УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДОСТАВКИ ПОЛЕЗНОГО ГРУЗА В МАССИВ ГРУНТА НЕБЕСНЫХ ТЕЛ Российский патент 2013 года по МПК B64G1/10 

Предлагаемое изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при разработке космических аппаратов, предназначенных для проведения комплексных исследований грунта небесных тел, а также для доставки полезного груза в массивы Марса, Луны, астероидов, ледяных ядер комет, других планет и небесных тел Солнечной системы.

Известны зарубежные и отечественные устройства, предназначенные для исследования поверхности небесных тел, например, «Пенетратор для исследования поверхности небесных тел» (патент РФ №2111900, кл. B64G 1/00, опубл. 27.05.98), содержит разделяемые носовой, внедряемый в грунт, и хвостовой, остающийся на поверхности, элементы с размещенными в них отсеками экспериментальной и служебной аппаратуры, соединенными кабельной связью. Особенности внедряемого в грунт элемента этих устройств не позволяют достичь глубин проникновения в грунт, больших чем 2-3 м, что не позволяет получить достоверную информацию о характеристиках грунта на больших глубинах и затрудняет дальнейшее исследование Солнечной системы.

Известны зарубежные и отечественные, глубоко проникающие в грунт устройства, предназначенные, в основном, для поражения и разрушения различных объектов. К ним можно отнести малогабаритные кассетные боеприпасы для проникания до глубин 10 м, управляемые авиационные бомбы GBU-24 (США), BG-L-1000 (Франция), AGM-130A (США), с массой 100…1200 кг с прониканием в грунт до 15…20 м (Н.Л.Волконский. «Энциклопедия современного оружия и боевой техники», т.1, СПб.: Издательство Полигон, ACT, 1997 г. - стр.334, 336, 337.)

Авиабомба GBU-28 (США) («Проблемы создания корректируемых и управляемых авиационных бомб», под. ред. Е.С.Шахиджанова, М.: НИЦ «Инженер», 2003 г. - стр.127, 218. «Средства воздушного нападения зарубежных стран: программы развития высокоточного оружия», под ред. Б.Ф.Чельцова, С.В.Ягольникова, М.: 2 ЦНИИ МО РФ стр.271) массой более 2000 кг может достигать глубин до 30 м. Как правило, для этих конструкций характерна криволинейность и непредсказуемость траектории, особенно в малопрочных грунтовых массивах.

Известна конструкция монолитного проникающего снаряда, содержащего полый силовой корпус, выполненный с головной и цилиндрической хвостовой частями, в полости которого последовательно размещены балласт, средняя плотность которого превышает плотность материала силового корпуса, и полезный груз (патент США №6186072, кл. F42B 30/00, опубл. 13.02.01).

Многие из них содержат проникающий корпус с оживальной или конусной головной частью, которые внутри полости в качестве полезного груза имеют плотные или жидкостные наполнители, вес которых составляет не более 30 процентов от общего веса устройства. Корпус таких устройств изготовлен из конструкционных сталей, плотность которых не превышает 7,8 г/см³.

Для обеспечения достижения определенных глубин проникания в ряде устройств применяют металлические балласты, использование которых приводит к приросту глубины проникания на 10…20%.

В известных конструкциях проникающих устройств определяющую роль для достижения больших глубин проникания в различные грунтовые и прочные массивы играют динамические характеристики и состояние среды на границе контакта с устройством. Это обусловлено тем, что при высоких скоростях проникания определяющую роль играют нормальные и касательные напряжения на поверхности головной части и остальной контактируемой со средой в процессе проникания поверхности устройства при формировании силового воздействия на него при движении в преграде. На формирование сил сопротивления среды значительное влияние оказывает размер поперечного сечения и форма головной части устройства, которые определяют не только основную силу сопротивления прониканию, но и область и угол отрыва среды от поверхности головной части при формировании размера кавитационной полости.

