|
|
Предлагаемый мною проект АКСа, это несколько модернизированный вариант ранее выложенной идеи. В его состав так же входят два многоразовых блока первой ступени, оснащенных как ЖРД, так и ТРДФ и ПВРД – двигателями, а так же ТРД для возвращения и посадки. Блок 2-й ступени так же многоразовый с ЖРД и ТРД для посадки. Серьезным достоинством данного АКСа является полное отсутствие полей падений, и достаточно высоким отношением массы ПГ к стартовой массе системы.
Блоки расположены параллельно в горизонтальной плоскости, образуя несущую поверхность большой площади, которая на этапе горизонтального взлета, разгона и набора высоты вносит основной вклад в создание подъемной силы, необходимой для подъема полностью заправленного – тяжелого носителя. Выдвижные крылья 1-й ступени, так же вносят вклад в создание подъемной силы, но в основном на до звуковом участке разгона и при посадке пустой ступени, на остальных этапах разгона и входа в атмосферу они выполняют роль рулей.
АКС ГУ 1-ая и 2-ая ступень в сборе.
АКС ГУ 1-ая ступень.
АКС ГУ 2-ая ступень.
У АКСа в сборе, все 8 ТРДФ расположены в нижней задней части корпуса, под плоскостью днища в ряд, образуя практически единый воздухозаборник (возможен вариант и со сливом пограничного слоя, и без). Это позволяет увеличить давление и напор подводимого воздуха, особенно при увеличении угла атаки. Что позволит даже на больших высотах обеспечить двигатели достаточным количеством воздуха для работы. На каждом блоке 1-й ступени расположено по 4 ТРДФ. В единой системе их 8, расположенных в ряд в нижней задней части корпуса. Два крайних из них с той и другой стороны (в системе) имеют систему изменения вектора тяги. Которая особенно на этапе дозвукового и начала сверхзвукового режима разгона, являются основной системой для управления АКСа по курсу.
Сопло сложного профиля ПВРД образованы в промежутках между цилиндрическими блоками 1-й и 2-й ступени и блоком ТРДФ, образуя типа треугольное сечение с расширением в зад. Воздухозаборник ПВРД совмещен с воздухозаборником серединных пар ТРДФ. Выгоднее запускать ПВРД в более плотных слоях атмосферы на скорости примерно 1.1 - 1.5 М и набирать высоту и скорость сразу на всех ВРД. Даже учитывая, что ТРДФ на форсаже на единицу тяги расходуют в 2-3 раза больше топлива, я склоняюсь к максимально форсированному разгону. По моим прикидкам ТРДФ нужно отработать подряд в максимально форсированном режиме минут 12-14. Конечно можно на некоторых участках на некоторое время отключать форсаж, но разгон тогда затягивается на очень продолжительное время, учитывая массу заправленного АКСа.
ЖРД всех блоков идентичные водородно-кислородные с неподвижным соплом, которое закрыто конусным обтекателем, разделенным на раздвижные лепестки, они раскрываются перед запуском двигателя, а в процессе работы действуют, как газовые рули, изменяя вектор тяги. После окончания работы ЖРД, они закрываются, снова образуя обтекатель, необходимый для входа в атмосферу и полета, тем более, что все ступени возвращаются ЖРД вперед.
На блоках и 1-й и 2-й ступени имеются еще и по одному посадочному ТРД, расположенному в нижней части корпуса, развернутые в обратном направлении, т.к. посадка осуществляется при движении блоков в обратном направлении. Это связано с центровкой, т.к. в пустой ступени приличную часть массы составляют двигателя, а они расположены в задней части корпуса (при взлете), значит при входе в атмосферу, блок будет пытаться развернуться, и чтобы с этим не бороться, устанавливая серьезное оперение или двигатели ориентации (которых я не предусматриваю вообще).
Для дополнительного создания подъемной силы так же предусмотрен специальный горб в верхней передней части корпуса, для создания некоторого разряжения воздуха над корпусом АКСа, что так же увеличит подъемную силу, значит уменьшит требуемый угол атаки, а значит и аэродинамическое сопротивление. Это в дополнение к тому, что в нижней части корпуса на плоскость перед воздухозаборниками ТРДФ действует повышенное давление. А для оптимальной центровки на этапе всего разгона в атмосфере, баки с кислородом, имеющие самый большой вес находятся в передней части, перед баками с водородом что обеспечит надежную центровку даже на сверхзвуке.
