DE102017203303A1 - Drop-down hull structure for hypersonic spacecraft vehicles - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Anmeldung betrifft eine abwerfbare Unterrumpfstruktur (10) für ein einer auftriebsunterstützten Aufstiegstrajektorie folgendes Hyperschall-Raumtransportfahrzeug (12), wobei die Unterrumpfstruktur (10) zum Verkleiden einer unter einem Rumpf (26) und/oder Tragflügel (28) des Raumtransportfahrzeugs (12) getragenen Nutzlast (20) an dem Raumtransportfahrzeug (12) anbringbar ist und wobei die Unterrumpfstruktur (10) so geformt ist, dass Verdichtungsstöße (14, 18), die im Überschallflug oder Hyperschallflug durch die unter dem Rumpf (26) und/oder Tragflügel (28) angebrachte Unterrumpfstruktur (10) entstehen, eine Druckerhöhung unter dem Tragflügel (28) und dadurch Kompressionsauftrieb erzeugen.The present application relates to a drop-down hull structure (10) for a lift-assisted abutment trajectory following hypersonic spacecraft (12), the hull structure (10) for disguising a hull (26) and / or hydrofoil (28) of the spacecraft (12). supported payload (20) is attachable to the space transport vehicle (12) and wherein the sub-hull structure (10) is shaped so that compression shocks (14, 18) in the supersonic or hypersonic flight through the below the fuselage (26) and / or wing ( 28) attached lower body structure (10) arise, an increase in pressure under the wing (28) and thereby generate compression buoyancy.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Erfindung betrifft eine abwerfbare Unterrumpfstruktur für ein einer auftriebsunterstützten Aufstiegstrajektorie folgendes Hyperschall-Raumtransportfahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein Raumtransportfahrzeug mit einem Rumpf und einem Tragflügel, das dazu ausgestaltet ist, einer auftriebsunterstützten Aufstiegstrajektorie mit Hyperschallgeschwindigkeit zu folgen, und das eine abwerfbare Unterrumpfstruktur aufweist.The present invention relates to a drop-down hull structure for a hypersonic space transport vehicle following a lift assisted lift trajectory. Further, the invention relates to a spacecraft having a fuselage and a wing configured to follow a lift-assisted, hypersonic-speed ascent trajectory and having a drop-down hull structure.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Um eine breite Nutzung und Erschließung des Weltraums zu ermöglichen ist es zwingend erforderlich, dass der Transport von Nutzlasten in den Erdorbit wesentlich kostengünstiger ermöglicht wird als bisher. Hierfür sind bereits Anstrengungen unternommen worden, insbesondere um konventionelle Trägerraketen zu verbessern. Auf diese Weise sind jedoch nur begrenzte Kostensenkungen möglich, aber fundamentale Durchbrüche beim Raumtransport nicht zu erwarten.In order to enable a broad use and development of the space, it is imperative that the transport of payloads into the orbit of earth much cheaper than previously possible. Efforts have already been made to improve, in particular, conventional launchers. In this way, however, only limited cost reductions are possible, but fundamental breakthroughs in space transportation are not expected.
Ein regelmäßig vorgeschlagener alternativer Ansatz sind voll wiederverwendbare Single-Stage-To-Orbit oder Two-Stage-To-Orbit Hyperschalltransportsysteme, die auch unter der Bezeichnung „Spaceplanes“ bekannt sind. Solche Raumtransportfahrzeuge sollen grundsätzlich dazu geeignet sein, drastische Kostensenkungen zu ermöglichen und wurden daher vor allem in den 1980er und 1990er Jahren intensiv untersucht. Bisher konnte jedoch noch keines dieser Konzepte einen echten Durchbruch erzielen, weil entweder die Triebwerke nicht den gestellten Erwartungen entsprachen oder die jeweilige Leermasse des Raumtransportsystems zu hoch war. A regularly proposed alternative approach is fully reusable single-stage-to-orbit or two-stage-to-orbit hyperspace transport systems, also known as spaceplanes. Such space transport vehicles should in principle be suitable for enabling drastic cost reductions and were therefore intensively studied, especially in the 1980s and 1990s. So far, however, none of these concepts could achieve a real breakthrough because either the engines did not meet the expectations or the respective empty mass of the space transport system was too high.
Der Abstand zu einem als technische realisierbar und wirtschaftlich sinnvoll angesehenen System war jedoch nicht sehr groß. Folglich wird davon ausgegangen, dass bereits relativ kleine Verbesserungen des Standes der Technik ausreichen könnten, um Spaceplanes realisieren zu können.However, the distance to a technically feasible and economically viable system was not very large. Consequently, it is believed that even relatively small improvements in the prior art could be sufficient to realize space plans.
