КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ И ЕГО БЛОК РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 2006 года по МПК B64G1/00 B64G1/40 F02K9/72 

Изобретения относятся к космической технике и могут использоваться при разработке космических аппаратов и их двигательных установок, в частности к космическим аппаратам, предназначенным для осуществления непрерывной круглосуточной ретрансляции потоков информации различного назначения в системе спутниковой связи и вещания.

Из уровня техники известен космический аппарат (КА), содержащий цилиндрический корпус центрального отсека, панели для монтажа оборудования, двигательную установку, систему управления, панели солнечных батарей, антенны, аккумуляторные батареи (см., например, патент США №5979833, кл. 244/158 R, B 64 G 1/00, от 09.11.99 г.).

Из уровня техники известен также блок реактивных двигателей, содержащий равнотяговые секции электрических реактивных двигателей, установленные поровну в двух плоскостях, равноудаленных от базовой плоскости Y0Z с размещенными в ней осями Y и Z связанной системы координат и параллельных этой базовой плоскости, с направленными под углом к упомянутым осям Y и Z и смещенными относительно центра масс космического аппарата линиями действия тяг (см., например, патент РФ №2124461, кл. B 64 G 1/26, 1/24, 1/40, от 12.11.97 г.).

В качестве недостатков указанных прототипов можно отметить следующее. Например, известный КА не приспособлен для того, чтобы на него (со стороны головной части) установить более мощную полезную нагрузку без его дополнительной достаточно серьезной доработки, т.к. его корпус центрального отсека выполнен для установки внутри цилиндра баков двигательной установки и не предназначен для того, чтобы нести эту более мощную дополнительную, а может быть и основную, нагрузку. Также консольное закрепление приборных панелей не позволит обеспечить требуемые уровни жесткости для некоторого оборудования КА. Открытое, наружное расположение приборов потребует дополнительных мер и массы для организации микрометеоритной, радиационной и электростатической защиты радиоэлектронного и другого оборудования КА.

Что касается двигательной установки (блока реактивных двигателей), то в известном блоке все управляющие усилия и моменты создаются за счет только электрических реактивных двигателей, что не всегда эффективно, быстро, точно и экономно в процессе эксплуатации КА на орбите.

Задачей данных изобретений является создание КА и блока реактивных двигателей к нему с достижением технического результата в виде возможности использовать заявленный КА в виде попутной нагрузки при совместном с ней выведении в космос основной полезной нагрузки, а также расширение арсенала технических средств определенного назначения.

Решение данной задачи достигается тем, что в космическом аппарате, содержащем цилиндрический корпус центрального отсека, панели для монтажа оборудования, двигательную установку, систему управления, панели солнечных батарей, антенны, аккумуляторные батареи, в соответствии с изобретением к корпусу центрального отсека, выполняющему функцию силового элемента, обеспечивающему на участке выведения передачу нагрузок от основной полезной нагрузки на разгонный блок, присоединены с внешней стороны по образующим цилиндра четыре вспомогательные панели-зашивки для повышения жесткости конструкции КА и для дополнительного крепления на их отдаленных от цилиндрического корпуса концах двигательных панелей, все панели космического аппарата выполнены трехслойными на основе алюминиевых листов, две приборные панели выполнены с функцией тепловых панелей, тепловые панели присоединены к центральному отсеку КА по двум противоположным относительно оси центрального отсека плоскостям стабилизации, образуя "северную" и "южную" панели КА, агрегатные панели присоединены к центральному отсеку - одна в плоскости технологического стыка космического аппарата с переходной системой, образуя "зенитную" панель, а другая - в плоскости, ниже плоскости технологического стыка КА с устройством отделения полезной нагрузки, образуя "земную" панель, двигательные панели присоединены к вспомогательным радиальным панелям-зашивкам центрального отсека и агрегатным панелям в плоскостях, перпендикулярных агрегатным панелям и перпендикулярных тепловым панелям, соответственно с "западной" и "восточной" сторон, и выполнены в виде полос, параллельных оси космического аппарата, между которыми установлена на центральном отсеке КА зональная раскрываемая антенна бортового ретранслятора, а на самих двигательных панелях блоки реактивных двигателей установлены неподвижно секциями, размещенными в двух параллельных плоскостях, равноотстоящих от центра масс, каждая секция двигателей включает в себя газовый двигатель и тяговый модуль на основе стационарного плазменного двигателя, оси камер которых расположены под разными углами друг к другу, агрегатным и тепловым панелям, с наружной стороны от тепловых панелей размещены панели солнечных батарей, с внутренней стороны от тепловой панели полезной нагрузки размещены приборы полезной нагрузки, а с внутренней стороны тепловой панели служебного борта размещены приборы служебных систем космического аппарата и двигатели-маховики.

