RU2309089C1 - Method of return of non-expendable first stage of rocket to cosmodrome - Google Patents

Abstract

FIELD: rocketry and space engineering; manufacture of non-expendable rocket complexes which require no alienation of ground in zones of falling of used first stages.

SUBSTANCE: immediately after separation of first and second stages of rocket, first stage cruise and vernier engines are repeatedly switched-on and stage is turned in pitch plane. Then, stage is accelerated for return to cosmodrome over ballistic trajectory. After aerodynamic braking of stage by tail section, vernier engines are switched-on again at rated altitude and stage is brought to point of landing. Prior to touchdown, vertical velocity is decelerated to zero.

EFFECT: possibility of return of used stage to point of launching without use of additional landing units, catching systems and transport facilities.

1 dwg

Description

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может использоваться при создании многоразовых ракетных комплексов, не требующих отчуждения земель под зоны падения отработавших первых ступеней и обеспечивающих надежное и экономически выгодное выведение полезных нагрузок на околоземные орбиты.The invention relates to rocket and space technology and can be used to create reusable missile systems that do not require the alienation of lands for fall zones of spent first stages and provide reliable and cost-effective removal of payloads in low Earth orbits.

Известен способ возвращения на космодром многоразовой первой ступени, основанный на использовании конструктивно-компоновочной схемы ступени по самолетному типу с применением аэродинамических органов управления, воздушно-реактивных двигателей, шасси и посадкой на взлетно-посадочную полосу (Новости космонавтики, №10, 2004 г., стр.39-40).There is a method of returning to the cosmodrome a reusable first stage, based on the use of the structural-layout scheme of the stage according to the airplane type using aerodynamic controls, aircraft engines, landing gear and landing on the runway (Cosmonautics News, No. 10, 2004, pg. 39-40).

Известен также способ возврата на космодром многоразовой первой ступени ракеты путем подхвата элементов первой ступени в воздухе на участке спуска специальными ловителями, установленными на вертолетах, и последующей доставки их на космодром железнодорожными платформами (Новости космонавтики, №3, 2002 г., стр.44-45).There is also a known method of returning a reusable first stage of a rocket to a spaceport by picking up the first stage elements in the air at the launch site by special catchers mounted on helicopters and then delivering them to the spaceport by railway platforms (Cosmonautics News, No. 3, 2002, p. 44- 45).

Недостатком этих способов является наличие в составе ракеты специальных устройств и систем, обеспечивающих возвращение и приземление многоразовой первой ступени.The disadvantage of these methods is the presence in the rocket of special devices and systems that ensure the return and landing of the reusable first stage.

Известен ближайший аналог заявляемого способа (патент RU 2202500 с приоритетом от 21.02.2001), в котором пакетная многоразовая ступень при спуске трансформируется в осесимметричную связку, а после торможения вновь трансформируется в пакетную, после чего совершает посадку на маршевых двигателях на значительном расстоянии от космодрома.The closest analogue of the proposed method is known (patent RU 2202500 with priority dated 02.21.2001), in which a batch reusable stage during descent is transformed into an axisymmetric bundle, and after braking is again transformed into a batch, after which it lands on mid-flight engines at a considerable distance from the cosmodrome.

Недостатками указанного способа являются:The disadvantages of this method are:

- наличие на возвращаемой ступени механизмов трансформирования ступени;- the presence on the return stage of the mechanisms for transforming the stage;

- аэродинамический нагрев боковых поверхностей баков при торможении;- aerodynamic heating of the side surfaces of the tanks during braking;

- отчуждение земель под зоны падения;- alienation of lands under fall zones;

- осуществление посадки на значительном расстоянии от космодрома;- landing at a considerable distance from the cosmodrome;

- доставка многоразовой отработавшей ступени на космодром дополнительными транспортными средствами.- delivery of a reusable spent stage to the cosmodrome with additional vehicles.