Insbesondere aus der militärischen Luftfahrt ist bekannt, im auftriebsunterstützten Überschallflug oder Hyperschallflug Kompressionsauftrieb zu nutzen. Durch eine besondere Konturierung der Flugzeuggeometrie im Bereich unter dem Tragflügel des Flugzeugs kann die durch Verdichtungsstöße erzeugte Druckerhöhung gezielt dazu genutzt werden, den Auftrieb eines Luftfahrzeuges zusätzlich zu erhöhen. Dieses Prinzip wurde beispielsweise in den 1960er Jahren in den USA in Form des XB-70 Bombers verwirklicht, wobei der Unterrumpf, in welchem die Triebwerke untergebracht wurden, derart geformt war, dass die von ihm generierten Verdichtungsstöße im Überschallreiseflug den Druck auf der Tragflügelunterseite deutlich erhöhten. Dies führte zu einem erheblich höheren Auftrieb bei gleichbleibendem Widerstand mit einer entsprechenden Erhöhung der Gleitzahl und damit der Reichweite des Flugzeugs.In particular from military aviation it is known to use compression buoyancy in lift-assisted supersonic flight or hypersonic flight. By a special contouring of the aircraft geometry in the area under the wing of the aircraft, the pressure increase generated by compression shocks can be used specifically to increase the buoyancy of an aircraft in addition. This principle was realized, for example, in the 1960s in the US in the form of the XB-70 bomber, the lower hull, in which the engines were housed, was shaped so that the heights generated by supersonic cruise compressions significantly increased the pressure on the underside of the wing , This resulted in a significantly higher lift with consistent resistance with a corresponding increase in the glide ratio and thus the range of the aircraft.
Geometrische Ausgestaltungen, die Kompressionsauftrieb erzeugen können, indem eine Druckerhöhung unter dem Tragflügel eines Luftfahrzeugs erzeugt wird, sind grundsätzlich bekannt. Ein Beispiel hiervon ist in
Die Geometrien der Unterrumpfstruktur von bekannten Luftfahrzeugen wie beispielsweise dem XB-70 Bomber sind jedoch nicht für die Verwendung bei Raumtransportfahrzeugen geeignet, insbesondere weil sie nicht vor den aerothermodynamischen Belastungen beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre geschützt werden können.However, the sub-hull structure geometries of known aircraft, such as the XB-70 bomber, are not suitable for use in spacecraft vehicles, particularly because they can not be protected from aerothermodynamic loading upon re-entry into the earth's atmosphere.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION
Vor dem Hintergrund des Standes der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung zunächst darin, ein Raumtransportsystem zur Verfügung zu stellen, das einen effizienteren Transport von Nutzlasten in den Erdorbit ermöglicht und dabei vor allem die Kostenvorteile eines einer auftriebsunterstützten Aufstiegstrajektorie folgenden, weil wiederverwendbaren und ggf. Einstufig ausgelegten Hyperschall-Raumtransportfahrzeugs nutzt. Insbesondere besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung auch darin, ein Hyperschall-Raumtransportfahrzeug bereitzustellen, das sich als wiederverwendbares und idealerweise Single-Stage-To-Orbit Hyperschall-Raumtransportsystem eignet und damit zu einer drastischen Kostensenkung des Transports von Nutzlasten in den Erdorbit führen kann.In the light of the prior art, the object of the present invention is first of all to provide a space transport system which enables a more efficient transport of payloads into earth orbit and, above all, the cost advantages of a lift-assisted ascent trajectory following, because reusable and possibly Single-stage hypersonic spacecraft uses. In particular, the object of the present invention is also to provide a hypersonic space transport vehicle that is suitable as a reusable and ideally single-stage-to-orbit hypersonic space transport system and thus can lead to a drastic reduction in the cost of transport of payloads in Earth orbit.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine abwerfbare Unterrumpfstruktur nach Anspruch 1 oder auch durch ein Raumtransportfahrzeug nach Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Merkmale und Weiterentwicklungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.The object of the present invention is achieved by a drop-down hull structure according to claim 1 or by a space transport vehicle according to claim 6. Advantageous features and further developments of the invention emerge from the respective subclaims.
