Аэрокосмический самолет с ядерным двигателем и способ осуществления им аэрокосмических полетов

Аэрокосмический самолет с ядерным двигателем и способ осуществления им аэрокосмических полетов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к авиационно-космической и ракетной технике, касается летательных аппаратов, оснащенных ядерными реактивными (ракетными) двигателями, использующими в качестве рабочего тела, помимо прочего, атмосферную среду.

Предлагаемый аэрокосмический самолет (АКС) оснащен работающим на атмосферной среде (газе или воздухе) радиационно-безопасным ядерным ракетным двигателем (ЯРД), оборудован для этого аэродинамическими сжижающими эту среду установками (АСЖУ) с возможностью во время полета периодической дозаправки сжижаемой атмосферной средой, и предназначен для выполнения активных долговременных беспосадочных полетов одновременно в атмосфере и в безвоздушном и околоземном космическом пространстве со стартом с земной поверхности и самостоятельным возвращением на Землю.

Описываемый АКС с ЯРД и АСЖУ может быть эффективно использован:

- для пространственного выведения на любые околоземные орбиты тяжелых полезных грузов,

- для проведения активного глобального космического мониторинга и сканирования земной поверхности,

- для наблюдения за состоянием и поведением находящихся на околоземных орбитах космических объектов (аппаратов, спутников, астрономических и радиофизических приборов и т.д.),

- для обследования, технического обслуживания, перевода на другие орбиты, удаления с орбиты и возвращения на Землю орбитальных объектов.

А также для всевозможных других задач, которые не могут быть эффективно выполнены существующими ракетно-космическими транспортными средствами.

Полеты могут выполняться, как в пилотируемом, так и в автоматическом режиме и с возможностью пристыковки АКС к космической станции (для временного, например, для смены экипажа, или для постоянного базирования) или к другому космическому аппарату, например, к межпланетному кораблю (матке) для совместного с ним полета.

Имея возможность заправляться в земной атмосфере сжиженным газом или воздухом - рабочим телом, АКС может выполнять челночные полеты к Луне непосредственно с земной орбиты. А при полетах в атмосфере других планет может использовать в качестве рабочего тела их атмосферную среду. Возвращение на Землю так же может осуществляться на сжиженной атмосферной среде этих планет или на любом другом газообразном или жидкообразном веществе. Использованием в ЯРД в качестве рабочего тела практически неисчерпаемой атмосферной среды снимаются все существующие проблемы, связанные с ограниченностью бортового запаса рабочего тела.

Ограниченность бортового запаса топлива (горючего и окислителя) для современных ракет и самолетов с ВРД, ПВРД, ЖРД вызывает необходимость:

- стремиться к получению максимально высокой удельной тяги и минимизировать расход топлива, оптимизировать траекторию и сокращать время полета;

- использовать только высококалорийные, к тому же очень дорогостоящие и, вместе с тем, весьма ядовитые и взрывоопасные химические вещества, что существенно усложняет и удорожает космические запуски, делает их высоко затратными, экологически вредными и опасными;

- применять для выведения полезного груза на орбиту многоступенчатые системы и оптимизировать траектории полета каждой из ступеней без гарантии надежности и точности выхода на расчетную траекторию и орбиту;

- для увеличения дальности полета производить сложную дозаправку в полете, осуществление которой криогенным топливом, тем более, при сверхзвуковых скоростях и в космическом пространстве представляет собой не решенную техническую задачу;

- наконец, осуществлять трудоемкие и высоко затратные производственные, инфраструктурные и предстартовые работы и мероприятия, связанные с производством, хранением, транспортировкой и использованием высокотоксичного, агрессивного и взрывоопасного топлива.

Кроме того, необходимость иметь значительный (до 70-90% от стартового веса ракеты) бортовой запас топлива (горючего и окислителя) существенно ограничивает вес доставляемого на космическую орбиту полезного груза, а недостаток этого запаса сужает орбитальное пространство для его выведения.

