RU2821808C1 - Landing device of reusable first stage of carrier rocket and method of its landing - Google Patents
Landing device of reusable first stage of carrier rocket and method of its landing Download PDFInfo
- Publication number
- RU2821808C1 RU2821808C1 RU2023123580A RU2023123580A RU2821808C1 RU 2821808 C1 RU2821808 C1 RU 2821808C1 RU 2023123580 A RU2023123580 A RU 2023123580A RU 2023123580 A RU2023123580 A RU 2023123580A RU 2821808 C1 RU2821808 C1 RU 2821808C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- landing
- stage
- blades
- rotor
- pitch
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 230000001174 ascending effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 claims abstract description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 5
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- RZVHIXYEVGDQDX-UHFFFAOYSA-N 9,10-anthraquinone Chemical compound C1=CC=C2C(=O)C3=CC=CC=C3C(=O)C2=C1 RZVHIXYEVGDQDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 230000000284 resting effect Effects 0.000 description 1
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к области ракетно-космической техники и может найти применение при создании многоразовых ступеней ракет-носителей.The invention relates to the field of rocket and space technology and can be used in the creation of reusable stages of launch vehicles.
Уровень техникиState of the art
Известен проект посадочного устройства возвращаемой ступени ракеты-носителя (Журнал «ПРЕТИЧ» 25.01.2022, статья «Вертолет спасает космическую ракету - проект»), содержащего контейнер с парашютами, вертолет с устройством захвата троса вытяжного парашюта, и способ посадки ступени, заключающийся в том, что на заданной высоте парашюты вводятся в воздушный поток, после чего вертолет с помощью специального троса с устройством захвата цепляет трос вытяжного парашюта ступени и далее обеспечивает транспортировку и посадку ступени на посадочную площадку. В декабре 2021 года американская космическая компания Rocket Lab успешно реализовала этот проект, посадив первую ступень легкой ракеты «Электрон». Недостаток устройства и способа посадки ступени заключается в недостаточной надежности сохранения ступени и невозможности посадки таким способом тяжелых ступеней с помощью вертолета.There is a known project for a landing device for the return stage of a launch vehicle (Magazine “PRETICH” 01/25/2022, article “A helicopter saves a space rocket - project”), containing a container with parachutes, a helicopter with a device for capturing the pilot chute cable, and a method for landing the stage, which consists of , that at a given height the parachutes are introduced into the air flow, after which the helicopter, using a special cable with a gripping device, hooks the rope of the stage's pilot chute and then ensures the transportation and landing of the stage on the landing pad. In December 2021, the American space company Rocket Lab successfully implemented this project, landing the first stage of the Electron light rocket. The disadvantage of the device and method of landing a stage is the insufficient reliability of preserving the stage and the impossibility of landing heavy stages in this way using a helicopter.
Известно также посадочное устройство возвращаемой ступени ракеты-носителя (Журнал «Репортер», статья «Возрождение «Байкала»: что не так с российской многоразовой ракетой?»), принимаемое за аналог, содержащее в сложенном состоянии вдоль корпуса ступени раскладываемое крыло, а также элементы стабилизатора, убранные шасси для посадки «по-самолетному» на взлетно-посадочную полосу (ВПП) аэропорта, систему управления с турбореактивными двигателями для управляемого полета в атмосфере и с запасом топлива для них, и способ посадки ступени, заключающийся в том, что на заданной высоте после отделения ступени включается система управления, последовательно раскладывающая крыло, включающая турбореактивные двигатели и обеспечивающая выпуск шасси для посадки ступени на ВПП и управление полетом. Недостаток аналога и способа его посадки заключается в существенном увеличении веса ступени, снижающем эффективность ракеты-носителя в целом.The landing device for the return stage of the launch vehicle is also known (Reporter Magazine, article “Revival of Baikal: What’s wrong with the Russian reusable rocket?”), taken as an analogue, containing, in a folded state along the stage body, a folding wing, as well as elements stabilizer, retracted landing gear for landing “airplane-style” on the airport runway, a control system with turbojet engines for controlled flight in the atmosphere and with a fuel supply for them, and a stage landing method, which consists in the fact that at a given altitude, after the stage is separated, the control system is switched on, sequentially folding the wing, turning on the turbojet engines and ensuring the extension of the landing gear for landing the stage on the runway and flight control. The disadvantage of the analogue and its landing method is a significant increase in the weight of the stage, which reduces the efficiency of the launch vehicle as a whole.