космический летательный аппарат

Формула изобретения

1. Космический летательный аппарат (КЛА), содержащий корпус с покрытием, кабину, рули высоты, реактивные двигатели с топливными баками, шасси, средства электроснабжения, связи и управления, отличающийся тем, что в нем корпус выполнен в виде монокрыла с верхней и нижней частями и облегченным герметизированным многослойным покрытием, внутри корпуса выполнены три соединенных друг с другом фюзеляжа, делящих корпус в плане на три треугольника, а средства электроснабжения содержат солнечные батареи и магнитоэлектрогенераторы, причем одна из солнечных батарей закреплена через пробковые плитки на листовом покрытии верхней части корпуса, выполненном, например, из дюралюминия, и имеет фотоэлектрические преобразователи, изготовленные в виде двояко-вогнутых или выпуклых линз, приклеенных нейтральным теплостойким веществом к эластичному прочному жаростойкому диэлектрическому листу с вогнутыми или плоскими гнездами, с образованием вакуумируемых полостей между указанными листом и листовым покрытием верхней части корпуса, при этом верхняя поверхность данной солнечной батареи защищена прочной жаростойкой пленкой, пропускающей солнечные лучи, а другие солнечные батареи закреплены на верхних поверхностях рулей высоты КЛА, над кабиной которого размещено радарное устройство, а в задней и нижней частях КЛА размещены указанные топливные баки, причем упомянутые реактивные двигатели включают в себя три группы маршевых двигателей, три группы двигателей для взлета и посадки КЛА, два двигателя для торможения КЛА при входе в плотные слои атмосферы и два газотурбинных двигателя, размещенных сверху в хвостовой части КЛА и тандемно связанных валами своих турбин с валами указанных магнитоэлектрогенераторов.

2. КЛА по п.1, отличающийся тем, что каждая группа указанных маршевых двигателей содержит семь двигателей, каждая группа двигателей для взлета и посадки КЛА - три двигателя, а с валом турбины каждого газотурбинного двигателя связано два магнитоэлектрогенератора.

3. КЛА по п.1, отличающийся тем, что каждый магнитоэлектрогенератор выполнен в виде двухроторного блока с обмотками, вращающимися относительно обмоток неподвижного двухстаторного блока.

4. КЛА по п.1, отличающийся тем, что передняя часть его корпуса выполнена в виде конусного наконечника кабины КЛА с внешней частью из жаропрочной эластичной керамики, выдерживающей нагрев не менее чем до 2000^oC, и внутренней частью из металлического листа, между которыми образованы вакуумные полости.

5. КЛА по п.1, отличающийся тем, что защита от перегрева корпуса выполнена по его контуру в виде трехгранного элемента с внутренними полостями, который обрамляет боковые кромки монокрыла и изготовлен из эластичной прочной керамики, выдерживающей нагрев не менее чем до 2000^oC.

6. КЛА по п.1, отличающийся тем, что в полостях между ободом и покрышкой камер колес шасси КЛА размещены шаровые резиновые оболочки, заполненные гелием.

7. КЛА по п.1, отличающийся тем, что в верхней части покрытия корпуса размещены автоматические микрокосмические летательные аппараты для разведки планеты и передачи соответствующих данных непосредственно экипажу КЛА.

8. КЛА по п.1, отличающийся тем, что внешнее покрытие корпуса содержит двойную жаростойкую пленку с полостями в виде заполненных гелием подушечек, между которыми установлены элементы антиобледенителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к аэрокосмической технике и предназначено преимущественно для исследования Земли и других планет Солнечной системы.

Известен космический летательный аппарат (КЛА) для исследования планет Солнечной системы (Туполев А., Загаинов Г. и др. "К Марсу на самолете". Газета "Правда" от 4 июля 1991 г.). Однако данный КЛА не может решать всего комплекса задач, поставленных в предлагаемом изобретении.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является КЛА (авиакосмическая система "Буран/Энергия"), содержащий корпус с покрытием, кабину, рули высоты, реактивные двигатели с топливными баками, шасси, средства электроснабжения, связи и управления (Голованов Я. "Куда мы летим?" Газета "Известия" от 12 - 18 декабря 1991 г.). Недостатком данного КЛА является ограниченная область его применения: транспортировка полезных грузов между Землей и околоземными орбитами. Кроме того, он ограничен по энергооснащенности при функционировании в открытом космосе.