Все эти и другие проблемы снимаются АКС с ЯРД, содержащим на борту долговременно действующий энергоемкий атомный источник энергии, и использующим неограниченно емкий источник дешевого и экологически чистого рабочего тела - атмосферную среду. Что обеспечивает и высокую энерговооруженность, и практически неограниченную обеспеченность рабочим телом. Снижение удельной тяги ЯРД, соответственно, общей величины силы тяги заменой более эффективного рабочего тела на атмосферную среду (воздух), и, тем самым, снижение тяговооруженности АКС, (определяемой величиной силы тяги на единицу веса), может компенсироваться возможностью неограниченного увеличения продолжительности разгона до необходимой сверхзвуковой скорости на атмосферной (воздушной) среде, а также повышения температуры ее нагрева в ядерном реакторе.

При всем при этом самолетный запуск сам по себе дает возможность (при прочих равных условиях) увеличить грузоподъемность, и значительно повысить точность выведения полезного груза, а также выполнять вывод на орбиту в широком диапазоне направлений и быстро изменять направление старта со сменой параллакса. Это повышает эффективность использования АКС, (определяемую отношением массы полезной нагрузки к его стартовой массе), а также гибкость его применения (характеризующуюся максимальные радиусом полета на параллакс).

Широко известны запускаемые с носителей и спускаемые на Землю аэрокосмические (воздушно-космические) летательные аппараты, (в том числе типа Шаттл, Буран и др.), оснащенные реактивными, ракетными двигателями, работающими на химическом топливе (ВРД, ПВРД, ГПВРД, ТРД, ЖРД) /1/. Жестко ограниченный бортовой запас этого топлива создает вышеописанные проблемы, как для организации доставки полезного груза на расчетную орбиту, так и для осуществления долговременных активных полетов одновременно в атмосфере и в безвоздушном и космическом пространстве, маневренных межорбитальных полетов.

Известна многоступенчатая «Система запуска и транспортирования полезной нагрузки» 121, включающая:

- авиационно-космический аппарат (АКА) - носитель, оснащенный маршевым прямоточным воздушно-реактивным ПВРД и разгонным ЖРД;

- возвращаемый космический аппарат (КА) с ракетными двигателями в качестве второй ступени, предназначенный для доставки полезного груза на низкую или среднюю околоземную орбиту;

- возвращаемый многоразовый транспортный орбитальный (ОТА) или межорбитальный (МТА) аппарат с ракетными двигателями в качестве третьей ступени, предназначенный для доставки полезного груза на геосинхронную орбиту;

- космический аппарат для доставки полезного груза на геосинхронную или планетарную орбиту в качестве четвертой ступени. Для минимизации расхода топлива оптимизируются режимы и траектории взлета и отстыковки отдельных ее ступеней.

Недостатки известной «Системы», помимо многоступенчатости, существенно усложняющей организацию и осуществление запуска и полета, связаны именно с ограниченностью бортового запаса топлива в баках для всех ее ступеней, без возможности его пополнения (дозаправки) в процессе полета. Причем сама необходимость в многоступенчатости также обусловлена ограниченностью бортового запаса топлива. По этой причине ни носитель АКА, ни другие ступени (OTA, МТА и др.) не способны выполнять сколько-нибудь долговременные активные полеты ни в атмосфере, ни в безвоздушном и космическом пространстве, а также маневренные межорбитальные полеты.

По конструктивным признакам и по составу оборудования наиболее близким аналогом предлагаемому АКС может являться вышеупомянутый АКА, содержащий фюзеляж с корпусом переменной геометрии, крылья с поверхностями аэродинамического управления, хвостовое оперение со стабилизатором, реактивные маршевые и управляющие двигатели, трехопорные взлетно-посадочные шасси, а так же оборудование для сжижения, забираемого диффузорами атмосферного воздуха, предназначенное для увеличения высоты подъема на ПВРД в безвоздушном пространстве за счет накопления за время взлета сжиженной воздушной массы. Маршевые ПВРД с диффузорами размещены в гондолах под крыльями, а управляющие ракетные двигатели пространственного управления полетом установлены в отсеке для полезной нагрузки и в законцовках крыльев.

Основное назначение данного АКА и способ выполнения им в связи с этим полета заключается в подъеме на возможно максимальную высоту с разгоном до расчетной сверхзвуковой скорости остальных ступеней и возвращением после отстыковки на место старта. Для чего в процессе взлета в атмосфере с помощью сжижающего оборудования производят накопление сжижаемого воздуха, чтобы использовать его затем (в качестве окислителя), в ПВРД для некоторого продолжения подъема в безвоздушном пространстве и, тем самым, увеличения высоты. Считается, что принятые конструкция фюзеляжа, компоновка оборудования и аэродинамическая схема обеспечивают устойчивость, управляемость и стабилизацию полета.