Известно также устройство для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел, содержащее единый полый силовой корпус, выполненный с головной и цилиндрической хвостовой частями, при этом длина цилиндрической хвостовой части составляет 8-15 ее диаметров, в котором последовательно размещены балласт со средней плотностью, превышающей плотность силового корпуса, и полезный груз, выполненные в головной части отверстия, сообщающиеся своими каналами с полостью силового корпуса, в которой расположены упомянутые балласт и полезный груз, при этом балласт или часть балласта выполнены из материалов, способных под действием инерционных сил выдавливаться из полости через эти отверстия во внешнюю среду, центр масс установлен на расстоянии 0,4-0,5 длины силового корпуса, начиная с вершины головной части (патент RU №2349514, кл. B64G 1/10, опубл. 20.03.2009 г. Бюл. №8), принятое нами за прототип, как наиболее близкое по технической сущности.

Существенными недостатками этой конструкции являются:

- большие значения давления от сопротивления среды на значительной контактирующей поверхности, которые полностью реализуются возле зоны контактируемой головной части со средой в момент ее погружения и последующего движения, что в значительной степени повышает силу лобового сопротивления и действие больших осевых и боковых перегрузок на конструкцию устройства и его комплектующие элементы;

- присутствие повышенного трения в процессе проникания, что в свою очередь повышает сопротивляемость среды в зоне контакта с устройством и вносит значительную долю в уменьшение глубины проникания и прирост перегрузки;

- характер криволинейности и непредсказуемости траектории, как следствие малой предсказуемости поведения устройства в первый момент проникновения в грунт;

- отсутствие управляемой оптимизации скорости соударения устройства с небесным телом; на встречных и встречно-пересекающихся курсах скорость соударения может достигать значений от нескольких километров до нескольких десятков километров в секунду, что совершенно недопустимо по соображениям прочности конструкции устройства и его составных частей, а поперечная составляющая вектора скорости соударения на встречно-пересекающемся курсе может быть велика настолько, что без дополнительных мероприятий по ее нейтрализации невозможно осуществить оптимальное проникновение устройства в грунт небесного тела.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение глубины проникания, уменьшение зоны, контактирующей со средой, создание условий для инерционного расширения среды при формировании угла отрыва на поверхности головной части, обеспечение прямолинейности и предсказуемости траектории движения в среде, уменьшение коэффициента трения с контактирующей средой, оптимизация скорости и траектории устройства к моменту соударения с небесным телом, а также усиливается поражающий эффект при отражении прямого попадания ледяного ядра кометы в Землю за счет применения изомера гафния ^178m2Hf в качестве активного вещества полезного груза.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел, содержащем полый силовой корпус, выполненный с головной и цилиндрической хвостовой частями, при этом длина цилиндрической хвостовой части составляет 8-15 ее диаметров, в котором последовательно размещены балласт со средней плотностью, превышающей плотность силового корпуса, полезный груз, выполненные в головной части отверстия, сообщающиеся своими каналами с внутренней полостью силового корпуса, в которой расположены упомянутые балласт и полезный груз, при этом балласт или часть балласта выполнены из материалов, способных под действием инерционных сил выдавливаться из полости через эти отверстия во внешнюю среду в качестве смазки, центр масс установлен на расстоянии 0,4-0,5 длины силового корпуса, начиная с вершины головной части, в соответствии с изобретением головная часть, начиная с вершины, выполнена в виде чередующейся последовательности четырех усеченных конусов и трех цилиндров, причем четвертый цилиндр прилегает большим основанием к цилиндрической хвостовой части, при этом на цилиндрической хвостовой части, с отступом от основания четвертого конуса выполнены радиальные проточки, а следом за ними с отступом от края замыкающей радиальной проточки выполнены продольные проточки, причем во всех проточках установлены алюминиевые накладки с выступом над образующей цилиндрической хвостовой части 0,1-1,0 миллиметра, а каналы отверстий, сообщающие полость силового корпуса с поверхностью устройства, выполнены на втором и третьем цилиндрах и на хвостовой цилиндрической части между основанием четвертого конуса и первой радиальной проточкой радиально с углом наклона в сторону хвостовой части, равным 30-45 градусов, к нормали образующих конусов и имеющих начало в кольцевых пазах размещенных на поверхностях цилиндров и цилиндрической хвостовой части.