Задачей предлагаемого изобретения является создание КЛА, способного либо без сопровождения ракет-носителей, либо с их применением (с людьми и в автоматическом режиме) летать на различные планеты и возвращаться на планету Земля.

Кроме этого, в задачу входит организовать космонадзор за правильным, безопасным и безвредным для людей насыщением космического пространства различными спутниками и аппаратами, а также возможность осуществлять очистку и надзор за очисткой космического пространства, сохранением и восстановлением нормального состояния созданного природой слоя озона над Землей.

КЛА может быть также предназначен для спасательных работ в космическом пространстве и ликвидаций чрезвычайных ситуаций.

Решение поставленной задачи и достижение желаемого технического результата обеспечиваются в предлагаемом изобретении тем, что в КЛА, содержащем корпус с покрытием, кабину, рули высоты, реактивные двигатели с топливными баками, шасси, средства электроснабжения, связи и управления, корпус выполнен в виде монокрыла с верхней и нижней частями и облегченным герметизированным многослойным покрытием, внутри корпуса выполнены три соединенных друг с другом фюзеляжа, делящих корпус в плане на три треугольника, а средства электроснабжения содержат солнечные батареи и магнитоэлектрогенераторы, причем одна из солнечных батарей закреплена через пробковые плитки на листовом покрытии верхней части корпуса, выполненном, например, из дюралюминия, и имеет фотоэлектрические преобразователи, изготовленные в виде двояковогнутых или выпуклых линз, приклеенных нейтральным теплостойким веществом к эластичному прочному жаростойкому диэлектрическому листу с вогнутыми или плоскими гнездами, с образованием вакуумируемых полостей между указанными листом и листовым покрытием верхней части корпуса, при этом верхняя поверхность данной солнечной батареи защищена прочной жаростойкой пленкой, пропускающей солнечные лучи, а другие солнечные батареи закреплены на верхних поверхностях рулей высоты КЛА, над кабиной которого размещено радарное устройство, а в задней и нижней частях КЛА размещены указанные топливные баки, причем упомянутые реактивные двигатели включают в себя три группы маршевых двигателей, три группы двигателей для взлета и посадки КЛА, два двигателя для торможения КЛА при входе в плотные слои атмосферы и два газотурбинных двигателя, размещенных сверху в хвостовой части КЛА и тандемно связанных валами своих турбин с валами указанных магнитоэлектрогенераторов.

При этом каждая группа указанных маршевых двигателей может содержать семь двигателей, каждая группа двигателей для взлета и посадки КЛА - три двигателя, а с валом турбины каждого газотурбинного двигателя может быть связано два магнитоэлектрогенератора.

Кроме того, в частном исполнении каждый магнитоэлектрогенератор выполнен в виде двухроторного блока с обмотками, вращающимися относительно обмоток неподвижного двухстаторного блока.

В предпочтительном исполнении передняя часть корпуса КЛА выполнена в виде конусного наконечника кабины КЛА с внешней частью из жаропрочной эластичной керамики, выдерживающей нагрев не менее чем до 2000^oC, и внутренней частью из металлического листа, между которыми образованы вакуумные полости.

При этом защита от перегрева корпуса по его контуру может быть выполнена в виде трехгранного элемента с внутренними полостями, который обрамляет боковые кромки монокрыла и изготовлен из эластичной прочной керамики, также выдерживающей нагрев не менее, чем до 2000^oC.

В частном исполнении в полостях между ободом и покрышкой камер колес шасси КЛА размещены шаровые резиновые оболочки, заполненные гелием.

Для расширения возможностей КЛА на верхней части покрытия корпуса размещены автоматические микрокосмические летательные аппараты для разведки планеты и передачи соответствующих данных непосредственно экипажу КЛА.

При этом внешнее покрытие корпуса может содержать двойную жаростойкую пленку с полостями в виде заполненных гелием подушечек, между которыми установлены элементы антиобледенителя.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен КЛА (вид сверху) для полета в атмосфере и космическом пространстве, который запускают без помощи ракет-носителей как с людьми, так и в автоматическом режиме.