Выдвижные крылья 1-й ступени закреплены на поворотных шарнирах к кессону, смонтированному между баками с кислородом и водородом и имеющим с ними жесткую механическую связь по всему диаметру баков у днища. К тому же кессону закреплены и шасси 1-й ступени. Крылья могут укладываться взад вдоль корпуса до самых воздухозаборников и выдвигаться вперед к обтекателю ПГ до положения почти параллельного корпусу. Их угол может изменяться по ходу полета, создавая оптимальные аэродинамические характеристики. На крыльях не предусмотрены закрылки, но подвижной является конечная часть всего крыла, изменяющая угол вверх-вниз. Это используется на сверх и гиперзвуковых скоростях, когда крыло расположено под не большим углом к корпусу, для управления по крену и тангажу. Атак же при входе в атмосферу, когда направление движения ступени ЖРД вперед, то крылья переводятся в сторону грузового обтекателя и располагаются опять же под не большим углом к корпусу, используясь для управления также по крену и тангажу.
Взлет АКСа осуществляется по самолетному с ВПП на 8-ми ТРДФ, но после отрыва он не сразу набирает высоту, а «встает на экран» (как экраноплан) и продолжает разгон над самой поверхностью, обширное плоское днище идеально для этого подходит. Это связано с тем, что очень тяжелый аппарат требует огромной подъемной силы, которая в свою очередь требует большой скорости и большого угла атаки, а значит затрат топлива. На экране-же АКС с минимальным углом атаки, следовательно и с не большим аэродинамическим сопротивлением достигает скорости 0.8 - 0.9 М и уже с гораздо меньшим углом атаки, с большей вертикальной скоростью начинает набор высоты.
При наборе скорости примерно 1.5 М немного приподнимаются концы внутренних крыльев, так же немного опускается воздушная заслонка, в итоге открываются воздухозаборники ПВРД. Они запускаются и начинают работать параллельно с ТРДФ. При достижении скорости примерно 3 М, их вклад в общую тягу становится преобладающим.При достижении предельной скорости работы ТРДФ их воздухозаборники перекрываются. При этом управление по курсу АКСа осуществляется уже подвижными частями крыльев. Поверхность сопла ПВРД образованная элементами корпуса 1-й и 2-й ступени должна иметь серьезную тепловую защиту и прочность. Хотя и вся задняя часть ступеней, особенно 2-й, требует серьезной теплозащиты, т.к. она именно этой частью входит в атмосферу при возвращении, а это так же серьезная тепловая нагрузка. Благодаря ПВРД АКС, используя атмосферный кислород разгоняется до 5-6 М (на керосине) или 7-9 М (используя водород).
Далее открываются створки-лепестки обтекателей ЖРД и сразу запускаются все три двигателя, для обеспечения максимальной тяговооруженности, а значит и скорейшего выхода из атмосферы. Запуск происходит на высотах более 30 км, а значит УИ водородных ЖРД сразу будет не менее 420 с, даже с учетом того, что для управления по курсу будут использоваться газовые щитки – створки обтекателей. Во время одновременной работы ЖРД 1-й и 2-й ступеней, используются только компоненты топлива из баков 1-й ступени, т.е. осуществляется перелив топлива из боковых блоков к центральному ЖРД 2-й ступени. И на момент разделения баки 2-й ступени остаются полными. Разделение происходит на высоте 100 – 120 км, что позволяет расстыковать блоки практически без скоростного напора, что значительно упрощает органы расстыковки.
Блоки 1-й ступени, не имея орбитальной скорости, входят обратно в атмосферу, развернувшись тяжелыми двигателями вперед. При этом выдвижные крылья переводятся в положение к собравшемуся грузовому обтекателю, и их подвижные части используются при входе в атмосферу для управления по крену и тангажу. Однако для продолжения полета в атмосфере, форма, особенно днища с выступающим вниз блоком ТРДФ не является идеальной с точки зрения аэродинамики и создания подъемной силы, поэтому при необходимости дальнего планирования возможен вариант с переворотом днищем вверх, но перед посадкой придется вернуться в нормальное положение. В середине двигательного блока расположен не большой ТРД, направленный по ходу движения при спуске. Его воздухозаборники открываются (есть два варианта: 1-ый – вниз за шасси, 2-ой – в камеры ТРДФ, и забирает воздух, поступающий через их сопла). Сопло посадочного ТРД имеет систему изменения вектора тяги, и является основным механизмом управления при посадке. На каждом блоке 1-й ступени остается и по половинке грузового обтекателя. Перед расстыковкой его створки расстегиваются и разводятся в стороны, освобождая ПГ. При отделившемся блоке, подвижные створки-половинки грузового обтекателя закрываются и фиксируются, образуя обтекаемое продолжение корпуса 1-й ступени.