Недостаток АКА состоит в невозможности выполнения им долговременных беспосадочных полетов в безвоздушном и космическом пространстве и выхода на орбиту, для чего он и не предназначен. Это связано, прежде всего, с ограниченностью бортового запаса топлива для его ПВРД и ЖРД. Кратковременная и разовая (только при взлете и за короткий период взлета) дозаправка незначительным количеством сжиженного воздуха (окислителя) для осуществления космических полетов далеко недостаточна. К тому же сжижающее оборудование «теплообменного типа» не достаточно производительно, чтобы накопить за короткий период взлета нужный для этого запас сжиженного воздуха. Кроме того, такое сжижающее оборудование громоздко и имеет значительный вес.

Известен воздушно-космический самолет (ВКС) с ВРД, оборудованный с целью снижения веса ожижителем воздуха «теплообменного типа», выполненным в виде установленного на корпусе фюзеляжа отдельного блока, с возможностью его отделения и сброса после взлета /3/. Как и в АКА 121, речь опять-таки идет о кратковременной и разовой (только при взлете и за время взлета) дозаправке сжиженным воздухом с единственной целью - несколько увеличить высоту взлета. Но, и для АКА, и для ВКС, помимо дозаправки воздухом (окислителем) для осуществления долговременного полета необходима еще и дозаправка горючим.

Таким образом, ни АКА 121, ни ВКС /3/ (как и другие подобные летательные аппараты с ВРД, ПВРД, ГПВРД и ЖРД), даже, если они оборудованы действующими постоянно, а не кратковременно (только при взлете) и высокопроизводительными сжижающими воздух (окислитель) установками, не способны выполнять долговременные аэрокосмические полеты без дозаправки горючим. Произведение же дозаправки при сверхзвуковой скорости, к тому же криогенным топливом, и, тем более, в безвоздушном и космическом пространстве, вообще проблематично.

Существенного повышения продолжительности активных полетов одновременно и в атмосфере, и в безвоздушном и околоземном космическом пространстве можно достичь только оснащением аэрокосмического летательного аппарата, работающим на атмосферной среде (газе или воздухе) ядерным двигателем, оборудованием его при этом высокопроизводительными сжижающими эту среду установками, а так же иметь возможность в процессе полета производить периодическую дозаправку этой средой.

Известна схема самолета с ядерным двигателем, использующим в качестве рабочего тела атмосферный воздух, направляемый для нагрева прямо в активную зону реактора и последующим для создания тяги выбросом из сопла (/4/, стр. 57-58, рис. 2-18).

Недостатки такой схемы ЯРД, прежде всего, связаны с радиоактивным заражением окружающего пространства (земной атмосферы) облученным в активной зоне реактора рабочим телом (в данном случае воздухом) и радиоактивными микрочастицами материала и ядерного горючего, вбрасываемыми из сопла. По этой причине летательные аппараты с таким радиационно-опасным ядерным двигателем не могут быть использованы для полетов в атмосфере Земли и через ее атмосферу в космос со стартом с земной поверхности. Кроме того, радиоактивное рабочее тело не может быть безопасно использовано и внутри летательного аппарата для работы входящих в состав ядерного двигателя бортовых турбоагрегатов (турбонасосов, турбокомпрессоров), обеспечивающих его питание и охлаждение рабочим телом, а так же снабжающих бортовые системы электроэнергией турбоэлектрогенераторов и управляющих полетом реактивных двигателей.

В этом отношении прототипом изобретения может служить известный АКС /5/, оборудованный высокоэффективными аэродинамическими, (то есть использующими для сжижения энергию напора набегающего потока) сжижающими забираемую атмосферную среду (газ или воздух) установками (АСЖУ), и оснащенный работающим, в том числе, на атмосферной среде радиационно-безопасным ядерным ракетным двигателем (ЯРД) /6/.