Несмотря на перечисленные выше недостатки, указанный способ может быть выбран в качестве прототипа.Despite the above disadvantages, this method can be selected as a prototype.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание способа возврата отработавшей первой ступени непосредственно в точку старта с использованием только штатных элементов ступени без дополнительных конструктивных элементов для посадки и каких-либо улавливающих систем и транспортных средств доставки ступени на космодром.The problem to which the invention is directed is to create a method for returning the spent first stage directly to the launch point using only standard stage elements without additional structural elements for landing and any trapping systems and vehicles for delivering the stage to the spaceport.

Указанная задача решается тем, что возвращение на космодром отработавшей многоразовой первой ступени (после ее отделения от второй ступени) осуществляют путем повторного запуска штатных двигателей, разворота ее в тангажной плоскости, последующего набора скорости, необходимой для возвращения на космодром, а после аэродинамического торможения ступени хвостовой частью вниз вновь включают рулевые двигатели ступени и осуществляют приземление за счет тяги рулевых двигателей, работающих на остатках компонентов топлива, имеющихся в топливных баках ступени.This problem is solved by the fact that the return to the cosmodrome of the spent reusable first stage (after it is separated from the second stage) is carried out by restarting the standard engines, turning it in the pitch plane, then gaining the speed necessary to return to the cosmodrome, and after aerodynamic braking of the tail stage partly down again turn on the steering engines of the stage and carry out the landing due to the thrust of the steering engines operating on the remains of the fuel components available in the fuel suspended tanks of a step.

Предлагаемый способ не требует применения в многоразовой ступени дополнительных органов и устройств для осуществления приземления, так как возвращение непосредственно на космодром и посадка осуществляется за счет штатных двигателей первой ступени.The proposed method does not require the use of additional bodies and devices in a reusable stage for landing, since returning directly to the spaceport and landing is carried out using standard first-stage engines.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежом, на котором представлена траектория полета многоразовой первой ступени, на которой показаны участки и точки, характерные для предлагаемого способа, где:The essence of the proposed method is illustrated by the drawing, which shows the flight path of the reusable first stage, which shows sections and points characteristic of the proposed method, where:

1 - активный участок траектории полета ракеты при работе двигателей многоразовой первой ступени;1 - the active section of the flight path of the rocket during the operation of engines of the reusable first stage;

2 - участок разделения ступеней;2 - section separation of steps;

3 - участок разворота многоразовой первой ступени в тангажной плоскости и набора скорости, необходимой для возврата на космодром;3 - plot of the reversal of the reusable first stage in the pitch plane and speed gain necessary to return to the spaceport;

4 - участок баллистического полета вне атмосферы;4 - plot of ballistic flight outside the atmosphere;

5 - участок аэродинамического торможения ступени хвостовой частью вниз;5 - section aerodynamic braking steps of the tail part down;

6 - расчетная точка траектории, где вновь производят включение рулевых двигателей ступени;6 - calculated point of the trajectory, where the steering gears of the stage are again turned on;

7 - участок приведения ступени к точке посадки и гашения скорости перед приземлением до величины, близкой к нулю, за счет тяги рулевых двигателей;7 - plot of bringing the step to the landing and damping points before landing to a value close to zero due to the thrust of the steering engines;

8 - активный участок траектории полета ракеты при работе двигателей второй ступени.8 - active section of the flight path of the rocket during the operation of engines of the second stage.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.The proposed method is as follows.