Вторая ступень с ПГ, уже без обтекателя продолжает набор скорости, до параметров одновитковой орбиты. Далее ПГ выводится уже собственным разгонным блоком, а 2-я ступень, закончив один виток, заходит на посадку почти в месте старта, на ту же ВПП. Она , как и 1-я ступень в самых верхних слоях атмосферы разворачивается тяжелым ЖРД вперед, а на обратном конце у нее имеется не большое оперение, за счет которого и происходит управление по курсу. При посадке запускается не большой посадочный ТРД, аналогичный, как у блоков 1-й ступени, и блок совершает посадку на те же шасси, которые использовались и при взлете, но в противоположном направлении.
Еще раз о конструкции блоков 1-й ступени: Основную механическую жесткость создают несущие ракетные топливные баки, спереди кислородный, за ним через межбаковый отсек – водородный. И т.к. взлет горизонтальный к ним предъявляются большие прочностные требования, а так же большее давление наддува. Межбаковый отсек, это так же жесткая несущая конструкция, к ней закреплены крылья и шасси. Конечно такие прочностные требования обойдутся почти в два раза тяжелее по сравнению с баками вертикально стартующих ракет, но самолетные свойства и атмосферный кислород в несколько раз компенсируют эти издержки. Кислородный трубопровод проходит внутри водородного бака. Сам кислородный бак имеет немного сложную форму, сверху за место цилиндрической поверхности стенки бака, плавным вздутием выступает обтекаемый горб, для придания нужной аэродинамической формы. Днище у блоков 1-й ступени плоское. Большую часть объема нижних боковых отсеков, формирующих днище, занимают баки с керосином. А в задней части – агрегаты ВРД и прочие системы.
У блока 2-й ступени, так же основным несущим элементом являются ракетные топливные баки. Спереди бак с кислородом, он с водородным баком имеет совмещенное днище, и приварен под углом, несколько приподняв передний край, для создания в передней верхней части корпуса горба. Под кислородным баком находится агрегатный отсек, где располагаются шасси, баллоны со сжатым газом, прочие ракетные и авиационные системы. Под ним располагается оперение, для управляемого спуска и посадки. ТРД для управляемой посадки находится в нижней части корпуса со стороны ЖРД, он имеет сопло с отклоняемым вектором тяги, для управления при посадке и придания некоторого приподнимающего нос усилия непосредственно при посадке. Тем более, что центр тяжести блока значительно смещен в сторону ЖРД, а не большое оперение находится с другой стороны. При этом получается идеальная центровка (как у дротика), но довольно низкое аэродинамическое качество, из за отсутствия элементов создающих подъемную силу, что в момент посадки и немного компенсирует отклоняющаяся вниз струя из ТРД, позволив снизить посадочную скорость.
Так получается, что у моего АКСа очень много двигателей, притом различных, что не очень радует, но учитывая, что все они многоразовые, и все они работают именно в оптимальных для себя режимах. Это приводит к хорошему соотношению массы ПГ к стартовой массе. Используя подъемную силу и атмосферный кислород, при том не перебирая на аэродинамическом сопротивлении, АКС ГУ практически не тратится на гравитационные потери. Аэродинамика системы в сборе конкретно сориентирована на сверх и гиперзвук. Нет ни выступающих огромных крыльев, создающих дополнительное сопротивление ни другого громоздкого оперения. Вся подъемная сила создается корпусом, при том на плоское днище перед воздухозаборниками давление значительно больше, чем на верхнюю поверхность, находящуюся в тени горба. Благодаря этому угол атаки при полете минимальный, и сечение не велико. Конус ударной волны создает только нос. Дозвуковой участок разгона АКС проходит на экране, что значительно снижает требования к оперению. Так у экраноплана «Орленок» на экране качество равно аш 18 !!! это при таких крылышках-обрубках, а в свободном полете он может ели себя удержать только на полном режиме двигателей. И на экране минимальное сопротивление при максимальной подъемной силе.
