DE102017203303B4 - Disposable sub-hull structure for hypersonic spacecraft - Google Patents
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Abstract
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.
Throwable under hull structure (10) for a hypersonic space transport vehicle (12) following a buoyancy-assisted ascent trajectory,
wherein the lower fuselage structure (10) can be attached to the space transport vehicle (12) for covering a payload (20) carried under a fuselage (26) and / or wings (28) of the space transport vehicle (12) and
wherein the fuselage structure (10) is shaped in such a way that compression surges (14, 18), which occur in supersonic or hypersonic flight due to the fuselage structure (10) attached under the fuselage (26) and / or wing (28), increase the pressure under the wing (28) and thereby generate compression lift.
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 dropable hull structure for a hypersonic space transport vehicle following a buoyancy-assisted ascent trajectory. Furthermore, the invention relates to a space transport vehicle with a fuselage and a wing which is designed to follow a buoyancy-assisted ascent trajectory with hypersonic speed and which has a detachable sub-fuselage 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 the wide use and development of space, it is imperative that the transport of payloads into earth orbit is made possible at a significantly lower cost than before. Efforts have already been made to do this, in particular to improve 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 hypersonic transport systems, which are also known as "space planes". Such space transport vehicles should in principle be suitable for enabling drastic cost reductions and were therefore examined intensively, particularly in the 1980s and 1990s. So far, however, none of these concepts has achieved a real breakthrough because either the engines did not meet 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.The distance to a system that was considered to be technically feasible and economically sensible was not very great. It is therefore assumed that relatively small improvements in the prior art could be sufficient to be able to implement spaceplanes.
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 military aviation in particular, it is known to use compression lift in buoyancy-assisted supersonic or hypersonic flight. Through a special contouring of the aircraft geometry in the area under the wing of the aircraft, the pressure increase generated by compression surges can be used specifically to additionally increase the lift of an aircraft. This principle was implemented in the USA in the form of the XB-70 bomber in the 1960s, for example, whereby the fuselage in which the engines were housed was shaped in such a way that the compression shocks it generated during supersonic flight significantly increased the pressure on the underside of the wing . This led to a significantly higher lift with constant 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 geometries of the fuselage structure of known aircraft such as the XB-70 bomber are not suitable for use in space transport vehicles, in particular because they cannot be protected from the aerothermodynamic loads when they re-enter 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.Against the background 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 the earth's orbit and, above all, the cost advantages of an ascent trajectory supported by buoyancy because it is reusable and possibly reusable Single-stage hypersonic spacecraft uses. In particular, the object of the present invention is also to provide a hypersonic space transport vehicle which is suitable as a reusable and ideally single-stage-to-orbit hypersonic space transport system and can thus lead to a drastic reduction in the cost of transporting payloads into 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 detachable sub-hull structure according to claim 1 or also by a space transport vehicle according to claim 6. Advantageous features and further developments of the invention result 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-off hull structure according to the invention for a hypersonic space transport vehicle following a buoyancy-assisted ascent trajectory can be attached to the space transport vehicle to cover a payload carried under a fuselage and / or under a wing of the space transport vehicle. The sub-fuselage structure is shaped in such a way that compression surges that occur in supersonic or hypersonic flight due to the sub-fuselage structure attached under the fuselage and / or the wing increase the pressure under the wing and thereby generate compression lift.
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 reduce the hull of the space transport vehicle and to attach the payload to the fuselage instead of in a cargo hold. As a result, the fuselage of the space transport vehicle can be made significantly smaller and lighter than in previously known space transport vehicles with a cargo hold.
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.In the present context, payload means in particular the load to be transported into earth orbit (“payload”). In addition, the term “payload” in the present context can also include at least part of the fuel required to drive the spacecraft 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 outside of the spacecraft to make the fuselage smaller and lighter, the sub-hull structure uses the knowledge that a clever geometric design of the sub-hull structure creates additional compression lift and thus reduces the aerodynamic drag of the spacecraft due to a reduction in the angle of attack can be. As a result, the fuel requirement required for atmospheric acceleration can be noticeably reduced, which in turn increases the performance of the space transport vehicle.