Также на хвостовой цилиндрической части число радиальных проточек составляет 1-5, а число продольных проточек составляет 3-8. Проточки и алюминиевые накладки имеют в сечении вид прямоугольника, опирающегося на окружность. Ширина продольных проточек сужается к хвостовой части. Углы раствора первого и второго усеченных конусов составляют 125-130 градусов, угол раствора третьего усеченного конуса составляет 25-30 градусов, а четвертый конус выполнен с конусностью 1:20. Отношение высот четвертого и третьего конусов к радиусам их основания составляет 2,6-2,65, высота третьего и второго цилиндров составляет 0,35-0,4 радиусов их основания, диаметр основания первого конуса составляет 0,5-0,65 диаметра основания второго конуса, а высота первого цилиндра составляет 0,9-1,3 диаметра основания первого конуса. Поверх первого и второго конусов установлен дополнительный конус из алюминия с диаметром основания равным диаметру второго цилиндра, углом при вершине равным 25-30 градусов.

Так же в качестве активного вещества полезного груза, как вариант, используется изомер гафния-178: ^178m2Hf.

Так же на устройстве для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел, как вариант, установлены сбрасываемые двигатели торможения, двигатели ориентации в пространстве и боковой тяги, лазерный дальномер и аппаратурный блок с баллистическим вычислителем.

На фиг.1 представлено устройство для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел, на фиг.2 - головная часть устройства для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел, на фиг.3 - отверстия, сообщающиеся с полостью силового корпуса, кольцевые пазы, радиальные и продольные проточки и алюминиевые накладки, на фиг.4 - дополнительный усеченный конус из алюминия, на фиг.5 - сбрасываемые двигатели торможения, двигатели ориентации в пространстве, лазерный дальномер и аппаратурный блок с баллистическим вычислителем, на фиг.6 - силовой корпус со смазкой и полезным грузом.

Устройство для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел содержит полый силовой корпус 1 (например, из высокопрочной стали), включающий в себя цилиндрическую хвостовую часть 2, при этом длина цилиндрической хвостовой части составляет 8-15 ее диаметров, и головную часть 3, выполненную в виде чередующейся последовательности четырех усеченных конусов 4, 5, 6, 7 и трех цилиндров 8, 9, 10, причем четвертый конус 7 прилегает большим основанием к цилиндрической хвостовой части 2, при этом на цилиндрической хвостовой части 2, с отступом от основания четвертого конуса 7 выполнены радиальные проточки 11, а следом за ними с отступом от края замыкающей радиальной проточки выполнены продольные проточки 12, причем во всех проточках установлены алюминиевые накладки 13, 14 с выступом над образующей цилиндрической хвостовой части 0,1-1,0 миллиметра, а отверстия 15, сообщающиеся своими каналами с внутренней полостью силового корпуса, выполнены на втором 9 и третьем 10 цилиндрах и на хвостовой цилиндрической части 2 между основанием четвертого конуса 7 и первой радиальной проточкой 11 радиально с углом наклона в сторону хвостовой части, равным 30-45 градусов, к нормали образующих конусов и имеющих начало в кольцевых пазах 16 размещенных на поверхностях цилиндров.

Кроме того, на хвостовой цилиндрической части 2 число радиальных проточек составляет 1-5, а число продольных проточек составляет 3-8, проточки 11, 12 и алюминиевые накладки 13, 14 имеют в сечении вид прямоугольника, опирающегося на окружность, ширина продольных проточек 12 сужается к хвостовой части.

Углы раствора первого 4 и второго 5 усеченных конусов составляют 125-130 градусов, угол раствора третьего усеченного конуса 6 составляет 25-30 градусов, а четвертый конус 7 выполнен с конусностью 1:20. Помимо этого отношение высот четвертого 7 и третьего 6 конусов к радиусам их основания составляет 2,6-2,65, высота третьего 10 и второго 9 цилиндров составляет 0,35-0,4 их радиусов, диаметр основания первого конуса 4 составляет 0,5-0,65 диаметра основания второго конуса 5, а высота первого цилиндра 8 составляет 0,9-1,3 диаметра основания первого конуса 4.

Поверх первого 4 и второго 5 конусов установлен дополнительный конус из алюминия 17 с диаметром основания равным диаметру второго цилиндра, углом при вершине равным 25-30 градусов.

