Система вывода грузов на орбиту

Полезная модель относится к аэрокосмической технике, а именно к способам выведения полезной нагрузки на орбиту. Система вывода грузов на орбиту представляет собой высотную башню высотой 30-40 км, выполненную из соединенных друг с другом секций-понтонов наполненных газом легче воздуха и обладающих положительной плавучестью на заданной высоте. Система старта расположена на вершине башни и выполнена в виде центробежной катапульты. Выводимый груз поднимают с помощью лифтов и устанавливают в катапульту в капсулах, содержащих систему расцепления при достижении заданной скорости. Капсулы с выводимым грузом содержат систему маневрирования, позволяющую корректировать траекторию капсулы после старта. Катапульта разгоняет одновременно две капсулы равной массы, расположенных диаметрально напротив друг друга, так чтобы компенсировать центробежную силу вращения. Понтон башни содержит тонкостенную оболочку цилиндрической формы из углепластика, причем диаметр, длина и толщина стенки секции-понтона зависят от высоты его расположения, так чтобы обеспечивалась положительная плавучесть понтона на высоте его расположения в башне.

Понтон содержит системы диагностики оболочки, регулирования плавучести, циркуляции и обновлении газа внутри секций-понтонов, антиобледенения (обогрева), сцепления-расцепления с соседними понтонами, а также систему стабилизации положения секции-понтона в пространстве с вентиляторами, приводимыми в движение электродвигателями, управляемые с наземной системы обеспечения. Система позволяет выводить грузы в капсулах массой 1-2 тонны на орбиты от 120 до 300 км. Стоимость вывода составит 100-137 долларов за килограмм. Стоимость системы не превысит 2.7 млрд. долларов, что сопоставимо со стоимостью современного высотного небоскреба. Суммарный грузопоток системы по производительности может достичь 80 тысяч тонн за 20 лет эксплуатации. Основной грузопоток составит топливо для спутников, материалы для производства электронных и высокочистых компонентов, а также микро- и миниспутники различного назначения. Самым главным преимуществом изобретения является экологическая чистота, исключающая химическое и тепловое загрязнение атмосферы продуктами сгорания двигателей ракет, а также экономия дорогостоящего ракетного топлива.

Изобретение относится к аэрокосмической технике, а именно к способам выведения полезной нагрузки с помощью многоразовой транспортно-космической системы. Изобретение может также относиться и к стартовым сооружениям ракет-носителей космического назначения.

Идея "космического лифта" в виде космической башни, внутри которой двигается собственно сам лифт, была впервые сформулирована в 1895 году Циолковским. В 1960 году эта идея была усовершенствована Юрием Арцутановым, который предложил для упрощения конструкции просто подвесить трос на грузе, находящемся на специальной орбите, при этом лифт должен был двигаться по сверхпрочному тросу.

Однако создать реальную систему дешевого вывода грузов на орбиту все еще не удается. Попытки ее улучшения сводятся к применению платформ, подвешенных на аэростатах или дирижаблях.

Например, по патенту РФ 2331551 С2 известен способ выведения полезной нагрузки в космос многоразовой транспортно-космической системой, включающий подъем многоразовой транспортно-космической системы с помощью транспортного средства - нулевой ступени в зону старта воздушно-космической системы, отделение от транспортного средства -нулевой ступени воздушно-космической системы, разгон воздушно-космической системы до заданной гиперзвуковой скорости на заданной высоте и т.п.отличающийся тем, что в качестве транспортного средства - нулевой ступени используют дирижабль. (Патентообладатели ФГУП ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс" и ГОУВПО Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П.Королева). Несмотря на простоту реализации система не получила распространения по экономическим соображениям.

По патенту РФ 2268209 С2 известна система воздушного пуска космических ракет, имеющая устройство предварительного подъема космической ракеты в тропосфере, содержащая вертолетные и воздушные винты, реактивный привод, кабину управления, приспособление для удержания ракеты, отличающаяся тем, что устройство предварительного подъема космической ракеты в тропосфере выполнено в виде жесткой пространственной решетки, цельной или состоящей из нескольких близких друг к другу по массе секций с возможностью их одновременного горизонтального смещения относительно вертикальной оси симметрии решетки.

Предложенная система достаточно сложна для реализации и не обеспечивает экономически выгодную высоту подъема ракет.

