МНОГОРАЗОВАЯ ВОЗДУШНО-КОСМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА (МВКС), АТМОСФЕРНО-АВИАЦИОННАЯ СИСТЕМА (ААС) И СПОСОБЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МВКС И ААС (ВАРИАНТЫ)

Группа изобретений относится к области авиационной и космической техники и заявленные технические решения позволяют создавать многоразовую воздушно-космическую систему (МВКС) наземного или морского базирования, которая позволяет многократно и часто использовать все элементы всех этапов вывода космических аппаратов в околоземное пространство или на высокую орбиту Земли и последующего их возвращения, осуществляя сравнительно недорогие (по цене использованного топлива) запуски в пределах заявленного срока службы, соизмеримого с многократностью и частотой использования обычных самолетов, а также создавать атмосферно-авиационную систему (ААС) наземного или морского базирования, которая может использоваться для полетов атмосферных самолетов с увеличенным запасом топлива и полезного груза в пределах атмосферы, без использования для взлета обычных аэродромов с длинными взлетно-посадочными полосами.

Из уровня техники известна схема многоразовой транспортной космической системы Space Shuttle (англ. - «космический челнок»), выполняющий полет по схеме вертикальный запуск одноразовой ракетой-носителем и горизонтальная посадка многоразового «космического челнока». Недостатки схемы - отсутствие возможности многоразового использования ракеты-носителя, а также высокая стоимость и известная низкая безопасность многоразовой транспортной космической системы Space Shuttle.

Также из уровня техники известна схема многоразовой транспортной космической системы - проект воздушно-космической системы "Зенгер" (Sanger), разработанный в середине 1980-х годов в ФРГ. Первой ступенью в нем служил гиперзвуковой самолет-разгонщик с комбинированными турбопрямоточными двигателями. После достижения 4-5 скоростей звука с его спины должен был стартовать пилотируемый многоразовый воздушно-космический самолет "Хорус". Однако и этот проект не вышел из "бумажной" стадии, в основном по финансовым причинам.

Также из уровня техники известна схема многоразовой транспортной космической системы - американский проект NASP, был представлен президентом Рейганом в 1986 году как национальная программа воздушно-космического самолета. Этот одноступенчатый аппарат, который в прессе часто называли "Восточным экспрессом", имел фантастические летные характеристики. Их обеспечивали прямоточные воздушно-реактивные двигатели со сверхзвуковым горением, которые, по утверждениям специалистов, могли работать при числах Маха от 6 до 25. Однако проект столкнулся с техническими проблемами и в начале 1990-х годов его закрыли.

Также из уровня техники известен проект «Сокол» (Falcon), многоразовые ракеты, которые способны выводить многоразовые корабли в космос и возвращаться на землю. Недостатки: длительная подготовка к повторному старту - около 3 месяцев, и сравнительно низкий проектный ресурс повторных стартов - не более 10 повторных стартов - в настоящее время готовится только второй повторный старт, а также требует специальную морскую посадочную платформу и все это не позволяет осуществлять при необходимости частые запуски, например с максимальной частотой 2-3 раза в неделю или чаще.

Также из уровня техники известен проект двухступенчатой многоразовой системы, использующей крылатые первые ступени, возвращаемые к месту старта по самолетному, и принятый за прототип - российский проект МАКС, предусматривающий первую ступень самолет-носитель, который выводит на высоту 9 км вторую многоразовую ступень - орбитальный самолет с дополнительным одноразовым топливным баком, который отделяется на высоте 150 км, и далее орбитальный самолет, используя собственные запасы топлива выходит на низкую околоземную орбиту (около 400 км). Недостатки прототипа: низкая высота 9 км и низкая скорость, не более 1000 км/ч, первой ступени самолета-носителя, а вторая многоразовая ступень - орбитальный самолет с дополнительным одноразовым топливным баком, который отделяется на высоте 150 км - это практически уменьшенная копия проекта многоразовой транспортной космической системы Space Shuttle с присущими ей известными недостатками и дополнительным своим недостатком - относительно малым запасом топлива для маневров на орбите, так как значительная часть топлива из собственных топливных баков тратится на вывод с высоты 150 км на низкую околоземную орбиту (около 400 км).

Однако из уровня техники не известен проект ступенчатой многоразовой системы, использующей крылатые первые ступени, взлетающие в атмосферу и возвращаемые к месту старта по вертолетному.

