Miło mi zaprezentować szerszemu gronu Polską Eksperymentalną Myśl Techniczną w postaci systemu „URSUS”. Jest to projekt autorstwa Andrzeja Pietrzaka przedstawiający system wynoszenia pojazdów kosmicznych na orbitę okołoziemską. Projekt zawiera opis jak i rysunki przedstawiające sam model jak i sekwencje wynoszenia całej konstrukcji.
Zapraszam do zapoznania się z pełnym opisem projektu.
System „URSUS”
System „URSUS” jest całkowicie odzyskiwalnym systemem wynoszenia pojazdów kosmicznych. Składa się z 3 członów i ładunku użytecznego (S-100,S-200,S-300,ŁU). S-100 S-200 i S-300 lądują w miejscu startu. System jest bardzo elastyczny odmiany :A,B,C,D,E,F,G . Obsługa przed startowa jest pozioma a start systemu odbywa się z lotniska .Ekologicznie start jest bardzo czysty (para wodna dla S-200 i S-300 oraz spaliny lotnicze dla S-100)_.Do opracowania systemu zostaną wykorzystane technologie z programów „STS”,”An-225”,”C-17”,”DELTA”,”B-787”,”GE-90”,”HERMES” opracowanie systemu będzie zatem w miarę tanie. Można też system opracować stopniowo, najpierw systemy :B,D,F a później : A,C,E,F w których to występują najdroższe elementy czyli ładunek użyteczny w postaci samolotów kosmicznych.
Człon S-100
Jest to wielki dwukadłubowy samolot w układzie kaczka. Skrzydła główne pochodzą z Antonowa An-225 pod które zawieszono 6 silników GE-90-115B (po 511 kN ciągu) ,skrzydła przednie pochodzą z samolotu transportowego „C-17” stateczniki pionowe z Boeinga B-787.
Kadłuby są połączone ze sobą 3 powierzchniami które stanowią dodatkowa powierzchnię nośną przez środek tych połączeń biegnie główna belka do podwieszeń do niej to i płatów miedzy kadłubami podwieszone będą człony S-200 S-300 i „ŁU” przy czym belka zakończona jest końcówką do tankowania w powietrzu. Kadłuby oddalone są od siebie na odległość nieznacznie większą niż rozpiętość S-300 i S-200 (około 18 m). Pojedynczy kadłub jest wąski ale za to wysoki w środku mieści zbiorniki z paliwem (nafta lotnicza) i utleniaczem (ciekły tlen) utleniacz potrzebny jest do pracy 2 silników rakietowych Rocketdyne RS-27A (po 890 kN ciągu) umieszczone są one po 1 na końcu każdego z kadłubów i pracują tylko podczas startu z lotniska i rozpędzania na dużej wysokości tuż przed oddzieleniem się S-200/300/Ł od S-100 (paliwem dla silników RS-27A jest nafta lotnicza te samo paliwo zużywają silniki GE-90).
Pod każdym z kadłubów umieszczone jest podwozie przednie i główne, przy czym przednie jest chowane a główne stałe (dla zmniejszenia ciężaru bo odpadają mechanizmy chowające) ale żeby zminimalizować opór aerodynamiczny będzie ono osłaniane ruchomymi owiewkami przed i za podwoziem w kształcie trójkątów a w środkowej części prostokątnymi. Załoga samolotu znajduje się w jednym z kadłubów .Samolot ten można też wykorzystać „w cywilu”do transportu wielkich podwieszanych ładunków (np.kontenerów) o masie do 600 ton.
Człon S-200
Jest to duży zbiornik paliwa w kształcie walca na końcu którego znajdują się 4 silniki rakietowe „SSME” opracowane dla amerykańskich samolotów kosmicznych, paliwem dla nich jest ciekły wodór (LH2) i ciekły tlen(LOX) .Głównym zespołem S-200 jest zbiornik z eliptycznymi końcówkami wykonany z kompozytów. Zbiornik ten zawiera szczelną przegrodę eliptyczną rozdzielającą tlen i wodór, poprzez zbiornik „LOX” przebiega rura doprowadzająca „LH2” do silników.
Na końcu kadłuba znajduje się usterzenie tylne z dwoma statecznikami pionowymi w statecznikach są stery kierunku które mogą się rozchylać i działać jako hamulce aerodynamiczne.
Pod spodem kadłuba usytuowana będzie płaska skrzynia gdzie znajdować się będą składane
skrzydła i małe skrzydełka przednie, oba te elementy będą wysuwane podczas powrotu S-200 na lotnisko ,oprócz tego na grzbiecie S-200 będą zaczepy do podwieszenia zespołu z S-100.