В качестве активного вещества полезного груза, как вариант, используется изомер гафния-178: ^178m2Hf.

На устройстве для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел 1, как вариант, установлены сбрасываемые двигатели торможения 18, двигатели ориентации в пространстве и боковой тяги 19, лазерный дальномер и аппаратурный блок с баллистическим вычислителем 20.

Во внутренней полости 21 силового корпуса 1 размещается смазка-балласт 22 со средней плотностью, превышающей плотность силового корпуса, и полезный груз 23.

Устройство для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел используется следующим образом. При заданных условиях полета устройство отделяют от носителя. Аппаратурный блок с лазерным дальномером 20 посредством двигателей торможения 18 и двигателей ориентации в пространстве и боковой тяги 19 обеспечивает заданные продольную скорость, боковую скорость и угол соприкосновения с небесным телом в зависимости от пород его слагающих, их структуры и рельефа местности. После чего перед столкновением аппаратурный блок и двигатели отсоединяются от устройства для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел и продолжают выполнять собственное торможение. Силовой корпус 1 осуществляет контакт с грунтом небесного тела. Первым контактирует дополнительный конус из алюминия 17, в результате чего он плющится, прилипает к твердым породам грунта и обеспечивает противоотскок в начальный момент проникновения силового корпуса 1 в грунт. Далее последовательно в грунт проникают конуса 4, 5, 6, 7 головной части 3, обеспечивая наименьший опрокидывающий момент. При проникании происходит последовательный ступенчатый отрыв грунта от боковых поверхностей конусов и формирование единой кавитационной полости. Геометрические характеристики конусов 4, 5, 6, 7 и цилиндров 8, 9, 10 подобраны оптимальным образом для решения задачи проникновения в грунт небесного тела. Устройство продолжает движение в инерционно расширяющемся массиве грунта по предсказуемой прямолинейной траектории. Через отверстия 15, сообщающиеся своими каналами с внутренней полостью 21 силового корпуса 1 и выполненные на втором 9 и третьем 10 цилиндрах и на хвостовой цилиндрической части 2 между основанием четвертого конуса 7 и первой радиальной проточкой 11, из внутренней полости 21 силового корпуса 1 под действием инерционных сил выдавливается смазка 22. Алюминиевые накладки 13, 14, установленные в проточках 11, 12, выполняют в первый момент роль дополнительной смазки, после чего, в процессе проникновения в глубь небесного тела радиальные проточки 11 и соответствующие им грани разрабатывают и калибруют пробиваемое отверстие, предотвращая заклинивание силового корпуса 1 в массиве грунта, а следующие за ними продольные проточки 12 обеспечивают снижение трения на центрирующей цилиндрической хвостовой части 2 и оптимизируют ее осевое вращение.

Благодаря такому выполнению устройства для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел достигается упомянутый технический результат, а именно увеличение глубины проникания, уменьшение зоны, контактирующей со средой, создание условий для инерционного расширения среды при формировании угла отрыва на поверхности головной части, обеспечение прямолинейности и предсказуемости траектории движения в среде, уменьшение коэффициента трения с контактирующей средой, оптимизация скорости и траектории устройства к моменту соударения с небесным телом, а также усиливается поражающий эффект при отражении прямого попадания ледяного ядра кометы в Землю за счет применения изомера гафния ^178m2Hf в качестве активного вещества полезного груза.

В случае использования в качестве активного вещества полезного груза 23 изомера гафния-178: ^178m2Hf при работе по ледяным ядрам комет, после окончания движения устройства для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел, инициируется одновременное высвобождение лучистой энергии из ^178m2Hf и, как следствие, дробление ядра кометы на мелкие фрагменты.

Изобретение может быть практически реализовано несколько по-другому, чем конкретно описано, без отступления от сущности изобретения и в объеме заявленной формулы.