При этом замки и толкатели, устанавливаемые на переходной системе, сопряжены с элементами конструкции на цилиндрической части центрального отсека КА с обеспечением доступа к ним с внутренней стороны переходной системы и центрального отсека КА, по всей площади тепловой панели полезной нагрузки могут быть вклеены тепловые трубы, а аккумуляторные батареи установлены на агрегатной "земной" панели по плоскости установки тепловой панели полезной нагрузки с возможностью перемещения аккумуляторных батарей для регулирования положения центра масс КА.

Решение данной задачи достигается также и тем, что в блоке реактивных двигателей, содержащем равнотяговые секции электрических реактивных двигателей, установленные поровну в двух плоскостях, равноудаленных от базовой плоскости Y0Z и параллельных базовой плоскости с размещенными в ней осями Y и Z связанной системы координат, с направленными под углом к упомянутым осям Y и Z и смещенными относительно центра масс космического аппарата линиями действия тяг, в соответствии с изобретением, двигательные секции установлены на вспомогательных радиальных панелях-зашивках, в каждой секции кроме электрических реактивных двигателей дополнительно установлено по газовому двигателю с линией действия тяги, направленной под углом к осям Y и Х связанной системы координат, при этом установлены: электрические реактивные двигатели с функцией создания импульсов тяги для коррекции орбиты и разгрузки двигателей-маховиков, а газовые двигатели - с функцией создания импульсов тяги при демпфировании остаточных угловых скоростей после отделения КА от разгонного блока, разгрузки двигателей-маховиков до начала работы электрических реактивных двигателей и в аварийных случаях.

Далее изобретения поясняются с использованием прилагаемых графических материалов.

На фиг.1 представлен заявленный космический аппарат в разобранном виде (основные элементы); на фиг.2 представлена КА - конфигурация при выведении в составе космической головной части (КГЧ); на фиг.3 - представлена рабочая (орбитальная) конфигурация КА; на фиг.4-6 представлены отдельные виды КА, позволяющие лучше уяснить суть изобретения; на фиг.7 представлены схемы расположения газовых двигателей и тяговых модулей относительно связанной системы координат.

Космический аппарат сдержит цилиндрический корпус центрального отсека 1 с четырьмя вспомогательными радиальными панелями-зашивками 2, присоединенными к корпусу с внешней стороны по образующим цилиндра корпуса.

По двум противоположным относительно оси центрального отсека плоскостям стабилизации установлены две приборные панели, выполняющие функции тепловых панелей, образуя "северную" и "южную" панели КА: "северную" панель - тепловую панель служебного борта 3 для размещения приборов и аппаратуры служебного борта и "южную" тепловую панель полезной нагрузки 4 для размещения приборов и аппаратуры полезной нагрузки.

К центральному отсеку присоединены агрегатные панели - одна в плоскости технологического стыка КА с переходной системой, образуя "зенитную" панель 5, другая в плоскости, ниже плоскости технологического стыка КА с устройством отделения 6 основной полезной нагрузки, образуя "земную" панель 7.