На дальнейшее развитие и совершенствование этого прототипа путем устранения имеющихся конструктивных недостатков и за счет новых технических решений, связанных с повышением эффективности функционирования ЯРД, АСЖУ, и связанных с ними бортовых турбоагрегатов, турбоэлектрогенераторов и управляющих двигателей, а так же надлежащей их компоновки в корпусе фюзеляжа соответствующей конструкции, обеспечивающих повышение тяговооруженности и термодинамического качества АКС, как транспортной энергетической системы, при обеспечении устойчивости, управляемости и стабилизации полета, и направлено настоящее изобретение.

Прототип включает:

- фюзеляж с крыльями и диффузорами для забора атмосферной среды,

- ядерный ракетный двигатель (ЯРД), использующий в качестве рабочего тела, помимо прочего, атмосферную среду, содержащий ядерный реактор с органами регулирования мощности, пристыкованную к нему радиационно-защитным днищем теплообменную камеру с теплопроводящими (теплопередающими) элементами (тепловодами), образующими в сборке нагревательные каналы для прокачиваемого рабочего тела, и пристыкованное к теплообменной камере сверхзвуковое маршевое сопло,

- аэродинамические сжижающие забираемую при полете атмосферную среду (газ или воздух) установки (АСЖУ), использующие для сжижения энергию скоростного напора набегающего потока, содержащие каждая воздухозаборник с устройствами для охлаждения и закрутки входящего потока, сверхзвуковое сопло для расширения потока до конденсации атмосферной среды, каналы для отвода образующейся жидкой фазы и накопления ее в криогенных баках-накопителях и каналы для отвода не сконденсировавшейся части атмосферного потока.

Недостатки прототипа, которые устраняются настоящим изобретением, состоят в следующем.

Из-за недостаточно большой удельной тяги (удельного импульса) ЯРД /6/ (по причине недостаточно высокой температуры нагрева рабочего тела в его теплообменной камере) оснащенный им АКС /5/ не обладает необходимой тяговооруженностью. Это связано с не очень высокой теплопроводностью (температуропроводностью) существующих материалов для тепловодов.

Кроме того, из-за недостаточно эффективной организации работы АСЖУ, когда не сконденсировавшаяся атмосферная среда не используется полезно, а просто выбрасывается наружу, теряется значительная часть забираемой для сжижения атмосферной среды, которая потенциально могла бы быть использована и как рабочее тело, и в качестве низкотемпературного охладителя. При этом теряется также и значительная часть энергии, затраченной за счет энергии полета, (то есть за счет мощности двигателя). Этим снижаются термодинамическое качество (общий КПД) АКС, как транспортной энергетической системы.

Наряду с этим, в прототипе технически не реализована имеющаяся возможность непосредственного использования высокотемпературного маршевого рабочего тела для работы водящих в систему питания и охлаждения рабочим телом бортовых турбоагрегатов (турбонасосов, турбокомпрессоров), обеспечивающих электроэнергией турбоэлектрогенераторов, а также и управляющих полетом реактивных двигателей. Тем самым, не используется возможность повышения эффективности работы (КПД) и самих этих турбоагрегатов, и управляющих двигателей, и ЯРД в целом.

В прототипе также отсутствуют технические решения по сохранению работоспособности бортовых турбоагрегатов, турбоэлектрогенераторов и управляющих реактивных двигателей при отключенном маршевом сопле. Невозможность отключать маршевое сопло не позволяет сохранять рабочее тело при пассивных орбитальных полетах и экономично его расходовать при выполнении маневренных межорбитальных полетов.

Кроме того, отсутствуют технические решения по надлежащей компоновке взаимодействующих с внешней средой ЯРД, АСЖУ, связанных с ними турбоагрегатов и управляющих полетом реактивных двигателей в корпусе фюзеляжа соответствующей конструкции, обеспечивающие в своей взаимосвязи, как эффективность совместного функционирования этого оборудования, так и устойчивость, управляемость и стабилизацию полета.

Таким образом, с целью: повышения эффективности осуществления долговременных активных полетов одновременно в атмосфере, в безвоздушном и космическом пространстве, а также маневренных межорбитальных полетов путем:

- повышения тяговооруженности (за счет увеличения удельной тяги ЯРД) при долговременной (практически неограниченной) обеспеченности рабочим телом - атмосферной средой (газом или воздухом),

- улучшения термодинамического качества АКС как транспортной энергетической системы, (за счет повышения эффективности работы ЯРД, АСЖУ, обеспечивающих питание и охлаждение рабочим телом бортовых турбоагрегатов и электроэнергией турбоэлектрогенераторов, а так же управляющих полетом реактивных двигателей),

- сохранения работоспособности бортового оборудования и управляющих двигателей в условиях орбитальных и межорбитальных полетов при отключенном маршевом сопле,

причем все это при обеспечении устойчивости, управляемости и стабилизации полета, (за счет необходимой для этого компоновки оборудования в корпуса фюзеляжа надлежащей конструкции), а также выбора соответствующей этому аэродинамической схемы АКС, и предлагается данное изобретение.

