Оптимизированная концепция запуска РН с борта самолета
Статьи
Оптимизированная концепция запуска РН с борта самолета

Оптимизированная концепция запуска РН с борта самолета.

 

Автор: Игорь Макаров.

 

Часть 1.

 

Часть 2. Часть 3. Часть 4. Часть 5.

Статья посвящена идее создания передвижного летающего космодрома, рассматривая возможность создания его на базе самолета Ан -225 и ракеты Циклон -4 украинского производства. В статье рассмотрены стратегия запуска ракеты -носителя с борта самолета и приведены необходимые расчеты и графики.

Актуальность статьи заключается в предложенном виде запуска ракеты -носителя с борта самолета , который предусматривает комбинацию двух различных подходов к запуску ракеты -носителя с борта самолета. Первую часть своей траектории ракета летит как летательный аппарат . Вторую часть траектории ракета преодолевает с помощью тормозного парашюта и благодаря ему выводится в необходимое для запуска положение.

В исследовании была использована методика построения математической модели в среде программирования « Делфи-7» на языке Паскаль. Автором построена первая математическая модель полета ракеты -носителя с крылом после отделения ее от самолета. Вторая математическая модель была создана для описания полета ракеты -носителя после отстрела несущих поверхностей и торможения с разворотом в необходимое положение для последующего запуска .

Ключевые слова : воздушный старт, ракета -носитель , математическая модель , несущие поверхности , тормозной парашют, оваловидне крыло , самолет.

История мировой авиации тесно связана с нашей страной. Еще в 1910 году прошлого века инженер Александр Кудашев в Киеве построил первый самолет , способный реально выполнять управляемый полет (когда пилот управляет самолетом с помощью штурвала ) .

Также в Киеве начинал свою авиационную карьеру известный на весь мир Игорь Иванович Сикорский. Не менее известный Олег Константинович Антонов , создавший самые большие в мире транспортные самолеты Ан -124 и Ан -225 , которые известны далеко за пределами СССР , также много лет работал на Украине и создал наиболее развит и современный авиационно -научный технический комплекс , который носит его имя - Государственное предприятие им.О.К.Антонова .

Наша страна есть и космической державой , ведь в нашей стране функционирует такие гиганты космической индустрии как КБ « Южное» и « Южмаш » , которые занимаются не только производством ракет -носителей и спутников , но и производят их на серийном заводе. Именно благодаря таким предприятиям Украины участвует во многих международных проектах , таких как проект нового типа двигателей «Вега » (под эгидой Европейского космического агентства ), « Sea launch » ( запуск ракеты-носителя с морской платформы в Тихом океане) , где украинская ракета Zenit - 3SL используется как основной носитель спутников , переработка межконтинентальных баллистических ракет « Днепр » для запуска малых спутников ; проект «Циклон -4» вместе с космическим агентством Бразилии для запусков с космодрома « Алькантара » и многие другие проекты .

В этой статье предлагается новый проект под названием «Воздушный старт». Проект предусматривает пуск ракеты- носителя «Циклон -4» с борта самолета Ан - 225 «Мрия».

Экономическая составляющая проекта

Сама идея пуска ракеты -носителя с борта самолета не нова , ведь еще во времена ХХ века в таких государствах как Советский Союз и Соединенные Штаты Америки ученые разрабатывали проекты на базе различных самолетов , но через многочисленные факторы риска ни один из проектов не получил реализации . Однако идея строительства передвижного космодрома была реализована в международном проекте « Морской старт» . Это переоборудована морская нефтедобывающая платформа , которая находится в нейтральных водах Тихого океана и имеет возможность передвигаться для того , что бы во время пуска ракеты -носителя быть как можно ближе к экватору , ведь каждый градус отклонения от экватора приводит к увеличению скорости на 100 м / с , что негативно сказывается на энергетических возможностях ракеты-носителя . 

 

Командное судно (за платформой)  и стартовая платформа международного космодрома «Морской старт». 

Командное судно (за платформой)  и стартовая платформа международного космодрома «Морской старт».