В конце активного участка траектории полета ракеты с работающим двигателем первой ступени (участок 1) по функционалу скорости выключают двигатели первой ступени. После физического разделения первой и второй ступеней в конце участка 2 траектории, когда ступени разойдутся на безопасное (для запуска второй ступени) расстояние, производят повторное включение двигателей первой ступени, осуществляют разворот первой ступени в плоскости тангажа в направлении возвращения на космодром (участок 3) и производят набор скорости до значения, необходимого для возвращения ступени на космодром по баллистической траектории. При достижении заданной скорости в конце участка 3 выключают двигатели первой ступени, после чего первая ступень совершает полет по баллистической траектории (участок 4) до входа в атмосферу. На участке 5 траектории происходит аэродинамическое торможение, ступень стабилизируется хвостовой частью вниз, при этом аэродинамические тепловые нагрузки воспринимаются штатным тепловым экраном, установленным в хвостовой части и защищающим элементы конструкции первой ступени от тепловых нагрузок, возникающих при работе двигателей первой ступени на старте ракеты и полете ее на участке 1 траектории. На расчетной высоте от земли, определяемой скоростью парашютирования (точка 6), вновь включают рулевые двигатели первой ступени. На участке 7 за счет тяги работающих рулевых двигателей производят активное торможение ступени, устраняют погрешности наведения, приводят ступень к месту посадки, гасят вертикальную скорость до величины, близкой к нулю, и осуществляют приземление в заданном районе космодрома.At the end of the active section of the flight path of a rocket with a working engine of the first stage (section 1), the engines of the first stage are turned off by the speed functional. After the physical separation of the first and second stages at the end of section 2 of the trajectory, when the stages disperse to a safe (to start the second stage) distance, the engines of the first stage are switched on again, the first stage is turned in the pitch plane in the direction of return to the cosmodrome (section 3) and they set the speed to the value necessary to return the step to the cosmodrome along a ballistic trajectory. When the desired speed is reached at the end of section 3, the engines of the first stage are turned off, after which the first stage flies along a ballistic trajectory (section 4) before entering the atmosphere. Aerodynamic braking occurs on the trajectory portion 5, the stage is stabilized by the tail part downward, while aerodynamic thermal loads are perceived by a regular heat shield installed in the tail part and protecting the structural elements of the first stage from thermal loads that occur during the operation of the first stage engines at the rocket launch and flight on plot 1 of the trajectory. At the estimated height from the ground, determined by the speed of parachuting (point 6), the first stage steering engines are turned on again. At section 7, due to the traction of the working steering engines, the stage is actively braked, the guidance errors are eliminated, the stage is brought to the landing site, the vertical speed is extinguished to a value close to zero, and they land in a given area of the cosmodrome.

Предлагаемый способ возвращения многоразовой первой ступени на космодром исключает применение в ее конструкции дополнительных органов и устройств, необходимых для возврата ступени на космодром, а возврат ступени в точку старта осуществляют за счет многократного включения штатных маршевых и рулевых двигателей и использования незначительной части имеющихся в баках компонентов топлива.The proposed method for returning the reusable first stage to the spaceport eliminates the use of additional bodies and devices necessary for returning the stage to the spaceport, and the stage is returned to the launch point by repeatedly turning on regular marching and steering engines and using an insignificant part of the fuel components in the tanks .

Кроме того, предложенный способ не требует применения специальных улавливающих устройств, устанавливаемых на вертолетах и самолетах, исключает применение каких-либо транспортных средств для доставки первой ступени к месту старта, исключает необходимость отчуждения земель под зоны падения отработавших первых ступеней.In addition, the proposed method does not require the use of special catching devices installed on helicopters and airplanes, excludes the use of any vehicles to deliver the first stage to the launch site, and eliminates the need to alienate lands under the fall zones of spent first stages.

Claims (1)

Способ возвращения на космодром многоразовой первой ступени ракеты, заключающийся в том, что непосредственно после разделения первой и второй ступеней ракеты повторно включают рулевые и маршевые двигатели первой ступени, совершают разворот ступени в плоскости тангажа, набирают скорость, необходимую для возвращения ступени на космодром по баллистической траектории, а после аэродинамического торможения ступени хвостовой частью вниз вновь включают рулевые двигатели ступени на расчетной высоте, приводят ступень к точке посадки и гасят вертикальную скорость перед приземлением до величины, близкой к нулю.The method of returning to the cosmodrome the reusable first stage of the rocket, which consists in the fact that immediately after the separation of the first and second stages of the rocket, the steering and marching engines of the first stage re-engage, rotate the stage in the pitch plane, gain the speed necessary to return the stage to the cosmodrome along a ballistic trajectory and, after aerodynamic braking of the stage, the tail part of the stage is turned on again with the steering engines of the stage at the calculated height, leading the stage to the landing point and extinguishing Vertical, before landing velocity to a value close to zero.