Основным источником энергопитания (электроснабжения) в космическом пространстве служит солнечная батарея, размещенная на верхней поверхности монокрыла треугольного вида. Хвостовое оперение (рули высоты) также оснащено солнечными батареями. Верхняя часть защитного корпуса покрытия в основном содержит детали, обозначенные позициями 1 - 12, 13, 14, а также реактивные двигатели (в частности, нетрадиционные - на порошковом топливе), обозначенные позициями 36 - 42, 43 - 49 и 50 - 56 и 81 и 96.

На фиг. 2 изображен разрез по А-А на фиг 1 КЛА (в аксонометрии в большом масштабе). На фрагменте показана часть фюзеляжа 21, размещенного между покрытиями корпуса.

Другими позициями обозначены:

1 - фотоэлемент из полупроводникового вещества, который выполняют в виде прямоугольной двояковогнутой либо выпуклой линзы, обладающей, например, дырочной проводимостью;

2 - элемент аналогичного вида, что и позиция 1, но изготовленный из вещества иного типа;

3 - элемент аналогичного вида, что и позиция 1, но выполненный из третьего типа полупроводникового вещества;

4 - клеящее вещество нейтральное;

5 - эластичная монолитная жаропрочная теплостойкая керамика с вогнутыми прямоугольными (либо плоскими для двояковогнутых линз) в плане гнездами для закрепления в них фотоэлектропреобразователей;

6 - полости, которые вакуумируют после их герметизации для защиты от тепловой конвекции;

7 - защитный, например в виде покраски, слой наносят сверху пробкового слоя пластины;

8 - пробковая пластина, которую прикрепляют сверху (например из пробковых плиток к дюралюминиевому листу 9);

9 - дюралюминиевый корпус КЛА, либо другой подобный материал или лучший по всем характеристикам;

10 - металлизация в виде напыления либо покраски (выполняют ее по необходимости);

11 - элементы крепления слоя деталей 5, например, с дюралюминиевым листом корпуса КЛА;

12 - эластичная, например керамическая, жаропрочная пленка, двойная с гелием в полостях в виде подушечек и с антиобледенителем, способная пропускать солнечную радиацию;

13 - фотоэлектропреобразователи солнечной батареи, которые размещают на хвостовом оперении (см. фиг. 1);

14 - радарное устройство со стойкой трубчатого сечения;

15 - нижний дюралюминиевый лист, который закрепляют крепежными деталями к фюзеляжу (детали крепежа не показаны);

16 - пробковые листы (из пластин), закрепляют клеящим веществом, например, к дюралюминиевому листу 15 и снизу - к листу из эластичной керамики 17;

17 - лист (выполняют из эластичной керамики);

18 - аналогичный поз. 12 двойной лист пленки для образования вакуумной полости 20;

19 - перегородки крепежные (выполняют также из эластичной керамики);

20 - вакуумная защитная от перегрева внутренняя часть корпуса (полость вакуумируют после ее герметизации);

21 - дюралюминиевый (или из иного материала) трехфюзеляжный корпус-салон, который решает проблему увеличения жилой части КЛА;

22 - дюралюминиевое (или иное) основание пола корпуса-салона, которое выполняют из швеллеров, уголков, либо другого профиля. В образованной между элементами 21 и 22 полости размещают сжатый кислород.

На фиг. 3 (разрез Г-Г по фиг. 9) КЛА в горизонтальном положении, при этом сверху нижнего покрытия 15 - 20 закрепляют фюзеляжи (крепеж не показан), в которых размещают: экипаж, экспедицию (пассажиров), грузы, продукты, воду и оборудование. С боков (справа и слева) размещают емкости для хранения сжатого кислорода 24 - 27, 32 - 35 и емкости 23 (сообщающиеся) для хранения топлива.