Eine erfindungsgemäße abwerfbare Unterrumpfstruktur für ein einer auftriebsunterstützten Aufstiegstrajektorie folgendes Hyperschall-Raumtransportfahrzeug ist zum Verkleiden einer unter einem Rumpf und/oder unter einem Tragflügel des Raumtransportfahrzeuges getragenen Nutzlast an dem Raumtransportfahrzeug anbringbar. Die Unterrumpfstruktur ist so geformt, dass Verdichtungsstöße, die im Überschallflug oder Hyperschallflug durch die unter dem Rumpf und/oder dem Tragflügel angebrachte Unterrumpfstruktur entstehen, eine Druckerhöhung unter dem Tragflügel und dadurch Kompressionsauftrieb erzeugen.A drop-down hull structure according to the invention for a hypersonic space transport vehicle following a lift-assisted ascent trajectory can be attached to the space transport vehicle for disguising a payload carried under a fuselage and / or under a wing of the space transport vehicle. The lower hull structure is shaped so that compression impacts arising in supersonic flight or hypersonic flight through the lower hull structure mounted below the fuselage and / or the wing increase the pressure under the wing and thereby create compression buoyancy.
Ein erster Aspekt der Erfindung liegt darin, den Rumpf des Raumtransportfahrzeuges zu verkleinern und die Nutzlast statt in einem Frachtraum außen am Rumpf anzubringen. Hierdurch kann der Rumpf des Raumtransportfahrzeuges wesentlich kleiner und leichter ausgebildet werden als bei bisher bekannten Raumtransportfahrzeugen mit einem Frachtraum.A first aspect of the invention is to downsize the hull of the spacecraft and attach the payload to the hull rather than in a cargo hold. As a result, the hull of the space transport vehicle can be made much smaller and lighter than previously known space transport vehicles with a cargo space.
Nutzlast bedeutet im vorliegenden Zusammenhang insbesondere die in den Erdorbit zu transportierende Last („Payload“). Darüber hinaus kann der Ausdruck „Nutzlast“ im vorliegenden Zusammenhang auch zumindest einen Teil des für den Antrieb des Raumtransportfahrzeuges erforderlichen Treibstoffs und einen hierfür eingesetzten Treibstofftank umfassen.Payload means in the present context, in particular, the load to be transported in earth orbit (payload). In addition, the term "payload" in the present context may also comprise at least part of the fuel required for driving the space transport vehicle and a fuel tank used for this purpose.
Zusätzlich zu dem Aspekt, die Nutzlast außen am Raumtransportfahrzeug anzubringen, um den Rumpf kleiner und leichter auszubilden, nutzt die Unterrumpfstruktur die Erkenntnis, dass durch eine geschickte geometrische Ausgestaltung der Unterrumpfstruktur zusätzlicher Kompressionsauftrieb erzeugt und damit der aerodynamische Luftwiderstand des Raumtransportfahrzeuges aufgrund einer Verringerung des Anstellwinkels verringert werden kann. Hierdurch kann der für die atmosphärische Beschleunigung notwendige Treibstoffbedarf spürbar verringert werden, was wiederum die Leistungsfähigkeit des Raumtransportfahrzeuges erhöht.In addition to the aspect of attaching the payload to the spacecraft to make the fuselage smaller and lighter, the in-hull structure recognizes that skilful geometric design of the hull structure creates additional compression buoyancy and thereby reduces aerodynamic drag of the spacecraft due to a reduction in pitch can be. As a result, the need for atmospheric acceleration fuel consumption can be significantly reduced, which in turn increases the performance of the spacecraft.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Unterrumpfstruktur liegt darin, dass die Geometrie der Unterrumpfstruktur in gewissen Grenzen variiert werden und so an unterschiedliche Größen und Geometrien der Nutzlast und ggf. an variable Mengen Zusatztreibstoff angepasst werden kann. Im Gegensatz zu einem Raumtransportfahrzeug mit einem Frachtraum im Inneren des Rumpfes, der auf eine bestimmte Nutzlast hin oder eine möglichst vielseitige Einsetzbarkeit, beispielsweise durch Standardmaße, konzipiert wurde, kann ein Raumtransportfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung, eine Vielzahl verschiedener Nutzlasten jeweils optimiert in den Erdorbit transportieren, weil die Unterrumpfstruktur auf jede Nutzlast hin geometrisch optimiert werden und dadurch Masse und Widerstand des Raumtransportfahrzeugs minimieren kann. A further advantage of the lower-hull structure according to the invention is that the geometry of the lower-hull structure can be varied within certain limits and can thus be adapted to different sizes and geometries of the payload and possibly to variable amounts of additional fuel. In contrast to a spacecraft with a cargo compartment inside the fuselage designed for a particular payload or versatility such as standard dimensions, a spacecraft of the present invention can transport a variety of payloads optimally into Earth orbit because the sub-hull structure can be geometrically optimized for any payload, thereby minimizing mass and drag of the spacecraft.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass durch das Anbringen der Nutzlast an dem Raumtransportfahrzeug die Möglichkeit einer leichteren Integration der Nutzlast am Raumfahrzeug geschaffen wird. Die Nutzlast kann beispielsweise unkompliziert unter das am Boden stehende Raumtransportfahrzeug geschoben und daran befestigt werden. Üblicherweise sehen bisherige Spaceplane Konzepte eine Nutzlastbucht innerhalb des Fahrzeuges vor, die über aufschwenkbare Türen auf dem Rumpfrücken zugänglich ist; ein hierfür erforderlicher Kran ist bei der vorgeschlagenen Erfindung nicht erforderlich.Another advantage of the invention is that by attaching the payload to the spacecraft, the possibility of easier integration of the payload on the spacecraft is provided. The payload, for example, can be easily pushed under the floor-standing space transport vehicle and attached to it. Conventionally, previous spaceplane concepts provide for a payload bay within the vehicle which is accessible via swing-open doors on the back of the fuselage; a crane required for this purpose is not required in the proposed invention.