Таким образом, присутствует актуальная задача создания многоразовой транспортной космической системы (МТКС) с использованием только многократно возвращаемых всех элементов МТКС, позволяющей осуществлять при необходимости регулярные максимально частые и сравнительно недорогие (по цене использованного топлива) запуски, например с частотой 2 раза в неделю или чаще и с высокой степенью безопасности выводить первую многоразовую возвращаемую ступень на высоту до 30-40 км с отделением второй многоразовой возвращаемой ступени при сверхзвуковых скоростях, используя только сравнительно недорогое топливо - авиационный керосин, и выводить далее вторую многоразовую возвращаемую ступень с максимальным объемом полезного выводимого груза, используя ракетное топливо, на высоту около 400 км, с остаточным запасом ракетного топлива, достаточным для достижения возможности последующих многократных маневров на высотах от низкой до сверхвысоких орбит и последующего горизонтального спуска с максимальным объемом полезного возвращаемого груза.

Задачей достижения технического результата, на который направлена заявленная группа изобретений, является создание многоразовой транспортной космической системы (МТКС) с использованием только многократно возвращаемых всех элементов МТКС, позволяющей осуществлять при необходимости регулярные максимально частые и сравнительно недорогие (по цене использованного топлива) запуски, например с частотой 2 раза в неделю или чаще и с высокой степенью безопасности выводить первую многоразовую возвращаемую ступень на высоту до 30-40 км с отделением второй многоразовой возвращаемой ступени при сверхзвуковых скоростях, используя только сравнительно недорогое топливо - авиационный керосин, и выводить далее вторую многоразовую возвращаемую ступень с максимальным объемом полезного выводимого груза, используя ракетное топливо, на высоту около 400 км, с остаточным запасом ракетного топлива, достаточным для достижения возможности последующих многократных маневров на высотах от низкой до сверхвысоких орбит и последующего горизонтального спуска с максимальным объемом полезного возвращаемого груза, а также создание атмосферно-авиационной системы, позволяющей осуществлять полеты атмосферных самолетов с увеличенным запасом топлива и полезного груза в пределах атмосферы Земли без использования для взлета обычных аэродромов с длинными взлетно-посадочными полосами.

Указанная задача (достижение технического результата) решается тем, что предложена многоразовая воздушно-космическая система, характеризующаяся тем, что содержит наземный или надводный стартовый комплекс в виде площадки с прочным покрытием в форме круга, в центре которого расположен стационарный разгонный блок, с электроприводом, питаемым от внешней электрической сети, с двумя вертикальными выходными валами вращения, с механизмами зацепления-расцепления, первую многоразовую возвращаемую ступень вертолетного типа, содержащую пилотируемую или беспилотную вертолетную кабину, с двигателями горизонтальной тяги и двумя независимыми друг от друга вертикальными винтами, состоящими, как минимум, из двух лопастей, а каждая ось вертикальных винтов имеет возможность зацепления-расцепления с выходными валами стационарного разгонного блока и при этом по краям лопастей обоих вертикальных винтов расположены маршевые прямоточные реактивные двигатели, использующие авиационное топливо, а нижний вертикальный винт имеет дополнительно два отдельных механизма зацепления-расцепления, расположенных противоположно в одну линию по краям двух вертолетных лопастей, к которым могут быть прикреплены две одинаковые по массе вторые многоразовые возвращаемые ступени - орбитальные самолеты, использующие ракетное топливо и имеющие дополнительные механизмы стыковки и механизмы перегрузки груза и топлива при выходе на низкую орбиту вокруг Земли.