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и принимаемым в качестве прототипа, является посадочное устройство возвращаемой первой ступени ракеты-носителя и способ ее посадки, примененные в проекте ракеты-носителя «Амур-СПГ» (Википедия). Посадочное устройство состоит из четырех раскладываемых до касания посадочной площадки с малой скоростью посадочных опор, установленных в нижней части ступени и обеспечивающих сохранение конструкции ступени при посадке, системы управления посадкой, включающей используемые для посадки дросселируемые маршевые двигатели, установленных в нижней части ступени, и системы ориентации с реактивными двигателями, осуществляющими приведение ступени перед посадкой в вертикальное положение, и способа посадки, заключающегося в раскладывании посадочных опор и приведении ступени в вертикальное положение до момента касания посадочной площадки с малой скоростью нижними посадочными опорами. Недостаток прототипа заключается в необходимости иметь маршевые двигатели многократного включения, а также оставлять после отделения 13 т топлива для обеспечения работы маршевых двигателей на участке спуска, что приводит к уменьшению массы выводимого на низкую околоземную орбиту полезного груза с 12,5 т до 10,5 т.The closest to the proposed invention in technical essence and accepted as a prototype is the landing device of the returnable first stage of the launch vehicle and the method of its landing, used in the Amur-LNG launch vehicle project (Wikipedia). The landing device consists of four landing legs that are folded out until touching the landing pad at low speed, installed in the lower part of the stage and ensuring the preservation of the stage structure during landing, a landing control system, including throttled propulsion engines installed in the lower part of the stage used for landing, and an orientation system with jet engines that bring the stage into a vertical position before landing, and a landing method that consists in unfolding the landing legs and bringing the stage into a vertical position until the lower landing legs touch the landing pad at low speed. The disadvantage of the prototype is the need to have sustainer engines that can be fired multiple times, and also to leave 13 tons of fuel after separation to ensure operation of the sustainer engines during the descent phase, which leads to a reduction in the mass of the payload launched into low Earth orbit from 12.5 tons to 10.5 tons .
Таким образом, известные технические решения не могут обеспечить посадку многоразовой первой ступени ракеты-носителя без существенного снижения надежности приведения ступени в заданный район или массы выводимого на орбиту полезного груза.Thus, known technical solutions cannot ensure the landing of a reusable first stage of a launch vehicle without significantly reducing the reliability of bringing the stage into a given area or the mass of the payload being launched into orbit.
Причиной, препятствующей решению этой технической проблемы, является отсутствие проектов способов посадки многоразовой первой ступени ракеты-носителя, обеспечивающих необходимую надежность приведения ступени в заданный район и минимальное снижение массы выводимого на орбиту полезного груза.The reason preventing the solution of this technical problem is the lack of designs for methods for landing a reusable first stage of a launch vehicle that would ensure the necessary reliability of bringing the stage into a given area and a minimal reduction in the mass of the payload being launched into orbit.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention
Предлагается способ посадки многоразовой первой ступени ракеты-носителя, обеспечивающий необходимую надежность приведения ступени в заданный район приземления с минимально возможным уменьшением массы выводимого на орбиту полезного груза.A method for landing a reusable first stage of a launch vehicle is proposed, which ensures the necessary reliability of bringing the stage into a given landing area with the minimum possible reduction in the mass of the payload being launched into orbit.