Общий положительный технический результат достигается за счет совокупности следующих взаимосвязанных частных технических решений.

С целью повышения тяговооруженности (за счет увеличения удельной тяги двигателя) АКС оснащен использующим в качестве рабочего тела забираемую при полете атмосферную среду (газ или воздух) ЯРД, содержащим секционированную теплообменную камеру, состоящую из центральной и окружающих ее смежных средних и внешней секций со сборками теплопередающих элементов (тепловодов) с нагревательными каналами, отделенных друг от друга межсекционными стенками и сообщенных между собой полостями с возможностью прохода рабочего тела последовательно через нагревательные каналы поочередно всех секций, с входом его через входной коллектор в нагревательные каналы внешней секции и выходом из нагревательных каналов центральной секции в полость ее выходного коллектора, к которому пристыковано маршевое сопло. При этом теплообменная камера подключена входным коллектором внешней секции одновременно воздуховодами к диффузорам фюзеляжа и трубопроводами к криогенным бакам-накопителям сжижаемой АСЖУ атмосферной среды (и прочего имеющегося на борту) рабочего тела с возможностью автоматического переключения с одних на другие.

В частности, АКС содержит ЯРД с радиально секционированной теплообменной камерой, состоящей из пяти - центральной и окружающих ее трех смежных средних и внешней - кольцевых секций, содержащих сборки тепловодов с нагревательными каналами, отделенных друг от друга межсекционными стенками и сообщенных между собой щелевыми полостями с возможностью прохода рабочего тела последовательно через нагревательные каналы поочередно всех секций, с входом его через входной коллектор и щелевую полость в нагревательные каналы внешней секции и выходом из нагревательных каналов центральной секции. Для чего входная щелевая полость внешней секции отделена стенкой от щелевой полости выхода рабочего тела из нагревательных каналов смежной с ней средней секции, входы рабочего тела в нагревательные каналы которой сообщены щелевой полостью с выходом его из каналов внешней секции, выходы рабочего тела из каналов этой средней секции сообщены щелевой полостью с входом его в каналы смежной с ней другой средней секции, выходы рабочего тела из каналов которой сообщены щелевой полостью с входом его в каналы смежной с ней следующей средней секции, выходы рабочего тела из каналов которой сообщены щелевой полостью с входом его в нагревательные каналы центральной секции, снабженной выходным коллектором, к которому пристыковано маршевое сопло.

Секционированностью конструкции теплообменной камеры ЯРД достигается повышение температуры и темпа нагрева, образующих нагревательные каналы участков тепловодов (за счет сокращения их длины в каждой секции, но, при увеличении суммарной длины нагревательных каналов). С повышением температуры нагрева рабочего тела возрастает удельная тяга (удельный импульс) ЯРД. Тем самым повышается и тяговооруженность АКС. А подключением при этом теплообменной камеры одновременно к диффузорам фюзеляжа и к криогенным бакам-накопителям рабочего тела с возможностью взаимного переключения с одних на другие обеспечивается непрерывность питания и охлаждения рабочим телом при переходных режимах полета из атмосферы в безвоздушное и космическое пространство и обратно.

Одновременно с этим.