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. Another advantage of the sub-hull structure according to the invention is that the geometry of the sub-hull structure can be varied within certain limits and can thus be adapted to different sizes and geometries of the payload and, if appropriate, to variable amounts of additional fuel. In contrast to a space transport vehicle with a cargo space inside the fuselage, which was designed for a certain payload or as versatile as possible, for example by standard dimensions, a space transport vehicle according to the present invention can transport a large number of different payloads in an optimized manner into the earth's orbit , because the sub-hull structure can be geometrically optimized for each payload, thereby minimizing the mass and resistance 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 created. For example, the payload can be easily pushed underneath the space transport vehicle on the ground and attached to it. Previous spaceplane concepts usually provide a payload bay inside the vehicle that is accessible via hinged doors on the fuselage back; a crane required for this 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 sub-fuselage structure, so that compression surges, which occur in supersonic or hypersonic flight through the sub-fuselage structure, generate an increase in pressure under the wing and thereby compression lift, it should be noted that the location of the compression surges depends in particular on the airspeed. The flight speed of a space transport vehicle varies over a very large speed range on its way from earth to the edge of the atmosphere, unlike an airplane that always flies within the atmosphere. The geometry of the sub-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, a mean value between low and high supersonic velocities (or low-medium hypersonic velocities) of the geometry of the sub-trunk structure is preferably used. This is possible through fundamentally known simulations of the compression surges and is basically in the area of expert knowledge. For example, the system can be optimized for Mach numbers from 1-6 ... 10, i.e. from supersonic to the low-medium hypersonic range, whereby the actual design of the system can 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.Another advantage of the sub-fuselage structure according to the invention is that the sub-fuselage structure can be thrown off after leaving the denser atmospheric layers, whereby the payload is released and the mass loss achieved by dropping the sub-fuselage structure further reduces the mass to be accelerated into orbit and thus additionally the performance of the spacecraft 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.If the dropped hull structure cannot 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 has to maintain a predetermined contour, but does not bear any vehicle loads. Damage such as creeping, oxidation or limited plastic deformation can therefore be tolerated. This further leads to improved cost efficiency of transporting 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 sub-hull structure has a fuel tank. This can be, in particular, an additional tank to a main tank of the space transport vehicle, the contents of which have been used up within the denser atmospheric layers and which can thus be thrown off after leaving these denser atmospheric layers. Such a fuel tank increases the complexity and thus also the costs of the sub-hull structure, but at the same time enables a further reduction in the mass to be accelerated into the earth's orbit.
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 sub-fuselage structure further comprises a flap, preferably a plurality of flaps, which can be extended in such a way that the compression shocks under the wing can be influenced by the flap or the flaps. In particular, a displacement of a position of a pressure point of the compression lift can be realized by actuating the flap or flaps, i.e. the pressure point of the compression lift can be shifted through the flap or the flaps. The flap or flaps are preferably arranged laterally on the sub-hull 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.By means of the preferred flap or flaps of the under fuselage structure, the effect of the compression buoyancy can be maintained over a larger speed range and / or its intensity can be changed, which is advantageous for a space transport vehicle that does not take up a certain cruise speed, but faster and faster during its flight through the earth's atmosphere becomes. In addition, the pressure point position can be adjusted not only with regard to the speed range to be flown through, 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 under fuselage structure further comprises a wheel undercarriage which is suitable for supporting the space transport vehicle during its launch. In this embodiment, the under fuselage structure not only performs a cladding function, but also carries loads of the under fuselage structure and / or other parts of the space transport vehicle during the start run. In this case, the sub-trunk structure can be made somewhat more stable and solid, which can lead to a higher mass of the sub-trunk structure. On the other hand, at least a part of the mass of a separate take-off landing gear can thus be saved, the additional mass of the under fuselage structure being thrown off during the flight and the mass to be accelerated into orbit thus being 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 sub-fuselage structure further comprises a parachute for a gentle landing of the dropped sub-fuselage structure on the earth, such a parachute is particularly important in embodiments in which the sub-fuselage structure makes a significant cost contribution to the flight into the earth's orbit or in which the sub-fuselage structure contributes their impact on earth could pose a danger to living beings or objects. In particular, in the case of a light hull structure that serves only as a covering, it is also possible to dispense with such a parachute, especially if the trajectory of the spacecraft is planned so that the hull structure is at sea or in an uninhabited area such as a desert will hit 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 space transport vehicle according to the invention with a fuselage and a wing, which is designed to follow a buoyancy-assisted ascent trajectory with supersonic or hypersonic speed, comprises a detachable sub-fuselage structure, which is detachably attached under the space transport vehicle to cover a payload carried under the fuselage and / or under the wing is. The sub-fuselage structure is shaped and arranged on the space transport vehicle so that the compression shocks that occur in the supersonic flight and hypersonic flight through the sub-fuselage structure generate an increase in pressure under the wing and thus compression lift.
Mit Vorteil handelt es sich bei der Unterrumpfstruktur um eine wie vorstehenden beschriebene Unterrumpfstruktur.The sub-hull structure is advantageously 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 space transport vehicle 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 space transport vehicle.
