МЕЖПЛАНЕТНЫЙ КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ Российский патент 2017 года по МПК B64G1/10 

Изобретение относится к космонавтике, в частности к пилотируемым космическим кораблям, предназначенным для межпланетных полетов, создания орбитальных станций и спутников различного назначения.

Из существующего уровня техники известны космические аппараты (КА) различной модификации (патенты RU №№41223, 44261, 45186, 45723, 65630, 76020, 90626). Конструкторская особенность этих КА заключается в наличии общих существенных признаков с заявляемым изобретением, таких как: основного модуля, панелей солнечной батареи (БС), радиаторов системы терморегулирования (СТР), двигательных установок.

Известен «Космический аппарат блочно-модульного исполнения» (патент RU №2092398), у которого ориентация относительно Солнца носит регулярный характер. Конструктивно-компоновочная схема КА, содержащая и объединяющая основные узлы и элементы целевой аппаратуры (полезной нагрузки) и служебных систем строится по блочно-модульному принципу конструктивно обособленных по функциональному назначению блоков.

Также известен «Многофункциональный обслуживаемый космический аппарат и способ проведения многоцелевых научно-прикладных исследований с помощью этого космического аппарата» (патент RU №2181094), предназначенный для комплексных исследований по микрогравитации, технологиям сверхглубокого вакуума, для автономной оперативной доставки на Землю результатов исследований и др.

Известен «Космический аппарат с регулярной ориентацией относительно Солнца» (патент RU №2264954), построенный по блочно-модульному принципу, технический результат которого состоит в повышении хладопроизводительности СТР КА и уменьшения вследствие этого ее массы.

Вышеуказанные КА используются в качестве искусственных спутников Земли для осуществления, по большей мере, телекоммуникационных услуг и не могут осуществлять межпланетные полеты.

Анализ проведенного патентно-информационного поиска показал наличие запатентованных КА различной модификации и предназначения, но отсутствие близкого по назначению аналога с предложенной совокупностью признаков в данном изобретении.

На космический корабль (КК) в длительном полете воздействуют неблагоприятные факторы внешней среды, что может привести к отказам и даже гибели корабля. Первой и основной проблемой при межпланетных полетах является защита экипажа от космической радиации. Среди факторов космической радиации максимальную опасность представляет собой излучение, вызванное вспышками на Солнце. Волны жесткого излучения могут полностью вывести из строя приборы и системы жизнеобеспечения КК. Потоки протонов, вызванные вспышками на Солнце, повышают уровень радиации, вследствие чего люди, находящиеся на борту КК без особых средств защиты, будут подвержены облучению. Данная проблема отсутствует вблизи Земли из-за наличия магнитного поля, являющегося защитой от космической радиации. Второй проблемой является автономность КК при полете. Это означает, что корабль должен иметь собственную биосферу, с системами регенерации, обеспечивающую воздух для дыхания, воду и питание для экипажа. Третьей проблемой является надежность. Межпланетный КК должен иметь огромную надежность, чтобы люди на нем могли выжить даже в случае отказа каких-либо систем и дождаться помощи, которая не сможет быть быстрой. На надежность аппарата оказывает влияние его конструкция. Чем больше в ней вращающихся сочленений, герметичных переходов из одного термоконтейнера в другой, тем менее надежным будет весь аппарат. Следовательно, нужно минимизировать количество различных переходников, подвижных трубопроводов, вращающихся токосъемников и прочих потенциально ненадежных деталей. Предпочтительны неподвижные конструкции, смонтированные прямо при сборке корабля на орбите. Кроме того, значительные уровни радиации в длительном полете вне магнитного поля Земли требуют предоставления надежной защиты в виде противорадиационного экрана, выполненного из свинца толщиной около двух метров. Данный принцип защиты всех систем КК не представляется возможным.

Таким образом, КК, предназначенный для длительного полета, должен максимально удовлетворять противоречивым требованиям:

1) во время полета панели БС всегда должны быть направлены на Солнце;

2) радиаторы СТР должны быть ориентированы ребром к Солнцу;

3) противорадиационный экран должен быть как можно меньше, но при этом максимально защищать оборудование и людей от радиационного излучения;

4) ходовые двигатели и антенны связи должны иметь возможность ориентации без влияния на ориентацию панелей БС и радиаторов СТР;

5) вектор тяги ходовых двигателей должен быть направлен через центр масс аппарата;

6) конструкция должна быть максимально простой, с минимумом вращающихся соединений и не критичной к единичным отказам;

7) использовать световую энергию Солнца для освещения КК.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение арсенала КА.