С целью повышения эффективности системы питания и охлаждения рабочим телом - атмосферной средой, АКС оборудован АСЖУ, содержащими каналы для отвода не сконденсировавшейся части атмосферного потока, которые, (как и диффузоры фюзеляжа, и баки-накопители сжиженной атмосферной среды), подключены к каналам системы охлаждения корпусов реактора, теплообменной камеры и маршевого сопла. А также подключены, с возможностью отключения, к дополняющим систему охлаждения крыльям. Для чего крылья выполнены с излучающей поверхностью и с теплообменными элементами и каналами, выходы из которых, как и из вышеуказанных и других каналов системы охлаждения, (для использования как рабочего тела), подключены трубопроводами к входному коллектору внешней секции теплообменной камеры. Полезным (и в качестве низкотемпературного охладителя, и затем как рабочего тела) использованием не сконденсировавшейся атмосферной среды (а не выбрасыванием наружу с потерей затраченной на охлаждение энергии), повышается КПД системы питания и охлаждения в целом, соответственно, эффективность работы ЯРД. А выполнением крыльев в виде теплообменников с излучающей поверхностью обеспечивается охлаждение и самих крыльев (при сверхзвуковом полете в атмосфере), и охлаждение и работа ядерного реактора и бортовых турбоагрегатов при пассивных орбитальных полетах.

С целью повышения эффективности (КПД) обеспечивающих питание и охлаждение рабочим телом бортовых турбоагрегатов (турбонасосов, турбокомпрессоров) и электроэнергией бортовые системы турбоэлектрогенераторов использованием для их работы высокотемпературного маршевого рабочего тела, входы в их турбины трубопроводами, снабженными связанными с органом управления автоматическими регуляторами расхода рабочего тела, подключены к выходному коллектору центральной секции теплообменной камеры с возможностью регулируемого отбора маршевого рабочего тела. А выходы из турбин трубопроводами подключены к входному коллектору внешней секции теплообменной камеры и, с возможностью отключения, - к теплообменным элементам и каналам крыльев-излучателей. Подключением выходов из турбин к входному коллектору внешней секции теплообменной камеры позволяет использовать отработанное в турбинах рабочее тело в маршевом сопле для создания тяги. А подключением их к крыльям дается возможность сбрасывать тепло через их излучающую поверхность в космическое пространство при орбитальных полетах.

С целью повышения эффективности управления полетом, а через это и управляемости АКС, за счет увеличения управляющего реактивного импульса управляющих (тангажом, боковым поворотом), а так же тормозных двигателей непосредственным использованием в них высокотемпературного маршевого рабочего тела, их реактивные сопла соединительными трубами, снабженными связанными с органом управления автоматическими регуляторами расхода рабочего тела, подключены к выходному коллектору центральной секции теплообменной камеры с возможностью регулируемого отбора маршевого рабочего тела.

Совокупностью вышеперечисленных технических решений, в конечном счете, повышаются термодинамическое качество (общий КПД) АКС, как транспортной энергетической системы.

При всем при этом, с целью сохранения работоспособности системы питания и охлаждения, бортовых турбоагрегатов (турбонасосов, турбоэлектрогенераторов) и управляющих реактивных двигателей при орбитальных и межорбитальных полетах с выключенным из работы маршевым соплом, ЯРД АКС дополнительно оборудован запорным устройством, исключающим истечение рабочего тела из маршевого сопла. Запорное устройство установлено в полости выходного коллектора центральной секции теплообменной камеры перед входом в полость маршевого сопла, и связано с управляющими приводами с возможностью перекрывания входа рабочего тела в полость маршевого сопла, причем с одновременным открыванием прохода в полость секции, смежной с центральной секцией теплообменной камеры для перетекания в нее неиспользованной бортовыми турбоагрегатами, турбоэлектрогенераторами и управляющими двигателями части рабочего тела. И с возможностью открывания прохода рабочего тела в полость маршевого сопла для включения его в работу с одновременным закрыванием прохода в полость этой смежной секции.

В частности, запорное устройство состоит из двух, расположенных в образованной плоскими стенками выходного коллектора центральной секции теплообменной камеры полости подвижных заслонок, снабженных вертикальными буртами. Заслонки установлены на общих продольных направляющих и связанных с управляющими приводами с возможностью при взаимном их сдвигании плотного взаимного смыкания вертикальных буртов с образованием единой, перекрывающей проход в полость маршевого сопла стенки, и с одновременным открыванием прохода рабочего тела в полость секции, смежной с центральной секцией. А также с возможностью при взаимном раздвигании заслонок открывания прохода рабочего тела в полость маршевого сопла с одновременным закрыванием прохода в полость вышеупомянутой секции теплообменной камеры.