По патенту РФ на полезную модель 111516 известна "Система подъема на орбиту Земли и спуска Кущенко В.А.", содержащая ракетоплан, отличающаяся тем, что снабжена тросами, удерживаемыми в вертикальном положении емкостями с газом легче воздуха внутри емкостей, тросы снабжены системами подъема и спуска, установленными на поверхности указанного космического тела, при этом тросы другими концами прикреплены к платформе, удерживаемой на заданной высоте атмосферы емкостями с газом легче воздуха, на которой расположены системы жизнеобеспечения персонала и вывода ракетоплана на орбиту, причем ракетоплан содержит оболочку, в которой находятся емкости, наполненные газом легче воздуха, поверхность ракетоплана снабжена системой охлаждения «лед-вода-пар», подключенной к блоку подготовки, а система управления содержит наземную систему управления, систему управления платформой, систему управления ракетопланом, причем по тросам может перемещаться тележка, снабженная тормозами, к которой прикреплены емкость с газом легче воздуха. Из описания следует, что направляющие могут иметь системы катапультированного старта (это электромеханическая система, пневмосистема, взрывные системы и т.д.), подключенные к источникам электрической энергии на платформе или на земной поверхности.

Система описанная в патенте Кущенко В.А. обладает рядом отличительных свойств, которые позволяют создать реально работающее устройство в частности предполагается периодически разгружать тросы, удерживающие высотную платформу, подвешивая их на воздушных шарах. Эта идея позволяет повысить высоту подъема платформы, снизить прочностные требования к материалу тросов и значительно повысить безопасность устройства в целом.

Поэтому данный патент наиболее близок к предлагаемому изобретению и является его прототипом.

Недостатками системы является использование тросовой системы и отсутствие эффективной системы разгона выводимого груза.

Техническим результатом заявляемого изобретения является реальная возможность массового вывода на низкие орбиты небольших технических грузов - топлива, материалов, спутников с минимальной стоимостью вывода.

Технический результат достигается использованием новых технических решений, обладающих следующими отличиями.

1. Отличие 1 по п.1 формулы "Высотная башня выполнена из соединенных друг с другом секций-понтонов наполненных газом легче воздуха и достигает сильно разреженных слоев атмосферы".

Применение емкостей наполненных газом легче воздуха и удерживаемых на заданной высоте в системах вывода грузов на орбиту известно. Применение высотных башен в системах вывода грузов на орбиту тоже известно (башня Циолковского). Однако создание высотных башен из емкостей наполненных газом легче воздуха неизвестно и является новым признаком. Такой прием делает технически реализуемым современными средствами построение высотных башен, достигающих сильно разреженных слоев атмосферы порядка 30-40 км.

Такое отличие не встречается в системах вывода грузов на орбиту и является новым в рамках формулы изобретения.

2. Отличие 2 по п.1 формулы "Система катапультированного старта расположена на вершине высотной башни и выполнена в виде центробежной катапульты".

Применение систем катапультирования в системах вывода грузов на орбиту известно из описания полезной модели 111516. Однако, применение центробежной катапульты, расположенной на вершине высотной башни, в системах вывода грузов на орбиту, является новым признаком.

3. Отличие по п.2 формулы "Выводимый на орбиту груз устанавливают в центробежную катапульту в капсулах, содержащих систему расцепления с катапультой при достижении заданной линейной скорости" позволяет обеспечить положительный эффект заключающийся в придании нужной линейной скорости грузу выводимому на орбиту. В принципе идея отцепления груза от центробежной катапульты известна, но в рамках п.2 формулы в устройствах вывода на орбиту оно не известно и поэтому является новым

4. Отличие по п.3 формулы "капсулы с выводимым грузом содержат систему маневрирования, позволяющую корректировать траекторию капсулы после расцепления с центробежной катапультой" известно в системах коррекции орбит космических аппаратов, но является новым в рамках зависимого признака

5. Отличие по п.4 формулы "центробежная катапульта содержит две капсулы равной массы и геометрии, расположенных диаметрально напротив друг друга, так чтобы компенсировать центробежную силу вращения" не встречается в устройствах катапульт и является новым.

6. Отличие по п.5 формулы "центробежная катапульта содержит или компенсирующий маховик, раскручиваемый приводом капсулы в направлении, противоположном направлению вращения центробежной катапульты, или симметричную конструкцию с парой капсул, компенсирующих обратный вращающий момент" в принципе известно, однако в рамках п.5 формулы является новым.