Благодаря возможности разгона на ВРД до скоростей примерно 2 км/с, и высоты около 35 км, использования высотных сопел для водородных ЖРД, доразгон 1-й – же ступенью на ЖРД еще примерно на 2 км/с и высоты 100 – 120 км; и использование при дальнейшем разгоне полностью заправленной 2-й ступени. Все это позволяет рассчитывать на очень высокую грузоподъемность. Можно даже позволить использование менее напряженных агрегатов и более прочного корпуса, тем самым повышая многоразовость.
Каждый блок АКСа, особенно блоки 1-й ступени способны самостоятельно перелетать с аэродрома на аэродром, что значительно упрощает транспортировку на место старта, как с завода, так и с места посадки. Они имеют огромные баки для керосина, что позволит преодолеть огромное расстояние за один перелет. Конечно самостоятельный взлет его с полными баками не возможен, но можно после взлета на легке, произвести дозаправку в воздухе, и потом хоть 6 тысяч километров. Примерно на таком расстоянии 1-я ступень должна совершить посадку от места старта АКСа. Для 2-й ступени при дальней транспортировки возможно прицепить съемное крыло, без всяких органов управления на нем. И подвесной бак для керосина.
ПГ расположен в передней части носителя, закрепленный на центральной 2-й ступени, но закрыт двумя створками – обтекателями, закрепленными на боковых – 1-ых ступенях. АКС ГУ имеет большой отсек для ПГ, в нем поместится даже полноразмерный челнок с массой соответствующей ПГ, с цельным, а не сборным крылом и хвостовым оперением. В отсеке поместятся огромные плоские панели СБ и другие не габаритные изделия, особенно они смогут «развернуться» в ширь и длину. В процессе взлета, набора высоты и скорости ПГ не испытает перегрузок более чем 2.5 G. В качестве ПГ могут быть минимум три варианта: 1) челнок, имеющий собственный запас топлива, для маневров на орбите. 2) тяжелый ПГ с не большим разгонным блоком, для вывода на низкую орбиту. 3) И более легкий ПГ с большим водородным разгонным блоком, для вывода на геостационар и отлетную орбиту.
Не смотря на то, что хорошая ВПП не дешевле СК, но у нее огромное преимущество в универсальности. Ее можно использовать параллельно по целому ряду нужд и прочих проектов. Лучше всего конечно иметь удлиненную полосу с начальной горкой. Так первый километр – склон под углом градусов 20, следующий километр плавно выводит склон на горизонталь и далее три последующих горизонтальных километра. (это для варианта тяжелого АКСа) По окончанию полосы следует 12-15 км выровненной поверхности для разгона на экране. Эта выровненная поверхность вполне может использоваться под поля, не обязательно сеять пищевые культуры, можно и технические, например лен, или вообще сырье для биотоплива, тем более АКС не использует и не несет ядовитых компонентов топлива.
Например если создать АКС ГУ с взлетной массой 760 тонн. Из них:
Первая ступень: Сухая масса 70 * 2 = 140 тонн.
Ракетное топливо 130 * 2 = 260 тонн.
Керосин для ВРД 70 * 2 = 140 тонн.
Вторая ступень: Сухая масса 30 тонн.
Ракетное топливо 140 тонн.
ПГ с разгонным блоком, или челнок 50 тонн.
Получается более 40-ка тонн на низкой орбите.
На обеих ступенях установить ЖРД на базе агрегатов РД-0120, но без шарнира и с высотным соплом и газовыми рулями-лепестками обтекателя. Надеюсь, что УИ не менее 410 с ( в начале работы) с выше 450 (в вакууме) . На блоках 1-й ступени установить по 4 ТРДФ (на всей системе их 8) типа ДТРФ НК-32 (от Ту 160). Но по одному крайнему ТРДФ на каждом блоке нужно оснастить отклоняющимся сопловым насадком, для изменения вектора тяги. ТРД для возврата, так же можно подобрать, например с МиГа, его тяги должно еще хватить для обеспечения взлета пустой ступени.
Это я описал вариант тяжелого АКСа. Вроде пытался просчитать с учетом всех потерь, изменений массы при расходе топлива. Кратко: Разгон под горку до 75 м/с, при отрыве от полосы 130 м/с, разгон на экране до 310 м/с, включение ПВРД при 350 м/с, отключение ТРДФ при 1000 м/с, отключение ПВРД и включение ЖРД при 2 км/с, отстыковка 1-й ступени при 4 км/с, далее до одновитковой орбиты на ЖРД 2-й ступени.
Дополнительную информацию предоставлю, при Ваших вопросах.
С уважением Гусев Алексей |