RU62382U1 - SUB-ORBITAL AND ORBITAL AIRCRAFT - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к аэрокосмической техники, а именно к летательным аппаратам, которые предназначены для суборбитальных и орбитальных полетов в космосе.The invention relates to aerospace engineering, namely to aircraft, which are intended for suborbital and orbital flights in space.

Description

Изобретение относится к аэрокосмической техники, а именно к летательным аппаратам, которые предназначены для суборбитальных и орбитальных полетов в космосе.The invention relates to aerospace engineering, namely to aircraft, which are intended for suborbital and orbital flights in space.

Известен летательный аппарат (RU, 2030339), содержащий корпус, установленную в корпусе подвижную массу, выполненную в виде маховика и снабженную приводом вращения относительно корпуса, энергодвигательную систему, а также вспомогательные системы.A known aircraft (RU, 2030339), comprising a housing, a movable mass installed in the housing, made in the form of a flywheel and equipped with a rotation drive relative to the housing, an energy propulsion system, as well as auxiliary systems.

Недостатком этого летательного аппарата является трудность реализации полета в космосе, в силу специфичности предложенной конструкции и ожидаемых больших перегрузок на экипаж в момент старта.The disadvantage of this aircraft is the difficulty of flying in space, due to the specificity of the proposed design and the expected large overloads on the crew at the time of launch.

Известен летательный аппарат (RU, 2211176), содержащий теплоизолированный корпус, внутри которого размещены двигательные установки, топливные баки, системы энергосбережения, управления полетом, навигации, связи и контроля и жизнеобеспечения экипажа, отсек полезной нагрузки, кабина экипажа, при этом корпус помещен внутрь оболочки из жаропонижающего материала, имеющей форму эллипсоида, в последнем вырезаны окна, в проемы которых установлены турбинные лопатки, окна и турбинные лопатки размещены в эллипсоиде на пути воздействия на оболочку газовых струй от двигательных установок корабля таким образом, чтобы эти газовые струи проходили через окна напрямую.Known aircraft (RU, 2211176), containing a thermally insulated hull, inside which are located propulsion systems, fuel tanks, energy saving systems, flight control, navigation, communication and control and life support of the crew, payload compartment, crew cabin, while the hull is placed inside the shell from an antipyretic material having the shape of an ellipsoid, in the latter windows are cut, in the openings of which turbine blades are installed, windows and turbine blades are placed in an ellipsoid on the path of exposure to the gas shell O streams from ship propulsion systems so that the gas jets passed through the window directly.

Недостатком этого летательного аппарата является сложность конструкции, а, следовательно, необходимость в больших материальных затратах и трудозатратах при его производстве.The disadvantage of this aircraft is the complexity of the design, and, therefore, the need for large material costs and labor costs in its production.

Наиболее близким из рассмотренных аналогов по технической сущности является летательный аппарат (RU, 2130404), содержащий наружную оболочку и источник энергии, при этом наружная оболочка летательного аппарата имеет эллипсоидальную форму и выполнена из теплопроводного материала, к ней изнутри присоединены концы тепловых труб, внутри аппарата установлен, по крайней мере, один тепловой насос, при этом тепловые трубы объединены в дипольные группы, ориентированные по пространственным осям наружной оболочки, и подключены, по крайней мере, к одному тепловому насосу.The closest of the considered analogues in technical essence is an aircraft (RU, 2130404) containing an outer shell and an energy source, while the outer shell of the aircraft has an ellipsoidal shape and is made of heat-conducting material, the ends of the heat pipes are connected to it from the inside, and the inside is installed at least one heat pump, while the heat pipes are combined into dipole groups oriented along the spatial axes of the outer shell, and connected to at least one at the heat pump.

Недостатком этого летательного аппарата является невозможность длительных космических полетов.The disadvantage of this aircraft is the impossibility of lengthy space flights.

Техническая задача, решаемая посредством предлагаемого устройства, состоит в получении летательного аппарата для суборбитальных и орбитальных полетов.The technical problem solved by the proposed device is to obtain an aircraft for suborbital and orbital flights.