7. Отличие по п.6 формулы "секция-понтон содержит тонкостенную оболочку цилиндрической, конической, многоугольной, фигурной, аэродинамической или концентрической формы, с внутренними каналами или без, с торцевыми обечайками, выполненную из углепластика, кевлара или иного прочного и легкого материала, внутреннее пространство которой заполнено газом легче воздуха под давлением равным или превышающим атмосферное давление на высоте эксплуатации" в принципе описано в конструкциях дирижаблей и воздушных шаров, однако для строительства высотных башен для средств вывода грузов на орбиту не применялись. Поэтому эти отличия являются новыми.

Отличия "диаметр, длина и толщина стенки секции-понтона зависят от высоты его расположения, так чтобы обеспечивалась положительная плавучесть секции-понтона на высоте его расположения в башне" принципиально следует из теории дирижаблестроения, однако является новым в рамках п.6 формулы.

8. Отличия по п.6 и п.8. формулы "внутренняя поверхность покрыта тонкой металлической пленкой" и "тонкая металлическая пленка внутри секции-понтона разделена на две и более полос, отделенных друг от друга электрически изолирующим материалом и является электрическим проводником (пленочным кабелем) для подачи по ним напряжения для питания всех устройств и двигателей системы, в том числе лифтов, центробежной катапульты, двигателей системы стабилизации положения понтонов" неизвестны в рамках формулы изобретения и являются новыми.

9. Отличие по п.7 формулы "секция-понтон содержит систему диагностики целостности оболочки, систему регулирования плавучести, например, методом регулирования давления газа внутри секции-понтона, систему циркуляции и обновлении газа внутри секций-понтонов, систему антиобледенения (обогрева), систему сцепления-расцепления с соседними понтонами с блоком разъемов и соединителей, а также систему стабилизации положения секции-понтона в пространстве, управляемые с наземной системы обеспечения" в совокупности образуют новое отличие, дающее положительный эффект в рамках ограничительной части формулы. В таком сочетании системы обеспечения работоспособности секций-понтонов не встречаются в известных технических решениях.

9. Отличие по п.9 и п.10 формулы "направляющие для перемещения лифтов расположены диаметрально противоположно на внешних сторонах секций-понтонов, так чтобы оба синхронно перемещающихся лифта находились на диаметрально противоположных сторонах понтона и компенсировали нагрузки, действующие на секции-понтоны при их движении" и "направляющие для лифтов с помощью токопроводов соединены с полосами металлической пленки внутри секции-понтона и имеют токосъемники, соединенные с приводом лифтов" позволяет обеспечить функционирование системы доставки и не встречаются в известных технических решениях, а поэтому являются новыми.

11. Отличие по п.11 формулы "световое обозначение высотной башни осуществляется лазерными сканирующими осветительными системами, расположенными на земле и на соседних секциях-понтонах" в принципе известно из решений лазерных шоу. Однако для обозначения на местности высотных сооружений в ночное время он не применялся, а поэтому может считаться новым в рамках формулы изобретения.

На фигурах 1-10 цифрами обозначены:

1 - высотная башня;

2 - наземная система обеспечения;

3 - лифт для подъема груза;

4 - секция-понтон или понтон;

5 - центробежная катапульта;

6 - капсула с выводимым грузом;

7 - траектория капсулы;

8 - компенсирующий маховик;

9 - тонкостенная оболочка секции-понтона;

10 - торцевые обечайки;

11 - полоса тонкой металлической пленки - пленочный кабель;

12 - вентиляторы системы стабилизации положения понтонов;

13 - система диагностики целостности оболочки;

14 - система регулирования плавучести;

15 - система циркуляции и обновлении газа внутри секций-понтонов;

16 - система антиобледенения (обогрева);

17 - система сцепления-расцепления с соседними понтонами с блоком разъемов и соединителей;

18 - система стабилизации положения секции-понтона в пространстве;

19 - направляющие, расположенные на внешней цилиндрической части секций-понтонов;

20 - токопроводы;

21 - токосъемники, соединенные с приводом лифтов;

22 - лазерная сканирующая осветительная система и зона освещения.

На фиг.1 изображена система вывода грузов на орбиту - космическая башня. На фиг.2 показан ее вид снизу.

На фиг.3 изображена секция-понтон со схематическим указанием систем, которые необходимы для ее нормального функционирования.

