способ возвращения на космодром многоразовой первой ступени ракеты

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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.

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).

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).

Недостатком этих способов является наличие в составе ракеты специальных устройств и систем, обеспечивающих возвращение и приземление многоразовой первой ступени.

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.

Недостатками указанного способа являются:

- наличие на возвращаемой ступени механизмов трансформирования ступени;

- аэродинамический нагрев боковых поверхностей баков при торможении;

- отчуждение земель под зоны падения;

- осуществление посадки на значительном расстоянии от космодрома;

- доставка многоразовой отработавшей ступени на космодром дополнительными транспортными средствами.

Несмотря на перечисленные выше недостатки, указанный способ может быть выбран в качестве прототипа.

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.

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.

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.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежом, на котором представлена траектория полета многоразовой первой ступени, на которой показаны участки и точки, характерные для предлагаемого способа, где:

1 - активный участок траектории полета ракеты при работе двигателей многоразовой первой ступени;

2 - участок разделения ступеней;

3 - участок разворота многоразовой первой ступени в тангажной плоскости и набора скорости, необходимой для возврата на космодром;

4 - участок баллистического полета вне атмосферы;

5 - участок аэродинамического торможения ступени хвостовой частью вниз;

6 - расчетная точка траектории, где вновь производят включение рулевых двигателей ступени;

7 - участок приведения ступени к точке посадки и гашения скорости перед приземлением до величины, близкой к нулю, за счет тяги рулевых двигателей;

8 - активный участок траектории полета ракеты при работе двигателей второй ступени.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

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.

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.

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.