ПОСАДОЧНОЕ УСТРОЙСТВО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2015 года по МПК B64G1/62 

Описание патента на изобретение RU2546042C2

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к посадочным устройствам (ПУ) космических аппаратов (КА).

Известны ПУ всенаправленного действия, например, пневматические ("Луна 9, 13"), бальзовые ("Рейнджер 4, 6, 9") и другие (см. "Проектирование спускаемых автоматических КА" под ред. В.М. Ковтуненко, М., Машиностроение, 1985, стр.157). Эти ПУ способны воспринимать удар о поверхность любой частью корпуса КА и работоспособны при высоких посадочных скоростях. Указанные ПУ применялись для обеспечения посадки КА небольшой массы при их неориентированном подходе к поверхности. Малая масса КА и уровень разработки систем управления (СУ) не позволяли обеспечить его ориентированный подход к поверхности. Недостатком их являются высокие перегрузки, достигающие 200-300 ед., и значительная масса ПУ по отношению к массе КА.

С ростом размеров и массы КА и совершенствования СУ появилась возможность ориентированного подхода к поверхности. Вследствие этого, получили распространение ПУ направленного действия, массовые характеристики которых значительно лучше, чем у ПУ всенаправленного действия. Так, известно ПУ торового типа ("Венера 9, 14", стр.158), в котором усилия амортизации реализуются при деформации металлического торового опорного элемента. Недостатками такого ПУ являются:

- значительные перегрузки (до сотен единиц), приходящие на элементы конструкции КА;

- возможное опрокидывание КА при посадке, что наиболее вероятно при наличии у него значительной по величине горизонтальной составляющей посадочной скорости.

Наиболее близким к предложенному является ПУ стержневого типа ("Луна 16" и др. стр.158, 162). Оно состоит из четырех складываемых опор, каждая из которых имеет V-образный подкос, амортизатор и опорную тарель. Верхние концы амортизаторов и подкосов шарнирно закреплены на корпусе КА, нижние концы амортизаторов и тарели шарнирно соединены со свободными концами подкосов. Амортизатор выполнен в виде двухзвенной телескопической стойки, а V-образный подкос служит элементом, ограничивающим ее угловое движение. Для повышения устойчивости КА в процессе посадки при ориентированном подходе его к посадочной поверхности необходимо, чтобы углы между амортизирующими стойками и плоскостью, ограниченной узлами их крепления к корпусу КА, были больше 90°. Амортизирующие стойки и подкосы ПУ крепятся в районе силовых шпангоутов или иных силовых элементов корпуса КА, причем усилия сжатия в узлах крепления стоек ограничены усилиями "пропускания" входящих в их состав амортизаторов в течение всего процесса посадки. Подкосы выполнены без амортизаторов, поэтому в узлах крепления к корпусу КА и, прежде всего, на начальном участке контакта тарели с посадочной поверхностью возникают ударные нагрузки, величины которых могут значительно превышать усилия "пропускания" амортизаторов. При этом стержневые элементы подкосов работают на устойчивость и их необходимо усиливать для восприятия указанных нагрузок. На эти же нагрузки приходится рассчитывать и конструкцию КА. Основные недостатки ПУ такого типа:

- значительные ударные нагрузки в подкосах и узлах их крепления к корпусу КА, что приводит к увеличению веса ПУ и усложнению его конструкции, например, к необходимости введения специальных демпфирующих элементов в узлах крепления подкосов;

- для размещения опор ПУ в сложенном состоянии требуется значительный объем, что ухудшает компоновочные характеристики КА в целом;

- необходимость проектирования КА на восприятие нагрузок, значительно превышающих эксплуатационные, т.е. тех, которые действуют на него на всех участках полета, что приводит к увеличению массы КА;

- необходимость защиты от ударных нагрузок элементов пневмогидросхемы, приборов и т.п., установленных на КА.

Задачей изобретения является улучшение весовых и компоновочных характеристик ПУ, а также исключение ударных нагрузок в узлах крепления элементов, ограничивающих угловое движение амортизирующей стойки или уменьшение их до величин, не превышающих эксплуатационные значения.