Im Hinblick auf die Gestaltung der Unterrumpfstruktur, so dass Verdichtungsstöße, die im Überschallflug oder Hyperschallflug durch die Unterrumpfstruktur entstehen, eine Druckerhöhung unter dem Tragflügel und dadurch Kompressionsauftrieb erzeugen, ist zu beachten, dass die Lage der Verdichtungsstöße insbesondere von der Fluggeschwindigkeit abhängt. Die Fluggeschwindigkeit eines Raumtransportfahrzeugs variiert auf seinem Weg von der Erde an den Rand der Atmosphäre, anders als bei einem stets innerhalb der Atmosphäre fliegenden Flugzeug, über einen sehr großen Geschwindigkeitsbereich. Die Geometrie der Unterrumpfstruktur kann auf relativ niedrige Geschwindigkeiten im niedrigen Überschallbereich oder auf hohe Geschwindigkeiten im Hyperschallbereich optimiert sein. Bevorzugt wird für die vorliegende Erfindung ein Mittelwert zwischen niedrigen und hohen Überschallgeschwindigkeiten (bzw. niedrigen-mittleren Hyperschallgeschwindigkeiten) der Geometrie der Unterrumpfstruktur zugrunde gelegt. Dies ist durch grundsätzlich bekannte Simulationen der Verdichtungsstöße möglich und liegt grundsätzlich im Bereich des fachmännischen Wissens. Beispielsweise kann das System auf Machzahlen von 1-6...10 optimiert werden, also vom Überschall bis in den niedrigen-mittleren Hyperschallbereich, wobei die tatsächliche Auslegung des Systems stark von der Gesamtsystemauslegung abhängen kann.With regard to the design of the lower hull structure, so that compression shocks, which occur in supersonic flight or hypersonic flight through the lower body structure, generate an increase in pressure under the wing and thereby compression buoyancy, it should be noted that the position of the compression shocks in particular depends on the airspeed. The speed of flight of a spacecraft varies on its way from the earth to the edge of the atmosphere, unlike an airplane always flying within the atmosphere, over a very large speed range. The geometry of the bottom hull structure can be optimized for relatively low speeds in the low supersonic range or for high speeds in the hypersonic range. For the present invention, an average value between low and high supersonic speeds (or low-average hypersonic velocities) of the geometry of the undershirt structure is preferably used. This is possible by basically known simulations of compaction collisions and is fundamentally within the scope of expert knowledge. For example, the system can be tuned to Mach numbers of 1-6 ... 10, from supersonic to low-mid hypersonic, and the actual design of the system may depend heavily on the overall system design.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Unterrumpfstruktur liegt darin, dass die Unterrumpfstruktur nach dem Verlassen der dichteren Atmosphärenschichten abgeworfen werden kann, wodurch die Nutzlast freigegeben wird und der durch den Abwurf der Unterrumpfstruktur erreichte Massenverlust die in den Orbit zu beschleunigende Masse weiter verringert und somit zusätzlich die Leistung des Raumtransportfahrzeuges verbessert.A further advantage of the invention's under-hull structure is that the under-hull structure can be dropped after leaving the denser atmosphere layers, thereby releasing the payload and further reducing mass loss due to the dropping of the hull structure further reduces the mass to be accelerated into orbit and thus additionally performance the space transport vehicle improved.
