RU107127U1

RU107127U1 - HYBRID AIR TRANSPORT SYSTEM

Info

Publication number: RU107127U1
Application number: RU2011110777/11U
Authority: RU
Inventors: Антон Владимирович Шаверин; Анион Александрович Ефимов
Original assignee: Антон Владимирович Шаверин
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2011-08-10

Abstract

Гибридная воздушно-транспортная система, содержащая ракетную силовую установку и средство набора высоты за счет подъемной силы газа легче воздуха для возможности достижения заданной высоты подъема, включающее в себя дирижабль, заполненный водородом, а ракетная силовая установка снабжена средствами для перекачивания водорода из дирижабля и подачи его в ракетный двигатель, отличающаяся тем, что дирижабль мягкого или полужесткого типа выполнен сигарообразной формы с фермой, проходящей по центру дирижабля, к которой вдоль продольной оси дирижабля прикреплена ракетная силовая установка, которая выполнена со средствами подачи водорода из полости дирижабля в направлении средства для перекачивания водорода, связанного с ракетным двигателем и с его топливной системой. A hybrid air transport system comprising a rocket propulsion system and a means of climbing due to gas lift is lighter than air to achieve a predetermined lift height, including an airship filled with hydrogen, and a rocket propulsion system equipped with means for pumping hydrogen from the airship and supplying it into a rocket engine, characterized in that the airship is soft or semi-rigid type made cigar-shaped with a truss passing in the center of the airship, to which along the longitudinal axis the airship is attached to a rocket propulsion system, which is made with means for supplying hydrogen from the cavity of the airship in the direction of the means for pumping hydrogen associated with the rocket engine and its fuel system.

Description

Полезная модель относится к аэрокосмической технике, а именно к устройству транспортно-космической системы (ТКС), реализующей способ использования подъемной силы водорода на начальном этапе подъема и после того как достигается высота, при которой дальнейший подъем за счет подъемной силы газа станет нецелесообразен, газ используется как топливо для ракетных двигателей.The utility model relates to aerospace engineering, namely, to the device of a transport-space system (TCS) that implements a method of using the lifting force of hydrogen at the initial stage of lifting and after reaching a height at which further lifting due to the lifting force of the gas becomes inexpedient, the gas is used as fuel for rocket engines.

Известно техническое решение, в котором с помощью воздушно-космической транспортной системы (ВКТС) реализован способ доставки полезной нагрузки (ПН) на околоземные орбиты (RU №2111147, В64С 1/14, В64В 1/36, опубл. 20.05.1998) (принято в качестве прототипа для заявленного объекта).A technical solution is known in which, using the aerospace transport system (VCTS), a method for delivering a payload (PN) to near-earth orbits (RU No. 2111147, V64C 1/14, V64V 1/36, publ. 05.20.1998) is implemented (accepted as a prototype for the claimed object).