 

Благодаря такому транспортировке ракеты -носителя , экономия при запуске ракеты -носителя с борта самолета составляет примерно 2-2,5 миллиона долларов.

 

Стратегия запуска

 

Воздушный старт - способ запуска ракет или самолетов с высоты нескольких километров , куда доставляется аппарат для запуска. Средством доставки чаще всего служит другой самолет , но может выступать и воздушный шар или дирижабль

С Воздушного старта следует особо выделить "Воздушный старт на орбиту ". Воздушный старт на орбиту - это метод запуска ракет -носителей и / или космических кораблей высоко в воздухе из реактивных воздушных судов горизонтального взлета как дозвуковых так и сверхзвуковых . Когда этот метод используется для вывода на орбиту имеет чрезвычайные преимущества над традиционным вертикальным запуском ракет , в том числе благодаря уменьшенных массе , силы противодействия и стоимости ракеты.

На земле выполняется загрузка ракеты -носителя с присоединенными несущей поверхностями на самолет с помощью специального подъемного механизма ( аналогичным по конструкции с подъемной платформой для орбитального корабля « Буран » , которая использовалась для поднятия груза ( Бурана ) на высоту 25 метров , опускание его с помощью кранов на высоту , необходимую для загрузки и присоединения корабля к самолету ) . Схемы таких устройств существуют , что облегчает воплощение данной разработки в жизнь. 

После этих операций самолет взлетает и направляется в район запуска. На границе района запуска самолет должен набрать высоту 10000 м и достичь необходимой ( расчетной) скорости ( 860 км / ч). При достижении таких показателей полета самолет переходит в автоматическую систему управления , выводится на угол тангажа в 10 градусов. В этот момент автоматическая система выполняет разъединение замков , удерживающих ракету - носитель на самолете. Следующим шагом будет отлетом ракеты -носителя и маневрирования самолета. Самолет совершает маневр уклонения со снижением , а ракета -носитель выполняет маневр « горка» . О маневре ракеты -носителя описано ниже. Следует обратиться к маневрированию самолета самолет после отстрела ракеты начинает торможение и снижение с одновременным креном в сторону (левый или правый бок крена зависит от направления ветра в момент отстрела ракеты -носителя от самолета). Ракета после достижения максимальной высоты маневра начинает снижение и набор скорости. Самолет отойдя с траектории ракеты возвращается на аэродром. Ракета с помощью органов управления ( элероны, рули высоты, руля поворота) стабилизируется и придерживается заданной траектории . После достижения высоты , когда ракета будет небольшой угол тангажа (по расчету - 9360м ) , проводится отстрел несущих поверхностей и выпуск тормозного парашюта . После открытия тормозного парашюта продолжается уменьшение скорости ракеты -носителя и разворот ракеты с выводом ее в вертикальное положение относительно центра тяжести . После выполнения таких действий ракета -носитель запускает основные двигатели первой ступени , отстреливает тормозной парашют и начинает полета штатном режиме.

Аналогичные разработки и стратегии воздушного старта

Автором были рассмотрены только аналоги , которые запускали ракеты массой не менее 15 тонн , ведь именно такие ракеты- носители имеют необходимые энергетические характеристики для коммерческого использования . В 1960-е гг и позже в США были созданы такие , запускаемых с самолетов -носителей , экспериментальные ракетопланы , в том числе первый гиперзвуковой самолет - суборбитальный пилотируемый космоплан North American X -15 , также Bell X -1 , Lockheed D - 21 Boeing X - 43 и др. . Подобные (но не суборбитальные ) системы были также во Франции ( Ледюк ) и других странах. Воздушный старт использовался для отработки космоплана Энтерпрайз в масштабной программе многоразовой транспортной космической системы Спейс шаттл . Первым из детальных проектов АКС с воздушным стартом была нереализованная система « Спираль » 1960- х - 1970-х гг с гиперзвукового самолета- Разгонщики , РН и орбитального самолета. Воздушный старт использовался для полетов дозвукового самолета- аналога его орбитального самолета.