Задача решается за счет того, что в состав ПУ КА, каждая из опор которого включает стойку, состоящую из стакана с внутренним амортизирующим элементом, соединенного одним концом с КА посредством цилиндрического шарнира, а другим - телескопически с подвижным штоком, нижний конец которого с помощью сферического шарнира соединен с опорной тарелью, элементы, ограничивающие угловое перемещение опоры и взведение ее в исходное рабочее положение, введены в качестве одного из элементов, ограничивающих угловое перемещение опоры, два троса из сверхвысокомодульного материала, закрепленные без слабины в исходном рабочем положении опоры одними концами на КА, а другими - на подвижном штоке симметрично относительно плоскости поворота опоры, при этом значение угла β между продольной осью стойки в исходном рабочем положении опоры и прямой, проходящей через центр сферического шарнира тарели параллельно продольной оси КА, удовлетворяет условию β>δтр+δпп, где δтр - угол трения, δпп - угол подхода КА к посадочной поверхности, при этом другой элемент, ограничивающий угловое перемещение опоры, выполнен в виде механизма, допускающего лишь односторонний ее поворот в направлении увеличения угла β.

Схема предлагаемого ПУ КА представлена на фиг.1. В состав каждой из опор входит амортизирующая стойка, состоящая из подвижного штока 3 и стакана 2, внутри которого помещен амортизирующий элемент (на фиг.1 не показан). Верхним концом стакан 2 с помощью цилиндрического шарнира 6 крепится к КА 1. Стакан 2 телескопически соединен с подвижным штоком 3, который своим нижним концом с помощью сферического шарнира 9 крепится к опорной тарели 4. Поворот опоры происходит в плоскости П. Она проведена через продольную ось стойки 7 перпендикулярно оси цилиндрического шарнира 6. Одними из элементов, ограничивающих угловое перемещение опоры, являются тросы 5, изготовленные из сверхвысокомодульного материала, например кевлара, которые верхними (т.т. C и D) и нижними (т.т. C1 и D1) концами крепятся симметрично относительно плоскости П, соответственно на КА 1 и подвижном штоке 3. Другой элемент, ограничивающий угловое перемещение опоры, может быть выполнен, например, в виде храпового механизма, установленного на оси цилиндрического шарнира 6, допускающего односторонний поворот опоры лишь в направлении увеличения угла β между продольной осью стойки и прямой, проходящей через центр сферического шарнира 9 параллельно продольной оси КА 1 (см. фиг.1). Начальное значение угла β в исходном рабочем положении опоры должно удовлетворять условию β>δтр+δпп, где δтр - угол трения, δпп - угол подхода КА 1 к посадочной поверхности. Угол трения δтр определяется из соотношения δтр=Arctg(Fтр/FN), где Fтр - сила трения тарели 4 о посадочную поверхность 8, FN - нормальная реакция. В данном случае Fтр - максимальная горизонтальная сила сопротивления движению тарели 4 вдоль посадочной поверхности 8. Ее величина зависит от физических характеристик грунта (его состав, погодные условия и т.п.), формы тарели 4, начальных кинематических параметров движения КА 1 и т.д. Начальное значение угла β определяется также углом δпп (см. фиг.1) подхода КА 1 к посадочной поверхности 8 (δпп - угол между нормалью к поверхности 8 и продольной осью КА 1). Выполнение этого начального условия приведет к тому, что суммарная реакция поверхности 8, действующая на опору, будет создавать момент относительно цилиндрического шарнира 6, направленный на увеличение угла β.

