МУЛЬТИВЕКТОРНАЯ МАТРИЧНАЯ РАКЕТНАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА С ЦИФРОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ВЕЛИЧИНОЙ И НАПРАВЛЕНИЕМ ТЯГИ ДВИГАТЕЛЬНЫХ ЯЧЕЕК ДЛЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Российский патент 2019 года по МПК F02K9/95 B64G1/40 

Изобретение относится к двигательным ракетным системам для малоразмерных космических аппаратов (МКА) и предназначено для использования в качестве маневрового двигателя с мультивекторной тягой при выполнении операций ориентации, стыковки, причаливания, самосборки трансформации и реконфигурации конструкций, создаваемых из МКА, классифицируемых как пикоспутники - весом менее 1000 грамм, фемтоспутники - весом менее 100 грамм и аттоспутники - весом менее 10 грамм.

Известна матричная ракетная двигательная система с индивидуальным цифровым управлением величиной тяги каждой двигательной ячейки для малоразмерных космических аппаратов, содержащая плоскую монолитную термостойкую диэлектрическую подложку с упорядоченной прямоугольной матричной структурой конусообразных микропор, заполненных твердым топливом, ранжированных по объему в пропорциях последовательных степеней числа два (1-2-4-8-16). На центры оснований конусообразных микропор наложены сферические воспламенители, закрепленные в сквозных цилиндрических микропорах и зажатые центрующими отверстиями шин строк и столбцов, нанесенных на поверхности монолитной термостойкой диэлектрической подложки и первой термостойкой диэлектрической мембраны, на которую наложена вторая термостойкая диэлектрическая мембрана со сквозными конусообразными микропорами, образующими сопла над конусообразными микропорами, заполненными твердым топливом, образующие двигательные ячейки, коммутатор адресов двигательных ячеек, первый и второй дешифраторы строк, дешифратор столбцов, дешифратор данных, блок памяти отработанных кодовых комбинаций, блок памяти альтернативных кодовых комбинаций, контроллер [1].

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности цифрового управления величинами разнонаправленных радиально-веерных тяг, упорядочено распределенных на волнообразной цилиндрической поверхности, охватывающей квадратный массив перпендикулярно направленных коллинеарных реверсивных тяг, синхронизированных с радиально-веерными тягами.

Известна реверсивная матричная ракетная двигательная система с индивидуальным цифровым управлением величиной тяги каждой реверсивной двигательной ячейки для малоразмерных космических аппаратов, содержащая плоскую монолитную термостойкую диэлектрическую подложку с упорядоченной прямоугольной матричной структурой конусообразных микропор, заполненных твердым топливом, с двухсторонней встречно направленной ориентацией вершин конусообразных микропор, ранжированных по объему в пропорциях последовательных степеней числа два (1-2-4-8-16). На центры оснований конусообразных микропор наложены сферические воспламенители, закрепленные в сквозных цилиндрических микропорах и зажатые центрующими отверстиями шин строк и столбцов первой и третей термостойких диэлектрических мембран, на которые наложены вторая и четвертая термостойкие диэлектрические мембраны со сквозными конусообразными микропорами, образующими сопла над конусообразными микропорами, заполненными твердым топливом, образующие реверсивные двигательные ячейки, коммутатор адресов двигательных ячеек, первый и второй дешифраторы строк, дешифратор столбцов, дешифратор данных, блок памяти отработанных кодовых комбинаций, блок памяти альтернативных кодовых комбинаций, контроллер [2].

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности цифрового управления величинами разнонаправленных радиально-веерных тяг, упорядочено распределенных на волнообразной цилиндрической поверхности, охватывающей квадратный массив перпендикулярно направленных коллинеарных реверсивных тяг, синхронизированных с радиально-веерными тягами.

Наиболее близкой по технической сущности является мультивекторная матричная ракетная двигательная система с цифровым управлением величиной и направлением тяги двигательных ячеек для малоразмерных космических аппаратов, содержащая плоскую круглую монолитную термостойкую диэлектрическую (МТД) подложку с размещенной на ее поверхности квадратной матричной структурой конусообразных микропор, с двухсторонней встречно направленной ориентацией вершин конусообразных микропор, образующих массив реверсивных двигательных ячеек, кольцеобразную МТД-подложку, с упорядочено расположенными по ее боковой кольцевой поверхности конусообразными микропорами, с радиальной ориентацией всех продольных осей конусообразных микропор, образующих массив радиальных двигательных ячеек, конусообразные микропоры, заполненные твердым топливом и ранжированные по объему в пропорциях последовательных степеней числа два (1-2-4-8-16…-n), две термостойкие диэлектрические мембраны с упорядоченными микропорами, образующие сопла, сферические воспламенители, закрепленные в сквозных цилиндрических микропорах и зажатые центрующими отверстиями адресных шин строк и столбцов, три дешифратора строк, дешифратор столбцов дешифратор данных, коммутатор адресов двигательных ячеек, блок памяти отработанных кодовых комбинаций, контроллер [3].

