В.А.Макаров, С.И.Перницкий, С.С.Перницкий, В.И.Прищепа

Доклад на научно-практической конференции
"Творчество во имя достойной жизни",
Великий Новгород, 11-12 июля 2001 года

В данной работе приведено несколько изобретений в области авиационно-космической техники, сделанных с использованием различных идей и инструментов ТРИЗ.

1. В ряде случаев появляется необходимость вывести на орбиту крупногабаритный объект, размеры которого не позволяют использовать ни один существующий носитель. При этом, как правило, создавать специальный носитель нерационально.

Одним из возможных решений этой задачи может служить объединение двух или нескольких параллельно расположенных ступеней, таким образом, чтобы из небольших грузовых отсеков каждой ступени образовался единый большой грузовой отсек [1]. Такое решение может быть выполнено при относительно умеренной модификации существующих носителей.

Интересно отметить аналогичное решение в другой области техники: для подъема крупногабаритного груза используют две объединенные грузовые кабины лифта [2].

2. При необходимости прекратить полет воздушно-космического самолета (ВКС) сразу после старта возникает проблема его безопасной посадки с большим количеством топлива на борту, которое составляет до 80-90% взлетной массы ВКС.

В авиации в подобных случаях с помощью специальных клапанов производят аварийный слив топлива. Идеальный клапан тот, которого нет, а функция выполняется. Функцию клапана "уменьшать количество топлива на самолете" может выполнять и двигатель - он, потребляя топливо, уменьшает массу самолета. Такой способ также используется на практике: самолет летает в районе аэродрома, вырабатывая топливо до тех пор, пока масса самолета не уменьшится до приемлемого уровня. В случае воздушно-космического самолета с жидкостным реактивным двигателем при использовании такого способа возникает противоречие: "Двигатель должен потреблять много топлива, чтобы оно быстрее закончилось, и должен потреблять мало топлива, чтобы тяга не была слишком большой". Это физическое противоречие может быть разрешено следующим образом. Тяга при данном расходе топлива будет меньше, если топливо будет "плохим". В ракетной технике, как правило, используется топливо, состоящее из двух компонентов: горючего и окислителя. При заданных компонентах "хорошее" (создающее большую тягу) топливо получается при оптимальном соотношении расхода горючего и окислителя. Чтобы разрешить ФП сделаем наоборот - пусть соотношение компонентов будет полностью рассогласовано, т.е. количество одного компонента будем подавать в двигатель существенно больше, чем требуется. Тогда двигатель потребляет много топлива, но создает относительно малую тягу [3]. Однако, при таком способе быстро выработается один компонент, и останется много другого. Для решения этой следующей задачи можно поочередно менять соотношение компонентов: на одном участке полета в двигатель подавать топливо с избытком окислителя, а на следующем - с избытком горючего и т.д.

3. В большинстве проектов воздушно космические самолеты имеют взлетную массу несколько сотен тонн, причем, как уже отмечалось, более 80% ее составляет топливо. Большая взлетная масса самолета приводит к большой массе шасси, что в свою очередь приводит к уменьшению массы полезного груза.

Чтобы избежать этого, можно использовать применительно к ВКС известную технологию дозаправки топливом в полете: взлетать с частично заправленными баками и затем заполнять их, перекачивая топливо с самолета-танкера. Однако объемы баков существующих самолетов-танкеров недостаточны для полной дозаправки ВКС. Можно было бы дозаправлять ВКС от нескольких танкеров, сменяющих друг друга, однако при этом возникает несколько взаимосвязанных проблем. Во-первых, сильно возрастает длительность процесса заправки, причем особенно за счет фаз сближения, стыковки и расстыковки ВКС и танкера. При этом на обеспечение дозаправки на ВКС тратится значительная часть топлива. Во-вторых, уменьшается надежность полета ВКС и его безопасность, поскольку операции сближения, стыковки и дозаправки являются весьма опасными, тем более, что маневренность ВКС очень ограничена. Противоречие разрешено путем объединения топливных магистралей нескольких танкеров в полете [4]. Причем возможны варианты. Можно в процессе заправки ВКС от первого танкера выполнить стыковку второго танкера с первым и перекачивать через него топливо в ВКС, затем аналогично поступить с последующими танкерами. Можно также сначала состыковать два-три танкера, а затем уже осуществить стыковку "гирлянды " танкеров с ВКС.