Вышеописанные технические решения обеспечивают повышение тяговооруженности и термодинамического качества АКС, как транспортной энергетической системы, за счет повышения эффективности работы отдельных его агрегатов. Вместе с тем, термодинамическое качество АКС, как транспортной энергетической системы зависит и от эффективности совместного функционирования ЯРД, АСЖУ и связанных с ними бортовых турбоагрегатов, турбоэлектрогенераторов и управляющих реактивных двигателей. Поэтому, прежде всего, необходимо обеспечить вполне определенный, учитывающий особенности конструкции и функционирования каждого из них, порядок их взаимного расположения и размещения (компоновку) в корпусе фюзеляжа АКС, причем соответствующей конструкции.

С другой стороны, активно взаимодействующие с внешней средой ЯРД (работающий на забираемой при полете атмосферной среде), и АСЖУ, (использующие для сжижения кинетическую энергию скоростного напора набегающего потока), их общее и взаимное расположение на корпусе фюзеляжа, а также соответствующая компоновке конструкция самого корпуса оказывают непосредственное влияние на аэродинамические характеристики АКС, его устойчивость и управляемость.

Так, размещенный (по условию функционирования) в хвостовой части фюзеляжа достаточно тяжелый ЯРД с внешней радиационной защитой его реактора, чтобы не нарушать продольную устойчивость, не должен смещать центр тяжести АКС за его аэродинамический фокус. Это одно из главных условий не нарушения продольной устойчивости, как по перегрузке (при изменении угла атаки), так и по загрузке, (в частности, при периодической дозаправке рабочим телом). При этом АСЖУ с закручивающими входящий поток воздухохаборниками не должны оказывать на корпус фюзеляжа дестабилизирующего крутящего реактивного воздействия, приводящего к поперечной неустойчивости. Это касается и обеспечивающих ЯРД рабочим телом - атмосферной средой диффузоров. Наряду с этим, компоновка управляющих полетом с помощью реактивных струй двигателей, помимо управления, должна обеспечивать пространственную устойчивость и стабилизацию полета.

В частности, известна компоновка самолета, направленная на улучшение его аэродинамических характеристик.(Патент RU №2302975, B64C 1/00).

С учетом изложенного, для обеспечения устойчивости, управляемости и стабилизации полета предлагается следующая компоновка вышеуказанного оборудования в корпусе фюзеляжа и соответствующая этому аэродинамическая схема АКС.

Наиболее соответствующей (учитывающей особенности конструкции, функционирования и компоновки вышеуказанного оборудования) аэродинамической схемой АКС может являться аэродинамическая схема «утка-бесхвостка». Поэтому предлагаемый АКС с ЯРД выполнен по аэродинамической схеме «утка-бесхвостка», с переменной (комбинированной) геометрией корпуса фюзеляжа, без хвостового, но с передним оперением, состоящим из цельноповоротных горизонтальных плоскостей и вертикальных стабилизаторов. И с корпусом, состоящим из плавно сопрягающихся между собой цилиндрической передней части, на которой установлено переднее оперение, и выполненных с уплощенным общим днищем конусообразной средней и цилиндрической задней, оканчивающейся конусообразным хвостовым участком и образующей в плане совместно с крыльями дельтообразную несущую поверхность, частей.

При этом с целью сохранения продольной (путевой) устойчивости размещенный в хвостовой части фюзеляжа ЯРД установлен в пределах площади указанной дельтообразной несущей поверхности и зоны возможного (предельно допустимого) смещения центра тяжести при перегрузке и изменении загрузки (например, дозаправке), и впереди аэродинамического фокуса. Для чего маршевое сопло пристыковано к выходному коллектору теплообменной камеры через посредство соответствующей (расчетной) длины теплоизолированной предсопловой трубы, что позволяет переместить ядерный реактор с внешней радиационной защитой дальше от фокуса к носу фюзеляжа.

С целью исключения реактивных поворотов фюзеляжа вокруг продольной оси и, тем самым, обеспечения боковой устойчивости, АКС оборудован двумя (парой) аэродинамическими сжижающими установками (АСЖУ), расположенными в корпусе фюзеляжа (для защищенности от вешнего аэродинамического воздействия и нагрева), и установленных симметрично по бортам корпуса фюзеляжа с возможностью закрутки входящего в их воздухоззаборники атмосферного потока во взаимно противоположные стороны. Причем установлен впереди ядерного реактора, за его внешней радиационной защитой и с расположением входов в воздухозаборники на конусообразной поверхности средней части корпуса фюзеляжа, выполненного для этого с продольными, образующими поверхностные каналы, вогнутостями. Закруткой входящих в воздухозаборники потоков во взаимно противоположны стороны устраняется возникновение дестабилизирующих реактивных крутящих моментов. А размещением АСЖУ впереди ЯРД, за внешней радиационной защитой его реактора исключается возможность их подогрева и снижения эффективности работы, а также радиационного облучения криогенного рабочего тала.