По этому решению ВКТС с многоразовыми возвращаемыми стартовыми ускорителями выполняют в виде дискообразного аэростатического корпуса из эластичных верхней и нижней оболочек. Оболочки закрепляют кромками на жестком торе с обтекателями. На нижней оболочке закрепляют связанное с тором силовое кольцо с жестким конусом, образующим грузовой отсек. На торе и жестком конусе закрепляют баллоны для газа легче воздуха - водорода. В баллоны устанавливают приспособление для его подачи в качестве топлива в силовые установки и повторного заполнения их водородом. В ВКТС устанавливают силовую установку в виде маршевых двигателей основного режима, ориентации, стабилизации и посадок. На стартовые ускорители устанавливают аэродинамические крылья, силовые установки, средства управления и приспособления для отделения от летательного аппарата и самостоятельного снижения и посадки. Старт ВКТС производят с поверхности Земли. Подъем ВКТС производя за счет аэростатической подъемной силы, создаваемой находящимся в баллонах для газа легче воздуха - водородом, обеспечивающей подъем ВКТС на высоту до нескольких сот метров. По команде из кабины управления производят пуск турбореактивных двигателей стартовых ускорителей. В результате работы турбореактивных двигателей обеспечивают разгон ВКТС до скорости М=2,5-3,0. Во время разгона корпус ВКТС ориентируют на угол атаки, равный 5-8°. В качестве горючего турбореактивных двигателей на этапе разгона может быть использован водород из баллонов для газа легче воздуха. По мере расходования водорода из баллонов для газа легче воздуха внутренний объем возвращаемого0 ВКТС заполняется гелием из имеющегося на борту запаса.According to this decision, VKTS with reusable returnable starting boosters are made in the form of a disk-shaped aerostatic body made of elastic upper and lower shells. Shells are fixed with edges on a hard torus with fairings. A power ring with a rigid cone forming a cargo compartment is attached to the lower shell . On a torus and a rigid cone, gas cylinders are lighter than air - hydrogen. A device is installed in the cylinders for supplying it as fuel to power plants and refilling them with hydrogen. In VKTS, a power plant is installed in the form of marching engines of the main mode, orientation, stabilization and landings. Aerodynamic wings, power plants, controls and devices for separation from the aircraft and independent descent and landing are installed on the starting accelerators. Start VKTs produce from the surface of the Earth. The lifting of the VKTS by producing aerostatic lifting force created by being in gas cylinders is lighter than air - with hydrogen, providing the lifting of the VKTS to a height of several hundred meters. On command from the control cabin, the turbojet engines of the starting boosters are started. As a result of the operation of turbojet engines, the VKTS accelerates to a speed of M = 2.5-3.0. During acceleration, the body of the VKTS is oriented at an angle of attack of 5-8 °. As a fuel for turbojet engines at the stage of acceleration can be used hydrogen from cylinders for gas lighter than air. As hydrogen is consumed from gas cylinders, it is lighter than air that the internal volume of the returned HCFC0 is filled with helium from the stock on board.

По достижении скорости полета свыше М=3 производится пуск прямоточных воздушно-реактивных двигателей с одновременным выключением турбореактивных двигателей. Прямоточные двигатели стартовых ускорителей обеспечивают разгон ВКТС до скорости М=6-14 и его подъем на высоту 75-80000 м. По достижении скорости М=14 и высоты полета 80000 м производится отделение стартовых ускорителей, при этом одновременно производится пуск маршевых ракетных двигателей основного режима для дальнейшего разгона ВКТС вплоть до вывода его на орбиту.Upon reaching a flight speed of more than M = 3, ramjet engines are started up with simultaneous shutdown of turbojet engines. The ramjet engines of the starting accelerators provide the acceleration of the VKTs to a speed of M = 6-14 and its rise to a height of 75-80000 m. Upon reaching a speed of M = 14 and a flight altitude of 80,000 m, the starting accelerators are separated, while the main mode rocket engines are launched for further acceleration of the CGCS up to its launch into orbit.

Недостатком известного технического решения является то, что форма корпуса ВКТС, изготовленного из нежестких оболочек, может не соответствовать оптимальной форме для полета на гиперзвуковых скоростях, что приведет к повышенным динамическим и тепловым нагрузкам на корпус ВКТС на гиперзвуковых скоростях. Изготовление корпуса ВКТС из эластичного материала не обеспечивает его устойчивости к значительным динамическим нагрузкам в сочетании с нагревом на гиперзвуковых скоростях полета. ВКТС обеспечивает предстартовый подъем ВКТС за счет аэростатической подъемной силы только на несколько сот метров, что не позволяет получить значительной экономии топлива при предстартовом подъеме, и, соответственно, уменьшает допустимую массу ПН, выводимую на орбиту, по сравнению с использованием ТСНС, например, дирижабля, позволяющего организовать воздушный старт летательного аппарата с полезной нагрузкой на высоте в несколько десятков километров.A disadvantage of the known technical solution is that the shape of the VKTS hull made of non-rigid shells may not correspond to the optimal shape for flying at hypersonic speeds, which will lead to increased dynamic and thermal loads on the VKTS hull at hypersonic speeds. The fabrication of the VKTS hull from an elastic material does not ensure its resistance to significant dynamic loads in combination with heating at hypersonic flight speeds . VKTS provides a pre-launch lift of VKTS due to aerostatic lifting force by only several hundred meters, which does not allow significant fuel savings during a pre-launch lift, and, accordingly, reduces the allowable mass of aircraft launched into orbit, compared with the use of TSNS, for example, an airship, allowing to organize an air launch of an aircraft with a payload at a height of several tens of kilometers.

Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении эксплуатационных характеристик за счет обеспечения возможности воздушного старта до высот в 25-30 км и уменьшении воздушного сопротивления при воздушном старте.This utility model is aimed at achieving a technical result consisting in increasing operational characteristics by providing the possibility of an air launch to heights of 25-30 km and reducing air resistance during an air start.

Указанный технический результат достигается тем, что в гибридной воздушно-транспортной системе, содержащей ракетную силовую установку и средство набора высоты за счет подъемной силы газа легче воздуха для возможности достижения заданной высоты подъема, включающее в себя дирижабль, заполненный водородом, а ракетная силовая установка снабжена средствами для перекачивания водорода из дирижабля и подачи его в ракетный двигатель, дирижабль мягкого или полужесткого типа выполнен сигарообразной формы с фермой проходящей в центре дирижабля, к которой вдоль продольной оси дирижабля прикреплена ракетная силовая установка и которая выполнена со средствами подачи водорода из полости дирижабля в направлении средства для перекачивания водорода, связанного с ракетным двигателем и с его топливной системой.The specified technical result is achieved in that in a hybrid air transport system containing a rocket propulsion system and a means of climbing due to the lifting force of the gas is lighter than air to be able to reach a predetermined lift height, including an airship filled with hydrogen, and the rocket propulsion system is equipped with means for pumping hydrogen from the airship and supplying it to the rocket engine, the soft or semi-rigid airship is made cigar-shaped with a farm passing in the center of the airship to which a rocket propulsion system is attached along the longitudinal axis of the airship and which is made with means for supplying hydrogen from the airship cavity in the direction of the means for pumping hydrogen associated with the rocket engine and its fuel system.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.These features are significant and are interconnected with the formation of a stable set of essential features sufficient to obtain the desired technical result.

Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.The present utility model is illustrated by a specific example of execution, which, however, is not the only possible one, but clearly demonstrates the possibility of achieving the required technical result.

На фиг.1 - конструктивная схема гибридной ракеты.Figure 1 is a structural diagram of a hybrid rocket.

Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция гибридной воздушно-космической транспортной системы (ВКТС) (фиг.1). Система построена на способе использования подъемной силы газа - водорода на начальном этапе подъема и после того, как достигается высота, при которой дальнейший подъем за счет подъемной силы газа станет нецелесообразен, газ - водород используется как топливо для ракетных двигателей системы. Данный способ можно использовать в гибридной воздушно-транспортной системе, содержащей ракетную силовую установку и средство набора высоты за счет подъемной силы газа легче воздуха для возможности достижения заданной высоты подъема, включающее в себя дирижабль, заполненный водородом, а ракетная силовая установка снабжена средствами для перекачивания водорода из дирижабля и подачи его в ракетный двигатель. При этом этот дирижабль мягкого или полужесткого типа выполнен сигарообразной с фермой проходящей в центре дирижабля, к которой вдоль продольной оси дирижабля прикреплена ракетная силовая установка и которая выполнена со средствами подачи водорода из полости дирижабля в направлении средства для перекачивания водорода, связанного с ракетным двигателем и с его топливной системой.According to this utility model, the design of a hybrid aerospace transport system (VCTS) is considered (FIG. 1). The system is based on the method of using gas-hydrogen lifting force at the initial stage of lifting and after reaching a height at which further lifting due to the gas lifting force becomes inexpedient, gas-hydrogen is used as fuel for the rocket engines of the system. This method can be used in a hybrid air transport system containing a rocket propulsion system and a means of climbing due to the lifting force of the gas lighter than air to achieve a predetermined lift height, including an airship filled with hydrogen, and the rocket propulsion system is equipped with means for pumping hydrogen from the airship and supplying it to the rocket engine. Moreover, this airship of soft or semi-rigid type is made cigar-shaped with a truss passing in the center of the airship, to which a rocket propulsion system is attached along the longitudinal axis of the airship and which is made with means for supplying hydrogen from the airship cavity in the direction of the means for pumping hydrogen associated with the rocket engine and with its fuel system.

