СНАБЖЕННЫЙ КРЫЛЬЯМИ КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ Российский патент 2008 года по МПК B64G1/16 B64G1/62 

Область техники

Настоящее изобретение относится к крылатому космическому аппарату, который преобразуется при возвращении из космоса в устойчивую плохообтекаемую конфигурацию и затем вновь возвращается в нормальную аэродинамическую конфигурацию для посадки на взлетно-посадочную полосу. Изобретение предназначено преимущественно для суборбитального космического аппарата, но оно может быть применимо и для корабля, совершающего орбитальный полет.

Предшествующий уровень техники

Возвращение в плотные слои атмосферы возвращаемого космического аппарата является критической фазой полета вследствие высоких структурных и термических нагрузок. Современный космический аппарат с горизонтальной посадкой, предназначенный для посадки на взлетно-посадочную полосу, требует трехкоординатного управления и большей подъемной силы по сравнению с известными космическими аппаратами с затупленным корпусом (капсулы Меркурий, Джемени), которые при приземлении снижались на парашюте.

Краткое изложение существа изобретения

Согласно изобретению предложен космический аппарат, имеющий фюзеляж, а также правое и левое крылья с шарнирно закрепленными хвостовыми секциями, несущими хвостовые балки с вертикальным и горизонтальным оперением, имеющим рули и элероны. Подъемная система, расположенная между фюзеляжем и этими секциями, обеспечивает перевод секций и хвостовых балок из нормальной аэродинамической конфигурации в конфигурацию с высоким аэродинамическим сопротивлением для стабильного и управляемого возвращения в плотные слои атмосферы.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, где согласно изобретению:

фиг.1 изображает вид сбоку суборбитального космического аппарата, конфигурированного для посадки;

фиг.2 - вид спереди космического аппарата с убранным шасси;

фиг.3 - вид сверху космического аппарата;

фиг.4 - вид сбоку аппарата, реконфигурированного для возвращения в плотные слои атмосферы;

фиг.5 - общий вид сверху спереди реконфигурированного космического аппарата;

фиг.6 - общий вид сверху и сзади реконфигурированного космического аппарата;

фиг.7 - общий вид с частичным вырезом подъемной системы космического аппарата для подъема хвостовых секций крыльев и хвостовых балок;

фиг.8 - общий, более подробный вид подъемной системы;

фиг.9 - вид сбоку части подъемной системы на правой хвостовой секции крыла.

Подробное описание предпочтительного варианта воплощения изобретения

На фиг.1-3 показан суборбитальный космический аппарат 10 для ракетного полета в космос, для полета на дозвуковой скорости после возвращения в плотные слои атмосферы и для посадки. Космический аппарат показан на фиг.1 с задним шасси 11 и носовым полозковым шасси 12 в выпущенном положении для посадки, но на других чертежах эти элементы не показаны.

Космический аппарат содержит фюзеляж 13 с пилотской кабиной 14 на переднем конце. Хвостовая часть 15 фюзеляжа содержит и несет ракетный двигатель на гибридном топливе, хвостовое сопло 16 которого показано на чертежах. Крыло 17 имеет правую и левую передние секции 19 и 20, прикрепленные к фюзеляжу, и хвостовые правую и левую секции 21 и 22, которые соединены друг с другом и могут подниматься вверх вокруг линии 23 шарнирного поворота. Хвостовые секции 21 и 22 составляют около одной трети суммарной ширины или хорды крыла. К внешним концам хвостовых секций крыльев жестко прикреплены проходящие назад правая и левая хвостовые балки 24 и 25.

От внешних сторон каждой балки выступают наружу жестко прикрепленные к ним стабилизаторы хвостового оперения 27 с силовым приводом, каждое из которых несет шарнирно установленные элероны 28, которые могут независимо перемещаться пилотом для управления по осям тангажа и крена. К задним концам вертикальных хвостов на хвостовых балках с возможностью шарнирного движения установлены рули 29 для управления по курсу полета. Эта конфигурация обеспечивает хорошую устойчивость и управляемость при полете в атмосфере, и возможен достаточный диапазон подъема и планирования с трехкоординатным управлением для выравнивания и посадки.

