КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ Российский патент 1999 года по МПК B64G1/00 

Космический аппарат (КА) относится к ракетно-космической технике и предназначен для выведения полезных грузов на заданные орбиты с использованием аэродинамического торможения в атмосфере небесных тел.

Аэродинамическое торможение широко применяется в космической технике для возвращения орбитальных кораблей с орбиты спутника Земли ("Союз", "Аполлон", "Буран", "Шаттл" и др.

Расчеты показывают высокую эффективность аэродинамического торможения при выведении КА на орбиты спутников планет или при возвращении из дальнего космоса на орбиту спутника Земли, позволяющую вдвое увеличить массу полезного груза транспортного КА [1]. Однако сложность конструкции такого КА и недостаточная надежность известных развертываемых тормозных устройств не позволили пока реализовать этот способ изменения скорости аппарата.

Известна конструкция развертываемого аэродинамического тормоза типа "зонтик" [2]. Требование высокой точности формирования теплозащитного экрана при сложной кинематике его раскрытия в космосе и необходимость газодинамического управления статически неустойчивым при прохождении атмосферы КА не обеспечивают достаточной надежности такой конструкции.

Известен КА со статической стабилизацией при торможении за счет надувного баллона, который в нерабочем положении укладывается на корпус аппарата [1, 3]. Аппарат ориентируется при торможении двигателем вперед. Перед входом в атмосферу двигатель запускается и его факел препятствует прямому воздействию набегающего потока на надувной экран.

К недостаткам этого решения относятся катастрофические последствия отказа двигателя и отсутствие в современной технике термостойких материалов с высокой эластичностью.

Примером статически стабилизированного КА, свободного от этих недостатков, является аппарат по патенту США N 3105658 [4], принятый за прототип предлагаемого изобретения. КА состоит из корпуса, системы управления, двигателей, теплозащитного экрана и подвесных топливных баков, шарнирно закрепленных на корпусе КА равномерно по периметру его поперечного сечения с возможностью поворота относительно оси, перпендикулярной продольной оси КА, и включающий развертываемое аэродинамическое тормозное устройство в виде упомянутых топливных баков и приводов их поворота. Стационарная форма наиболее теплонапряженных при прохождении атмосферы элементов конструкции позволяет использовать для их теплозащиты существующие материалы.

Недостатками этой конструкции являются малая надежность, связанная со сложностью механизма приводов поворота баков и выдвижением баков навстречу набегающему потоку, и недостаточная аэродинамическая эффективность для атмосферы с малой плотностью (например, Марса).

Задача данного изобретения - повышение надежности КА и эффективности развертываемого аэродинамического тормозного устройства.

Решается поставленная задача тем, что в КА, состоящем из корпуса, системы управления, двигателей, теплозащитного экрана и подвесных топливных баков, шарнирно закрепленных на корпусе КА равномерно по периметру его поперечного сечения с возможностью поворота относительно оси, перпендикулярной оси КА, и включающем развертываемое аэродинамическое тормозное устройство в виде упомянутых баков и приводов их поворота, причем подвесные топливные баки закреплены на корпусе КА в их хвостовой части и снабжены дополнительным тормозным экранам, выполненным из гибкого термостойкого материала в виде секций, концы каждой из которых закреплены на поверхности двух соседних подвесных топливных баков.

В исходном положении секции дополнительного тормозного экрана сложены на поверхности КА и раскрываются ходом баков при их повороте. На многоразовых КА для повторного использования требуется приведение их в первоначальное положение, что в рассмотренной конструкции может быть реализовано только экипажем, например, орбитальной станции. Задача их автоматического приведения в исходное положение решается тем, что в описанном КА каждая секция дополнительного тормозного экрана выполнена в виде лент, перпендикулярных оси КА и размещенных с зазором одна относительно другой, при этом по меньшей мере один конец каждой ленты закреплен на катушке, ось вращения которой совмещена с продольной осью внешнего барабана, установленного вдоль подвесного топливного бака с возможностью вращения вокруг поперечной оси, перпендикулярной оси этого бака.

Суть изобретения поясняется чертежами на примере более сложного варианта КА с автоматическим приведением его в исходное положение, где изображено:
фиг.1 и 2 - общий вид КА на активном участке полета в двух проекциях;
фиг. 3 и 4 - общий вид КА на участке аэродинамического торможения в двух проекциях;
фиг. 5 и 6 - общий вид барабана с лентой секции дополнительного тормозного экрана в двух проекциях, где:
1 - корпус космического аппарата;
2 - подвесные топливные баки;
3 - шарниры;
4 - привод;
5 - теплозащитный экран;
6 - стыковочный узел;
7 - полезный груз;
8 - силовая конструкция;
9 - двигатель;
10 - стыковочный узел;
11 - аэродинамические секции дополнительного тормозного экрана;
12 - ленты;
13 - барабаны;
14 - корпус барабана;
15 - катушка для намотки лент;
16 - тормозная муфта;
17 - электропривод;
18 - оси;
19 - теплозащитные обтекатели.

КА включает корпус 1, обеспечивающий общую увязку конструкции. На корпусе 1 закреплены подвесные топливные баки 2 в шарнирах 3 с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной оси КА, приводами 4. В носовой части корпуса 1 установлен теплозащитный экран 5, защищающий конструкцию при аэродинамическом торможении и стыковочный узел 6 для крепления полезного груза 7 при его внешнем расположении. В хвостовой части корпуса 1 установлена силовая конструкция 8, воспринимающая тягу двигателей 9 и нагрузки от подвесных баков 2, и стыковочный узел 10 для крепления полезного груза в зоне аэродинамической тени на участке торможения. Аэродинамические секции 11 дополнительного тормозного экрана выполнены из лент 12. Каждая лента 12 крепится концами в барабанах 13, включающих корпус 14 и катушку для намотки ленты 15. Катушка фиксируется тормозной муфтой 16, намотка ленты 12 обеспечивается электроприводом 17. Для нормального хода ленты 12 при развертывании и сматывании корпусы 14 барабанов 13 закреплены на баках 2 через оси 18. Теплозащитные обтекатели 19 обеспечивают защиту барабанов от набегающего потока при торможении.