Sofern die abgeworfene Unterrumpfstruktur nicht wiederverwendet werden kann, kann sie aus relativ einfachen und preiswerten Materialien und mit geringen Sicherheitsfaktoren hergestellt werden, da die Unterrumpfstruktur in den meisten Fällen lediglich eine vorgegebene Konturierung beibehalten muss, aber keine Fahrzeuglasten trägt. Daher können Schädigungen wie etwas Kriechen, Oxidation oder begrenzte plastische Verformungen hingenommen werden. Dies führt weiter zu einer verbesserten Kosteneffizienz des Transports der Nutzlast.Unless the discarded hull structure can not be reused, it can be made from relatively simple and inexpensive materials and with low safety factors, since in most cases the hull structure only needs to maintain a given contouring but does not carry vehicle loads. Therefore, damage such as creep, oxidation or limited plastic deformation can be tolerated. This further leads to an improved cost efficiency of the transport of the payload.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Unterrumpfstruktur einen Treibstofftank auf. Hierbei kann es sich insbesondere um einen Zusatztank zu einem Haupttank des Raumtransportfahrzeugs handeln, dessen Inhalt innerhalb der dichteren Atmosphärenschichten aufgebraucht wurde und der somit nach dem Verlassen dieser dichteren Atmosphärenschichten abgeworfen werden kann. Ein solcher Treibstofftank erhöht zwar grundsätzlich die Komplexität und damit auch die Kosten der Unterrumpfstruktur, ermöglicht jedoch gleichzeitig eine weitere Verringerung der in den Erdorbit zu beschleunigenden Masse. According to a preferred embodiment, the lower body structure comprises a fuel tank. This may in particular be an additional tank to a main tank of the spacecraft, the content of which was used up within the denser atmosphere layers and thus can be discarded after leaving these denser layers of atmosphere. Although such a fuel tank basically increases the complexity and thus the cost of the lower body structure, but at the same time allows a further reduction in the earth orbit to be accelerated mass.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Unterrumpfstruktur ferner eine Klappe, bevorzugt mehrere Klappen, die derart ausfahrbar ist bzw. sind, dass die Verdichtungsstöße unter dem Tragflügel durch die Klappe oder die Klappen beeinflussbar sind. Insbesondere ist so eine Verschiebung einer Position eines Druckpunkts des Kompressionsauftriebs durch die Betätigung der Klappe oder Klappen realisierbar, d.h. der Druckpunkt des Kompressionsauftriebs kann durch die Klappe oder die Klappen verschoben werden. Vorzugsweise ist die Klappe bzw. sind die Klappen dabei seitlichen an der Unterrumpfstruktur angeordnet.According to a further preferred embodiment, the lower body structure further comprises a flap, preferably a plurality of flaps, which can be extended such that the compression impacts under the wing can be influenced by the flap or the flaps. In particular, such a displacement of a position of a pressure point of the compression buoyancy by the operation of the flap or flaps is feasible, i. the pressure point of the compression buoyancy can be shifted by the flap or the flaps. Preferably, the flap or the flaps are arranged laterally on the lower body structure.