Данная задача решается за счет того, что заявляемый межпланетный космический корабль состоит из основного и вспомогательного модулей, причем вспомогательный модуль закреплен на корпусе основного модуля с возможностью вращения вокруг центра масс основного модуля. Основной модуль выполнен с размещением внутри жилых и служебных помещений, систем жизнеобеспечения, снаружи на его корпусе размещены панели солнечных батарей, радиаторы СТР, противорадиационный экран. Вспомогательный модуль состоит из поворотной рамы и закрепленной на ее торце двигательной установки, содержащей ходовые двигатели и топливный бак.

Предложенная конструкция позволяет устранить большинство указанных выше противоречий. Техническими результатами, обеспечиваемыми приведенной совокупностью признаков, являются:

- возможность осуществления межпланетных полетов с обеспечением безопасных условий для здоровья человека посредством создания принципиально-новой конструкции КК;

- возможность движения в космическом пространстве с фиксированной ориентацией на Солнце, посредством вращения на 360° вспомогательного модуля с размещенной на торце поворотной рамы двигательной установкой;

- эффективность работы ходовых двигателей, вектор тяги которых, вне зависимости от направления движения, всегда направлен через центр масс КК;

- повышенная надежность конструкции за счет минимального применения потенциально ненадежных узлов и агрегатов, имеющих вращающиеся элементы конструкции;

- достижение максимальных показателей эффективности работы БС и радиаторов СТР за счет их расположения и ориентации;

- возможность осуществления автономного полета с восполняемой провизией и воздухом для экипажа за счет использования биосферы и систем регенерации.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:

на фиг. 1 - общий вид (рабочее состояние КК в изометрической проекции при разгоне от Солнца);

на фиг. 2 - вид сверху;

на фиг. 3 - вид справа (с развернутой под 45 градусов поворотной платформой);

на фиг. 4 - вид справа;

на фиг. 5 - вид спереди.

Межпланетный космический корабль, состоит из основного и вспомогательного модулей, причем вспомогательный модуль закреплен на корпусе основного модуля 1 с возможностью вращения вокруг центра масс основного модуля 1.

Основной модуль 1 выполнен с размещением внутри жилых и служебных помещений, систем жизнеобеспечения, снаружи на его корпусе размещены панели 4 БС, радиаторы 5 СТР, солнечные отражатели 9, противорадиационный экран 7, иллюминаторы 15, ядерный генератор 12. Основной модуль 1 также несет на себе все системы, требующие ориентации относительно Солнца.

Вспомогательный модуль состоит из поворотной рамы 2 и закрепленной на ее торце двигательной установки, содержащей ходовые двигатели 10, размещенные на платформе, и топливный бак 11. Такое расположение не требует переходов трубопроводов через поворотный узел. На поворотной раме 2 крепятся все системы, требующие независимой ориентации. Конструкция вспомогательного модуля сделана таким образом, чтобы при вращении поворотной рамы 2 ни одна из ее частей не касалась элементов, расположенных на основном модуле 1. Таким образом, поддерживая постоянное направление оси основного модуля 1 на Солнце, вращая основной модуль 1 вокруг этой оси и вращая поворотную раму 2 относительно основного модуля 1, можно направить системы, расположенные на вспомогательном модуле, в любую точку пространства, не теряя при этом ориентации панелей 4 БС, защиты противорадиационного экрана и обеспечивая режим работы радиаторов 5 СТР.

В центре масс основного модуля 1 расположен поворотный узел, который обеспечивает вращение поворотной рамы 2 вокруг основного модуля 1. Поворотный узел состоит из неподвижного основания 3 и двух подшипников 6. Неподвижное основание 3 установлено перпендикулярно основному модулю 1 и проходит через корпус основного модуля 1, имеет цилиндрическую форму, на торцах которого расположены две крестовины 14 из стержней, служащие несущим элементом конструкции для крепления панелей 4 БС и радиаторов 5 СТР. Вокруг неподвижного основания 3 вращаются подшипники 6, к которым крепится поворотная рама 2. Для увеличения надежности подшипники 6 могут быть продублированы.

Радиаторы 5 СТР выполнены в виде двух панелей, имеющих форму многоугольника, и расположены на крестовине 14 перпендикулярно плоскости панелей БС 4, непосредственно под их рабочей поверхностью.

КК имеет два симметрично расположенных крыла БС, которые крепятся с двух противоположных сторон основного модуля 1 посредством крестовин 14 к неподвижному основанию 3. Каждое крыло БС имеет вид плоской прямоугольной конструкции, которая состоит из восьми квадратных панелей 4 БС, скрепленных между собой, состоящих из каркаса и фотопреобразователей. Для обеспечения максимальной эффективности работы крылья БС должны быть постоянно ориентированы на Солнце.

