Optimiertes Trägerraketenkonzept aus einem Flugzeug.

Autor: Igor Makarov.

Teil 1.

Der Artikel widmet sich der Idee, ein mobiles fliegendes Kosmodrom zu schaffen, und erwägt die Möglichkeit, es auf der Basis eines Flugzeugs zu schaffen Ein -225 und in der Ukraine hergestellte Cyclone-4-Raketen. Der Artikel bespricht die Strategie für den Start einer Trägerrakete aus einem Flugzeug und liefert die notwendigen Berechnungen und Grafiken.

Die Relevanz des Artikels liegt in der vorgeschlagenen Art des Starts einer Trägerrakete aus einem Flugzeug, die eine Kombination zweier unterschiedlicher Ansätze zum Start einer Trägerrakete aus einem Flugzeug bietet. Auf dem ersten Teil ihrer Flugbahn fliegt die Rakete wie ein Flugzeug. Den zweiten Teil der Flugbahn überwindet die Rakete mit Hilfe eines Bremsfallschirms und wird dadurch in die für den Start notwendige Position gebracht.

Die Studie verwendete die Technik der Konstruktion eines mathematischen Modells in der Programmierumgebung Delphi-7 in Pascal. Der Autor hat das erste mathematische Modell des Fluges einer Trägerrakete mit Flügel nach ihrer Trennung vom Flugzeug erstellt. Das zweite mathematische Modell wurde erstellt, um den Flug der Trägerrakete nach dem Abfeuern von den Auflageflächen und dem Abbremsen mit einer Drehung in die für den anschließenden Start erforderliche Position zu beschreiben.

Schlüsselwörter: Luftstart, Trägerrakete, mathematisches Modell, tragende Flächen, Bremsfallschirm, Ovalflügel, Flugzeug.

Die Geschichte der Weltluftfahrt ist eng mit unserem Land verbunden. Bereits 1910 des letzten Jahrhunderts baute der Ingenieur Alexander Kudashev in Kiew das erste Flugzeug, das tatsächlich einen kontrollierten Flug durchführen konnte (wenn der Pilot das Flugzeug mit dem Lenkrad steuert).

Ebenfalls in Kiew begann der weltberühmte Igor Iwanowitsch Sikorski seine Luftfahrtkarriere. Nicht weniger berühmt war Oleg Konstantinovich Antonov, der die weltweit größten Transportflugzeuge An-124 und An-225 baute, die weit über die Grenzen der UdSSR hinaus bekannt sind. Er arbeitete auch viele Jahre in der Ukraine und schuf die am weitesten entwickelte und modernste Luftfahrt- und Wissenschaftsflugzeuge technischer Komplex, der seinen Namen trägt - Staatsunternehmen, benannt nach O.K.Antonov.

Unser Land ist auch eine Weltraummacht, denn in unserem Land sind Giganten der Raumfahrtindustrie wie Yuzhnoye Design Bureau und Yuzhmash tätig, die sich nicht nur mit der Produktion von Trägerraketen und Satelliten befassen, sondern diese auch in einem Serienwerk produzieren. Dank solcher Unternehmen beteiligt sich die Ukraine an vielen internationalen Projekten, wie dem Projekt eines neuen Typs von Vega-Triebwerken (unter der Schirmherrschaft der Europäischen Weltraumorganisation) und dem Sea Launch (Start einer Trägerrakete von einer Offshore-Plattform in der Ukraine). Pazifischer Ozean), wo die ukrainische Rakete Zenit-3SL als Hauptträger von Satelliten eingesetzt wird, Verarbeitung von Interkontinentalraketen „Dnepr“ zum Start kleiner Satelliten; das Cyclone-4-Projekt zusammen mit der brasilianischen Raumfahrtbehörde für Starts vom Startplatz Alcantara und viele andere Projekte.

In diesem Artikel wird ein neues Projekt namens Air Launch vorgeschlagen. Das Projekt sieht den Start der Trägerrakete Cyclone-4 vom Flugzeug An-225 Mriya aus vor.