Durch die bevorzugte Klappe oder Klappen der Unterrumpfstruktur kann der Effekt des Kompressionsauftriebs über einen größeren Geschwindigkeitsbereich aufrechterhalten und/oder in seiner Intensität verändert werden, was bei einem Raumtransportfahrzeug vorteilhaft ist, das nicht eine bestimmte Reisefluggeschwindigkeit einnimmt, sondern während seines Flugs durch die Erdatmosphäre immer schneller wird. Außerdem kann auf diese Weise die Druckpunktlage nicht nur im Hinblick auf den zu durchfliegenden Geschwindigkeitsbereich, sondern auch auf eine mögliche Änderung der Schwerpunktlage angepasst werden.The preferred flap or flaps of the lower body structure may maintain and / or vary the intensity of the compression buoyancy over a wider range of speeds, which is advantageous in a spacecraft that does not occupy a particular cruising speed but is accelerating as it travels through the earth's atmosphere becomes. In addition, in this way, the pressure point position can be adjusted not only with regard to the speed range to be traveled, but also to a possible change in the center of gravity.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Unterrumpfstruktur ferner ein Radfahrwerk, das zur Unterstützung des Raumtransportfahrzeuges während seines Startlaufs geeignet ist. In dieser Ausführungsform nimmt die Unterrumpfstruktur nicht nur eine Verkleidungsfunktion wahr, sondern trägt während des Startlaufs auch Lasten der Unterrumpfstruktur und/oder anderer Teile des Raumtransportfahrzeuges. Die Unterrumpfstruktur kann in diesem Fall etwas stabiler und massiver ausgebildet werden, was zu einer höheren Masse der Unterrumpfstruktur führen kann. Andererseits kann somit zumindest ein Teil der Masse eines separaten Startfahrwerks eingespart werden, wobei die zusätzliche Masse der Unterrumpfstruktur mit dieser im Verlaufe des Fluges abgeworfen und die in den Orbit zu beschleunigende Masse somit gegenüber der Abflugmasse weiter reduziert werden kann.According to a further preferred embodiment, the lower-hull structure further comprises a wheeled chassis which is suitable for supporting the space-transporting vehicle during its take-off run. In this embodiment, the sub-hull structure not only performs a fairing function, but also carries loads of the hull structure and / or other parts of the spacecraft during take-off. The sub-hull structure may be made somewhat more stable and solid in this case, which may result in a higher mass of the hull structure. On the other hand, thus at least a portion of the mass of a separate starting chassis can be saved, the additional mass of the lower body structure with this dropped in the course of the flight and the mass to be accelerated in orbit can thus be further reduced compared to the take-off mass.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Unterrumpfstruktur ferner einen Fallschirm für eine sanfte Landung der abgeworfenen Unterrumpfstruktur auf der Erde, ein solcher Fallschirm ist insbesondere bei Ausführungsformen von Bedeutung, in denen die Unterrumpfstruktur einen erheblichen Kostenbeitrag zum Flug in den Erdorbit leistet oder in dem die Unterrumpfstruktur bei ihrem Auftreffen auf die Erde eine Gefahr für Lebewesen oder Gegenstände darstellen könnte. Insbesondere bei einer leichten und lediglich als Verkleidung dienenden Unterrumpfstruktur ist es jedoch auch möglich, auf einen solchen Fallschirm zu verzichten, vor allem dann, wenn die Flugbahn des Raumtransportfahrzeugs so geplant ist, dass die Unterrumpfstruktur auf dem Meer oder in einem nicht besiedelten Gebiet wie etwa einer Wüste auf die Erde auftreffen wird.In an advantageous embodiment, the under-hull structure further comprises a parachute for a smooth landing of the dropped lower body structure on the ground, such a parachute is particularly important in embodiments in which the sub-hull structure makes a significant contribution to the flight into the Earth orbit in which the lower body structure their impact on the earth could pose a danger to living beings or objects. However, it is also possible to dispense with such a parachute, in particular when the trajectory of the space transport vehicle is planned so that the sub-hull structure is at sea or in a non-populated area, such as a low-hull structure merely serving as a fairing a desert will hit the earth.
Ein erfindungsgemäßes Raumtransportfahrzeug mit einem Rumpf und einem Tragflügel, das dazu ausgestaltet ist, einer auftriebsunterstützten Aufstiegstrajektorie mit Überschallgeschwindigkeit oder Hyperschallgeschwindigkeit zu folgen, umfasst eine abwerfbare Unterrumpfstruktur, die zum Verkleiden einer unter dem Rumpf und/oder unter dem Tragflügel getragenen Nutzlast lösbar unter dem Raumtransportfahrzeug angebracht ist. Dabei ist die Unterrumpfstruktur so geformt und an dem Raumtransportfahrzeug angeordnet, dass die Verdichtungsstöße, die im Überschallflug und Hyperschallflug durch die Unterrumpfstruktur entstehen, eine Druckerhöhung unter dem Tragflügel und dadurch Kompressionsauftrieb erzeugen.A spacecraft of the present invention having a fuselage and a wing configured to follow a buoyancy-assisted supersonic or hypersonic ascending trajectory includes a drop-down hull structure releasably mounted beneath the spacecraft for disguiding a payload carried beneath the fuselage and / or under the wing is. In this case, the lower body structure is shaped and arranged on the space transport vehicle that the compression shocks that occur in supersonic flight and hypersonic flight through the lower body structure, an increase in pressure under the wing and thereby generate compression buoyancy.
Mit Vorteil handelt es sich bei der Unterrumpfstruktur um eine wie vorstehenden beschriebene Unterrumpfstruktur.Advantageously, the sub-hull structure is a sub-hull structure as described above.