а. Предлагается способ посадки многоразовой первой ступени ракеты-носителя, содержащий операции раскладывания нижних посадочных опор и приведения ступени в вертикальное положение до момента касания посадочной площадки с малой скоростью посадочными опорами. Сразу после отделения ступени на восходящем участке траектории осуществляются операции освобождения лопастей несущего винта и их выведения в рабочее положение за счет набегающего потока воздуха. Перевод несущего винта на режим авторотации и ориентация продольной оси ступени осуществляются за счет набегающего потока воздуха. С момента начала работы на выходе до обратного входа в плотные слои атмосферы и при их прохождении поддержание постоянных заданных оборотов несущего винта обеспечивается путем управления общим шагом лопастей. После перехода на участок траектории с установившимся пониженным скоростным напором и пониженной скоростью вертикального снижения осуществляется одновременное управление общим и циклическим шагом лопастей для обеспечения необходимой надежности приведения ступени в заданный район приземления. Перед касанием Земли осуществляется раскладывание посадочных опор и быстрое увеличение общего шага лопастей, уменьшается скорость их вращения, но увеличивается подъемная сила винта, благодаря чему гасится остаточная скорость снижения ступени.A. A method is proposed for landing a reusable first stage of a launch vehicle, which contains the operations of unfolding the lower landing legs and bringing the stage into a vertical position until the landing legs touch the landing pad at low speed. Immediately after the stage is separated, in the ascending section of the trajectory, operations are carried out to release the rotor blades and bring them into working position due to the oncoming air flow. The transfer of the main rotor to the autorotation mode and the orientation of the longitudinal axis of the stage are carried out due to the oncoming air flow. From the moment the work begins at the exit until the return entry into the dense layers of the atmosphere and during their passage, maintaining constant specified rotor speeds is ensured by controlling the overall pitch of the blades. After the transition to a section of the trajectory with an established reduced velocity pressure and a reduced vertical descent rate, simultaneous control of the general and cyclic pitch of the blades is carried out to ensure the necessary reliability of bringing the stage to the specified landing area. Before touching the Earth, the landing legs are unfolded and the overall pitch of the blades is rapidly increased, their rotation speed decreases, but the lifting force of the propeller increases, due to which the residual speed of the stage descent is dampened.
Задачей этого изобретения является разработка способа посадки многоразовой первой ступени ракеты-носителя, обеспечивающего необходимую надежность приведения ступени в заданный район приземления с минимально возможным уменьшением массы выводимого на орбиту полезного груза.The objective of this invention is to develop a method for landing a reusable first stage of a launch vehicle, ensuring the necessary reliability of bringing the stage into a given landing area with the minimum possible reduction in the mass of the payload being launched into orbit.
Поставленная задача решается тем, что способ посадки многоразовой первой ступени ракеты-носителя, содержащий операции раскладывания нижних посадочных опор и приведения ступени в вертикальное положение до момента касания посадочной площадки с малой скоростью посадочными опорами, согласно изобретению сразу после отделения ступени на восходящем участке траектории осуществляются операции освобождения лопастей несущего винта и их выведения в рабочее положение за счет набегающего потока воздуха, перевод несущего винта на режим авторотации, поддержание постоянных заданных оборотов несущего винта с момента начала работы на выходе до обратного входа в плотные слои атмосферы и при их прохождении путем управления общим шагом лопастей, а после перехода на участок траектории с установившимся пониженным скоростным напором и пониженной скоростью вертикального снижения осуществляется одновременное управление общим и циклическим шагом лопастей для обеспечения необходимой надежности приведения ступени в заданный район приземления, при этом перед касанием Земли осуществляется раскладывание посадочных опор и быстрое увеличение общего шага лопастей, уменьшается скорость их вращения, но увеличивается подъемная сила винта, благодаря чему гасится остаточная скорость снижения ступени.The problem is solved by the fact that the method of landing a reusable first stage of a launch vehicle, containing the operations of unfolding the lower landing legs and bringing the stage into a vertical position until the landing legs touch the landing pad at low speed, according to the invention, immediately after separation of the stage, operations are carried out on the ascending section of the trajectory releasing the main rotor blades and bringing them into working position due to the oncoming air flow, switching the main rotor to the autorotation mode, maintaining constant set rotor speeds from the moment the work begins at the exit until the return entry into the dense layers of the atmosphere and during their passage by controlling the collective pitch blades, and after the transition to a section of the trajectory with a steady reduced velocity pressure and a reduced vertical descent rate, the total and cyclic pitch of the blades is simultaneously controlled to ensure the necessary reliability of bringing the stage to a given landing area, while before touching the Earth, the landing legs are folded out and the total is rapidly increased pitch of the blades, the speed of their rotation decreases, but the lifting force of the propeller increases, due to which the residual rate of descent of the stage is extinguished.