Wirtschaftliche Komponente des Projekts

Die Idee, eine Trägerrakete von einem Flugzeug aus zu starten, ist nicht neu, denn bereits im 100. Jahrhundert entwickelten Wissenschaftler in Ländern wie der Sowjetunion und den Vereinigten Staaten von Amerika Projekte, die auf verschiedenen Flugzeugen basierten, jedoch aufgrund zahlreicher Risiken Aufgrund dieser Faktoren wurde keines der Projekte umgesetzt. Die Idee, einen mobilen Weltraumbahnhof zu bauen, wurde jedoch im internationalen Projekt Sea Launch umgesetzt. Hierbei handelt es sich um eine umgebaute Offshore-Ölplattform, die sich in den neutralen Gewässern des Pazifischen Ozeans befindet und sich bewegen kann, um während des Starts der Trägerrakete so nah wie möglich am Äquator zu sein, da jeder Grad der Abweichung davon abweicht Der Äquator führt zu einer Geschwindigkeitserhöhung um XNUMX m/s, was sich negativ auf die Energiekapazität der Trägerrakete auswirkt.

Kommandoschiff (hinter der Plattform) und die Startplattform des Sea Launch International Cosmodrome.

Dank dieses Transports der Trägerrakete betragen die Einsparungen beim Start der Trägerrakete aus einem Flugzeug etwa 2 bis 2,5 Millionen Dollar.

Strategie starten

Luftstart – eine Möglichkeit, Raketen oder Flugzeuge aus einer Höhe von mehreren Kilometern zu starten, wo die Trägerrakete angeliefert wird. Als Transportmittel dient meist ein anderes Luftfahrzeug, es kann aber auch ein Ballon oder ein Luftschiff fungieren.

Von Air Launch ist besonders „Air Launch to Orbit“ zu erwähnen. Beim Luftstart in die Umlaufbahn handelt es sich um eine Methode zum Starten von Trägerraketen und/oder Raumfahrzeugen hoch in der Luft aus horizontal startenden Düsenflugzeugen, sowohl Unterschall- als auch Überschallflugzeugen. Beim Orbitalstart bietet diese Methode enorme Vorteile gegenüber herkömmlichen vertikalen Startraketen, einschließlich der geringeren Masse, Reaktionskraft und Kosten der Rakete.

Am Boden wird eine Trägerrakete mit angebrachten Hebeflächen über einen speziellen Hebemechanismus (ähnlich der Hebeplattform für das Orbitalschiff Buran, mit der die Last (Buran) auf eine Höhe von 25 gehoben wurde) auf das Flugzeug geladen Meter, wobei es mit Kränen auf die Höhe abgesenkt wird, die zum Beladen und Anbringen des Schiffes am Flugzeug erforderlich ist. Es gibt Schemata für solche Geräte, die die Umsetzung dieser Entwicklung erleichtern.

Nach diesen Vorgängen hebt das Flugzeug ab und begibt sich zum Startplatz. An der Grenze des Startplatzes muss das Flugzeug auf 10000 m steigen und die erforderliche (berechnete) Geschwindigkeit (860 km/h) erreichen. Bei Erreichen dieser Flugindikatoren schaltet das Flugzeug auf ein automatisches Steuerungssystem um und wird bei einem Nickwinkel von 10 Grad angezeigt. Zu diesem Zeitpunkt löst das automatische System die Verriegelungen, mit denen die Trägerrakete am Flugzeug befestigt ist. Der nächste Schritt wird der Abflug des Boosters und das Manövrieren des Flugzeugs sein. Das Flugzeug führt ein Ausweichmanöver aus, während der Booster ein Buckelmanöver durchführt. Das Manöver der Trägerrakete wird unten beschrieben. Sie sollten sich auf das Manövrieren des Flugzeugs beziehen, nachdem die Rakete abgefeuert wurde. Das Flugzeug beginnt zu bremsen und zu sinken, wobei es gleichzeitig zur Seite rollt (die linke oder rechte Seite der Rolle hängt von der Windrichtung zum Zeitpunkt der Trägerrakete ab). wird aus dem Flugzeug abgefeuert). Nachdem die Rakete die maximale Höhe des Manövers erreicht hat, beginnt sie abzusinken und an Geschwindigkeit zu gewinnen. Das von der Flugbahn der Rakete abweichende Flugzeug kehrt zum Flugplatz zurück. Die Rakete wird mit Hilfe von Steuerelementen (Querruder, Höhenruder, Seitenruder) stabilisiert und hält sich an eine vorgegebene Flugbahn. Nach Erreichen der Höhe, wenn die Rakete einen kleinen Steigungswinkel hat (laut Berechnung - 9360 m), werden die Auftriebsflächen abgefeuert und der Bremsfallschirm freigegeben. Nach dem Öffnen des Bremsfallschirms verringert sich die Geschwindigkeit der Trägerrakete weiter und die Rakete dreht sich, um sie in eine vertikale Position relativ zum Schwerpunkt zu bringen. Nach Durchführung dieser Aktionen startet der Booster die Haupttriebwerke der ersten Stufe, schießt den Bremsfallschirm ab und beginnt im normalen Modus zu fliegen.