Дополнительные радиаторы 8 СТР выполнены в виде панелей, имеющих форму многоугольника, и располагаются на корпусе основного модуля 1 с таким расчетом, чтобы не мешать вращению поворотной рамы 2 вокруг центра масс.

Торец, ориентированный на Солнце, основного модуля 1 прикрыт противорадиационным экраном 7, выполненным в виде уплощенного цилиндра, который защищает экипаж и приборы от солнечного излучения, а также излучения ядерного генератора 12, имеющего форму уплощенного цилиндра, расположенного также на торце.

Для пилотируемых полетов, возможно, понадобится дополнительное освещение космических оранжерей, которое можно осуществить при помощи зеркал. Отражающие зеркала 9 выполнены в виде двух панелей прямоугольной формы и расположены на корпусе основного модуля 1 под углом 45 градусов относительно главной оси КК, не мешая вращению поворотной рамы 2. Предназначены для отражения солнечного света на иллюминаторы 15 КК, но при этом пропускают жесткое излучение, не давая ему отразиться в направлении КК. Основной поток излучения от Солнца будет проходить сквозь зеркала, не оказывая влияние на растения, а видимый спектр будет отражаться в иллюминаторы 15 основного модуля 1.

Для дополнительной жесткости конструкции используется система крепежных растяжек 13, выполненных из тонких тросов.

Основные требования и ограничения, предъявляемые при проектировании межпланетного КК

Все основные магистрали аппарата, кабели электропитания, трубопроводы СТР и подачи рабочего тела не должны иметь вращающихся сочленений, что существенно повысит надежность и живучесть. Единственное неудобство возникает при передаче энергии и сигналов управления от основного модуля на поворотную раму, однако данную проблему можно решить, например, при помощи токосъемника или даже бесконтактной, трансформаторной связи.

Панели БС, при монтаже КК на орбите, жестко крепятся к неподвижному основанию поворотного узла. Это позволяет, не используя вращающиеся токосъемники, напрямую соединить солнечные батареи с основным модулем, пропустив провода через неподвижное основание поворотного узла. Так как основной модуль всегда ориентирован торцом на Солнце, то солнечные батареи тоже всегда направлены на Солнце и никогда не затеняются элементами конструкции.

Радиаторы СТР крепятся к основному модулю, должны всегда быть расположены в тени солнечных батарей и повернуты от Солнца, что увеличивает их эффективность, при этом движущиеся элементы конструкции отсутствуют.

Если КК используется в виде орбитальной станции или спутника целевого назначения, то на поворотной раме можно расположить приборы наблюдения, антенны связи и целевую аппаратуру. В этом случае, сохраняя жизненно важную ориентацию на Солнце можно направлять эти приборы в любую точку пространства.

Для увеличения надежности КК в целом можно использовать дополнительный ядерный генератор, который лучше всего расположить за противорадиационным экраном для защиты экипажа от излучения и использовать его как дополнительный элемент радиационной защиты.

При использовании ядерного генератора как основного источника питания солнечные батареи можно существенно уменьшить в размере и использовать как вспомогательный источник.

Основные принципы проектирования межпланетного КК:

- Двигатели. Для межпланетных полетов лучше всего подходят электрореактивные ходовые двигатели. Под этим термином понимают двигатели, в которых рабочее тело разгоняется электрическим полем. Во-первых, это самые «экономичные» двигатели на данный момент. Рабочее тело в них отбрасывается со скоростями, в разы превышающими параметры химических двигателей. Во-вторых, такие двигатели очень просты, в них нет камеры сгорания с огромными давлениями, мощных насосов и прочих элементов, снижающих надежность. А в качестве рабочего тела чаще всего используется негорючий инертный газ.

- Система ориентации. Учитывая невозможность защитить КК противорадиационным экраном со всех сторон, система ориентации позволяет ориентировать корабль таким образом, чтобы противорадиационный экран защищал экипаж и растения от воздействия радиационного излучения Солнца. Отказ системы ориентации приведет к неминуемой смерти всего живого на борту КК. Значит необходимо многократное резервирование. Первая ступень - ориентация с помощью ходовых двигателей. Кроме того, дополнительные двигатели ориентации тоже электрические, но меньшей тяги. Маховиковая система на основе гиродинов. И наконец, в качестве последнего уровня резервирования, дополнительные двигатели на сжатом газе. На случай полного отказа можно предусмотреть в центре отсека, расположенного за экраном, капсулу, в которой может спастись экипаж в случае аварийной ситуации. В ней люди смогут продержаться какое-то время. В этой капсуле можно оборудовать спальные места, так что даже при внезапной разгерметизации и потере ориентации будет шанс остаться в живых.