Технический результат, получаемый при реализации предлагаемого устройства, состоит в увеличение относительной массы полезной нагрузки выводимой на орбиту при одновременном ее удешевление, а также в упрощение предстартового и послепосадочного комплекса обслуживания космических летательных аппаратов при одновременном увеличении удельных характеристик двигательной установки.The technical result obtained by the implementation of the proposed device is to increase the relative mass of the payload put into orbit while reducing its cost, as well as to simplify the prelaunch and after-landing service complex for spacecraft while increasing the specific characteristics of the propulsion system.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать летательный аппарат, содержащий двигатель, отсек полезной нагрузки и наружную оболочку эллипсоидальной формы, причем в качестве двигателя использован To achieve the specified technical result, it is proposed to use an aircraft containing an engine, a payload compartment and an outer shell of an ellipsoidal shape, with the engine used

гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель внешнего горения, воздухозаборник которого размещен на передней части летательного аппарата, а автоматически регулируемое сопло - на противоположной стороне оболочки, при этом наружная оболочка является одновременно топливным баком и несущей поверхностью, а внутри оболочки расположен газогенератор, соединенный с одной стороны с топливным баком, а другой стороны посредством сопел - с газовым трактом двигателя, проходящим по наружной поверхности оболочки. Летательный аппарат может дополнительно содержать телескопическую раздвижную иглу, обеспечивающую уменьшение лобового сопротивления в процессе разгона. Это приводит к увеличению дальности суборбитального полета. Корпус летательного аппарата предпочтительно может быть выполнен из композитных материалов (углепластиков или стеклопластиков), прочность которых соответствует прочности закаленной стали, а плотность значительно меньше. Топливные баки желательно изготавливать с возможностью размещения в них твердотельного углеродного топлива, поскольку использование твердотельного углеродного топлива удобнее и безопаснее, чем жидкого топлива (керосина) с жидким же окислителем. Кроме того, использование твердотельного углеродного топлива упрощает задачу теплозащиты корпуса летательного аппарата и уменьшает массу самого летательного аппарата. Отсек полезной нагрузки может быть выполнен из алюминиевых сплавов или композитных материалов. В наиболее предпочтительном варианте реализации отсек полезной нагрузки может быть выполнен из тонкостенного листа алюминиевого сплава, покрытый с наружной стороны органическим волокном или стеклопластиком, пропитанных эпоксидной смолой. Перед автоматически регулируемым соплом по ходу движения газового потока на поверхности оболочки могут быть hypersonic ramjet external combustion engine, the air intake of which is located on the front of the aircraft, and the automatically adjustable nozzle is on the opposite side of the shell, while the outer shell is both a fuel tank and a bearing surface, and inside the shell there is a gas generator connected on one side with a fuel tank, and on the other hand by means of nozzles, with the gas path of the engine passing along the outer surface of the shell. The aircraft may additionally contain a telescopic sliding needle, providing a decrease in drag during acceleration. This leads to an increase in the range of the suborbital flight. The body of the aircraft can preferably be made of composite materials (carbon fiber or fiberglass), the strength of which corresponds to the strength of hardened steel, and the density is much lower. It is desirable to produce fuel tanks with the possibility of placing solid-state carbon fuel in them, since the use of solid-state carbon fuel is more convenient and safer than liquid fuel (kerosene) with a liquid oxidizing agent. In addition, the use of solid-state carbon fuel simplifies the task of thermal protection of the aircraft body and reduces the weight of the aircraft itself. The payload compartment may be made of aluminum alloys or composite materials. In a most preferred embodiment, the payload compartment may be made of a thin-walled sheet of aluminum alloy coated externally with organic fiber or fiberglass impregnated with epoxy resin. Before the automatically controlled nozzle in the direction of the gas flow on the surface of the shell can be