Ähnliche Entwicklungen und Strategien für den Luftstart

Der Autor betrachtete nur Analoga, die Raketen mit einem Gewicht von mindestens 15 Tonnen abfeuerten, da genau solche Trägerraketen über die notwendigen Energieeigenschaften für den kommerziellen Einsatz verfügen. In den 1960er Jahren und später in den Vereinigten Staaten entstanden solche experimentellen Raketenflugzeuge, die von Trägerflugzeugen gestartet wurden, darunter das erste Hyperschallflugzeug – das suborbitale bemannte Raumflugzeug North American X-15, auch Bell X-1, Lockheed D-21 Boeing X – 43 und andere. Ähnliche (jedoch nicht suborbitale) Systeme gab es auch in Frankreich (Leduc) und anderen Ländern. Der Luftstart diente dazu, das Raumflugzeug Enterprise im groß angelegten Programm des wiederverwendbaren Raumtransportsystems Space Shuttle zu testen. Der erste luftgestützte AKC-Detailentwurf war das nicht realisierte Spiralsystem der 1960er und 1970er Jahre, bestehend aus einem Hyperschall-Boosterflugzeug, einer Trägerrakete und einem Orbitalflugzeug. Mit dem Luftstart wurde ein Unterschallflugzeug als Gegenstück zu seinem Orbitalflugzeug geflogen.

Amerikanische Projekte: In den USA ist das System Pegasus (PH)/L-1011 (Flugzeug) schon lange im Einsatz. Entwickelt von Orbital Sciences Corporation. Der Start erfolgt mit Hilfe eines speziell dafür ausgerüsteten L-1011-Flugzeugs der Lockheed Corporation. Die Trennung der Rakete vom Trägerflugzeug erfolgt in einer Höhe von 12 km. Masse des Trägers – 18500 kg (Pegasus), 23130 kg (Pegasus XL). Die Masse der Nutzlast, die der Pegasus-Träger in die erdnahe Umlaufbahn befördert, beträgt bis zu 443 kg. Startkosten (für 1994) - 11 Millionen US-Dollar. Von 1990 bis 2008 wurden nur 40 Starts des Pegas-Trägers mit dem Start künstlicher Satelliten in die Umlaufbahn durchgeführt, von denen drei Starts erfolglos blieben. Ein weiteres System wird entwickelt und es gibt weitere ACN-Projekte.

Lockheed-1011-Flugzeug und Pegasus-Trägerrakete

Russisch-ukrainische Projekte: In Russland wurden die detailliert entwickelten Projekte AKS BAKS und „Air Launch“ vorgeschlagen. Im ersten Projekt wird ein Raumflugzeug mit externem Treibstoff vom superschweren Flugzeug An-225 (325) Mechta gestartet. Das Hauptelement des zweiten Projekts ist ein speziell umgerüstetes schweres Flugzeug An-124-100VSE Ruslan, von dem aus nach Angaben des Konstruktionsbüros das State Missile Center in einer Höhe von etwa 10 km entworfen wurde. Makeevs Technologie wird der sogenannte „Mörser“-Start einer Trägerrakete durchgeführt, die eine Nutzlast in die berechnete Umlaufbahn befördert. Es gibt auch Projekte „Burlak“ und andere, bei denen eine Trägerrakete mit Satelliten von verschiedenen Trägerflugzeugen Tu-160, An-124, Tu-22M gestartet wird.