На фиг.4 и 5 показаны траектории полета капсул с выводимым грузом. На фиг.6 показаны формы тонкостенной оболочки секции-понтона.

На фиг.7 показаны расположение направляющих для лифтов, расположенные на внешней цилиндрической части секций-понтонов.

На фиг.8 показаны полосы тонкой металлической пленки на внутренней поверхности тонкостенной оболочки секции-понтона - пленочный кабель.

На фиг.9 показаны лифт для подъема груза, направляющие, расположенные на внешней цилиндрической части секций-понтонов, токопроводы и токосъемники, соединенные с приводом лифтов.

На фиг.10 показана примерная схема загрузки катапульты капсулой с выводимым грузом.

Система работает следующим образом.

Несущая конструкция в виде высотной башни 1 выполнена из соединенных друг с другом секций-понтонов 4, наполненных газом легче воздуха и изготовленных из углепластика, кевлара или иного прочного и легкого материала. При соблюдении определенных конструктивных соотношений секция будет иметь положительную плавучесть, т.е. будет обладать определенной подъемной силой в атмосфере на заданной высоте. Применение секций-понтонов положительной плавучести и достаточно стойких к атмосферным воздействиям, позволяет создавать высотные сооружения, высота которых не ограничена прочностными характеристиками материалов, а только предельными возможностями создания требуемой подъемной силы за счет атмосферы. Для того, чтобы создать высотную башню высотой 30 км потребуется всего шестьдесят пятисотметровых секций-понтонов 4 увеличивающегося диаметра, поставленных друг на друга и соединенных торцами (см. фиг.1.). Например, наземный диаметр секций может составлять 11 метров, а конечный высотный - 150 м. Получается необычная коническая "башня-наоборот", поставленная тонким концом на землю.

Предлагаемая конструкция башни не будет испытывать нагрузок от действия веса основных конструктивных элементов башни. Она принципиально не может упасть, а поэтому будет безопасной для эксплуатации вблизи населенных пунктов и городов, что очень важно для сокращения транспортных издержек. Космобашни можно будет строить также часто, как и аэропорты, а по стоимости они будут даже дешевле современных взлетно-посадочных полос аэропортов.

На вершину высотной башни 1 грузы должны выводиться с помощью лифтов для подъема грузов 3, которые могут двигаться как по внешней поверхности башни 1 по направляющим для лифтов 19, расположенным на внешней поверхности секций-понтонов 4, так и внутри секций в специально сделанных каналах или полостях.

На вершине высотной башни 1 расположена система катапультированного старта в виде центробежной катапульты 5. Выводимый на орбиту груз расположен в капсулах 6 или космических аппаратах, содержащих систему расцепления с центробежной катапультой 5 при достижении заданной линейной скорости. Капсулы с выводимым грузом 6 располагаются на концах плеч центробежной катапульты 5 и содержат систему маневрирования, позволяющую корректировать траекторию капсулы после расцепления с центробежной катапультой (на фигурах не показана).

Поднятая лифтом 3 на вершину башни 1 капсула с выводимым грузом 6 закрепляется на центробежной катапульте 5 (см. фиг.10) и раскручивается до необходимых скоростей. При радиусе плеч катапульты 5 порядка 50 метров и угловой скорости в 5-6 оборотов в секунду (300-360 об/минуту) линейная скорость капсулы 6 составит 1.5-1.8 км/с, что будет вполне достаточно, чтобы вывести груз на орбиту высотой 120-180 км.

При пуске по схеме на фиг.4 начальную скорость капсула 6 получит в горизонтальном направлении при горизонтальном расположении катапульты 5 (см. фиг.4), поэтому потребуется коррекция ее траектории 7 и реальная высота орбиты может быть меньше указанной. Для коррекции траектории капсулы 6 должны содержать специальные средства коррекции траектории. Это могут быть реактивные двигатели, аэродинамические рули или корпус катапульты изменяемой геометрии.

Теоретически при таких же параметрах катапульты и угловой скорости в 20 оборотов в секунду капсулу можно было бы разогнать до скорости примерно 6,3 км/с. Этого было бы достаточно, чтобы при вертикальном пуске (схема на фиг 5.) в безвоздушном пространстве забросить ее на высоту порядка 2000 км. При радиусе катапульты в 200 метров и угловой скорости в 10 оборотов в секунду скорость капсулы могла бы достичь 12,5 км/с. Однако, практически такие угловые скорости создадут слишком большие центробежные перегрузки.