Сущность изобретения поясняется чертежом.The essence of the invention is illustrated by the drawing.
На фиг. 1 приведена схема посадочного устройства многоразовой первой ступени ракеты-носителя.In fig. Figure 1 shows a diagram of the landing device of the reusable first stage of the launch vehicle.
На этой схеме:In this diagram:
1 - основание;1 - base;
2 - неподвижная труба;2 - fixed pipe;
3 - вращающаяся труба;3 - rotating pipe;
4 - втулка несущего винта;4 - main rotor hub;
5 - втулка вертикального шарнира;5 - vertical hinge bushing;
6 - ротор реверсивного шагового электродвигателя;6 - rotor of a reversible stepper motor;
7 - статор реверсивного шагового электродвигателя;7 - stator of a reversible stepper motor;
8 - неподвижная труба;8 - fixed pipe;
9 - неподвижная площадка;9 - fixed platform;
10 - приемная антенна;10 - receiving antenna;
11 - радиопрозрачный обтекатель;11 - radio-transparent fairing;
12 - опорный подшипник осевого шарнира;12 - support bearing of the axial hinge;
13 - радиально-упорный подшипник осевого шарнира;13 - angular contact bearing of the axial hinge;
14 - радиально-упорный подшипник между трубами;14 - angular contact bearing between pipes;
15 - опорный подшипник между трубами.15 - support bearing between pipes.
Осуществление изобретенияCarrying out the invention
Пример возможной реализации предложенного технического решения.An example of a possible implementation of the proposed technical solution.
Посадочное устройство многоразовой первой ступени ракеты-носителя состоит из четырех посадочных опор (на фиг. 1 не показано), установленных симметрично в нижней части ступени. Посадочное устройство (фиг. 1) состоит из основания 1, опирающегося на верхнюю обечайку ступени, установленной на нем неподвижной силовой трубы 2, вращающейся трубы 3 с закрепленной на ней сверху втулкой несущего винта 4. При этом втулка вертикального шарнира 5 лопасти соединена с ротором реверсивного шагового электродвигателя 6, который вместе со статором реверсивного шагового электродвигателя 7 образует осевой шарнир несущего винта. Внутри вращающейся трубы 3 закреплена неподвижная труба 8, проходящая через вращающуюся втулку несущего винта 4 и заканчивающаяся неподвижной площадкой 9, на которой установлена приемная антенна 10 аппаратуры потребителя системы глобального навигационного позиционирования под радиопрозрачным обтекателем 11. В конструкции устройства применены опорный подшипник осевого шарнира 12, радиально-упорный подшипник осевого шарнира 13, радиально-упорный подшипник между трубами 14 и опорный подшипник между трубами 15.The landing device of the reusable first stage of the launch vehicle consists of four landing supports (not shown in Fig. 1) installed symmetrically at the bottom of the stage. The landing device (Fig. 1) consists of a
Устройство имеет следующие характеристики. Диаметр цилиндрической части корпуса ступени равен 4,1 м, масса ступени в момент касания поверхности Земли принята большей на 1 т ее сухой массы за счет заполнения топливных магистралей и гарантированного остатка топлива и равной 26,4 т.Число лопастей несущего винта равно 6. Длина лопастей равна 10 м, ширина 0,3 м. Лопасти несущего винта, их силовые элементы и обшивка изготовлены из титана. Суммарная масса ступени за счет применения несущего винта увеличивается на 1,3 т. В многоразовом варианте на участке выведения первой ступени не используются 13 т с целью обеспечения ее последующего динамического спуска, что приводит к снижению массы выводимого на низкую околоземную орбиту полезного груза на 2 т.Отсюда следует, что при увеличении массы ступени на 1,3 т за счет использования несущего винта масса выводимого на низкую околоземную орбиту полезного груза уменьшается на 0,2 т и становится равной 12,3 т.The device has the following characteristics. The diameter of the cylindrical part of the stage body is 4.1 m, the mass of the stage at the moment of touching the Earth's surface is assumed to be greater by 1 ton of its dry mass due to the filling of the fuel lines and the guaranteed remaining fuel and equal to 26.4 tons. The number of main rotor blades is 6. Length the blades are 10 m, width 0.3 m. The main rotor blades, their power elements and casing are made of titanium. The total mass of the stage due to the use of the main rotor increases by 1.3 tons. In the reusable version, 13 tons are not used at the first stage launch site in order to ensure its subsequent dynamic descent, which leads to a decrease in the mass of the payload launched into low Earth orbit by 2 tons It follows from this that with an increase in the mass of the stage by 1.3 tons due to the use of a main rotor, the mass of the payload launched into low Earth orbit decreases by 0.2 tons and becomes equal to 12.3 tons.