Другими позициями обозначены:

24 - 27 - емкости для хранения кислорода;

28, 29 - барботеры для обогащения кислородом твердого порошкового топлива (в нетрадиционном варианте двигателей);

32, 33 - кислородопроводы с отводными патрубками и автоматическими (кислородными) клапанами;

30, 31, 34, 35 - клапаны кислородные автоматические;

36 - 42, 43 - 49, 50 - 56 - блоки (группы) из семи двигателей (см. фиг. 5);

57 - кабина КЛА;

58 - 60, 61 - 63, 64 - 66 - блоки (группы) из трех двигателей (см. фиг. 5);

67(1), 67(2), 67(3) - разборные патрубки с автоматическими клапанами (резервные) для возможного использования сжатого кислорода, находящегося в емкости (т.е. нижней фюзеляжной полости 3);

68(1), 68(2), 68(3) - кожухи на каждых семи реактивных двигателях.

На фиг. 4 изображен фрагмент разреза КЛА по Б-Б на фиг. 1: емкость бака 23(1) для одной группы (блока) реактивных двигателей с показом (для наглядности) их всасывающих топливо патрубков, входящих в состав двигателей 43 - 49.

На фиг. 5 изображен нетрадиционный (гипотетический) реактивный двигатель КЛА твердого топлива. Позиции на фиг. 5 обозначают:

69 - всасывающий элемент с патрубком и шлангом (т.е. вакуумпроводом);

70 - корпус дозатора-затвора в виде шаровой оболочки с отверстиями для осей микродвигателей (2 шт.) 72;

71 - дозатор-затвор с осями, на концах которых закрепляют микродвигатели 72;

72 - микродвигатели (2 шт.), один из которых резервный, предназначенный для вращения дозатора-затвора 71;

73 - синхроконтактор (2 шт.) выполняют в виде контактного устройства, при нажатии кнопки которого автоматически замыкается цепь включения электроимпульса для свечи зажигания 74, при этом дозатор-затвор 71 своими сплошными стенками перекроет отверстия в его корпусе 70, например, на 0,5 с; через это время срабатывает следующий импульс, при этом дозатор-затвор 71 повернется своими отверстиями к отверстиям всасывающего (порошковое топливо) отверстия 69 и отверстиям камеры сгорания 78. Таким же образом выполняют дисковые контакторы 73 для, например, открытия и закрытия отверстий - для синхронного импульса в одну секунду, 1,5 с, 2 с и т.д.

Т. о. , при этом будет засасываться и сгорать топливо при оптимальном режиме и дозах топлива и кислорода для получения необходимой мощности газового факела данных реактивных двигателей;

74 - свечи зажигания (2 шт.); одна из них резервная, обе с синхроконтактором;

75 - электропровода к аккумулятору, либо батарее и генератору;

76 - кислородопровод от емкости его хранения;

77 - клапан кислородопровода автоматический с синхроконтактором;

78 - камера сгорания твердого порошкового топлива либо обогащенного через барботер кислородом, либо с автономной его подачей через кислородопровод 76;

79 - электровакуум-насос в жаропрочном исполнении - предназначен для засасывания из бака топлива, обогащенного кислородом и транспортируемого в камеру сгорания до сопла 80 и далее.

Все элементы упомянутого двигателя выполняют из жаростойкого материала.

На фиг. 6 изображен реактивный двигатель КЛА, аналогичный показанному на фиг. 5, но с присоединением к его камере сгорания турбины магнитоэлектрогенератора, а также часть бака порошкового топлива 23(1); позиции обозначают:

81 - всасывающий элемент с патрубком;

82 - корпус дозатора-затвора;

83 - дозатор-затвор с синхронными контактами;

84 - микродвигатели (2 шт.), один из них - резервный;

85 - синхроконтакторы (2 шт.) для синхронного действия, аналогичного описанному выше (поз. 73);

86 - свечи зажигания (2 шт.), одна из них - резервная;

87 - электропроводы от аккумулятора к свече 86;

88 - кислородные трубки (одна - резервная);

89 - кислородный клапан синхронного действия;

90 - камера сгорания;

91 - корпус турбины (герметичный);

92 - турбина газовая;

93 - муфта для соединения валов ротора и турбины;

94 (1 и 2) - герметизирующий элемент в виде трубки;

95 (1 и 2) - то же, но в виде полушаровой оболочки;

96 - электровакуум-насос в жаропрочном исполнении;

97 - сопло;

98, 99 - магнитоэлектрогенераторы (фиг. 7).