В отличие от электромагнитной пушки центробежные катапульты могут достаточно медленно раскручивать катапультируемый груз сообщая ему нужную энергию. Для достижения орбит с высотами порядка 120-300 км потребуется двигатели мощностью от 6-ти до 20-ти мегаватт. При этом центробежная перегрузка для катапульты с радиусом плеч 50 метров будет достигать 130g-180g, что конечно не пригодно для вывода на орбиту пилотируемых объектов, однако пригодно для доставки топлива и материалов на орбиту.

Большая мощность двигателей катапульты требуется чтобы преодолеть сопротивление разреженного воздуха атмосферы на высоте 30 км. Если высоту башни увеличить или расположить ее в высоких широтах, где тропосфера не превышает 7-8 км и воздух на высоте 30 км более разрежен, чем на экваторе, то потребуется меньшая мощность привода катапульты. Высокие мощности двигателей катапульты предполагают определенные технические риски проекта. Тем не менее, в этом направлении много сделано. С середины 80-х годов французской фирмой «Алстом» производились электродвигатели мощностью 21 МВт и скоростью вращения до 5900 об/мин. Самые современные электромоторы, разрабатываемые сейчас американской компанией Yasa Motors из Оксфорда, позволяет создать электродвигатели с отношением крутящего момента на килограмм веса двигателя равным 30 Нм/кг. В будущем инженеры Yasa Motors хотят довести это значение до 40 Нм/кг. (http://ecoconceptcars.ru/2011/07/novyj-elektromotor-oxford-yasa-motors-dd500.html). Если удастся применить эту технологию, тогда электродвигатель мощностью 9 Мвт будет весить примерно 6-7 тонн. С его помощью можно будет достигать линейных скоростей разгона порядка 1,8 км/с и выводить груз на орбиты высотой до 180 км. Однако, данные расчеты являются весьма приближенными и требуют экспериментальной проверки и уточнений.

Чтобы компенсировать центробежную силу, возникающую при разгоне капсул 6 и раскручивании катапульты 5, она содержит две капсулы 6 равной массы и геометрии, расположенные диаметрально напротив друг друга, так чтобы компенсировать центробежную силу вращения (фиг.10). Чтобы компенсировать реактивный вращающий момент, возникающий при раскручивании катапульты, она содержит или компенсирующий маховик 8 (фиг.10), раскручиваемый приводом капсулы в направлении, противоположном направлению вращения центробежной катапульты, или симметричную конструкцию с парой капсул, компенсирующих обратный вращающий момент, как показано на фиг.5. При использовании компенсирующих капсул заполненных, например, незамерзающей жидкостью, и горизонтально расположенной оси вращения катапульты, потребуется использовать либо парашютный способ спуска компенсирующих капсул, либо способ выпуска незамерзающей жидкости на траектории путем подрыва капсул пиропатронами. С одной стороны такой способ снижает эффективность катапульты, однако, вследствие возможности вертикального запуска он позволит достигать больших высот запуска при одинаковой мощности катапульты.

Секция-понтон 4 может быть выполнена в виде тонкостенной оболочки 9 цилиндрической, конической, многоугольной, фигурной, аэродинамической или концентрической формы, с внутренними каналами или без, с торцевыми обечайками, как показано на фиг.6 Различная форма оболочки 9 может быть обусловлена технологическими и конструктивными причинами.

Тонкостенные оболочки 9 понтонов 4 могут быть выполнены из углепластика, кевлара или иного прочного и легкого материала.

Внутреннее пространство понтонов 4 может быть заполнено газом легче воздуха под давлением равным или превышающим атмосферное давление на высоте эксплуатации, а внутренняя поверхность покрыта тонкой металлической пленкой, как показано на фиг.8. Диаметр, длина и толщина стенки секции-понтона 4 зависят от высоты его расположения, так чтобы обеспечивалась положительная плавучесть секции-понтона на высоте его расположения в башне.