Функционирование предлагаемого ПУ, как энергопоглощающего устройства, начинается с момента контакта любой из его тарелей 4 с посадочной поверхностью 8. Реакция взаимодействия опорной тарели 4 с посадочной поверхностью 8 создает момент относительно оси цилиндрического шарнира 6 в направлении увеличения угла β (см. фиг.1). Этот поворот может быть осуществлен только при линейном перемещении штока 3 относительно стакана 2 в процессе сжатия его внутреннего энергопоглощающего элемента. При этом перемещении штока 3 точки C1 и D1 лежат на сферических поверхностях с радиусами, равными длине тросов 5, и с центрами соответственно в точках C и D. Поскольку тросы 5 закреплены симметрично относительно плоскости П, линия пересечения этих поверхностей будет лежать в этой плоскости. Это обеспечивает поворот стойки при усилиях натяжения тросов 5, достаточных для деформирования амортизирующего элемента, т.е. перемещения штока 3 относительно стакана 2 с поглощением энергии движения КА. Элемент, ограничивающий угловое перемещение стойки, который может быть выполнен в виде храпового механизма, установленного на оси цилиндрического шарнира 6, препятствует повороту стойки в сторону уменьшения угла β под действием инерционных сил до начала взаимодействия опоры с посадочной поверхностью 8 и при потере контакта с ней. Совместное функционирование всех опор ПУ обеспечивает полное гашение кинетической энергии КА и его устойчивость в процессе посадки.

Итак, предлагаемое ПУ обладает следующими преимуществами в сравнении с аналогичным устройством, выбранным за прототип:

- исключены ударные сжимающие нагрузки в узлах крепления опор ПУ к корпусу КА, что приведет к снижению его массы;

- за счет исключения из состава ПУ жестких подкосов улучшены компоновочные характеристики ПУ в сложенном состоянии;

- исключение из состава ПУ жестких подкосов позволит приблизительно на 30% уменьшить его массу, что, как следствие, приведет к снижению энергетических характеристик механизма взведения ПУ в рабочее положение и, следовательно, к снижению и его массы;

- существенно (от 1,5 до 2 раз) снижается стоимость изготовления ПУ.

Литература

Проектирование спускаемых автоматических космических аппаратов под ред. В.М. Ковтуненко, М., Машиностроение, 1985.

Похожие патенты RU2546042C2

название год авторы номер документа
ПОСАДОЧНОЕ УСТРОЙСТВО КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ 2012
  • Белицкий Дмитрий Степанович
  • Жарков Михаил Николаевич
  • Щиблев Юрий Николаевич
  • Четкин Сергей Васильевич
  • Лубнин Александр Владимирович
RU2521451C2
Космический аппарат для доставки полезного груза на космическое тело с малым гравитационным полем 2020
  • Ваулин Сергей Дмитриевич
  • Пешков Руслан Александрович
  • Богданов Валерий Валерьевич
  • Лоскутова Елизавета Владимировна
  • Петров Александр Владимирович
  • Ваганов Иван Витальевич
  • Барышников Константин Николаевич
  • Белов Никита Максимович
  • Жуков Михаил Вячеславович
RU2758656C1
ПОСАДОЧНОЕ УСТРОЙСТВО С КРАШ-ОПОРАМИ ДЛЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА 2014
  • Щеглов Георгий Александрович
  • Луковкин Роман Олегович
RU2580601C1
ПОСАДОЧНОЕ УСТРОЙСТВО КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ 2015
  • Белицкий Дмитрий Степанович
  • Жарков Михаил Николаевич
  • Лубнин Александр Владимирович
  • Щиблев Юрий Николаевич
  • Владимиров Сергей Васильевич
  • Белоногов Дмитрий Олегович
RU2621416C2
ПОСАДОЧНОЕ УСТРОЙСТВО КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ 2017
  • Белицкий Дмитрий Степанович
  • Жарков Михаил Николаевич
  • Башкатов Александр Александрович
  • Щиблев Юрий Николаевич
  • Владимиров Сергей Васильевич
  • Белоногов Дмитрий Олегович
  • Мадин Виктор Владимирович
RU2665154C1
ПОСАДОЧНОЕ УСТРОЙСТВО КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ 2017
  • Белицкий Дмитрий Степанович
  • Жарков Михаил Николаевич
  • Зорин Юрий Алексеевич
  • Щиблев Юрий Николаевич
  • Владимиров Сергей Васильевич
  • Белоногов Дмитрий Олегович
  • Мадин Виктор Владимирович
RU2675042C1
МОДУЛЬНАЯ МНОГОМЕСТНАЯ КОРАБЕЛЬНАЯ ПУСКОВАЯ УСТАНОВКА ВЕРТИКАЛЬНОГО ПУСКА 2014
  • Потапов Владимир Фёдорович
  • Бородин Василий Максимович
  • Гузев Валерий Петрович
  • Супрун Елена Владимировна
RU2572424C1
МОДУЛЬНАЯ МНОГОМЕСТНАЯ КОРАБЕЛЬНАЯ ПУСКОВАЯ УСТАНОВКА ВЕРТИКАЛЬНОГО ПУСКА 2008
  • Белюстин Лев Владимирович
  • Бобров Александр Викторович
  • Максичев Александр Борисович
  • Мельников Валерий Юрьевич
  • Николаев Владимир Викторович
  • Смирнов Олег Николаевич
  • Хомяков Михаил Алексеевич
  • Сиддалингаппа Гурупрасад
  • Шритхар Арвинд Катти
  • Аласани Прасад Гоод
  • Санджей Кумар
  • Кришнамурти Пурушутам
RU2393409C1
СИСТЕМА РАСКРЫТИЯ ПОСАДОЧНЫХ ОПОР КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ 2019
  • Белицкий Дмитрий Степанович
  • Жарков Михаил Николаевич
RU2725004C1
Система амортизации нагрузок на космический аппарат при посадке на безатмосферные объекты 2019
  • Цыганков Олег Семёнович
RU2725103C1