На фиг. 7 изображен магнитоэлектрический генератор для двигателя (фиг. 6) КЛА; его отличие состоит в том, что он выполнен в виде блока из двух роторов, вращающегося относительно неподвижного блока, состоящего из двух статоров. При этом устройство, изображенное на фиг. 7, нужно рассматривать как необходимый элемент всего двигателя, так как при длительных полетах КЛА и даже в приземленном его состоянии - электроэнергии потребуется очень много, и солнечная батарея одновременно будет выполнять большое количество задач, в том числе и необычных;

100 и 101 - роторы ферромагнитные с обмотками, которые выполняют в одном блоке консольной трубки;

102 - коллектор, выполненный двухсторонним и на внешней и внутренней сторонах роторов (102-1 и 102-2);

103 - щетки с токопроводящими проводами (не менее трех на внешнем коллекторе);

104 - пружины щеток, по количеству щеток;

105 - щетки на внутреннем коллекторе с электропроводами (не менее шести);

106 - пружина для внутренних щеток (не менее трех);

107 - статор внешний с оболочками, который выполняют полым с торцевыми ограждениями и другими деталями для удобной замены пружины и щеток при эксплуатации генератора;

108 - статор (второй) с обмотками внутренний, который выполняют в виде сплошного тела;

109(1), 109(2) - подшипники с диэлектрической обоймой;

109(3) - внешний подшипник;

110 - муфта (со шлицами) ротора и турбины реактивного двигателя;

111 - ножки (4 шт.), регулируемые гайкой.

На фиг. 8 изображено продольное сечение Д-Д (фиг. 1) фрагмента кабины 57 и передней ее обрамляющей части (наконечника конуса), а также продольных кромок покрытия корпуса монокрыла, выдерживающего нагрев до температуры более 2000^oC.

Отличием данного частного технического решения являются вакуумные полости, образованные двумя металлическими листами, с покрытием верхней поверхности кабины и ее наконечника жаропрочным слоем керамики;

112 - внутренняя часть наконечника и продольных кромок покрытия с соединительным болтом с гайкой, которые выполняют из металла;

113 - внешняя часть наконечника (кромки покрытия), которые выполняют, например, из эластичной жаропрочной керамики с допустимой температурой более 2000^oC;

114, 115, 116 - вакуум-полости, образованные для предотвращения конвекции воздуха;

117 - передняя внешняя часть кабины с закрепленной внутренней гайкой, которые выполняют из металла;

118 - передняя внутренняя часть кабины, которую выполняют из металла;

119 - внешняя облицовка кабины КЛА из жаропрочного материала, например керамики, выдерживающей нагрев до 2000^oC и более;

120 - вакуумные полости, образованные внутри основного фюзеляжа;

121 - автоматические микрокосмические летательные аппараты (см. фиг. 4), например разведчики (координаторы) погоды и условий посадки КЛА, которые выполняют в виде автономных модулей с установкой на каждом из них приемопередающей аппаратуры. Эти аппараты, размещенные в середине и сверху фюзеляжа, способны по команде отделиться от основного КЛА и приземлиться на иной планете, произвести, например, фотосъемку и передать все увиденное экипажу и членам экспедиции.

На фиг. 9 изображен общий вид (сзади) КЛА. КЛА способен преодолеть силу земного притяжения, достигнуть при полете в атмосфере и космическом пространстве первой и второй космических скоростей (с помощью трех групп маршевых двигателей, по 7 двигателей в каждой группе) и осуществить посадку с помощью реактивных (девяти, по три в каждой группе) двигателей. Для безопасного вхождения в плотные слои атмосферы при возвращении КЛА на Землю предусмотрены 2 тормозных реактивных двигателя, закрепленных на внешней стороне покрытия - внизу в хвостовой его части.

На фиг. 10 в сечении Е-Е изображен фрагмент полости между ободом и покрышкой колеса шасси КЛА, в которую вместо воздуха и камеры помещают резиновые шаровидные оболочки, предварительно заполненные гелием - для облегчения веса КЛА. Позициями 122 и 123 обозначены реактивные двигатели для торможения КЛА при вхождении его в плотные слои атмосферы и для торможения после приземления на посадочную полосу.