Технический результат достигается также в способе функционирования многоразовой воздушно-космической системы (МВКС), заключающемся в том, что в исходном положении стационарный разгонный блок МВКС, с электроприводом, отключенным от внешней электрической сети, соединен своими выходными валами с первой многоразовой возвращаемой ступенью МВКС вертолетного типа, через механизмы зацепления-расцепления с осями независимых друг от друга вертикальных винтов, а к нижнему вертикальному винту через два отдельных механизма зацепления-расцепления, расположенных противоположно по краям одной вертолетной лопасти прикреплены две одинаковые по массе вторые многоразовые возвращаемые ступени МВКС - орбитальные самолеты, с выпущенными шасси и с полным запасом ракетного топлива и 50% загрузкой полезного груза, выводимого на орбиту. Далее на первом этапе вывода стационарный разгонный блок МВКС, с электроприводом, подключенным к внешней электрической сети, раскручивает вертикальные винты первой многоразовой возвращаемой ступени МВКС вертолетного типа вместе с двумя вторыми многоразовыми возвращаемыми ступенями МВКС - орбитальными самолетами - до окружной скорости вращения, достаточной для убирания шасси на орбитальных самолетах и запуска маршевых прямоточных реактивных двигателей, с последующим отделением от стационарного разгонного блока первой многоразовой возвращаемой ступени МВКС вертолетного типа вместе с двумя вторыми многоразовыми возвращаемыми ступенями МВКС - орбитальными самолетами. На втором этапе вывода, используя вертикальную вертолетную тягу первой многоразовой возвращаемой ступени МВКС вертолетного типа вместе с двумя вторыми многоразовыми возвращаемыми ступенями МВКС - орбитальными самолетами - осуществляется вывод на высоту до 30-40 км. На третьем этапе запуск ракетных двигателей орбитальных самолетов и одновременное отделение двух вторых многоразовых возвращаемых ступеней МВКС - орбитальных самолетов, при сверхзвуковой окружной скорости движения орбитальных самолетов, от первой многоразовой возвращаемой ступени МВКС вертолетного типа. На четвертом этапе первая многоразовая возвращаемая ступень МВКС вертолетного типа возвращается на стартовый комплекс, используя двигатели вертикальной и горизонтальной тяги, а оба орбитальных самолета с начальными сверхзвуковыми скоростями далее разгоняются ракетными двигателями до космических скоростей, обеспечивающих вывод обоих на низкую орбиту около 150 км. На пятом этапе оба орбитальных самолета осуществляют необходимые маневры и стыковку для перегрузки полезного груза и ракетного топлива, подготавливая, таким образом, один из орбитальных самолетов для дальнейшего полета со 100% объемом полезного груза и максимальным запасом ракетного топлива, а другой орбитальный самолет для управляемого горизонтального спуска с пустым грузовым отсеком и минимальным запасом ракетного топлива, обеспечивающим управляемый спуск. На шестом этапе орбитальный самолет со 100% объемом полезного груза и максимальным запасом ракетного топлива выходит на высоту около 400 км, с остаточным запасом ракетного топлива, достаточным для достижения возможности последующих многократных маневров на высотах от низкой до сверхвысоких орбит, выполнения необходимых работ по обмену грузов и последующего горизонтального спуска с максимальным объемом полезного возвращаемого груза. Таким образом, все элементы МВКС могут многократно и часто использоваться в пределах своего расчетного срока службы, осуществляя сравнительно недорогие запуски МВКС (по цене использованного топлива: авиационного керосина для первой ступени и ракетного топлива для второй ступени).

Указанная задача (достижение технического результата) решается также тем, что предложена атмосферно-авиационная система, характеризующаяся тем, что содержит наземный или надводный стартовый комплекс в виде площадки с прочным покрытием в форме круга, в центре которого расположен стационарный разгонный блок, с электроприводом, питаемым от внешней электрической сети, с двумя вертикальными выходными валами вращения, с механизмами зацепления-расцепления, многоразовую возвращаемую ступень вертолетного типа, содержащую пилотируемую или беспилотную вертолетную кабину, с двигателями горизонтальной тяги, и двумя независимыми друг от друга вертикальными винтами, состоящими, как минимум, из двух лопастей, и каждая ось вертикальных винтов имеет возможность зацепления-расцепления с выходными валами стационарного разгонного блока и при этом по краям лопастей обоих вертикальных винтов расположены маршевые прямоточные реактивные двигатели, использующие авиационное топливо, а нижний вертикальный винт имеет дополнительно два отдельных механизма зацепления-расцепления, расположенных противоположно в одну линию по краям двух вертолетных лопастей, к которым могут быть прикреплены два одинаковых по массе реактивных самолета.

Технический результат достигается также в способе функционирования атмосферно-авиационной системы (ААС), заключающемся в том, что в исходном положении стационарный разгонный блок ААС, с электроприводом, отключенным от внешней электрической сети, соединен своими выходными валами с многоразовой возвращаемой ступенью ААС вертолетного типа, через механизмы зацепления-расцепления с осями независимых друг от друга вертикальных винтов, а к нижнему вертикальному винту через два отдельных механизма зацепления-расцепления, расположенных противоположно в одну линию по краям двух вертолетных лопастей, прикреплены два одинаковых по массе реактивных самолета с выпущенными шасси. Далее, на первом этапе вывода стационарный разгонный блок ААС с электроприводом, подключенным к внешней электрической сети, раскручивает вертикальные винты многоразовой возвращаемой ступени ААС вертолетного типа вместе с двумя реактивными самолетами до окружной скорости вращения, достаточной для убирания шасси на реактивных самолетах и запуска маршевых прямоточных реактивных двигателей, с последующим отделением от стационарного разгонного блока многоразовой возвращаемой ступени ААС вертолетного типа вместе с двумя реактивными самолетами. На втором этапе вывода, используя вертикальную вертолетную тягу многоразовой возвращаемой ступени МВКС вертолетного типа вместе с двумя реактивными самолетами, осуществляется вывод на высоту до 30-40 км. На третьем этапе запуск собственных двигателей реактивных самолетов и одновременное отделение двух реактивных самолетов, при сверхзвуковой окружной скорости движения реактивных самолетов, от многоразовой возвращаемой ступени ААС вертолетного типа. На четвертом этапе многоразовая возвращаемая ступень ААС вертолетного типа возвращается на стартовый комплекс, используя двигатели вертикальной и горизонтальной тяги, а оба реактивных самолета с начальными сверхзвуковыми скоростями, с полным запасом топлива и полезного груза готовы к выполнению более широких задач, по сравнению с обычными самолетами, стартующими с аэродромов для выхода на рабочий эшелон, используя собственный запас авиационного топлива.