Перед возвращением в плотные слои атмосферы из космического полета космический аппарат реконфигурируют (приводами, описанными ниже) в плохообтекаемую конфигурацию, в которой хвостовые секции крыльев и хвостовые балки перемещаются или наклоняются вокруг линии 23 шарнира. Это плохообтекаемое положение, показанное на фиг.4-6, называют "флюгерной" конфигурацией, в которой существует большой угол установки секций, составляющий около 65 градусов относительно нормально конфигурированного "нефлюгерного" крыла.

На фиг.7-9 показана подъемная система 32 для подъема и опускания хвостовых секций крыльев и хвостовых балок между флюгерным и нефлюгерным положениями. Система включает два пневматических привода 33 с цилиндрами 34 и подвижными поршнями 35. Нижний конец каждого цилиндра шарнирно прикреплен к кронштейну 36, который жестко прикреплен к фюзеляжу космического аппарата. Концы 37 поршней 35 шарнирно прикреплены к кронштейнам 38, жестко установленным на внутренних поверхностях 39 хвостовых секций крыльев. Приводы приводятся в действие цилиндром со сжатым воздухом (не показан), установленным в космическом аппарате.

Управляемая пилотом подача давления в приводы 33 перемещает хвостовые секции крыльев и хвостовые балки вверх и вниз. Для предотвращения непреднамеренного перемещения этих хвостовых частей космического аппарата и для снятия нагрузки с приводов 33 в течение нефлюгерного полета применена система 40 блокирования. Система 40 имеет пару из правого и левого пневматических приводов 41 с цилиндрами 42, нижние концы которых шарнирно прикреплены к кронштейнам 36. Из цилиндров 42 выступают поршни 43, концы которых шарнирно соединены с проходящими назад соединениями 44, соединенными жесткой поперечной балкой 45. Поперечная балка, в свою очередь, с возможностью вращения удерживается правым и левым кронштейнами 46, прикрепленными к фюзеляжу космического аппарата. С внешней стороны от каждого соединения 44 размещены проходящие вверх блокирующие элементы 48, прикрепленные к поперечной балке 45, причем каждый блокирующий элемент имеет проходящий вперед конец 49, входящий в зацепление с сопрягаемым с ним пальцем 50, прикрепленным к внутренней хвостовой кромке каждой хвостовой секции крыла, когда космический аппарат находится в нефлюгерной конфигурации.

Для разблокирования хвостовых секций крыльев в приводы 41 подают давление для втягивания поршней 43 и выведения их из выдвинутого положения, в результате чего поперечная балка 45 вращается и перемещает концы 49 блокирующих элементов назад, выводя их из зацепления с пальцами в разблокированное положение. Приведение в действие цилиндров 34 будет осуществлять перемещение хвостовых секций крыльев в поднятое флюгерное положение. Когда секции крыльев убраны после возвращения в плотные слои атмосферы, в приводы 41 вновь подается давление для выдвижения поршней 43 для повторного блокирования блокирующей системой.

Когда космический аппарат возвратился в плотные слои атмосферы во флюгерной конфигурации, корабль подобно волану будет стремиться занять и сохранить устойчивое положение по тангажу и крену при любых скоростях. Угол атаки в этом положении очень большой, его расчетная величина составляет около 54 градусов на сверхзвуковых скоростях в пределах М=3 и около 64 градусов на дозвуковых скоростях. Это приводит к необходимому высокому аэродинамическому сопротивлению, при этом сопротивление превышает подъемную силу приблизительно в два раза при низких конструкционных и термических нагрузках. Курсом космического аппарата можно также управлять в ходе возвращения в плотные слои атмосферы для коррекции направления вектора подъемной силы для коррекции траектории. Стрелкой 4 показан типичный вектор скорости космического аппарата при возвращении в плотные слои атмосферы.