КЛА оборудуют компьютерно-электронными средствами связи и управления (не показаны).

Описанный КЛА может быть оснащен известными реактивными двигателями на твердом и жидком топливе - вместо предлагаемых (изображенных на фиг. 5 - 6).

Монтаж КЛА осуществляют последовательно и начинают его и с изготовления нижней части корпуса, состоящего из деталей позиций 15 - 20 (фиг. 1). Эту часть корпуса (покрытия) размещают на стеллаже и сверху на дюралюминиевых листах 15 (фиг. 2) укладывают предварительно изготовленные три сообщающиеся фюзеляжа 21 (фиг. 2 и 3), которые закрепляют крепежными элементами (не показаны). Выполняют емкости (баки) для топлива 23 (и в них монтируют барботеры 28 и 29), кислородные емкости 24 - 27, кислородопроводы 32 и 33 и их клапаны 34 и 35 и 67(1), 67(2), 67(3).

После этих работ приступают к монтажу реактивных двигателей, например показанных на фиг. 5 и 6 (36 - 42, 43 - 49; 50 - 56, а также 122 и 123, 98, 99 и 58 - 60, 61 - 63, 64 - 66), и, наконец, сверху трех фюзеляжей 21 укладывают (размещают) верхнюю часть корпуса (покрытия), предварительно выполненного из деталей верхней его части 7 - 11 с вмонтированной в него солнечной батареей 1 - 6 и 12.

Следующей операцией на верхней поверхности корпуса КЛА - является монтаж радара 14, хвостового оперения 13(1) и 13(2), жаростойкого корпуса кабины (фиг. 8) и продольных кромок монокрыла КЛА (фиг. 1 и 9).

Поднимают все смонтированное и закрепляют снизу шасси (фиг. 9). Затем закрепляют снизу два реактивных двигателя 122 и 123 и микроКЛА-разведчики (либо сверху, либо снизу) 121 (1, 2, 3).

Работа КЛА происходит следующим образом. Определяются задачи, которые могут решаться двумя способами:

- без изменения ракет-носителей; при этом для преодоления силы Земного притяжения используют маршевые реактивные двигатели 36 - 56 (фиг. 1), которые также призваны осуществить достижение первой и второй космических скоростей.

При этом вертикальные взлет и посадку преимущественно на других планетах осуществляют реактивные двигатели 58 - 56 (фиг. 3).

Реактивные двигатели 122 и 123 (фиг. 9) предназначены осуществлять торможение КЛА при вхождении его в плотные слои атмосферы и осуществлять торможение его после приземления на посадочную полосу.

Для бесперебойного обеспечения КЛА как в атмосфере, так и в космическом пространстве электроэнергией служат турбореактивные двигатели 98 и 99, на осях турбин которых закреплены валы магнитоэлектрогенераторов (фиг. 7). Дублирующим устройством электроснабжения КЛА служит солнечная батарея (фиг. 1 и 2) с аккумуляторами-накопителями. Рули высоты 26 - 27 также использованы для монтирования солнечных батарей; с применением ракетоносителей (с целью сохранения в КЛА большего количества топлива), например, для осуществления полета КЛА к планетам. В этом случае для достижения первой, затем - второй и третьей космических скоростей и полета и иным планетам - включают в работу последовательно одну, две, либо три группы реактивных двигателей 36 - 42, 43 - 49 и 50 - 56 (т.е. 7, 14, либо 21 реактивных двигателей КЛА) - одновременно с двигателями ракет-носителей или после их отсечки.

Для безопасных условий разбега и взлета КЛА на взлетной полосе целесообразно применять стенку из жаропрочного бетона либо другого материала.

Посадку и взлет на других планетах КЛА производят с помощью реактивных двигателей 58 - 60, 61 - 63, 64 - 66 (фиг. 9); не исключено и приводнение КЛА. Торможение КЛА при вхождении в плотные слои атмосферы осуществляется с помощью реактивных двигателей 122 и 123.

Электроснабжение КЛА обеспечивают два газотурбинных двигателя 98 и 99, которые тандемно связаны с четырьмя магнитоэлектрическими генераторами (основной режим питания).