КА под обтекателем ракеты-носителя или внутри орбитального корабля выводится на орбиту спутника Земли. Запуском двигателей 9 аппарат переводится на расчетную траекторию полета. Перед входом в атмосферу проводится перестроение полезного груза к стыковочному узлу 10, а баки 2 приводами 4 переводятся в положение аэродинамического торможения (фиг. 3 и 4). Перед разворотом баков 2 тормозные муфты 16 выводятся из контакта с катушками 15. При повороте ходом баков 2 начинается размотка лент 12 секций 11 дополнительного тормозного экрана. Баки 2 приводами 4 доводятся до упора в силовую конструкцию 8 и фиксируются в этом положении лентами 12 путем сматывания их электроприводами 17 на катушки 15 и введением тормозных муфт 16 в контакт с катушками 15. В процессе аэродинамического торможения отведенные назад баки 2 и секции 11 дополнительного тормозного экрана обеспечивают стабилизацию КА теплозащитным экраном 5 навстречу потоку без применения дополнительных средств управления. В результате торможения аппарат теряет расчетную долю скорости и выходит на заданную орбиту. Возвращение баков 2 в исходное положение после торможения обеспечиваются приводами 4, при этом тормозные муфты 16 выводятся из контакта с катушками 15 и идет размотка лент 12 ходом баков 2 до их штрихпунктирного положения (фиг. 3). По прохождению баками 2 этого положения включаются приводы 17 катушек 15 на сматывание лент 12 синхронно положению баков 2. Баки 2 приводами 4 доводятся до упора в корпус КА 1 (фиг. 1) и фиксируются лентами 12 введением тормозных муфт 16 в контакт с катушками 15. Полезный груз 7 отделяется от аппарата и выполняет свое функциональное назначение. После заправки баков компонентами топлива КА готов к повторному применению.

Предлагаемое изобретение позволяет создать при современном уровне техники эффективную конструкцию КА с развертываемым аэродинамическим тормозным устройством. При подтверждении прогнозируемых характеристик аппаратов с аэродинамическим торможением [1] это позволит вдвое увеличить массу полезной нагрузки, или, соответственно, в два раза снизить затраты при фиксированном грузе. Например, для марсианской экспедиции, стоимость которой оценивается в 100 млрд. долл. США [5], экономический эффект аэродинамического торможения составит около 50 млрд. долл. Даже при затратах на разработку КА с аэродинамическим торможением около 10 млрд. долл., что соответствует стоимости наиболее дорогостоящих космических систем, располагаемый резерв в 40 млрд долл. позволяет минимизировать риск создания такого аппарата.

Литература
1. "Межорбитальный транспортный аппарат, маневрирующий в атмосфере Земли". Экспресс-информация "Астронавтика и ракетодинамика" N 11, 1982, ВИНИТИ.

2. "Аэродинамическое торможение межорбитального транспортного аппарата". Экспресс-информация "Астронавтика и ракетодинамика" N 27, 1988, ВИНИТИ.

3. "Система аэродинамического торможения космического аппарата". Патент США N 4504031, кл. 244-133.

4. "Космический аппарат с развертываемым аэродинамическим тормозным устройством". Патент США N 3105638, кл. 244-1.

5. "Планы исследования Марса". Экспресс-информация "Астронавтика и ракетодинамика" N 45, 1996, ЦНИИМАШ.

Изобретение относится к ракетно-космической технике и предназначено для выведения полезных грузов на орбиты, с использованием аэродинамического торможения в атмосфере. Согласно изобретению, космический аппарат (КА) содержит корпус, систему управления, двигатели и равномерно расположенные по периметру поперечного сечения корпуса КА поворотные топливные баки, закрепленные на корпусе в их хвостовой части и выполняющие функции аэродинамического тормозного устройства КА. На баках закреплены секции дополнительного тормозного экрана, выполненные из гибкого термостойкого материала, например, в форме лент, препендикулярных продольной оси КА. Благодаря изобретению повышается надежность КА при его маневрировании в атмосфере и возрастает эффективность развертываемого тормозного устройства КА. 1 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Космический аппарат, состоящий из корпуса, системы управления, двигателей, теплозащитного экрана и подвесных топливных баков, шарнирно закрепленных на корпусе космического аппарата равномерно по периметру его поперечного сечения с возможностью поворота относительно оси, перпендикулярной оси космического аппарата, и включающий в себя развертываемое аэродинамическое тормозное устройство в виде указанных баков и приводов их поворота, отличающийся тем, что подвесные топливные баки закреплены на корпусе космического аппарата в их хвостовой части и снабжены дополнительным тормозным экраном, выполненным из гибкого термостойкого материала в виде секций, концы каждой из которых закреплены на поверхности двух соседних подвесных топливных баков. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что каждая секция дополнительного тормозного экрана выполнена в виде лент, перпендикулярных оси космического аппарата и размещенных с зазором одна относительно другой, при этом по меньшей мере один конец каждой ленты закреплен на катушке, ось вращения которой совмещена с продольной осью внешнего барабана, установленного вдоль подвесного топливного бака с возможностью вращения вокруг поперечной оси, перпендикулярной оси этого бака.