия на ее лопатки приводят турбину во враща- тельное движение, а вместе с тем из турбины через клапаны 17, 19 рабочее тело проходит к соплу 16, создавая при этом дополнительную тягу по принципу сегнерово колеса для ускоренного раскручивания многолопастной системы. Под действием угловой скорости многолопастной системы при номинальном ее значении и центробежной силы поршни клапанов 17 и 19, сжимая возвратную пружину клапана, пе- рекрывают поступление рабочего тепа к соплам 15 и 16.

В случае превышения угловой скорости многолопастной системы его номинального значения под действием центробежной си- лы поршни клапанов 17 и 18 перемещаются вправо, открывая при этом проход рабочему телу к соплу 15, который за счет выпускаемого рабочего тела противодействует чрезмерному раскручиванию многолопастной системы и вместе с тем оказывает давление на лопасть, возвращая ее в перпендикулярное по отношению к оси положению. По достижении номинального значения угловой скорости поршни клапанов 17, 18 пере- мещаются влево, тем самым перекрывают проход рабочему телу к соплу 15, за счет чего прекращается процесс торможения.

Таким образом на складывающуюся на 3/4 части лопасти действует несколько сил, возвращающих лопасть в перпендикулярное по отношению к оси аппарата положение. Результирующая сила состоит из следующих величин:

Ррез Рвп+Рр+Рд+Рс,

где Fen - сила действия возвратной пружины;

Fp - сила действия раструбов;

Рд - результирующая сила сложения центробежной и центростремительных сил, вращающейся приподнятой лопасти;

FC - давление, оказываемое рабочим телом, выпускаемым через сопла 15, 16.

На фиг.З, изображено другое исполнение аппарата, имеющее следующие осо- бенности .по сравнению с предшествующим:

Центральная сквозная полость аппарата имеет значительно большие размеры в диаметре.

Многолопастнзя система и кили перенесены из наружной стороны корпуса аппарата в центральную полость.

Многолопастная система (фиг.1) имеет форму ромашки, а в другом случае (фиг.З) - форму звездочки.

Кольцевая камера сгорания 6 (фиг. 1) перед работой в тормозном режиме раздвигается на периферию, а камера 29 (фиг.З) - к оси аппарата.

Конструкция корпуса аппарата имеет более устойчивое равновесие, возможность применения нескольких камер сгораний 29, 30, 31, а следовательно, и большую грузоподъемность,

Изобретение отличается новым выполнением корпуса летательного аппарата, выполненного в виде усеченного конуса торообразной формы с установленным в верхней его части рассекателем воздуха, выполненным в виде кольцевого сопла, направленного в сторону движения аппарата для уменьшения лобового сопротивления воздуха.

Предлагаемый аппарат имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом: не имеет ускорителей одноразового применения; имеет большие возможности увеличения грузоподъемности аппарата; значительно уменьшено лобовое сопротивление воздуха; з а счет геометрической формы аппарата повышена прочность корпуса; повышена маневренность аппарата; торможение аппарата при посадке его на землю осуществляется без применения парашютной системы; для посадки аппарата на землю не требуется специальная дорогостоящая посадочная полоса; увеличение срока службы кольцевых камер сгораний и частичного центрального тела достигается путем применения воздушно- космического охлаждения.

Формула изобретения

1. Воздушно-космический летательный аппарат многоразового применения, содержащий корпус с установленными в нем ракетным двигателем с кольцевыми камерами сгорания и центральным телом, приводы и кили, о т л и ч а ю щи и с я тем, что, б целью повышения надежности и грузоподъемности аппарата, он снабжен дополнительными кольцевыми камерами сгорания, рулевыми кольцевыми секционными соплами, кольцевыми соплами-рассекателями и многолопастной системой с приводом, выполненным в виде турбины торообразной формы, и устройством поворота лопастей, при этом корпус аппарата выполнен в виде усеченного конуса торообразной формы со сквозным центральным каналом по оси аппарата и

камерами воздушного охлаждения ракетного двигателя, сообщенными с центральным каналом, причем дополнительные кольцевые камеры сгорания расположены вокруг основных кольцевых камер сгорания двигателя под углом 15 ± 5° относительно оси

2. Аппарат по п.1. б т л и ч а ю щи йс я тем, что многолопастная система снабжена дополнительным реактивным приводом и авторегулятором, причем реактивные приводы выполнены в виде двух сопл, расположенных на концах лопастей под углом

аппарата с возможностью их поворота на 90 ±5 между собой и на угол 45 ± 5 к

вертикали, а авторегулятор выполнен в виде заглушенного цилиндра с тремя клапанами, подпружиненным поршнем и сквозными поперечными отверстиями.

3. Аппарат по п.1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что кили установлены под углом между собой, перпендикулярно к оси аппарата и расположены под турбинами горообразной формы, а также в верхней и нижней частях центрального канала корпуса;;

угол 30 ± 1° от оси аппарата, кольцевые сопла - рассекатели установлены в верхней части корпуса по направлению от центра аппарата навстречу воздушному потоку, рулевые кольцевые сопла прикреплены к нижней части корпуса аппарата по периметру в плоскости, перпендикулярной к его оси, многолопастная система установлена по периметру вокруг корпуса аппарата выше центра его тяжести, а ее лопасти выполнены шарнирными с возможностью поворота на 3/4 их концевых частей на угол 30 ± 5°.

10

15

2. Аппарат по п.1. б т л и ч а ю щи йс я тем, что многолопастная система снабжена дополнительным реактивным приводом и авторегулятором, причем реактивные приводы выполнены в виде двух сопл, расположенных на концах лопастей под углом

90 ±5 между собой и на угол 45 ± 5 к

10

15

Изобретение относится к космической технике, а именно к конструкции летательных аппаратов многоразового применения. Целью изобретения является повышение надежности и грузоподъемности аппарата. Летательный аппарат, содержащий корпус -. . а 1, ракетные двигатели, дополнительно снабжён кольцевыми камерами сгорания 6, рулевыми секционными соплами, кольцевыми соплами-рассекателями Зим ноголопастной системой 9 с прибором, выполненным в биде турбины торообразной формы, и устройство поворота лопастей, а корпус аппарате выполнен в виде усечённого конуса горообразной формы со сквозным центральным каналом 2 по оси аппарата и камерами воздушного охлаждения ракетного двигателя, сообщенными с центральным каналом 2, причём дополнительные кольцевые камеры сгорания расположены вокруг основных кольцевых камер сгорания двигателя. 2 з.п. .ft ф-лы, 3 ил. . . .-. L СЛ сх fO н со СЛ

а

i

20 FV$

V /

фи.2

19 16

г

L

t-Ч

Ь за f V/ V-

t

ts

t

риг.З