К агрегатным и тепловым панелям в плоскостях, перпендикулярных агрегатным панелям и тепловым панелям, а также к вспомогательным радиальным панелям-зашивкам центрального отсека, с "западной" и "восточной" сторон присоединены двигательные панели 8, выполненные в виде полос, параллельных оси КА.

Между двигательными панелями на центральном отсеке КА установлена зональная раскрываемая антенна бортового ретранслятора (БРТК) 9. На двигательных панелях установлены неподвижно секции двигателей 10, при этом каждая секция двигателей включает в себя газовый двигатель 11 (например, К10Р) и тяговый модуль 12 на основе стационарного плазменного двигателя (например, СПД-70), оси камер которых расположены под разными углами друг к другу, агрегатным и тепловым панелям (см. фиг.5, 6).

С наружной стороны от тепловых панелей размещены панели солнечных батарей 13.

С внутренней стороны от тепловой панели полезной нагрузки размещены приборы полезной нагрузки, а с внутренней стороны тепловой панели служебного борта размещены приборы служебных систем КА.

Замки и толкатели, устанавливаемые на переходной системе 14, сопряжены с элементами конструкции на цилиндрической части центрального отсека КА с обеспечением доступа к ним с внутренней стороны переходной системы и центрального отсека КА.

По всей площади тепловых панелей полезной нагрузки вклеены тепловые трубы.

На агрегатной "земной" панели по плоскости установки тепловой панели полезной нагрузки установлены аккумуляторные батареи 15 с возможностью перемещения аккумуляторных батарей для регулирования положения центра масс (ЦМ) КА. На тепловой панели служебного борта установлены двигатели-маховики 16.

Реактивные двигатели, установленные на КА, составляют блок реактивных двигателей, содержащий равнотяговые секции, каждая из которых включает электрический реактивный двигатель (тяговый модуль) и газовый двигатель. Эти секции установлены поровну в двух плоскостях, равноудаленных от базовой плоскости Y0Z и параллельные базовой плоскости с размещенными в ней осями Y и Z связанной системы координат с направленными под углом к упомянутым осям Y и Z линиями действия тяг электрических реактивных двигателей (тяговых модулей) и под углом к осям Х и Y линиями действия тяг газовых двигателей.

Линии действия тяг всех реактивных двигателей смещены относительно центра масс КА (см. фиг.5-7).

При этом установлены: электрические реактивные двигатели с функцией создания импульсов тяги при коррекции орбиты и разгрузки двигателей-маховиков КА, а газовые двигатели с функцией создания импульсов тяги при демпфировании остаточных угловых скоростей после отделения КА от разгонного блока ракеты-носителя, разгрузке двигателей-маховиков до начала работы электрических реактивных двигателей и в аварийных случаях.

Работа указанного КА с установленным на этом аппарате блоком реактивных двигателей производится, например, следующим образом.

После выведения ракетой-носителем на орбиту КА в составе КГЧ вместе с основной полезной нагрузкой и отделением основной полезной нагрузки происходит отделение КА от разгонного блока ракеты-носителя. После отделения КА демпфирует остаточные угловые скорости (останавливает свое вращение относительно всех осей) и стабилизируется с помощью двигателей-маховиков. Одновременно происходит разгрузка двигателей-маховиков с помощью газовых двигателей, которая продолжается и после стабилизации КА до полной разгрузки двигателей-маховиков. Во время стабилизации двигатели-маховики создают управляющие моменты вокруг всех осей КА (относительно центра масс КА). Газовые двигатели включаются попарно для создания моментов разгрузки (а не управляющих моментов) и разгружают двигатели-маховики. Схема установки газовых двигателей (см. фиг.7) позволяет создавать моменты разгрузки относительно всех осей КА даже при отказе одного газового двигателя. До включения электрических реактивных двигателей разгрузка двигателей-маховиков происходит с помощью газовых двигателей. После включения электрических реактивных двигателей газовые двигатели в дальнейшей работе КА не используются за исключением аварийных ситуаций.