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 thrown off. Such a flat underside is particularly advantageous with regard to the re-entry into the earth's atmosphere, in which very high thermal loads on the space transport vehicle arise from the friction of the air on the space transport vehicle. A flat underside, for example, means that a heat shield or similar devices for protecting the space transportation vehicle can be effectively attached and used. Furthermore, a flat underside prevents the occurrence of secondary compression impacts on flow obstacles that lead to local Excessive temperatures and corresponding additional loads on the heat shield would result.
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 can be extended from the fuselage and / or wing, in particular in order to protect the payload from an aerothermomechanical load after the lower fuselage structure has been thrown off, and can be retracted to the fuselage and / or the wing. in particular in order to absorb 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.The space transport vehicle preferably comprises a plurality of heat protection panels, which are preferably arranged frontally and laterally with respect to the payload and can be extended accordingly. Extendable heat protection panels arranged only frontally or only laterally with respect to the payload are also conceivable within the scope of the present invention. The heat protection panel serves or the heat protection panels serve in particular to protect the payload after the sub-hull structure has been thrown off and are used for this purpose rather in atmospheric layers with very thin air. In these atmospheric layers, the space transport vehicle hardly flies due to aerodynamic lift, so that the lack of support from the compression lift due to the dropping of the lower hull structure and the possibly increasing drag coefficient of the space transport vehicle are also negligible. However, the lower mass of the spacecraft after the drop in the hull structure improves the efficiency of the further acceleration according to the rocket principle, and the heat protection panels that are required anyway for re-entry can protect the payload, for example, against pressure surges and against aerothermodynamic loads when extended.
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.The present invention allows existing concepts in space transport vehicles to be further developed in such a way that the possible payload is increased and the costs for transporting the payload into the earth's orbit can be considerably reduced.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche.Further features of the invention result from the following description of the figures and the entirety of the claims.
FigurenlisteFigure list
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1a und1b zeigen eine Ansicht eines Raumtransportfahrzeugs von unterhalb eines Rumpfs und eines Tragflügels mit einer bevorzugten Unterrumpfstruktur.1a and1b show a view of a spacecraft from below a fuselage and a wing with a preferred fuselage structure. -
2 zeigt eine Ansicht eines Raumtransportfahrzeugs von unterhalb des Rumpfs und des Tragflügels mit einer weiteren bevorzugten Unterrumpfstruktur.2nd shows a view of a spacecraft from below the fuselage and the wing with another preferred sub-fuselage 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 a detachable hull structure. -
3d zeigt eine schematische Seitenansicht eines Raumtransportfahrzeugs mit daran angebrachter Nutzlast nach Abwurf der Unterrumpfstruktur.3d shows a schematic side view of a space transport vehicle with attached payload after dropping the under hull structure. -
4a und4b zeigen eine Vorderansicht eines Raumtransportfahrzeugs mit darunter angebrachter Unterrumpfstruktur.4a and4b show a front view of a space transport vehicle with the hull structure attached below. -
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 arranged 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 heat protection panels arranged laterally to the payload to protect the payload. -
7 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Raumtransportfahrzeugs mit einer weiteren bevorzugten Unterrumpfstruktur.7 shows a schematic side view of a space transport vehicle with a further preferred sub-hull structure.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS OF 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 examples described above serve only to illustrate the invention in some preferred embodiments and are not to be understood as restrictive. In addition, it is possible to combine individual features of individual embodiments with other features of other embodiments.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102017203303.7A DE102017203303B4 (en) | 2017-03-01 | 2017-03-01 | Disposable sub-hull structure for hypersonic spacecraft |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102017203303.7A DE102017203303B4 (en) | 2017-03-01 | 2017-03-01 | Disposable sub-hull structure for hypersonic spacecraft |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102017203303A1 DE102017203303A1 (en) | 2018-09-06 |
| DE102017203303B4 true DE102017203303B4 (en) | 2020-08-06 |
Family
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3137460A (en) | 1957-11-01 | 1964-06-16 | North American Aviation Inc | Improving supersonic lift-to-drag ratio by compression shock |
-
2017
- 2017-03-01 DE DE102017203303.7A patent/DE102017203303B4/en active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3137460A (en) | 1957-11-01 | 1964-06-16 | North American Aviation Inc | Improving supersonic lift-to-drag ratio by compression shock |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE102017203303A1 (en) | 2018-09-06 |
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|---|---|---|---|
| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R016 | Response to examination communication | ||
| R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
| R020 | Patent grant now final |