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности цифрового управления величинами разнонаправленных радиально-веерных тяг, упорядочено распределенных на волнообразной цилиндрической поверхности, охватывающей квадратный массив перпендикулярно направленных коллинеарных реверсивных тяг, синхронизированных с радиально-веерными тягами.

Отличие предлагаемого технического решения от вышеизложенных заключается в ведении цилиндрообразной полой с волнообразным профилем МТД-подложки, двух волнообразных термостойких диэлектрических мембран, блока памяти альтернативных кодовых комбинаций, причем, плоская МТД-подложка выполнена дискообразной с волнообразным внешним контуром и с геометрически вписанной в ее линию делительной окружности квадратной реверсивной двигательной матричной структурой, соединенной с цилиндрообразной полой с волнообразным профилем МТД-подложкой, направляющие цилиндрической поверхности которой повторяют форму волнообразного контура плоской дискообразной МТД-подложки, а величина образующей определяется количеством и шагом строк, что позволило создать единую компактную мультивекторную цифровую радиально-веерно-реверсивную двигательную систему с перестраиваемыми по величине и направлению векторами тяги в диапазоне изменения направления от 0 до 360° градусов вокруг управляемых коллинеарных реверсивных тяг, синхронизированных с группами радиально-веерных тяг с веерообразным дискретным распределением направлений струй в каждой радиально-веерной группе в диапазоне от 0 до 180° градусов для создания тяг, выполняющих линейное перемещение в сочетании с вращением вокруг осей. Это позволяет повысить скорость выполнения сложного маневра МКА по нескольким координатам одной двигательной системой с минимальным расходом твердого топлива.

Техническим результатом является возможность цифрового управления величинами разнонаправленных. радиально-веерных тяг, упорядочено распределенных на волнообразной цилиндрической поверхности, охватывающей квадратный массив перпендикулярно направленных коллинеарных реверсивных тяг, синхронизированных с радиально-веерными тягами.

Технический результат предложенного изобретения достигается совокупностью существенных признаков, а именно: мультивекторная матричная ракетная двигательная система с цифровым управлением величиной и направлением тяги двигательных ячеек для малоразмерных космических аппаратов, содержащая плоскую круглую монолитную термостойкую диэлектрическую (МТД) подложку с размещенной на ее поверхности квадратной матричной структурой конусообразных микропор, с двухсторонней встречно направленной ориентацией вершин конусообразных микропор, образующих массив реверсивных двигательных ячеек, кольцеобразную МТД-подложку, с упорядочено расположенными по ее боковой кольцевой поверхности конусообразными микропорами, заполненными твердым топливом, первую и вторую кольцеобразные термостойкие диэлектрические мембраны с упорядоченными сквозными конусообразными микропорами, образующими сопла, сферические воспламенители, дешифратор данных, четыре дешифратора строк и столбцов, коммутатор адресов двигательных ячеек, блок памяти отработанных кодовых комбинаций, контроллер, блок памяти альтернативных кодовых комбинаций, причем, кольцеобразная МТД-подложка выполнена цилиндрообразной, полой, с волнообразным профилем МТД-подложки, первая и вторая кольцеобразные термостойкие диэлектрические мембраны выполнены волнообразными, плоская круглая МТД-подложка выполнена дискообразной с волнообразным внешним контуром и с геометрически вписанной в ее линию делительной окружности квадратной матричной реверсивной структурой двигательных ячеек, соединенной с цилиндрообразной полой с волнообразным профилем МТД-подложкой, направляющие цилиндрической поверхности которой повторяют форму волнообразного контура плоской дискообразной МТД-подложки, а величина образующей определяется количеством и шагом строк, выходы коммутатора адресов двигательных ячеек соединены с шинами строк, опоясывающими цилиндрообразную полую с волнообразным профилем МТД-подложку, с упорядочено расположенными по ее внешней цилиндрической поверхности в виде прямоугольной матричной структуры конусообразными микропорами, заполненными твердым топливом, с радиально-веерной ориентацией всех продольных осей конусообразных микропор на центры чередующихся сопряженных вогнутых и выпуклых полуокружностей одного радиуса, центры которых расположены на пересечении с линией делительной окружности, образующие в совокупности замкнутую волнообразную внешнею поверхность МТД-подложки с упорядоченно размещенными на ней конусообразными порами, которые ранжированы по объему в пропорциях последовательных степеней числа два, на центры оснований конусообразных микропор наложены сферические воспламенители, закрепленные в сквозных цилиндрических микропорах и зажатые центрующими отверстиями шин строк и столбцов, нанесенных на внешнею поверхность цилиндрообразной полой с волнообразным профилем МТД-подложку и поверхность первой волнообразной термостойкой диэлектрической мембраны, над которой расположена повторяющая ее контур вторая волнообразная термостойкая диэлектрическая мембрана со сквозными конусообразными микропорами, образующими чередующиеся с упорядоченными углами разнонаправленные сопла, расположенные над конусообразными микропорами, заполненными твердым топливом, образующие радиально-веерные двигательные ячейки, столбцовые шины которых соединены с выходом третьего дешифратора столбцов.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где представлена мультивекторная матричная ракетная двигательная система с цифровым управлением величиной и направлением тяги двигательных ячеек для малоразмерных космических аппаратов. На фиг. 2 представлен выносной элемент А (10:1) в увеличенном масштабе и разрезе, поясняющий конструкцию мультивекторной матричной ракетной двигательной системы с цифровым управлением величиной и направлением тяги двигательных ячеек для малоразмерных космических аппаратов. На фиг. 3 представлена блок-схема, осуществляющая функционирование мультивекторной матричной ракетной двигательной системы с цифровым управлением величиной и направлением тяги двигательных ячеек для малоразмерных космических аппаратов. На фиг. 4 представлено сечение Б-Б цилиндрообразной полой с волнообразным профилем МТД-подложки и схематическое распределение направлений векторов тяги, осуществляющих линейное перемещение и одновременное вращение вокруг оси Z МКА.