Ein solches Raumtransportfahrzeug ermöglicht es, Nutzlasten wesentlich effizienter in den Erdorbit zu transportieren, als es mit konventionellen Trägersystemen möglich ist, und kann damit eine Realisierung des Konzepts eines voll wiederwendbaren Single-Stage-To-Orbit Raumtransportfahrzeuges darstellen.Such a spacecraft makes it possible to transport payloads into earth orbit much more efficiently than is possible with conventional carrier systems, and can thus represent a realization of the concept of a fully reusable single-stage-to-orbit spacecraft.
Bevorzugt weist das Raumtransportfahrzeug nach dem Abwerfen der Unterrumpfstruktur eine flache Unterseite auf. Eine solche flache Unterseite ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf den Wiedereintritt in die Erdatmosphäre, bei dem sehr hohe thermische Belastungen auf das Raumtransportfahrzeug durch die Reibung der Luft am Raumtransportfahrzeug entstehen. Eine flache Unterseite führt beispielsweise dazu, dass ein Hitzeschild oder ähnliche Einrichtungen zum Schutz des Raumtransportfahrzeuges wirksam angebracht und genutzt werden können. Weiterhin verhindert eine flache Unterseite die Entstehung von sekundär-Verdichtungsstößen an Strömungshindernissen, welche zu lokalen Temperaturüberhöhungen und entsprechenden Zusatzbelastungen des Hitzeschildes führen würden.The space transport vehicle preferably has a flat underside after the lower hull structure has been dropped off. Such a flat underside is particularly advantageous in terms of the re-entry into the earth's atmosphere, in which very high thermal loads on the space transport vehicle caused by the friction of the air at space transport vehicle. For example, a flat bottom causes a heat shield or similar devices to be effectively attached and used to protect the spacecraft. Furthermore, a flat underside prevents the formation of secondary compression shocks on flow obstacles, which are too local Temperature increases and corresponding additional loads of the heat shield would lead.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Raumtransportfahrzeug ferner ein Hitzeschutzpaneel, das vom Rumpf und/oder Tragflügel ausfahrbar ist, insbesondere um die Nutzlast nach einem Abwerfen der Unterrumpfstruktur vor einer aerothermomechanischen Last zu schützen, und an den Rumpf und/oder den Tragflügel einfahrbar ist, insbesondere um bei einem Wiedereintritt des Raumtransportfahrzeuges in die Erdatmosphäre eine aerothermodynamische Belastung auf das Raumtransportfahrzeug aufzunehmen.According to a further preferred embodiment, the space transport vehicle further comprises a heat protection panel, which is extendable from the fuselage and / or wing, in particular to protect the payload after an ejection of the sub-fuselage structure from an aerodynamomechanical load, and is retractable to the fuselage and / or the wing, in particular in order to record an aerothermodynamic load on the space transport vehicle when the space transport vehicle re-enters the earth's atmosphere.
Bevorzugt umfasst das Raumtransportfahrzeug dabei mehrere Hitzeschutzpaneele, die vorzugsweise frontal und seitlich bezüglich der Nutzlast angeordnet und entsprechend ausfahrbar sind. Auch nur frontal oder nur seitlich bezüglich der Nutzlast angeordnete ausfahrbare Hitzeschutzpaneele sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar. Das Hitzeschutzpaneel dient oder die Hitzeschutzpaneele dienen insbesondere dem Schutz der Nutzlast, nachdem die Unterrumpfstruktur abgeworfen wurde und kommen zu diesem Zweck eher in Atmosphärenschichten mit sehr dünner Luft zum Einsatz. In diesen Atmosphärenschichten fliegt das Raumtransportfahrzeug kaum noch aufgrund von aerodynamischem Auftrieb, so dass die mit dem Abwurf der Unterrumpfstruktur fehlende Unterstützung durch den Kompressionsauftrieb und der gegebenenfalls zunehmende Widerstandsbeiwert des Raumtransportfahrzeugs ebenfalls vernachlässigbar sind. Die geringere Masse des Raumtransportfahrzeuges nach dem Abwurf der Unterrumpfstruktur verbessert jedoch die Effizienz der weiteren Beschleunigung nach dem Raketenprinzip, und die ohnehin für den Wiedereintritt erforderlichen Hitzeschutzpaneele können im ausgefahrenen Zustand die Nutzlast beispielsweise vor, Druckstößen und vor aerothermodynamischen Belastungen schützen.Preferably, the space transport vehicle comprises several heat protection panels, which are preferably arranged frontally and laterally with respect to the payload and are correspondingly extendable. Also only frontally or only laterally with respect to the payload arranged extendable heat protection panels are conceivable within the scope of the present invention. The heat protection panel or the heat protection panels are used in particular to protect the payload after the lower body structure has been dropped and come for this purpose rather in atmospheres with very thin air used. In these layers of atmosphere, the space transport vehicle hardly flies due to aerodynamic lift, so that the lack of support by the compression buoyancy and the optionally increasing coefficient of resistance of the space transport vehicle are also negligible with the dropping of the lower body structure. However, the lower mass of the spacecraft after ejection of the sub-hull structure improves the efficiency of further rocket-propelled acceleration, and the heat-shield panels required for re-entry may protect the payload in the extended state, for example, from pressure surges and aerothermodynamic loads.