Например, до высоты 1 км секция может быть выполнена из углепластика толщиной 1 мм и иметь диаметр Ими длину 500 м. Если такая секция будет наполнена гелием, то она может создать подъемную силу до 25 тонн. Для того, чтобы понтон длиной в 500 метров обладал такой же подъемной силой на высоте 30 км, он должен быть выполнен из углепластика толщиной 0.4 мм, иметь диаметр 150 метров и заполняться водородом или гелий-водородной смесью. В настоящее время технология производства дирижаблей и высотных стратостатов подошла очень близко к нужным габаритам, однако из углепластика ничего похожего еще не создавалось. Тем не менее, создание понтонов с требуемыми габаритами весьма реально и не вызывает принципиальных или технологических проблем ни по прочностным, ни по другим технологическим и техническим требованиям. Разработка технологий производства понтонов требуемых размеров дело самого ближайшего будущего.

Сейчас практически достигнутый потолок подъема высотных стратостатов превышает 39 км. Совсем недавно был осуществлен рекордный прыжок с парашютом с высоты 39200 метров. Подъем на эту высоту был осуществлен за 2 часа на стратостате. Поэтому можно считать, что создание высотных сооружений из понтонов положительной плавучести является реализуемой технической задачей, не ограниченной никакими известными на данный момент причинами.

Для того, чтобы обеспечить нормальное функционирование понтонов в разных условиях эксплуатации, при действии ветров и осадков, секция-понтон должна содержать систему диагностики целостности оболочки 13 (фиг.3), систему регулирования плавучести 14, систему циркуляции и обновлении газа внутри понтонов 15, систему антиобледенения (обогрева) 16, систему сцепления-расцепления с соседними понтонами 17, а также систему стабилизации положения 18 понтон 4 в пространстве, управляемые с наземной системы обеспечения.

Система диагностики целостности оболочки 13 должна содержать распределенные чувствительные элементы (искусственную кожу), которые могли бы оперативно реагировать на возникновение дефектов тонкостенной оболочки 9 и сообщать об этом оператору для принятия оперативных мер по ликвидации этих дефектов. Аналоги таких систем существуют.

Система регулирования плавучести 14, может работать, например, за счет регулирования давления газа внутри понтонов. При избыточной плавучести давление газа можно увеличивать, а при недостаточной плавучести снижать до определенного предела. Аналоги таких систем известны из уровня техники.

Система циркуляции и обновления газа 15 внутри понтонов должна содержать каналы для перетока газа из одного понтона в другой вдоль всей башни для постоянного обновления газа в понтоне и для компенсации его утечек за счет просачивания через материал оболочки и другие неплотности и дефекты. Аналоги таких систем известны из уровня техники.

Чтобы снизить газопотери, внутренняя поверхность понтона покрыта тонкой металлической пленкой 11. Пленка 11 внутри понтона 4 разделена на полосы (фиг.8), отделенные друг от друга электрически изолирующим материалом и является электрическим проводником (пленочным кабелем) для подачи по нему напряжения для питания всех устройств и двигателей системы, в том числе лифтов, центробежной катапульты, двигателей вентиляторов системы стабилизации положения понтонов.

Система антиобледенения (обогрева) 16 может функционировать за счет электричества, проходящего через тонкую металлическую пленку пленочный кабель 11 (фиг.9). Выделяющееся тепло позволит предотвратить нарастание льда на оболочке и снижение ее подъемной силы.

Система сцепления-расцепления с соседними секциями-понтонами 17 должна обеспечивать прочное соединение понтонов. При этом желательно обеспечить оперативное сцепление-расцепление с блоком электрических и газовых разъемов и соединителей, работающих автоматически или по команде.

Система стабилизации положения 18 понтона 4 в пространстве предназначена для сохранения формы башни в процессе эксплуатации. На высотах до 1000 метров башня может фиксироваться высокопрочными полимерными тросами-растяжками (показаны на фиг.1 внизу). Но для придания башне нужного положения на больших высотах, где дуют постоянные ветры, потребуется использовать систему стабилизации 18 использующую GPS или ГЛОНАС и вентиляторы 12, расположенные на башне и приводимые в движение достаточно мощными электродвигателями. Питание электродвигателей вентиляторов системы стабилизации можно будет осуществлять с земли, передавая электроэнергию по кабелю. Возможно использование системы вентиляторов 12 перемещающихся на лифтах в ту точку высотной башни 1, где их эффективность будет максимальной, как показано на фиг.1. Учитывая, что ветры в тропосфере и стратосфере часто дуют в разные стороны и часто меняются по высоте, нагрузку на высотную башню можно считать знакопеременной. Можно надеяться, что этот фактор можно будет использовать для снижения расхода энергии на стабилизацию башни. Однако подробных исследований действия ветров до высот порядка 30-40 км еще нет и их потребуется провести. Вполне вероятно, что при достаточной прочности соединений систему стабилизации можно будет использовать только при выводе грузов на орбиту. Однако подробно этот фактор еще не исследован и является определенным техническим риском проекта.