При этом диффузоры расположены несколько впереди теплообменной камеры, сообщены воздуховодами с входным коллектором ее внешней секции, и выполнены с входом в них атмосферного потока в виде единого или разделенного надвое кармана, образованного уплощенным общим днищем средней конусообразной и задней цилиндрической частей корпуса фюзеляжа и цилиндрическим участком корпуса этой задней части. Такая конструкция диффузоров, обеспечивая ЯРД рабочим талом (атмосферной средой) в требуемых объемах, не создает крутящих реактивных моментов от входящих сверхзвуковых потоков, чем не нарушает поперечной устойчивости АКС. А расположением их несколько впереди теплообменной камеры, (причем с максимально возможным приближением воздуховодов к ее входному коллектору) снижаются гидропотери, и повышается эффективность снабжения ЯРД рабочим талом.

Для большей эффективности работы и рациональности компоновки турбоэлектрогенераторы, (работающие на отбираемом из теплообменной камеры маршевом рабочем теле), размещены непосредственно за ее выходным коллектором, в зоне расположения предсопловой трубы. А маршевое сопло и управляющие и тормозные реактивные двигатели с соплами размещены в полости конусообразного хвостового участка задней части корпуса фюзеляжа, выполненного для этого в виде прочного термозащитного конуса-обтекателя. Причем сопла управляющих тангажом и боковым поворотом двигателей установлены в выполненных в стенках корпуса конуса-обтекателя по соответствующим главным осям управления окнах. А сопла тормозных двигателей установлены параллельно или под некоторым внешним углом к продольной оси корпуса фюзеляжа в аналогичных, расположенных симметрично по окружности конуса-обтекателя и оснащенных закрывающими их крышками окнах, с возможностью автоматического выдвижения наружу Компоновкой управляющих и тормозных реактивных двигателей в едином блоке с расположением в хвостовой части и с максимальной приближенностью к общему источнику высокотемпературного маршевого рабочего тела (теплообменной камере), помимо компактности, повышается их функциональная эффективность. При этом помимо управляющего воздействия каждым из двигателей в отдельности имеется возможность использования согласованного совместно действия реактивных струй для обеспечения стабилизации и устойчивости полета. А размещением их, а также маршевого сопла в полости термозащитного конуса-обтекателя обеспечивается защита их от внешнего аэродинамического воздействия (в особенности, при сверхзвуковом входе в атмосферу для дозаправки), чем повышается надежность их работы.

Принятая для АКС аэродинамическая схема «утка-бесхвостка» предполагает использование трехколесной схемы шасси, которая исключает возможность капотирования, а также обеспечивает путевую устойчивость при разбеге и пробеге и максимальное использование тормозов. Вместе с тем, из авиационной практики известно, что при приземлении, тем более на высоких скоростях, наиболее опасным, приводящим к разрушению шасси, являются передний и связанный с ним боковой удары.

Известно для повышения безопасности приземления снабжение самолетов шасси с раскручивающимися перед посадкой колесами до скорости приземления /7/. Для чего колеса выполнены с турбинными лопатками, а на стойках шасси закреплены специальные воздухозаборники с подведенными к лопаткам сопловыми элементами, Недостатком такого технического решения является необходимость установки на стойках шасси дополнительных возухозаборников, усложняющих и утяжеляющих конструкцию.

С целью повышения безопасности приземления за счет раскручивания перед посадкой колес шасси до скорости приземления, описываемый АКС содержит шасси с колесами с турбинными лопатками, в которых сопловые элементы подключены трубопроводами непосредственно к воздуховодам диффузоров фюзеляжа. Это исключает необходимость в установке на шасси дополнительных утяжеляющих конструкцию шасси воздухозаборников.

Способ осуществления данным АКС с ЯРД долговременного активного аэрокосмического полета, заключаю