установлены с возможностью образования скачков уплотнения воздушно-топливного потока клиновые пилоны из жаропрочных материалов. За счет указанных скачков уплотнения газового потока происходит догорание продуктов газогенерации твердотельного углеродного топлива, перемешенных с окислителем - воздухом. В указанных клиновых препятствиях могут быть установлены дополнительные сопла, выполняющие функцию дежурного факела. Кроме того, в указанных клиновых пилонах могут быть дополнительно размещены сопловые блоки стартовой ступени. Непосредственно после воздухозаборника на оболочке могут быть дополнительно установлены пилоны с сопловыми блоками, вход которых соединен с выходом газогенератора, предназначенные для подачи в воздушный поток высокотемпературных продуктов газогенерации углеводородного топлива. Истечение газов из указанных сопловых блоков происходит со сверхзвуковой скоростью. Корпус летательного аппарата может быть выполнен многослойным, причем промежуточные слои корпуса распределены внутри топлива и выполнены с возможностью сгорания вместе с топливом, при этом внутреннее давление распределено таким образом, что предыдущий промежуточный слой корпуса с повышенным давлением расположен в корпусе последующей ступени.wedge pylons made of heat-resistant materials are installed with the possibility of shock waves in the air-fuel flow. Due to the indicated jumps in the gas stream compaction, the products of gas generation of solid-state carbon fuel, mixed with the oxidizing agent, are burned out. In these wedge obstacles, additional nozzles can be installed that perform the function of a duty torch. In addition, nozzle blocks of the starting stage can be additionally placed in said wedge pylons. Immediately after the air intake, pylons with nozzle blocks can be additionally installed on the shell, the inlet of which is connected to the outlet of the gas generator, designed to supply high-temperature products of gas generation of hydrocarbon fuel into the air stream. The outflow of gases from these nozzle blocks occurs at a supersonic speed. The hull of the aircraft can be multilayer, and the intermediate layers of the hull are distributed inside the fuel and are arranged to burn together with the fuel, while the internal pressure is distributed so that the previous intermediate layer of the hull with increased pressure is located in the hull of the next stage.

Эллипсоидальная форма наружной оболочки летательного аппарата представляется наиболее оптимальной, как с точки зрения размещения топлива, так и с точим зрения аэродинамики полета в атмосфере. Кроме того, это единственная наиболее удобная форма для создания искусственной гравитации на борту летательного аппарата за счет центробежных сил, что является необходимым условием при длительных полетах в космос. Обладая этими качествами, The ellipsoidal shape of the outer shell of the aircraft seems to be the most optimal, both from the point of view of fuel placement, and from the point of view of aerodynamics of flight in the atmosphere. In addition, this is the only most convenient form for creating artificial gravity on board an aircraft due to centrifugal forces, which is a necessary condition for long flights into space. With these qualities

летательный аппарат предлагаемой конструкции может достичь следующих показателей:the aircraft of the proposed design can achieve the following indicators:

I_уд=6500-7500 м/с (что значительно выше всех существенных маршевых реактивных двигателей);I _beats = 6500-7500 m / s (which is significantly higher than all significant marching jet engines);

μ=Мн/Мк=0,25 (что позволит выходить на околоземную орбиту).μ = Mn / Mk = 0.25 (which will allow to enter the Earth orbit).

Двигательная установка летательного аппарата представляет собой гиперзвуковой прямоточный воздушно прямоточный реактивный двигатель, основными частями которого являются: емкость для хранения топлива (баки), газогенератор, воздухозаборник, камера догорания и сгорания, сопло внешнего расширения. С целью минимизации массы конструкции двигатель и корпус летательного аппарата интегрированы в общую компоновку.Aircraft propulsion system is a hypersonic ramjet air ramjet engine, the main parts of which are: a fuel storage tank (tanks), a gas generator, an air intake, a combustion and combustion chamber, and an external expansion nozzle. In order to minimize the mass of the structure, the engine and aircraft body are integrated into the overall layout.

Корпус летательного аппарата предпочтительно многослойный, выполнен из алюминиевых сплавов и/или органо- или углепластика, поскольку данные вещества имеют более высокую удельную прочность, чем высокопрочная сталь. Изготовление выполняется прессованием либо намоткой. Внутренний обвод салона изготавливают из тонкостенного листа алюминиевого сплава штамповкой и сваркой.The hull of the aircraft is preferably multi-layered, made of aluminum alloys and / or organo or carbon fiber, since these substances have a higher specific strength than high-strength steel. Production is carried out by pressing or winding. The inner contour of the cabin is made of a thin-walled sheet of aluminum alloy by stamping and welding.