Сущность группы изобретений поясняется чертежом фиг. 1.

На чертеже фиг. 1 представлена функциональная схема изобретения, для варианта исполнения в виде многоразовой воздушно-космической системы, которая содержит наземный или надводный стартовый комплекс в виде площадки с прочным покрытием в форме круга 6, в центре которого расположен стационарный разгонный блок 13, с электроприводом, питаемым от внешней электрической сети (не показана), с двумя вертикальными выходными валами вращения 10, с механизмами зацепления-расцепления 8, первую многоразовую возвращаемую ступень вертолетного типа 12, содержащую пилотируемую или беспилотную вертолетную кабину 14, с двигателями горизонтальной тяги и убирающимися шасси (не показаны), и двумя независимыми друг от друга нижним вертикальным винтом 2 и верхним вертикальным винтом 7, при этом ось 9 верхнего вертикального винта 7 и ось 11 нижнего вертикального винта 2 имеют возможность зацепления через механизмы зацепления-расцепления 8 с выходными валами 10 стационарного разгонного блока 13, а по краям лопастей верхнего вертикального винта 7 расположены маршевые прямоточные реактивные двигатели 1, использующие авиационное топливо, а по краям лопастей нижнего вертикального винта 2 расположены маршевые прямоточные реактивные двигатели 3, использующие авиационное топливо, при этом нижний вертикальный винт 2 имеет дополнительно два отдельных механизма зацепления-расцепления 4, расположенных по краям, противоположно в одну линию, двух вертолетных лопастей нижнего вертикального винта 2, к которым могут быть прикреплены две одинаковые по массе вторые многоразовые возвращаемые ступени - орбитальные самолеты 5, использующие ракетное топливо, имеющие убирающиеся шасси 16, а также имеющие дополнительные механизмы стыковки и механизмы перегрузки груза и топлива (не показаны), при выходе на низкую орбиту вокруг Земли.

Работа варианта исполнения изобретения, в виде многоразовой воздушно-космической системы, представленной на чертеже фиг. 1, осуществляется следующим образом.