- Система электропитания. Системы электропитания в космосе базируются на солнечных батареях и аккумуляторах, но желательно добавить небольшой изотопный реактор. Такие реакторы не имеют движущихся частей, не ломаются и работают без обслуживания десятки лет. Конструкция корабля обеспечивает постоянную ориентацию батарей на солнце, и ядерный реактор можно частично использовать как дополнительный экран от излучения. Кроме того, необходимо предусмотреть топливные батареи. Излишками энергии можно разлагать воду на водород и кислород, которые потом «сжигать» в топливных элементах выделяя запасенную энергию и воду.

- Система жизнеобеспечения. Будет базироваться на запасах, взятых с собой с Земли. Но рассчитывать только на запасы - это тупиковый путь. Крайне необходимы различные системы регенерации ресурсов. И, наверное, лучшим средством была бы искусственная биосфера, включающая в себя растения. Это позволило бы восстанавливать кислород, утилизировать отходы жизнедеятельности, давать питание экипажу. При этом суммарная площадь «посадок» должна быть значительной, и растениям обязательно нужен свет. Для освещения биосферы в конструкции корабля предусмотрены отражающие экраны, направляющие солнечный свет на иллюминаторы оранжереи. Причем радиационное излучение отражаться от них не будет. Экраны неподвижны, а регулировать освещенность в оранжерее лучше зеркальными заглушками иллюминаторов, одновременно служащих защитными крышками, на случай если иллюминатор будет разбит.

- СТР. Вся потребленная энергия, в конце концов, переходит в тепло. В условиях вакуума КК представляет собой почти идеальный термос, поэтому перегрев обязательно входит в список опасностей длительного полета. Единственный выход - смешанная и резервированная система воздушно-жидкостного охлаждения со сбросом тепла в космическое пространство при помощи радиаторов СТР, которые можно расположить в тени солнечных отражателей и панелей БС.

- Прочие системы. На космическом корабле должны быть и другие вспомогательные системы, не несущие такой жизненно-критичной функции, но при отказе которых - экипаж подвергается риску. Например, такой системой является связь, отказ которой непосредственно не угрожает жизни экипажа. Общие принципы проектирования в данном случае будут следующими. Во-первых - это резервирование и дублирование. Во-вторых - максимальная унификация, применение ограниченного количества типов болтов, подшипников, электродвигателей. Это снизит количество запасных частей и позволит, разобрав один прибор, восстановить другой. В-третьих - максимальное применение деталей из пластмассы, которые можно изготовить при помощи 3D-принтера. Тогда в любой момент можно сломанную деталь переплавить и снова изготовить такую же по электронному чертежу.

Достоинством конструкции предложенного межпланетного КК является рациональное расположение систем и приборов с организацией заданной ориентации его подсистем в пространстве, что позволяет повысить надежность при эксплуатации. Корабль такой конструкции подходит как для межпланетных полетов, так и в качестве орбитальной станции. Сборка КК осуществляется на орбите из готовых, герметичных секций, которые потом дадут кораблю дополнительную живучесть.

В результате предложенное техническое решение с примененными новыми принципами конструирования позволит создавать КК пригодный для длительных межпланетных полетов, расширив, тем самым, арсенал КА.

Изобретение относится к пилотируемым космическим кораблям, предназначенным для межпланетных полетов. Межпланетный космический корабль состоит из основного и вспомогательного модулей. Вспомогательный модуль закреплен на корпусе основного модуля с возможностью вращения вокруг центра масс основного модуля. Основной модуль выполнен с размещением внутри жилых и служебных помещений, систем жизнеобеспечения, снаружи на его корпусе размещены панели солнечных батарей, радиаторы системы терморегулирования, противорадиационный экран. Вспомогательный модуль состоит из поворотной рамы и закрепленной на ее торце двигательной установки, содержащей маршевые двигатели и топливный бак. Техническим результатом изобретения является повышение безопасности, обеспечение движения с фиксированной ориентацией на Солнце основного модуля. 5 ил.

Межпланетный космический корабль, состоящий из основного и вспомогательного модулей, причем вспомогательный модуль закреплен на корпусе основного модуля с возможностью вращения вокруг центра масс основного модуля; основной модуль выполнен с размещением внутри жилых и служебных помещений, систем жизнеобеспечения, снаружи на его корпусе размещены панели солнечных батарей, радиаторы системы терморегулирования, противорадиационный экран; вспомогательный модуль состоит из поворотной рамы и закрепленной на ее торце двигательной установки, содержащей ходовые двигатели и топливный бак.