Durch die vorliegende Erfindung können bestehende Konzepte bei Raumtransportfahrzeugen so weiterentwickelt werden, dass die mögliche Nutzlast erhöht und somit die Kosten zum Transportieren der Nutzlast in den Erdorbit erheblich verringert werden können.By the present invention, existing concepts in space transportation vehicles can be further developed so that the potential payload increases and thus the cost of transporting the payload into earth orbit can be significantly reduced.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche.Further features of the invention will become apparent from the following description of the figures and the totality of the claims.
Figurenlistelist of figures
-
1a und1b zeigen eine Ansicht eines Raumtransportfahrzeugs von unterhalb eines Rumpfs und eines Tragflügels mit einer bevorzugten Unterrumpfstruktur.1a and1b Figure 11 is a view of a spacecraft from below a fuselage and wing with a preferred sub-hull structure. -
2 zeigt eine Ansicht eines Raumtransportfahrzeugs von unterhalb des Rumpfs und des Tragflügels mit einer weiteren bevorzugten Unterrumpfstruktur.2 shows a view of a spacecraft from below the fuselage and the wing with another preferred sub-hull structure. -
3a bis3c zeigen jeweils eine schematische Seitenansicht eines Raumtransportfahrzeugs mit abwerfbarer Unterrumpfstruktur.3a to3c each show a schematic side view of a space transport vehicle with ejectable lower body structure. -
3d zeigt eine schematische Seitenansicht eines Raumtransportfahrzeugs mit daran angebrachter Nutzlast nach Abwurf der Unterrumpfstruktur.3d shows a schematic side view of a spacecraft with attached payload after dropping the lower body structure. -
4a und4b zeigen eine Vorderansicht eines Raumtransportfahrzeugs mit darunter angebrachter Unterrumpfstruktur.4a and4b show a front view of a space transport vehicle with underneath structure attached underneath. -
5a und5b zeigen eine schematische Seitenansicht eines Raumtransportfahrzeuges mit frontal vor der Nutzlast angeordnetem Hitzeschutzpaneel zum Schutz der Nutzlast.5a and5b show a schematic side view of a space transport vehicle with frontally mounted in front of the payload heat protection panel to protect the payload. -
6a und6b zeigen eine schematische Frontansicht eines Raumtransportfahrzeugs mit seitlich zur Nutzlast angeordneten Hitzeschutzpaneelen zum Schutz der Nutzlast.6a and6b show a schematic front view of a space transport vehicle with side mounted to the payload heat protection panels to protect the payload. -
7 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Raumtransportfahrzeugs mit einer weiteren bevorzugten Unterrumpfstruktur.7 shows a schematic side view of a spacecraft with another preferred sub-hull structure.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Verschiedene Formen von Unterrumpfstrukturen sind grundsätzlich dazu geeignet, eine solche Druckerhöhung unter dem Tragflügel und dadurch Kompressionsauftrieb zu erzeugen.
Insbesondere wird durch ein Ausfahren der Klappen
Die
In
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind Hitzeschutzpaneele
Die vorstehenden beschriebenen Beispiele dienen lediglich der Illustration der Erfindung in einigen bevorzugten Ausführungsformen und sind nicht einschränkend zu verstehen. Darüber hinaus ist es möglich, einzelne Merkmale einzelne Ausführungsformen mit anderen Merkmalen anderer Ausführungsformen zu kombinieren.The above described examples are merely illustrative of the invention in some preferred embodiments and are not intended to be limiting. Moreover, it is possible to combine individual features of individual embodiments with other features of other embodiments.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 3137460 [0006]US 3,137,460 [0006]
Claims (9)
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|---|---|---|---|---|
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-
2017
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US3137460A (en) | 1957-11-01 | 1964-06-16 | North American Aviation Inc | Improving supersonic lift-to-drag ratio by compression shock |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R016 | Response to examination communication | ||
| R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
| R020 | Patent grant now final |