Направляющие 19 для перемещения лифтов 3 расположены диаметрально противоположно на внешних сторонах понтонов 4, так чтобы оба синхронно перемещающихся лифта 3 находились на диаметрально противоположных сторонах понтона 4 и компенсировали нагрузки, действующие на понтоны при их движении. Направляющие для лифтов с помощью токопроводов 20 соединены с полосами металлической пленки 11 внутри понтона 4 и имеют токосъемники 21, соединенные с приводом лифтов 3 (фиг.9). На башне может быть несколько диаметрально-симметричных направляющих 19 для лифтов как показано на фиг.2 и 7.

Световое обозначение высотной башни в темное время суток может осуществляться лазерными сканирующими осветительными системами, расположенными на земле и на соседних понтонах. Аналогами подобных систем являются известные лазерные шоу, где лазерные лучи направляются на здания или фонтаны. Такое освещение позволит избавиться от тяжелых светильников, кабелей и креплений, и не увеличивает вес башни.

Оценка параметров системы показывает, что стоимость башни высотой 30 км, сделанной из понтонов из углепластика составит примерно 1.1 млрд. долларов. Стоимость гелия и водорода, наполняющих башню составит примерно 140 млн. долларов. А стоимость всего проекта по созданию башни с учетом разработки новых технологий и обеспечивающей инфраструктуры не превысит 2.7 млрд. долларов, что примерно соответствует стоимости лучших высотных небоскребов или деловых центров мира.

При сроке службы сооружения не менее 10 лет, стоимость часа его эксплуатации не превысит 30 тыс. долларов. Стоимость вывода груза при разгоне одновременно двух капсул весом по одной тонне с учетом амортизации расходов на проект не превысит 137 долларов за килограмм, а при запусках двух капсул по две тонны не превысит 100 долл/кг. При сроке службы системы в 20 лет стоимость вывода падает до 66-70 долларов за килограмм.

Для сравнения, самая дешевая доставка осуществляется в России ракетоносителем "Протон" составляет 3950 долларов за килограмм. Легкие спутники запускаются по цене до 20 тыс. долларов за кг. Тяжелые можно запустить и по 6-7 тыс. долларов за кг.

В то же время в сети встречаются сообщения, что ориентировочная стоимость вывода грузов ракетами составляет всего 550 долл/кг (http://otvety.google.ru/otvety/thread?tid=4fd9d349650c6708.

При среднем времени на подъем и запуск двух капсул порядка 6 часов и коэффициенте простоя башни в 30%, суммарный грузопоток системы может достичь 40 тысяч тонн за 10 лет эксплуатации и 80 тысяч тонн за 20 лет эксплуатации. Для сравнения, суммарный грузопоток самых современных средств вывода не превышает 4,2 тыс. тонн за 20 лет эксплуатации. Применение космических башен позволит снизить стоимость вывода грузов в десятки раз и значительно расширить космические грузопотоки.

Оценка прибыли от реализации проекта показывает, что при затратах на проект порядка 2.7 млрд. долларов, при полной загрузке проект мог бы окупиться за 1-4 года и при коммерческой цене запуска в 500 долларов за тонну мог бы приносить ежегодную прибыль порядка 0,7-3,8 млрд. долларов. Конечно, на требуемый грузооборот мировая космонавтика выйдет не сразу, а лет через 5-10 после выхода проекта на рынок и сильного снижения цен на запуск грузов на орбиту.

Предлагаемая система вывода грузов на орбиту - космическая башня вполне осуществима на современном уровне техники. Конструкция башни не будет испытывать нагрузок от действия веса основных конструктивных элементов башни. Она принципиально не может упасть, а поэтому будет безопасной для эксплуатации вблизи населенных пунктов и городов, что очень важно для сокращения транспортных издержек. Космобашни можно будет строить также часто, как и аэропорты, а по стоимости они будут даже дешевле современных взлетно-посадочных полос аэропортов.

Основной грузопоток космобашен составит топливо для спутников, материалы для производства электронных и высокочистых компонентов, производство которых в космосе наиболее экономично, а также микро- и миниспутники различного назначения.