Ukrainische Projekte: In der Ukraine wurden mit dem Trägerflugzeug An-225 die Projekte AKS „Svityaz“ (RN Zenit), AKRK „Orel“ und „Lybid“ (geflügeltes Raumflugzeug) entwickelt. Das Trägerflugzeug An-225-100 wird vom Oleg Antonov ASTC entwickelt und ist eine Modifikation des Basisflugzeugs An-225 Mriya. Am Flugzeug ist eine spezielle Ausrüstung für die Montage der Trägerrakete über dem Rumpf installiert. In den Druckkabinen sind die an Bord befindliche Trägerausrüstung und die für den Start der Trägerrakete erforderlichen Bediener untergebracht. Die Trägerrakete „Svityaz“ entsteht auf Basis von Komponenten, Baugruppen und Systemen der Trägerrakete „Zenith“. Der Bau erfolgt nach einem dreistufigen Schema. Es verwendet ungiftige Kraftstoffkomponenten – flüssigen Sauerstoff und Kerosin. Beim Start eines Raumfahrzeugs in eine geostationäre Umlaufbahn ist die Trägerrakete mit einer Apogäumsstufe mit Feststofftreibstoff ausgestattet.

AKRK „Orel“ ist ein zweistufiger Luft- und Raumfahrtkomplex. Als erste Stufe eines solchen Komplexes wird es ein Trägerflugzeug geben, das vom gleichnamigen Kiewer Luftfahrt-Wissenschafts- und Technikkomplex entwickelt wird. O. K. Antonova An - 124 ("Ruslan"). Die zweite Stufe wird eine vom Dnepropetrowsk-Designbüro Yuzhnoye entwickelte Nutzlast-Trägerrakete sein, die vom Rumpf des Trägerflugzeugs aus gestartet werden soll.

In den ersten Phasen der Entwicklung des ukrainischen AKRK „Orel“ wird es ein Einweg-Raumschiff geben. In Zukunft werden auch mehrere Raumschiffe ins All geschickt und zur Erde zurückgebracht. Im Gegensatz zu „Shuttle“ und „Buran“ erfolgt der Start der Trägerrakete nicht von der Außenaufhängung des Trägerflugzeugs, sondern von dessen Mitte, also vom Rumpf aus. Solche wissenschaftlichen und technischen Lösungen gab es weltweit noch nicht. Ein solches Schema zum Start einer Nutzlast in eine erdnahe Umlaufbahn hat eine Reihe unbestreitbarer Vorteile. Dies sind das verbesserte aerodynamische Design des AKRK insgesamt, die höhere Sicherheit der Trennung der zweiten Stufe in Form einer Trägerrakete, optimalere technische und wirtschaftliche Indikatoren, die höhere Geheimhaltung der Erfüllung von Dual-Use-Aufgaben durch das AKRK (sowohl rein wissenschaftliche und kommerzielle als auch spezielle, für militärische Zwecke) .

Kasachisch-russisches Projekt: Kasachstan schlägt das Projekt AKS „Ishim“ (MiG-31 + RN) vor. AKS-Projekte mit Luftstart von Raumflugzeugen wurden in Deutschland (Zenger-2), Japan (ASSTS), China (Prototyp Shenlong und AKS der nächsten Generation) usw. erstellt. Private suborbitale Raumflugzeuge SpaceShipOne, SpaceShipTwo, M-55 werden mit gestartet Hilfe beim Luftstart und anderen ähnlichen Projekten. Der Luftstart einer suborbitalen bemannten Rakete aus einem Ballon ist im rumänischen Stabilo ARCASPACE-Projekt vorgesehen.