4. Для обеспечения надежности выведения полезного груза ракетой-носителем на заданную орбиту при действии большого числа непрогнозируемых факторов, в каждую ступень при заправке добавляется так называемый гарантийный запас топлива, составляющий до 3% от общей массы топлива в ступени. Гарантийные запасы топлива практически никогда не вырабатываются полностью, при этом после отстыковки ступени невыработанная его часть пропадает впустую. Это ведет к уменьшению полезного груза, выводимого носителем - вместо дополнительного полезного груза ракета выводит неиспользованную часть гарантийного запаса топлива. Гарантийные запасы топлива обеспечивают надежность выведения полезного груза на орбиту, но при этом уменьшают его массу. Это противоречие может быть разрешено путем размещения части гарантийного запаса топлива каждой ступени в последующей ступени или в полезном грузе и подачи его в нижнюю ступень по мере необходимости [5]. Тогда, непотребовавшаяся часть гарантийного запаса ступени после ее отделения остается в последующей ступени и используется для разгона ракеты, а не пропадает даром. При этом невыработанная часть гарантийного запаса топлива, выведенная на орбиту превращается в полезный груз, потребность в котором на орбите весьма велика. Можно также несколько уменьшить общий гарантийный запас топлива на носителе и соответственно увеличить массу полезного груза.

5. Выведение космических аппаратов на орбиту осуществляется путем увеличения скорости полета носителя с космическим аппаратом до величины порядка 8 км/с за счет истечения с большой скоростью продуктов горения топлива из реактивного двигателя. Как повысить эффективность разгона носителя?

Обычно это осуществляется путем совершенствования двигателя, топлива и конструкции носителя, т.е. за счет использования внутренних ресурсов носителя. Идеальный ресурс, тот которого нет, а его функция (увеличивать скорость) выполняется. Если наложить запрет на изменение и использование внутренних ресурсов, то в качестве резервов развития остаются внешние ресурсы. Одним из таких ресурсов является вращение Земли - известно, что одна и та же ракета, стартуя с экватора, выводит на орбиту на несколько процентов большую массу полезного груза чем при старте в приполярной области. Еще одним внешним ресурсом является движение атмосферы. Вследствие глобальных процессов в атмосфере образуются струйные течения, некоторые виды которых можно использовать для дополнительного разгона авиационно-космических систем. Осуществляя старт второй ступени с самолета-носителя в струйном течении, имеющем скорость 100-150 м/с, можно на 2-3 % увеличить массу полезного груза, выводимого на орбиту. [6].

Идеи и инструменты ТРИЗ, являясь универсальным средством поиска новых решений в различных областях человеческой деятельности, эффективны также и в авиационно-космической технике.

Литература.

1. В.А.Макаров, С.И.Перницкий, С.С.Перницкий, В.И.Прищепа. "Транспортная космическая система", патент РФ №2015079, B64d 37/00, по заявке 5050189/23 от 30.06.92, Бюллетень изобретений 1994г, №12.
2. Г.С.Альтшуллер, А.Б.Селюцкий. Альбом "Принципы разрешения технических противоречий", Принцип объединения, А.С.18339 , 1971г.
3. В.А.Макаров, С.И.Перницкий, В.И.Прищепа. "Способ аварийного опорожнения баков ЛА", патент РФ№ 2034752, B64d 37/00, по з-ке 5057332/23от 30.07.92.
4. В.А.Макаров, С.И.Перницкий, В.И.Прищепа. "Способ заправки самолета в полете, воздушный танкер и ВКС для осуществления способа". Положит. решение ФИПС от 21.02.1995 г. по з-ке 93009481\23 от 19.02. 93. БИ 1996 №29.
5. С.И.Перницкий, С.С.Перницкий. "Способ выведения полезного груза на орбиту", патент РФ № 2083447, B64g 1/14, по з-ке 94001670 от 19.01 94, БИ 1997 №19.

Copyright © 2000 ТРИЗ-группа (Великий Новгород)