После того как электрические реактивные двигатели будут подготовлены к работе, КА осуществляет коррекцию орбиты и переходит в требуемое положение на орбите с помощью импульсов тяги, выдаваемых электрическими реактивными двигателями. Поддержание требуемого положения на орбите - коррекция орбиты (как по широте, так и по долготе), а также разгрузка двигателей-маховиков осуществляется с помощью электрических реактивных двигателей (тяговых модулей). Схема установки этих двигателей (см. фиг.7) позволяет одновременно проводить коррекцию орбиты и разгрузку двигателей-маховиков, создавая разгружающие моменты вокруг осей Z и Y КА, что позволяет более эффективно использовать запас топлива. Разгружающий момент вокруг оси Х создается отдельно от коррекции орбиты.

Например, выдавая импульсы тяги двумя тяговыми модулями, расположенными со стороны оси Z и X КА (см. фиг.7), происходит одновременно коррекция орбиты по широте и создание момента разгрузки вокруг оси Y КА. Путем чередования включения соответствующих пар электрических реактивных двигателей и выбора соответствующей длительности работы каждой пары обеспечивается выдача требуемого корректирующего импульса и разгрузка двигателей-маховиков в каналах Y и Z КА. При этом стабилизация положения КА относительно центра масс осуществляется двигателями-маховиками.

Таким образом, на КА имеется три разных типа двигателей, каждый из которых используется для своих целей.

Двигатели-маховики используются для создания управляющих моментов вокруг осей связанной системы координат (относительно центра масс) на всех этапах полета КА. Эти двигатели при работе не тратят топлива и не влияют на собственную внешнюю атмосферу КА, а также способны очень точно отрабатывать требуемый управляющий момент различной величины.

Газовые двигатели используются для разгрузки двигателей-маховиков на начальном участке полета КА до включения электрических реактивных двигателей. Эти двигатели создают разгружающий момент фиксированной величины, не требуют большой электрической мощности для работы и могут использоваться, когда солнечные батареи не направлены на Солнце. Также эти двигатели могут использоваться для управления КА в аварийных ситуациях.

Электрические реактивные двигатели (тяговые модули) применяются для коррекции орбиты и разгрузки двигателей-маховиков. Эти двигатели требуют значительной электрической мощности для своей работы и поэтому применяются только при наличии электропитания от солнечных батарей. Электрические реактивные двигатели обладают очень высоким удельным импульсом, что позволяет выполнять коррекцию орбиты при минимальных затратах топлива. Нестабильность тяги двигателя по величине и направлению, а также некоторые другие характеристики двигателя затрудняют его использование в качестве устройства, создающего управляющие моменты для стабилизации КА.

Изобретения относятся к конструкции космических аппаратов (КА), в частности спутников связи, а также к исполнению и размещению на них двигательных установок. Предлагаемый КА содержит силовой цилиндрический корпус центрального отсека с присоединенными к нему радиальными панелями-зашивками. На "северной" и "южной" сторонах КА установлены тепловые панели для приборов полезной нагрузки и служебных систем КА. С наружной их стороны размещены панели солнечных батарей. С "зенитной" и "земной" сторон КА к центральному отсеку присоединены агрегатные панели. К агрегатным и тепловым панелям, а также к панелям-зашивкам с "западной" и "восточной" сторон КА присоединены двигательные панели. На последних симметрично закреплены равнотяговые секции двигателей. Каждая секция включает электрический (тяговый, например, стационарный плазменный) и газовый (для успокоения КА после отделения и разгрузки маховиков) реактивные двигатели. Линии действия тяг двигателей наклонены под разными углами к связанным осям КА и смещены относительно центра масс КА. Техническим результатом изобретений является возможность использовать предлагаемый КА с блоком двигателей в качестве попутной полезной нагрузки при парном с ней выведении в космос основной полезной нагрузки. 2 н. и 3 з.п. ф-лы. 7 ил.