Реферат патента 2015 года ПОСАДОЧНОЕ УСТРОЙСТВО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано в посадочных устройствах (ПУ) космических аппаратов (КА). ПУ КА содержит стойку, состоящую из стакана с внутренним амортизирующим элементом, соединенного с цилиндрическим шарниром и телескопически с подвижным штоком, сферический шарнир, опорную тарель, закрепленные без слабины два троса из сверхвысокомодульного материала, ограничивающие угловое перемещение опоры и взведение ее в исходное положение, механизм, допускающий односторонний поворот опоры. Угол между продольной осью стойки в исходном рабочем положении опоры и прямой, проходящей через центр сферического шарнира тарели параллельно продольной оси КА, зависит от угла трения и угла подхода КА к посадочной поверхности. Изобретение позволяет уменьшить ударные нагрузки элементов КА. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 546 042 C2

Посадочное устройство космического аппарата, каждая из опор которого включает стойку, состоящую из стакана с внутренним амортизирующим элементом, соединенного одним концом с космическим аппаратом посредством цилиндрического шарнира, а другим - телескопически с подвижным штоком, нижний конец которого с помощью сферического шарнира соединен с опорной тарелью, элементы, ограничивающие угловое перемещение опоры и взведение ее в исходное положение, отличающееся тем, что в качестве одного из элементов, ограничивающих угловое перемещение опоры, используются два троса из сверхвысокомодульного материала, закрепленные без слабины в исходном рабочем положении опоры одними концами на космическом аппарате, а другими - на подвижном штоке симметрично относительно плоскости поворота опоры, при этом значение угла β между продольной осью стойки в исходном рабочем положении опоры и прямой, проходящей через центр сферического шарнира тарели параллельно продольной оси космического аппарата, удовлетворяет условию β>δтрпп, где δтр - угол трения, δпп - угол подхода космического аппарата к посадочной поверхности, при этом другой элемент, ограничивающий угловое перемещение опоры, выполнен в виде механизма, допускающего лишь односторонний ее поворот в направлении увеличения угла β.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2015 года RU2546042C2

RU 2053936 C1, 10.02.1996:
ВЗЛЕТНО-ПОСАДОЧНЫЙ КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ 1998
  • Иванов Н.Ф.
RU2131383C1
Способ сужения чугунных изделий 1922
  • Парфенов Н.Н.
SU38A1
US 20080179453 A1, 31.07.2008

RU 2 546 042 C2

Авторы

Кокушкин Вячеслав Вячеславович

Щиблев Юрий Николаевич

Ососов Николай Сергеевич

Петров Николай Константинович

Борзых Сергей Васильевич

Воронин Виталий Викторович

Даты

2015-04-10Публикация

2013-08-20Подача