Очень возможно, что появление дешевых средств вывода на орбиту породит новый вид суборбитальных транспортных систем, способных оперативно и дешево доставлять небольшие грузы в любую точку мира.

Даже частичная реализация проекта станет безусловно передовым шагом по практическому развитию промышленной космонавтики.

Самым главным преимуществом изобретения является экологическая чистота, исключающая химическое и тепловое загрязнение атмосферы продуктами сгорания двигателей ракет, а также экономия дорогостоящего ракетного топлива.

1. Система вывода грузов на орбиту, содержащая несущую конструкцию в виде высотной башни или высотной платформы, удерживаемой на заданной высоте емкостями с газом легче воздуха, систему катапультированного старта, наземную систему обеспечения и лифт для подъема груза, отличающаяся тем, что высотная башня выполнена из соединенных друг с другом секций-понтонов наполненных газом легче воздуха и достигает сильно разреженных слоев атмосферы, а система катапультированного старта расположена на ее вершине и выполнена в виде центробежной катапульты.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что выводимый на орбиту груз устанавливают в центробежную катапульту в капсулах, содержащих систему расцепления с центробежной катапультой при достижении заданной линейной скорости.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что капсулы с выводимым грузом содержат систему маневрирования, позволяющую корректировать траекторию капсулы после расцепления с центробежной катапультой.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что центробежная катапульта содержит две капсулы равной массы и геометрии, расположенных диаметрально напротив друг друга так, чтобы компенсировать центробежную силу вращения.

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что центробежная катапульта содержит или компенсирующий маховик, раскручиваемый приводом капсулы в направлении, противоположном направлению вращения центробежной катапульты, или симметричную конструкцию с парой капсул, компенсирующих обратный вращающий момент.

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что секция-понтон содержит тонкостенную оболочку цилиндрической, конической, многоугольной, фигурной, аэродинамической или концентрической формы, с внутренними каналами или без, с торцевыми обечайками, выполненную из углепластика, кевлара или иного прочного и легкого материала, внутреннее пространство которой заполнено газом легче воздуха под давлением, равным или превышающим атмосферное давление на высоте эксплуатации, а внутренняя поверхность покрыта тонкой металлической пленкой, причем диаметр, длина и толщина стенки секции-понтона зависят от высоты его расположения, так чтобы обеспечивалась положительная плавучесть секции-понтона на высоте его расположения в башне.

7. Система по п.6, отличающаяся тем, что секция-понтон содержит систему диагностики целостности оболочки, систему регулирования плавучести, например, методом регулирования давления газа внутри секции-понтона, систему циркуляции и обновлении газа внутри секций-понтонов, систему антиобледенения (обогрева), систему сцепления-расцепления с соседними понтонами с блоком электрических и газовых разъемов и соединителей, а также систему стабилизации положения секции-понтона в пространстве с вентиляторами, приводимыми в движение электродвигателями, управляемые с наземной системы обеспечения.

8. Система по п.6, отличающаяся тем, что тонкая металлическая пленка внутри секции-понтона разделена на полосы, отделенные друг от друга электрически изолирующим материалом и является электрическим проводником (пленочным кабелем) для подачи по нему напряжения для питания всех устройств и двигателей системы, в том числе лифтов, центробежной катапульты, двигателей вентиляторов системы стабилизации положения понтонов.

9. Система по п.1, отличающаяся тем, что направляющие для перемещения лифтов расположены диаметрально противоположно на внешних сторонах секций-понтонов так, чтобы оба синхронно перемещающихся лифта находились на диаметрально противоположных сторонах понтона и компенсировали нагрузки, действующие на секции-понтоны при их движении.

10. Система по п.9, отличающаяся тем, что направляющие для лифтов с помощью токопроводов соединены с полосами металлической пленки внутри секции-понтона и имеют токосъемники, соединенные с приводом лифтов.

11. Система по п.8, отличающаяся тем, что вентиляторы системы стабилизации положения секций-понтонов в пространстве располагаются неподвижно или на отдельных лифтах и имеют возможность перемещения вдоль высотной башни по выделенным для них направляющим для перемещения лифтов в ту область башни, где их применение наиболее эффективно.

12. Система по п.1, отличающаяся тем, что световое обозначение высотной башни осуществляется лазерными сканирующими осветительными системами, расположенными на земле и на соседних секциях-понтонах.