В результате применения настоящего изобретения техническое решение, направленное на разработку способа посадки многоразовой первой ступени, обеспечивающего необходимую надежность приведения ее в заданный район и минимальное снижение массы выводимого на орбиту полезного груза, реализуется за счет применения способа спуска ступени в атмосфере Земли «по-вертолетному» в режиме авторотации без затрат топлива.As a result of the application of the present invention, a technical solution aimed at developing a method for landing a reusable first stage, ensuring the necessary reliability of bringing it to a given area and minimal reduction in the mass of the payload launched into orbit, is implemented through the use of a method of lowering the stage in the Earth’s atmosphere “helicopter-style” in autorotation mode without fuel consumption.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2821808C1 true RU2821808C1 (en) | 2024-06-26 |
Family
ID=
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2351512C1 (en) * | 2007-09-13 | 2009-04-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) | Recoverable self-contained space vehicle with windmilling propeller |
RU2781713C1 (en) * | 2022-02-25 | 2022-10-17 | Владимир Федорович Петрищев | Landing device for launch return stage and method for its landing |
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2351512C1 (en) * | 2007-09-13 | 2009-04-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) | Recoverable self-contained space vehicle with windmilling propeller |
RU2781713C1 (en) * | 2022-02-25 | 2022-10-17 | Владимир Федорович Петрищев | Landing device for launch return stage and method for its landing |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2689690C2 (en) | Carrier rockets with annular external elements and corresponding systems and methods | |
AU2007312198B2 (en) | Aircraft with hybrid aerodynamic and space flight, and associated flight control method | |
RU2191145C2 (en) | System of injection of payload into low-altitude near-earth orbit | |
US20120223191A1 (en) | Short Landing Air Vehicle by the use of Rotating Wings | |
US6471159B1 (en) | Airship shaped space craft | |
RU2053168C1 (en) | Recoverable rocket pod | |
US20210372291A1 (en) | Low cost rocket | |
RU2821808C1 (en) | Landing device of reusable first stage of carrier rocket and method of its landing | |
US10669047B2 (en) | System and method for hypersonic payload separation | |
US2959376A (en) | Rocopter and landing control method | |
US10815010B2 (en) | High altitude air launched rocket | |
US3154269A (en) | Deployable, inflatable ring-wing airfoil | |
US3065932A (en) | Annular wing aircraft | |
RU2053936C1 (en) | Non-expendable re-entry winged rocket pod | |
US3028122A (en) | Landing arrangement for aerial vehicles | |
Gibbens | Improvements in airship control using vertical axis propellers | |
Balossino et al. | Conceptual design of the descent subsystem for the safe atmospheric reentry flight of space rider | |
RU2818924C1 (en) | Returnable upper stage of two-stage carrier rocket and method of its landing | |
RU2816372C1 (en) | Launch vehicle nose cone reusable flap and landing method thereof | |
RU2818383C1 (en) | Reusable reentry vehicle and method of its descent in the earth atmosphere | |
Barzda | Rotors for recovery. | |
RU2781713C1 (en) | Landing device for launch return stage and method for its landing | |
EP3774547B1 (en) | Center of gravity propulsion space launch vehicles | |
RU2818899C1 (en) | Nose cone reusable flap rotor assembly and method of operation thereof | |
EP4163210A1 (en) | Reusable rocket stage |