После возвращения в плотные слои атмосферы, когда космический аппарат замедляется до дозвуковой скорости, его реконфигурируют в нефлюгерное состояние с коэффициентом планирования от семи до восьми. Например, если космический аппарат переводят в нефлюгерную конфигурацию на высоте около 16000 м, он может планировать к необходимому месту посадки на горизонтальное расстояние, превышающее 90 км. Когда трехкоординатное управление восстановлено, аппарат может быть легко повернут и выровнен для посадки на горизонтальную взлетно-посадочную полосу.

Изобретение относится к крылатому космическому аппарату (КА), преимущественно суборбитальному, который преобразуется при возвращении из космоса в устойчивую плохообтекаемую конфигурацию и затем вновь возвращается в нормальную аэродинамическую конфигурацию для посадки на взлетно-посадочную полосу. Согласно изобретению КА содержит ракетный двигатель и крылья (17). Крылья имеют шарнирно закрепленные хвостовые секции (21, 22), которые могут подниматься, поворачиваясь вокруг линии (23) шарниров. От внешних концов этих секций простираются назад хвостовые балки (24, 25), на концах которых установлены рули (29). Каждая хвостовая балка несет горизонтальное хвостовое оперение с элероном (28). При дозвуковом полете крыло имеет нормальную аэродинамическую конфигурацию. При возвращении в плотные слои атмосферы хвостовые части крыла подняты вверх под значительным (до 65°) углом, обеспечивая устойчивое снижение КА с высоким аэродинамическим сопротивлением. Такое снижение уменьшает интегральные термические нагрузки на КА. Когда КА замедляется преимущественно до дозвуковой скорости, хвостовые секции крыла возвращают в опущенное положение. КА приобретает нормальную аэродинамическую конфигурацию для планирующего полета и горизонтальной посадки. 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Космический аппарат, содержащий фюзеляж, правое и левое крылья, выступающие из фюзеляжа и имеющие шарнирно закрепленные хвостовые секции, внешние концы которых несут простирающиеся назад хвостовые балки с вертикальным и горизонтальным хвостовым оперением, содержащим рули и элероны, причем между фюзеляжем и хвостовыми секциями крыльев установлена связанная с фюзеляжем и этими секциями подъемная система для перемещения секций из нормальной аэродинамической конфигурации в поднятое положение, создающее высокое аэродинамическое сопротивление для торможения космического аппарата при возвращении в плотные слои атмосферы после космического полета, причем данная подъемная система выполнена с возможностью возврата хвостовых секций крыльев в нормальную аэродинамическую конфигурацию для обеспечения управляемой посадки на горизонтальную взлетно-посадочную полосу.2. Космический аппарат по п.1, выполненный с обеспечением его устойчивого положения в процессе возвращения в плотные слои атмосферы под крутым углом спуска при поднятых хвостовых секциях и горизонтальном положении фюзеляжа.3. Космический аппарат по п.1, в котором шарнирно закрепленные хвостовые секции крыльев имеют ширину, составляющую около одной трети суммарной ширины крыла.4. Космический аппарат по п.1, в котором хвостовые секции крыльев установлены с возможностью поворота вверх на угол приблизительно 65°.5. Космический аппарат по п.1, в котором указанная подъемная система содержит пневматические приводы.6. Космический аппарат по п.1, дополнительно содержащий управляемую пилотом блокирующую систему для блокирования указанных хвостовых секций крыльев в нормальной аэродинамической конфигурации, при этом блокирующая система выполнена с возможностью разблокирования перед приведением в действие подъемной системы.7. Космический аппарат по п.6, в котором указанная блокирующая система содержит пневматические приводы.8. Космический аппарат по п.1, дополнительно содержащий средство для жесткого соединения друг с другом хвостовых секций крыла.