Нижняя часть корпуса летательного аппарата спрофилирована таким образом, что проекция эллипсоида в профиль представляет собой контур гиперзвукового прямоточного воздушно реактивного двигателя внешнего сгорания: передняя часть - воздухозаботник, задняя часть авторегулируемое сопло внешнего расширения.The lower part of the aircraft body is profiled in such a way that the projection of the ellipsoid in profile is a contour of a hypersonic ramjet engine of external combustion: the front part is an air intake, the rear part is an auto-adjustable nozzle for external expansion.

Тракт двигателя находится на нижней поверхности летательного аппарата и имеет распространенную компоновку: передняя часть выполняет функцию воздухозаборника, задняя часть - сопла. Т.к. сопло внешнего расширения имеет авторегулируемость по всем The engine path is located on the lower surface of the aircraft and has a common layout: the front part serves as an air intake, the rear part is a nozzle. Because external expansion nozzle has auto-adjustment for all

режимам полета и обладает минимальной массой, то с целью его максимальной интегрированности с конструкцией летательного аппарата его форма является внешним обводом задней части летательного аппарата.flight modes and has a minimum mass, then with a view to its maximum integration with the design of the aircraft, its shape is the outer contour of the rear of the aircraft.

Продукты газогенерации истекают из сопел со сверхзвуковыми скоростями, а, следовательно, образование ударных волн на клиновых препятствиях будет возможно уже на малых скоростях и даже на старте. Т.е. стартовая ступень тяги уже будет иметь не только ракетную, но и воздушно-реактивную составляющую. Далее в процессе разгона ракетная составляющая будет все более уменьшаться, а воздушно-реактивная расти.Gas generation products flow out of nozzles with supersonic speeds, and, therefore, the formation of shock waves on wedge obstacles will be possible already at low speeds and even at the start. Those. the starting thrust stage will already have not only a missile, but also an air-reactive component. Further, in the process of dispersal, the missile component will decrease more and more, and the air-reactive component will grow.

Сопла газогенератора выполняются эллиптическими или даже щелевыми, это способствует лучшему смешению и сгоранию, и как следствие уменьшению длины факела (тракта догорания). Это также позволяет сделать сопловые блоки более плоскими, что желательно с конструктивной точки зрения.The gas generator nozzles are elliptical or even slotted, this contributes to better mixing and combustion, and as a result, a decrease in the length of the torch (afterburning path). This also allows you to make the nozzle blocks flatter, which is desirable from a structural point of view.

Управление летательным аппаратом в полете по всем осям осуществляют с использованием небольших сопел (дополнительных малых двигателей), расположенных по плоскостям управления. Это обеспечивает высокую маневренность летательного аппарата, а также независимость управляющих органов от скорости полета и наличия среды.The control of the aircraft in flight in all axes is carried out using small nozzles (additional small engines) located along the control planes. This ensures high maneuverability of the aircraft, as well as the independence of the governing bodies from flight speed and the presence of the environment.

Для полета летательного аппарата используют твердое топливо на основе производных нефти либо высокомолекулярных фракций нефти с малым количеством окислителя в составе, необходимом только для газификации и частичного разложения топлива. Это может быть топливо на основе битума (гудрона) и парафина, т.к. они обладают практически такой же энергетикой, как и керосин, но при For the flight of the aircraft using solid fuel based on derivatives of oil or high molecular weight oil fractions with a small amount of oxidizing agent in the composition, necessary only for gasification and partial decomposition of fuel. It can be fuel based on bitumen (tar) and paraffin, as they have almost the same energy as kerosene, but with

этом являются твердыми фракциями, что удобно с конструктивной точки зрения.this are solid fractions, which is convenient from a structural point of view.

Предложенное устройство позволяет снизить затраты по выведению полезной нагрузки на орбиту до 50 долларов за 1 кг, засечет использования простой технологии изготовления аппарата и используемого при полете дешевого топлива.The proposed device allows to reduce the cost of putting the payload into orbit up to $ 50 per 1 kg, and will detect the use of simple manufacturing technology of the device and cheap fuel used during the flight.