Z przodu S-200 będą 4 wysięgniki służące do połączenia S-200 z S-300 .Do lądowania na lotnisku S-200 używa wysuwanego podwozia a na dobiegu spadochronu hamującego.
Człon S-300
Jest to samolot kosmiczny(raczej uskrzydlony zbiornik paliwa) napędzany 2 silnikami SSME . Zbiornik paliwa jest głównym elementem i ma podobną konstrukcję jak „z.b.” w S-200. S-300 posiada skrzydła główne zakończone dwoma statecznikami pionowymi oraz małe skrzydełka pomocnicze (układ kaczki)na grzbiecie samolotu znajdują się zaczepy do podwieszania pod S-100. S-300 posiada osłonę cieplną wielokrotnego użytku chroniącą pojazd w czasie powrotu z orbity . Jest ona znacznie lżejsza niż w „STS” (lżejszy samolot) . Podczas lotu w atmosferze do sterowania służą klasyczne powierzchnie sterowne w kosmosie zaś małe silniczki rakietowe umieszczone z tyłu i przodu .Paliwem dla silników pomocniczych będzie monometylohydrazyna (MMH) a utleniaczem tetratlenek diazotu (N2O4) .Z tyłu kadłuba umieszczone są silniki główne SSME przy czym usytuowane są one jeden nad drugim co pozwala podczas pracy na wyłączenie jednego z silników (nie ma asymetrii ciągu), silniki te są w wersji która pozwala na dwukrotne uruchomienie w próżni kosmicznej ,pierwsze dla korekty orbity i drugie na hamowanie przed wejściem do atmosfery. Z przodu S-300 ma zwężający się pierścień do łączenia z „ŁU”, podczas lotu w atmosferze po wykonaniu zadania z pierścienia tego wysuwa się ruchoma owiewka która poprawia opływ aerodynamiczny .
S-300 przebywa krótko w kosmosie osiąga zaplanowaną orbitę z „ŁU” oddziela ten że ładunek i automatycznie powraca na ziemię lądując w miejscu startu z wykorzystaniem chowanego podwozia a na dobiegu spadochronu hamującego.
Odmiany systemu URSUS
A- załogowy samolot kosmiczny z otwieraną ładownią
B- kontener ładunkowy wprowadzany na niską orbitę
C-bezzałogowy samolot kosmiczny z dużą ładownią do wynoszenia i sprowadzania ładunków
D- składa się z dwóch stopni w którym 1 stopień wynosi dużego satelitę na orbitę „GEO”
E- samolot kosmiczny z węzłem cumowniczym z tyłu kadłuba (obsługuje załogowe stacje kosmiczne)
F- dwustopniowy z dużym stopniem na LH2/LOX wynosi duże próbniki międzyplanetarne
G- załogowy samolot używany w misji księżycowej, ma on węzły do podwieszania w kosmosie pod kadłubem dużego zbiornika paliwa „LT” z możliwością „tankowania w kosmosie” oraz posiada węzeł cumowniczy na grzbiecie kadłuba do mocowania lądownika księżycowego „LM”
T- specjalna wielokrotnego użytku „nakładka-zbiornik” służy do tankowania wersji „G” na orbicie lub statku wyprawy marsjańskiej
Przebieg typowej misji:
1) Start S-100/200/300/ŁU następuje z lotniska (najlepiej położonego blisko równika) start wspomagają silniki rakietowe RS-27A
2) następuje dolot do równika z wykorzystaniem systemu tankowania w powietrzu (mniejszy ciężar ,S-100 startuje z niepełnymi zbiornikami nafty).
3) przy równiku i na wysokości 12 000 m zostają włączone wspomagające silniki rakietowe S-100 co rozpędza zespół do ok. 900 km/h.
4) przy tej prędkości następuje zrzut (oddzielenie) S-200/300/ŁU od S-100 i zapłon silników S-200 (4xSSME) .
5) S-100 zawraca i ląduje w bazie .
6) po zużyciu paliwa w S-200 następuje oddzielenie S-200 od S-300/ŁU i zapłon silników S-300 (2xSSME)
7) S-200 opada i hamuje hamulcami aerodynamicznymi a gdy prędkość spadnie wysuwa spod kadłuba skrzydła główne i skrzydełka pomocnicze dzięki którym dolatuje do bazy,tuż przed lądowaniem wypuszcza podwozie i ląduje .
8) po osiągnięciu prędkości orbitalnej S-300/ŁU ustala swą orbitę krótkim zapłonem jednego z silników głównych i uwalnia ŁU (ładunek użyteczny).