Ниже приводится пример исполнения полезной модели.The following is an example of a utility model.

Гибридная ракета ВКТС включает в себя аэростат 1 мягкого или полужесткого типа, насосно-компрессорное оборудование 2, отсек 3 для полезного груза, баки 4 для топлива и окислителя, жидкостные ракетные двигатели 5 и центральную несущую ферму 6, объединяющую аэростат и ракету.The VKTS hybrid rocket includes a soft or semi-rigid type aerostat 1, pump and compressor equipment 2, payload compartment 3, fuel and oxidizer tanks 4, liquid rocket engines 5 and a central carrier farm 6 uniting the aerostat and the rocket.

Перед запуском ракета стоит вертикально, перед взлетом в ракету заливается топливо, окислитель, загружается груз, а в аэростат закачивается газ - водород с высокой подъемной силой. После пуска ВКТС подымается на расчетную высоту за счет подъемной силы газа (предположительно 25-30 км.). После выхода на заданною высоту запускается компрессорно-насосное оборудование и газ перекачивается из аэростата и используется как топливо для ракетных двигателей.Before launching, the rocket stands upright, before takeoff, fuel, oxidizer are poured into the rocket, cargo is loaded, and gas - hydrogen with high lifting force is pumped into the balloon. After the launch, the VKTs rises to the calculated height due to the gas lifting force (presumably 25-30 km.). After reaching the preset altitude, compressor equipment is launched and gas is pumped from the aerostat and used as fuel for rocket engines.

Дирижабль мягкого или полужесткого типа имеет форму сигары. По центру дирижабля идет несущая ферма, которая выполняет роль носа ракеты и через которую в процессе работы ракеты выкачивается газ. Эта ферма, размещенная внутри дирижабля, является силовым элементом прикрепления ракетной части системы. Выполнение дирижабля сигарообразной формы обеспечивает уменьшение сопротивления воздуха.The airship is soft or semi-rigid in the shape of a cigar. In the center of the airship is a carrier farm, which acts as the nose of the rocket and through which gas is pumped out during the operation of the rocket. This farm, located inside the airship, is a power element for attaching the missile part of the system. The implementation of the airship cigar-shaped provides a reduction in air resistance.

Данная конструкция ВКТС позволяет использовать летательный аппарат гибридной конструкции с увеличенным значением среднего аэродинамического качества, использовать водород в качестве газа легче воздуха и топлива, осуществлять экономичный и достаточно экологически чистый старт воздушно-космической транспортной системы непосредственно с поверхности Земли без значительных затрат топлива, увеличить эффективный удельный импульс имеющегося на борту аппарата топлива до 500 - 1500 сек кГ/кг, обеспечить разгон летательного аппарата в плотных слоях атмосферы на малых скоростях, создавать при нахождении аппарата на орбите искусственную силу тяги.This design of the VKTS allows the use of a hybrid aircraft with an increased average aerodynamic quality, using hydrogen as a gas easier than air and fuel, making an economical and fairly environmentally friendly launch of the aerospace transport system directly from the Earth’s surface without significant fuel consumption, and increasing the effective specific the impulse of the fuel on board the vehicle up to 500 - 1500 sec kg / kg, to ensure acceleration of the aircraft in tight loyah atmosphere at low speeds when the machine is set up in orbit an artificial traction.

Claims

A hybrid air transport system comprising a rocket propulsion system and a means of climbing due to gas lift is lighter than air to achieve a predetermined lift height, including an airship filled with hydrogen, and a rocket propulsion system equipped with means for pumping hydrogen from the airship and supplying it into a rocket engine, characterized in that the airship is soft or semi-rigid type made cigar-shaped with a truss passing in the center of the airship, to which along the longitudinal axis the airship is attached to a rocket propulsion system, which is made with means for supplying hydrogen from the airship cavity in the direction of the means for pumping hydrogen associated with the rocket engine and its fuel system.