1. Космический аппарат, содержащий цилиндрический корпус центрального отсека, панели для монтажа различного оборудования, двигательную установку, систему управления, панели солнечных батарей, антенны, аккумуляторные батареи, отличающийся тем, что к корпусу центрального отсека, выполненному с функцией силового элемента для передачи на участке выведения нагрузок от основной полезной нагрузки на разгонный блок, присоединены с внешней стороны по образующим цилиндра четыре вспомогательные радиальные панели-зашивки для повышения жесткости конструкции космического аппарата и для крепления на их удаленных от корпуса концах двигательных панелей, причем все панели космического аппарата выполнены трехслойными на основе алюминиевых листов, две приборные панели выполнены с функцией тепловых панелей, при этом тепловые панели присоединены к центральному отсеку по двум противоположным относительно его оси плоскостям стабилизации, образуя "северную" и "южную" стороны космического аппарата, агрегатные панели присоединены к центральному отсеку: одна - в плоскости технологического стыка космического аппарата с переходной системой, образуя "зенитную" панель, а другая - в плоскости, расположенной ниже плоскости технологического стыка космического аппарата с устройством отделения основной полезной нагрузки, образуя "земную" панель, двигательные панели присоединены к указанным радиальным панелям-зашивкам и агрегатным панелям в плоскостях, перпендикулярных агрегатным и тепловым панелям соответственно с "западной" и "восточной" сторон, и выполнены в виде полос, параллельных оси космического аппарата, причем между данными полосами на центральном отсеке установлена зональная раскрываемая антенна бортового ретранслятора, а блоки реактивных двигателей установлены на двигательных панелях неподвижно секциями, размещенными в двух параллельных плоскостях, равноотстоящих от центра масс космического аппарата, при этом каждая секция включает в себя газовый двигатель и тяговый модуль на основе стационарного плазменного двигателя, оси камер которых расположены под разными углами друг к другу, агрегатным и тепловым панелям, панели солнечных батарей размещены с наружной стороны от тепловых панелей, с внутренней стороны одной из тепловых панелей размещены приборы полезной нагрузки, а с внутренней стороны другой тепловой панели - приборы служебных систем космического аппарата и двигатели-маховики.2. Космический аппарат по п.1, отличающийся тем, что замки и толкатели, устанавливаемые на переходной системе, сопряжены с элементами конструкции на цилиндрической части центрального отсека космического аппарата с обеспечением доступа к ним с внутренней стороны переходной системы и центрального отсека космического аппарата.3. Космический аппарат по п.1, отличающийся тем, что по всей поверхности тепловой панели полезной нагрузки вклеены тепловые трубы.4. Космический аппарат по п.1, отличающийся тем, что аккумуляторные батареи установлены на агрегатной "земной" панели по плоскости установки тепловой панели полезной нагрузки с возможностью перемещения аккумуляторных батарей для регулирования положения центра масс космического аппарата при установке двигателей.5. Блок реактивных двигателей космического аппарата по п.1, содержащий равнотяговые секции электрических реактивных двигателей, установленные поровну в двух плоскостях, равноудаленных от базовой плоскости (YOZ) космического аппарата и параллельных этой плоскости, причем линии действия тяг указанных двигателей направлены под углом к осям Y и Z связанной системы координат и смещены относительно центра масс космического аппарата, отличающийся тем, что указанные секции установлены на вспомогательных радиальных панелях-зашивках, при этом в каждой секции кроме электрических реактивных двигателей дополнительно установлено по газовому двигателю с линией действия тяги, направленной под углом к осям Y и Х связанной системы координат, где ось Х перпендикулярна указанной базовой плоскости, при этом электрические реактивные двигатели выполнены с возможностью создания импульсов тяги для коррекции орбиты и разгрузки двигателей-маховиков космического аппарата, а газовые двигатели - с возможностью создания импульсов тяги для демпфирования остаточных угловых скоростей после отделения космического аппарата от разгонного блока ракеты-носителя, для разгрузки двигателей-маховиков до начала работы электрических реактивных двигателей, а также для использования в аварийных случаях.