9) S-300 ustawia się tyłem do kierunku lotu (silniczkami korekcyjnymi) i odpala silnik główny po czym schodzi automatycznie z orbity przedzierając się przez atmosferę .
10) S-300 ląduje z wykorzystaniem podwozia na lotnisku w miejscu startu lub innej bazie .
Dane techniczne:
S-100:
rozpiętość- 104 m
powierzchnia nośna :
płat główny – 955 m2
płat przedni- 353 m2
powierzchnie łączące-600 m2
całkowita pow. nośna – 1908 m2
moc silników :
silniki główne (GE-90) 6x 511 kN – 3066 kN,
silniki pomocnicze ( RS27) 2×890 kN – 1780 kN
moc całkowita(GE-90+RS-27)- 4846 kN
masa własna(S-100) – 350 t
masa startowa (S-100/200/300/ŁU)-982 t
obciążenie pow. nośnej – 514 kg/m2
obciążenie mocy (GE-90 + RS27)- 2,027 kg/daN
obciążenie mocy (GE-90)- 3,203 kg/daN
S-200:
Średnica zbiornika – 7.5 m
długość zbiornika LOX-5.5 m
długość zb. LH2 –14m
rozpiętość (skrzydła złożone)-18 m
rozpiętość (skrzydła rozłożone)-26 m
masa własna- 40 t
masa LOX-257 t
masa LH2 – 43 t
masa całkowita- 340 t
silniki 4x SSME (4×2000 kN)- 8000 kN (ciąg na wysokości 12 km)
S-300:
Średnica zbiornika – 6.2m
długość zbiornika LOX-5.2 m
długość zb. LH2 – 13.8 m
rozpiętość samolotu- 18 m
masa własna 38 t
masa LOX-171.4 t
masa LH2- 28.6 t
masa całkowita-238 t
silniki 2xSSME (2×2090 kN)- 4180 kN (ciąg w próżni)
Masa użyteczna „ŁU” – 54 t
Masa (S-200/300/ŁU)-632 t
Masa (S-100/200/300/ŁU)- 982 t
Proste wstępne obliczenia :
Wzory:
1) Vd= u* ln Km
2) 2) Km=m0/(m0-mf)
3) 3) Vc=(Ve+Vo+V1+V2)-Vs
Gdzie:
Vd -prędkość obliczeniowa
u-prędkość „gazów silnikowych ”dla SSME= 4500 m/s
ln –logarytm
Km- współczynnik masy
m0-masa startowa
mf- masa paliwa
Vc – prędkość orbitalna =7800 m/s
Ve- prędkość równikowa = 464 m/s
V0 –prędkość S-100 przy rozłączeniu z S-200/300/ŁU = 250 m/s
V1-prędkość po pracy s-200
V2-prędkość po pracy s-300
Vs – prędkość „na straty” .
I tak:
V1=4500*ln (632/332)=2896.89 m/s
V2=4500*ln(292/92)=5197.34 m/s
Vc=(464+250+2896.89+5197.34)-Vs
Vc=8808.2-Vs
czyli straty Vs wynoszą ok. 1000 m/s
Opis misji księżycowej:
* paliwem dla „LT” i „LM” jest H2N2(CH3)2 + N2O2
1) start URSUSa G ,masa własna 20 t ,masa paliwa 34 t
2) start URSUSa B ,masa „LM” (lunar module) 22 t , masa „LT”(lunar tank) 8 t ,paliwo w „LT” 24 t
3)start 3x URSUSa T z tankowaniem w kosmosie(3×50 t=150 ton paliwa dla „LT”)
4)start z orbity okołoziemskiej zespołu URSUS G/LM/LT (zużycie 174 tony paliwa z „LT”)
5)odrzucenie „LT”
6)hamowanie i wejście na orbitę księżycową (22 tony paliwa z URSUSa G )
7)odłączenie „LM” od URSUSa G
8)lądowanie „LM” z 2 astronautami na księżycu
9)start części startowej „LM” i dokowanie do URSUSa G
10)odłączenie pustego „LM” i start z orbity księżycowej w kierunku ziemi (9 ton paliwa z URSUSa G)
11)powrót na ziemię z hamowaniem atmosferycznym
w 1 misji księżycowej (5 startów systemu ) tracimy tylko 1 „LM” i 1 „LT”
©Andrzej Pietrzak 2004/2013 (e-mail : andrzejp4@wp.pl )
Podoba Ci się ten artykuł? Dołącz do nas na Facebooku