Der Hauptkonkurrent der in dem Papier vorgeschlagenen Startstrategie ist die russische mit dem Flugzeug An-124-100Vse, da das amerikanische Analogon ein zehnmal geringeres Nutzlastgewicht hat. Der Hauptfaktor, der die Umsetzung und kommerzielle Nutzung der russischen Startstrategie verhindert, ist das Fehlen von „Mörser“-Abschüssen von Raketen aus Flugzeugen. Jetzt arbeiten russische Spezialisten daran, dieses Problem zu beseitigen. Die ersten Starts sind für 10 geplant.

Platzierung der Trägerrakete im Flugzeug An-124 Ruslan.

Schweres Universaltransportflugzeug An - 225 „Mriya“

Die Entwicklung eines Flugzeugs zur Bewegung großer Elemente von Raumfahrtsystemen (einschließlich VKS Energia-Buran) begann 1985. Der Erstflug des im Luftfahrtwerk Kiew gebauten Flugzeugs An-225 fand am 21. Dezember 1988 statt, und am 13. Mai 1989 transportierte die An-225 die Buran bereits von Schukowski zum Kosmodrom Baikonur. Mit diesem Flugzeug wurden 106 Weltrekorde aufgestellt.

Flugzeugbau

Rumpf. Es verfügt über zwei Decks: oben eine Mannschaftskabine und eine Kabine für das Begleitpersonal, Aufenthaltsräume (Küche, Garderobe, Toilette), unten eine Frachtkabine. Es kann Lasten mit einem Gewicht von bis zu 250 Tonnen aufnehmen. Um das Be- und Entladen sicherzustellen, werden eine vordere Ladeluke und eine Rampe verwendet.

Flügel. Der Flügel besteht aus langen (bis zu 30 Meter) gepressten Platten. Die Platten sind mit einem Titan-Befestigungselement miteinander verbunden, was für Dichtheit und einen hohen Widerstand sorgt.

Das Gefieder des Flugzeugs. Zweikielig. Der Stabilisator hat eine Spannweite von 30 Metern, verfügt über einen Senkkasten und besteht aus gepressten Platten und gewalzten Platten aus Aluminiumlegierung. Der Aufzug besteht aus sechs Abschnitten, drei von jeder Konsole. Aufzug – aus zwei Abschnitten auf jedem Kiel.

Chassis. Besteht aus einem Vorderfahrwerk mit zwei Stützen und einem Hauptfahrwerk mit vierzehn Stützen. Alle Racks verfügen über die Möglichkeit einer separaten Auslösung, um eine Landung ohne Fahrwerk zu vermeiden. Außerdem ist am Chassis ein Massen- und Gleichgewichtskontrollsystem installiert. Bremsen sind aus Carbon.

Motoren. Das Flugzeug An-225 ist mit D-18T-Triebwerken ausgestattet (der Startschub eines Triebwerks beträgt 23,06 Tonnen). Turbofan-Triebwerk, dreiwellig mit einem Treibstoffverbrauch von 0,57 kg kg Schub pro Jahr im Reiseflugmodus.

Systeme. Alle Flugzeugsysteme sind hochautomatisiert und erfordern während des Fluges nur minimale Aufmerksamkeit der Besatzung. Ihre Leistung wird von 34 Bordcomputern unterstützt. Flugnavigations- und funktechnische Systeme ermöglichen die Steuerung des Flugzeugs im automatischen und manuellen Modus in allen Phasen des Fluges sowie die Verarbeitung und Ausgabe aller erforderlichen Flug- und Navigationsinformationen an die Bordsysteme des Flugzeugs und an das Licht Anzeigen im Cockpit. Das Steuerungssystem umfasst ein elektrohydraulisches Rudersteuerungssystem mit vierfacher Redundanz und ein Fly-by-Wire-Steuerungssystem zur Flügelmechanisierung mit doppelter Redundanz. Der Hydraulikkomplex besteht aus vier Haupt- und zwei Backup-Hydrauliksystemen, die die Funktion der Steuerflächen, die Flügelmechanisierung, das Anheben und Lösen des Fahrwerks sowie das Öffnen und Schließen von Luken und Türen gewährleisten.

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