Claims (12)

1. Суборбитальный и орбитальный летательный аппарат, содержащий двигатель, отсек полезной нагрузки и наружную оболочку эллипсоидальной формы, отличающийся тем, что в качестве двигателя использован гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель внешнего горения, воздухозаборник которого размещен на передней части летательного аппарата, а автоматически регулируемое сопло - на противоположной стороне оболочки, при этом наружная оболочка является одновременно топливным баком и несущей поверхностью, а внутри оболочки расположен газогенератор, соединенный с одной стороны с топливным баком, а другой стороны посредством сопел - с газовым трактом двигателя, проходящим по наружной поверхности оболочки.1. Suborbital and orbital aircraft, comprising an engine, a payload compartment and an outer shell of ellipsoidal shape, characterized in that the engine used is a hypersonic ramjet external-combustion engine of external combustion, the air intake of which is located on the front of the aircraft, and an automatically adjustable nozzle - on the opposite side of the shell, while the outer shell is both a fuel tank and a bearing surface, and located inside the shell n a gas generator connected on one side to the fuel tank, and on the other hand through nozzles, to the gas path of the engine passing along the outer surface of the shell. 2.Летательный аппарат по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит телескопическую раздвижную иглу.2. Aircraft according to claim 1, characterized in that it further comprises a telescopic sliding needle. 3. Летательный аппарат по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен из композитных материалов.3. The aircraft according to claim 1, characterized in that the hull is made of composite materials. 4. Летательный аппарат по п.1, отличающийся тем, что топливные баки выполнены с возможностью размещения в них твердотельного углеродного топлива.4. The aircraft according to claim 1, characterized in that the fuel tanks are arranged to accommodate solid-state carbon fuel. 5. Летательный аппарат по п.1, отличающийся тем, что отсек полезной нагрузки выполнен из алюминиевых сплавов или композитных материалов.5. The aircraft according to claim 1, characterized in that the payload compartment is made of aluminum alloys or composite materials. 6. Летательный аппарат по п.1, отличающийся тем, что за авторегулируемым соплом по ходу движения газового потока на поверхности оболочки установлены клиновые препятствия.6. The aircraft according to claim 1, characterized in that wedge obstacles are installed behind the self-adjusting nozzle along the gas flow on the surface of the shell. 7. Летательный аппарат по п.6, отличающийся тем, что в клиновых препятствиях установлены дополнительные сопла.7. The aircraft according to claim 6, characterized in that additional nozzles are installed in the wedge obstacles. 8. Летательный аппарат по п.1, отличающийся тем, что непосредственно после воздухозаборника на оболочке дополнительно установлены пилоны с сопловыми блоками, вход которых соединен с выходом газогенератора, предназначенные для подачи в воздушный поток высокотемпературных продуктов газогенерации углеводородного топлива.8. The aircraft according to claim 1, characterized in that immediately after the air intake on the shell there are additionally installed pylons with nozzle blocks, the inlet of which is connected to the gas generator outlet, designed to supply high-temperature products of gas generation of hydrocarbon fuel into the air stream. 9. Летательный аппарат по п.1, отличающийся тем, что перед входом в сопло дополнительно установлены с возможностью образования скачков уплотнения воздушно-топливного потока клиновые пилоны из жаропрочных материалов.9. The aircraft according to claim 1, characterized in that before entering the nozzle, wedge pylons from heat-resistant materials are additionally installed with the possibility of formation of shock waves of the air-fuel flow. 10. Летательный аппарат по п.9, отличающийся тем, что в клиновых пилонах дополнительно размещены сопловые блоки стартовой ступени.10. Aircraft according to claim 9, characterized in that the nozzle blocks of the launch stage are additionally placed in the wedge pylons. 11. Летательный аппарат по п.1, отличающийся тем, что сопла газогенераторы выполнены эллиптическими или щелевыми.11. The aircraft according to claim 1, characterized in that the nozzles of the gas generators are made elliptical or slotted. 12. Летательный аппарат по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен многослойным, причем промежуточные слои корпуса распределены внутри топлива и выполнены с возможностью сгорания вместе с топливом, при этом внутреннее давление распределено таким образом, что предыдущий промежуточный слой корпуса с повышенным давлением расположен в корпусе последующей ступени.12. The aircraft according to claim 1, characterized in that the hull is multilayer, and the intermediate layers of the hull are distributed inside the fuel and are arranged to burn together with the fuel, while the internal pressure is distributed so that the previous intermediate layer of the hull with high pressure is located in the housing of the next stage.