В исходном положении стационарный разгонный блок 13 с электроприводом, отключенным от внешней электрической сети, соединен своими двумя вертикальными выходными валами вращения 10 с осями 9 и 11 независимых друг от друга верхнего и нижнего вертикальных винтов первой многоразовой возвращаемой ступенью вертолетного типа 12, через механизмы зацепления-расцепления 8, расположенные в пилотируемой или беспилотной вертолетной кабине 14, а к нижнему вертикальному винту 2 через два отдельных механизма зацепления-расцепления 4, расположенных по краям, противоположно в одну линию, двух вертолетных лопастей нижнего вертикального винта 2, прикреплены две одинаковые по массе вторые многоразовые возвращаемые ступени - орбитальные самолеты 5, с выпущенными шасси 16 и со 100% запасом ракетного топлива и 50% загрузкой полезного груза, выводимого на орбиту. Далее от внешней электрической сети подают напряжение на электропривод стационарного разгонного блока 13, выходные валы 10 которого раскручивают в противоположные стороны ось 9 верхнего вертикального винта 7 и ось 11 нижнего вертикального винта 2 до окружной скорости, достаточной для одновременного убирания шасси 16 у обоих орбитальных самолетов 5 и запуска маршевых прямоточных реактивных двигателей 1 и маршевых прямоточных реактивных двигателей 3, использующих авиационное топливо. Затем механизмы зацепления-расцепления 8 расцепляют выходные валы 10 стационарного разгонного блока от оси 9 верхнего вертикального винта 7 и оси 11 нижнего вертикального винта 2, что позволяет первой многоразовой возвращаемой ступенью вертолетного типа 12 вместе с двумя одинаковыми по массе вторыми многоразовыми возвращаемыми ступенями - орбитальными самолетами 5 - подниматься по вертолетному на высоту до 30-40 км, используя тягу только маршевых прямоточных реактивных двигателей 1 и 3, работающих на авиационном топливе, с достижением сверхзвуковой окружной скорости движения орбитальными самолетами 5. Далее на высоте 30-40 км осуществляется запуск ракетных двигателей на орбитальных самолетах и одновременное отделение через два отдельных механизма зацепления-расцепления 4 двух вторых многоразовых возвращаемых ступеней МВКС - орбитальных самолетов 5, при сверхзвуковой окружной скорости движения орбитальных самолетов, от первой многоразовой возвращаемой ступени МВКС вертолетного типа 12, которая затем возвращается на стартовый комплекс, используя двигатели вертикальной и горизонтальной тяги, а оба орбитальных самолета 5 с начальными сверхзвуковыми скоростями далее разгоняются ракетными двигателями до космических скоростей, обеспечивающих вывод обоих на низкую орбиту около 150 км, где оба орбитальных самолета осуществляют необходимые маневры и стыковку для перегрузки полезного груза и ракетного топлива, подготавливая, таким образом, один из орбитальных самолетов для дальнейшего полета со 100% объемом полезного груза и максимальным запасом ракетного топлива, а другой орбитальный самолет для управляемого горизонтального спуска с пустым грузовым отсеком и минимальным запасом ракетного топлива, обеспечивающим управляемый спуск. А подготовленный, таким образом, орбитальный самолет со 100% объемом полезного груза и максимальным запасом ракетного топлива выходит на высоту около 400 км, с остаточным запасом ракетного топлива, достаточным для достижения возможности последующих многократных маневров на высотах от низкой до сверхвысоких орбит, выполнения необходимых работ по обмену грузов и последующего горизонтального спуска с максимальным объемом полезного возвращаемого груза. Таким образом, все элементы МВКС могут многократно и часто использоваться в пределах своего расчетного срока службы, осуществляя сравнительно недорогие (по цене использованного топлива) запуски МВКС.

Функциональная схема изобретения, для варианта исполнения в виде атмосферно-авиационной системы (ААС) аналогична схеме, представленной на чертеже фиг. 1, с той лишь разницей, что вместо космических орбитальных самолетов используются два одинаковых по массе атмосферных реактивных самолета.

Алгоритм работы варианта исполнения изобретения в виде атмосферно-авиационной системы аналогичен работе варианта исполнения изобретения в виде многоразовой воздушно-космической системы, представленной на чертеже фиг. 1, включительно до этапа отделения атмосферных реактивных самолетов на высоте до 30-40 км с начальными сверхзвуковыми скоростями, с полным запасом топлива и полезного груза, готовыми к выполнению более широких задач, по сравнению с обычными атмосферными реактивными самолетами, стартующими с аэродромов для выхода на рабочий эшелон, используя собственный запас топлива.

Таким образом, очевидно, что предложенная группа изобретений с оригинальным способом функционирования охватывает несколько возможных вариантов исполнения различных многоразовых систем наземного или морского базирования для запуска космических орбитальных самолетов или атмосферных реактивных самолетов, которые могут многократно и часто осуществлять сравнительно недорогие (по цене использованного топлива) полеты.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является создание многоразовой транспортной космической системы (МТКС) с использованием только многократно возвращаемых всех элементов МТКС, позволяющей осуществлять при необходимости регулярные максимально частые и сравнительно недорогие (по цене использованного топлива) запуски, например с частотой 2 раза в неделю или чаще, и с высокой степенью безопасности выводить первую многоразовую возвращаемую ступень на высоту до 30-40 км с отделением второй многоразовой возвращаемой ступени при сверхзвуковых скоростях, используя только сравнительно недорогое топливо - авиационный керосин, и выводить далее вторую многоразовую возвращаемую ступень с максимальным объемом полезного выводимого груза, используя ракетное топливо, на высоту около 400 км, с остаточным запасом ракетного топлива, достаточным для достижения возможности последующих многократных маневров на высотах от низкой до сверхвысоких орбит и последующего горизонтального спуска с максимальным объемом полезного возвращаемого груза, а также создание атмосферно-авиационной системы, позволяющей осуществлять полеты атмосферных самолетов с увеличенным запасом топлива и полезного груза в пределах атмосферы Земли без использования для взлета обычных аэродромов с длинными взлетно-посадочными полосами.