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при разработке космических аппаратов, предназначенных для проведения комплексных исследований грунта небесных тел, а также для доставки полезного груза в их массивы. Устройство для доставки полезного груза содержит полый силовой корпус, выполненный с головной и цилиндрической хвостовой частями. В силовом корпусе последовательно размещены балласт со средней плотностью, превышающей плотность силового корпуса, полезный груз, выполненные в головной части отверстия, сообщающиеся своими каналами с внутренней полостью силового корпуса, в которой расположены упомянутые балласт и полезный груз. Балласт или часть балласта выполнены из материалов, способных под действием инерционных сил выдавливаться из полости через эти отверстия во внешнюю среду в качестве смазки. Головная часть, начиная с вершины, выполнена в виде чередующейся последовательности четырех усеченных конусов и трех цилиндров. Четвертый цилиндр прилегает большим основанием к цилиндрической хвостовой части. На цилиндрической хвостовой части, с отступом от основания четвертого конуса выполнены радиальные проточки, а следом за ними с отступом от края замыкающей радиальной проточки выполнены продольные проточки. Во всех проточках установлены алюминиевые накладки с выступом над образующей цилиндрической хвостовой части. Отверстия, сообщающиеся своими каналами с внутренней полостью силового корпуса, выполнены на втором и третьем цилиндрах и на хвостовой цилиндрической части между основанием четвертого конуса и первой радиальной проточкой радиально с углом наклона в сторону хвостовой части, равным 30-45 градусов, к нормали образующих конусов и имеющих начало в кольцевых пазах размещенных на поверхностях цилиндров. Достигается увеличение глубины проникания космического аппарата в грунт небесных тел. 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел, содержащее полый силовой корпус, выполненный с головной и цилиндрической хвостовой частями, при этом длина цилиндрической хвостовой части составляет 8-15 ее диаметров, в котором последовательно размещены балласт со средней плотностью, превышающей плотность силового корпуса, полезный груз, выполненные в головной части отверстия, сообщающиеся своими каналами с внутренней полостью силового корпуса, в которой расположены упомянутые балласт и полезный груз, при этом балласт или часть балласта выполнены из материалов, способных под действием инерционных сил выдавливаться из полости через эти отверстия во внешнюю среду в качестве смазки, центр масс установлен на расстоянии 0,4-0,5 длины силового корпуса, начиная с вершины головной части, отличающееся тем, что головная часть, начиная с вершины, выполнена в виде чередующейся последовательности четырех усеченных конусов и трех цилиндров, причем четвертый цилиндр прилегает большим основанием к цилиндрической хвостовой части, при этом на цилиндрической хвостовой части с отступом от основания четвертого конуса выполнены радиальные проточки, а следом за ними с отступом от края замыкающей радиальной проточки выполнены продольные проточки, причем во всех проточках установлены алюминиевые накладки с выступом над образующей цилиндрической хвостовой части 0,1-1,0 мм, а отверстия, сообщающиеся своими каналами с внутренней полостью силового корпуса, выполнены на втором и третьем цилиндрах и на хвостовой цилиндрической части между основанием четвертого конуса и первой радиальной проточкой радиально с углом наклона в сторону хвостовой части, равным 30-45°, к нормали образующих конусов и имеющих начало в кольцевых пазах размещенных на поверхностях цилиндров.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на хвостовой цилиндрической части число радиальных проточек составляет 1-5, а число продольных проточек составляет 3-8.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что проточки и алюминиевые накладки имеют в сечении вид прямоугольника, опирающегося на окружность.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ширина продольных проточек сужается к хвостовой части.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что углы раствора первого и второго усеченных конусов составляют 125-130°, угол раствора третьего усеченного конуса составляет 25-30°, а четвертый конус выполнен с конусностью 1:20.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отношение высот четвертого и третьего конусов к их радиусам основания составляет 2,6-2,65, высота третьего и второго цилиндров составляет 0,35-0,4 радиусов их основания, диаметр основания первого конуса составляет 0,5-0,65 диаметра основания второго конуса, а высота первого цилиндра составляет 0,9-1,3 диаметра основания первого конуса.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поверх первого и второго конусов установлен дополнительный конус из алюминия с диаметром основания равным диаметру второго цилиндра, углом при вершине равным 25-30°.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве активного вещества полезного груза используется изомер гафния-178: ^178m2Hf.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на устройстве для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел установлены сбрасываемые двигатели торможения, двигатели ориентации в пространстве и боковой тяги, лазерный дальномер и аппаратурный блок с баллистическим вычислителем.