Американские проекты : в США действует система давно реализована Пегас ( РН ) / L -1011 ( самолет ) . Разработанная корпорацией Orbital Sciences Corporation . Старт производится с помощью самолета L -1011 фирмы Lockheed Corporation , специально для этого оборудованного . Отделениями ракеты от самолета -носителя происходит на высоте 12 км . Масса носителя - 18500 кг ( Pegasus ) , 23130 кг ( Pegasus XL ) Масса полезного груза , выводимого на низкую околоземную орбиту носителем « Пегас » - до 443 кг . Стоимость запуска ( на 1994) - 11 млн долларов США . С 1990 по 2008 проведено всего 40 запусков носителя « Пегас » с выводом на орбиту искусственных спутников, из них неудачными были 3 запуска . Разрабатывается другая система и есть и другие проекты АКС.

 

Самолет Локхид -1011 и ракета-носитель «Пегас»

самолет Локхид -1011 и ракета-носитель «Пегас»

 

Российско - украинской проекты : в России предложено детально разработанные проекты АКС БАКС и «Воздушный старт» . В первом проекте космоплан с внешним топливным запускается с борта сверхтяжелого самолета Ан - 225 ( 325 ) « Мечта ». Основным элементом второго проекта является специально переоборудованный тяжелый самолет Ан - 124- 100Все « Руслан» , с борта которого на высоте примерно 10 км по разработанной Государственным ракетным центром « КБ им . Макеева » технологии осуществляется так называемый « минометний »старт ракеты -носителя , которая доставляет на расчетную орбиту полезный груз . Существуют также проекты « Бурлак » и другие , в которых РН с ИСЗ запускается с борта различных самолетов -носителей Ту -160 , Ан -124 , Ту - 22М .

Украинские проекты : в Украине с использованием самолета- носителя Ан -225 разработаны проекты АКС «Свитязь » ( РН Зенит) АКРК « Орель » и «Лыбидь » ( крылатый космоплан ) . Самолет -носитель Ан -225 -100 разрабатывается АНТК имени Олега Антонова и является модификацией базового самолета Ан - 225 «Мрия ». На самолет устанавливается специальное оборудование для крепления ракеты -носителя над фюзеляжем , внутри герметичных кабин размещается бортовое стартовое оборудование и операторы , необходимые для осуществления пуска РН. Ракета -носитель «Свитязь » создается на базе узлов , агрегатов и систем ракеты- носителя « Зенит». Она строится по трехступенчатой ​​схеме. Использует нетоксичные компоненты топлива - жидкий кислород и керосин. При выводе космических аппаратов на геостационарную орбиту ракета -носитель комплектуется твердотопливной апогейною степенью .

АКРК « Орель » двухступенчатый авиационно -космический комплекс . В качестве первой ступени такого комплекса будет самолет -носитель разработки Киевского авиационного научно - технического комплекса им . О. К. Антонова Ан - 124 (« Руслан») . Второй ступенью будет ракета -носитель полезной нагрузки разработки Днепропетровского КБ « Южное» , которая должна стартовать с фюзеляжа самолета- носителя.

На первых этапах создания Украинской АКРК « Орель » будет одноразовый космический аппарат . В будущем в космос будут отправляться и возвращаться на Землю также и многократные космические аппараты . В отличие от « Шатла » и « Бурана » , старт ракеты -носителя будет осуществляться не с внешней подвески самолета- носителя , а с его середины , то есть с фюзеляжа. В мире еще не было подобных научно - технических решений. Такая схема запуска на околоземную орбиту полезной нагрузки имеет целый ряд неоспоримых преимуществ . Это и улучшенная аэродинамическая схема АКРК в целом , более высокая безопасность отделения второй ступени в виде ракеты -носителя , более оптимальные технико - экономические показатели , выше скрытность выполнения АКРК задач двойного назначения (как чисто научных и коммерческих , так и специальных , в военных целях) .

 Казахско - Русский проект: Казахстан предлагает проект АКС « Ишим » ( МиГ -31 + РН ) . Проекты АКС с воздушным стартом космопланов были созданы в Германии ( Зенгер -2) , Японии ( ASSTS ) , Китае (прототип Шеньлонг и АКС следующего поколения ) и т. д. С помощью воздушного старта запускаются частные суборбитальные космопланы SpaceShipOne , SpaceShipTwo , М -55 и другие подобные проекты. Воздушный старт с аэростата суборбитальной пилотируемой ракеты предусмотрен в проекте Stabilo ARCASPACE Румынии .

Главным конкурентом стратегии запуска , предложенная в работе является русский , с использованием самолета Ан - 124- 100Все , ведь американский аналог имеет в 10 раз меньший вес полезного груза . Главным фактором , который не позволяет воплотить в жизнь и коммерческое использование русский стратегию запуска является пробела « минометного » отстрела ракеты с самолета. Сейчас российские специалисты работают над устранением этой проблемы. Первые запуски запланированы на 2015 год.

 

Размещение РН в самолете Ан-124 «Руслан».

Размещение РН в самолете Ан-124 «Руслан».

 

Тяжелый универсальный транспортный самолет Ан - 225 «Мрия»

 

Разработка самолета , предназначенного для перемещения крупногабаритных элементов космических систем ( в т. ч ВКС « Энергия - Буран » ) началось в 1985 году. Первый полет самолета Ан -225 , построенного на Киевском авиазаводе , осуществился 21 декабря 1988 , а 13 мая 1989 Ан -225 уже перевез « Буран » с г.Жуковский на космодром Байконур . На этом самолете было установлено 106 мировых рекордов.

Конструкция самолета

Фюзеляж. Он имеет две палубы: сверху находится кабина экипажа и кабина сопровождающего персонала , бытовые помещения (кухня , гардероб , туалет) , снизу - грузовая кабина . В ней можно размещать грузы массой до 250 тонн . Для обеспечения загрузки и разгрузки используются передний грузолюк и рампа.

Крыло. Крыло изготовлено из длинномерных (до 30 метров) прессованных панелей. Панели соединены между собой титановым креплением, обеспечивает герметичность и высокий уровень сопротивляемости .

Оперение самолета. Двухкилевое. Стабилизатор имеет размах 30 метров , имеет кессон , изготовлен из прессованных панелей и катаных плит из алюминиевых сплавов. Руль высоты имеет шесть секций по три с каждой консоли . Руль высоты - из двух секций на каждом киле .

Шасси. Состоит из двухстоечной  передней и четырнадцатистоечной основной опоры шасси. Все Стойки имеют способность раздельного выпуска избежание посадки без выпуска шасси . Также на шасси установлена ​​система контроля массы и центровки . Тормоза - углеродистые .

Двигатели . На самолете Ан -225 установлены двигатели  Д- 18Т (стартовая тяга одного двигателя - 23,06 т). Двигатель турбовентиляторный , трехвальной с расходом топлива 0,57 кг кг тяги за год на крейсерском режиме.

Системы . Все системы самолета является высокоавтоматизированными и требуют минимальной внимания экипажа во время полета. Их работоспособность поддерживается 34 бортовыми компьютерами. Пилотажно - навигационный и радиотехнический комплексы обеспечивают управление самолетом в автоматическом и ручном режимах на всех этапах полета , а также обработку и выдачу в бортовые системы самолета и на световые индикаторы в кабине экипажа всей необходимой пилотажно - навигационной информации. Система управления включает в себя электрогидравлическую систему штурвального управления с четырехкратным резервированием и электродистанционной систему управления механизацией крыла с двукратным резервированием . Гидравлический комплекс состоит из четырех основных и двух резервных гидросистем , обеспечивающих функционирование рулевых поверхностей , механизации крыла , поднятие и выпуск шасси , открытие и закрытие люков и дверей . 

Avia.pro

 

.

.

Лучшее в мире авиации

наверх