Используемые сокращения: «МТД-подложка» - это аббревиатура словосочетания монолитная термостойкая диэлектрическая подложка.

Под используемым в тексте словами «аверс», «реверс», «гурт» понимается следующее: аверс - лицевая сторона дискообразной МТД-подложки, противоположная стороне реверс. Реверс - оборотная сторона дискообразной МТД-подложки, противоположная стороне аверс. Гурт -цилиндрическая (боковая) поверхность полой МТД-подложки. Элементы аверсной стороны генерируют энергию с прямым направлением векторов тяги, а элементы реверсной стороны генерируют энергию с обратным (противоположным) направлением векторов тяги.

Под словосочетанием «реверсивная двигательная ячейка» -понимается наличие возможности у ячейки генерирования векторов тяги одновременно или поочередно в двух противоположных направлениях.

Под словосочетанием «радиально-веерные группы двигательных ячеек» - понимается наличие возможности у групп ячеек генерации векторов тяги в разных направлениях. Каждая группа сформирована в виде ряда радиально-веерных ячеек с веерообразным дискретным распределением углов продольных осей двигательных элементов с ориентацией их на точку пересечения линии делительной окружности и радиальных лучей, исходящих из центра делительной окружности.

Линия делительной окружности - базовая окружность, на которой в точках пересечения с ее радиальными лучами расположены центры лучей радиально-веерных групп двигательных ячеек. Относительно линии делительной окружности формируется внешний замкнутый волнообразный контур МТД-подложки, на котором размещены радиально-веерные двигательные ячейки.

Мультивекторная двигательная система - понимается как создающая массив векторов тяги с различными направлениями и величинами, изменяющимися по времени.

Коллинеарные векторы тяги - векторы, лежащие на параллельных прямых (или на одной и той же прямой) независимо от их направления.

Цилиндрическая поверхность - боковая поверхность волнообразной цилиндрообразной подложки параллельная оси Z (поверхность образованная замкнутой волнообразной направляющей (основанием) и параллельными образующими (высотами)).

Мультивекторная матричная ракетная двигательная система с цифровым управлением величиной и направлением тяги двигательных ячеек для малоразмерных космических аппаратов, фиг. 1, содержит плоскую дискообразную с волнообразным внешним контуром МТД-подложку 1, на которой в виде квадратной матричной реверсивной структуры размещены двигательные ячейки (позиции 3-33). Плоская дискообразная с волнообразным внешним контуром МТД-подложка 1 по внешнему контуру соединена с цилиндрообразной полой с волнообразным профилем МТД-подложкой 2, на внешней цилиндрической (боковой) поверхности которой размещены радиально-веерные двигательные элементы (позиции 34-57), образующие волнообразную прямоугольную матричную структуру, повторяющею форму внешнего контура плоской дискообразной с волнообразным внешним контуром МТД-подложки 1. Продольные оси двигательных элементов, размещенных на плоской дискообразной с волнообразным внешним контуром МТД-подложке 1, перпендикулярны продольным осям двигательных элементов, расположенных на цилиндрообразной полой с волнообразным профилем МТД-подложке 2. Элементы (позиции 3-57) в увеличенном масштабе приведены на выносном элементе А (10:1), представленном на фиг. 2 (фрагмент вида с боку в разрезе). В нижней части фиг. 1 показан один из вариантов крепления мультивекторной двигательной системы с цифровым управлением величиной и направлением тяги двигательных ячеек, например, с помощью телескопической штанги 67, выдвигающейся из корпуса малоразмерного космического аппарата (МКА) 68 после его вывода на орбиту, где: 14 - сквозные конусообразные микропоры, образующие сопла на пересечении строк и столбцов, расположенных на поверхности плоской дискообразной с волнообразным внешним контуром МТД-подложки 1 с аверсной стороны, 42 - сквозные конусообразные микропоры, образующие сопла, расположенные по цилиндрической поверхности с внешней стороны цилиндрообразной полой с волнообразным профилем МТД-подложки 2.

На выносном элементе А (10:1), фиг. 2, представлены элементы реверсивной двигательной ячейки, расположенной на плоской дискообразной с волнообразным внешним контуром МТД-подложке 1 и элементы двух радиально-веерных двигательных ячеек, расположенных на цилиндрообразной полой с волнообразным профилем МТД-подложке 2, где: плоская дискообразная с волнообразным внешним контуром МТД-подложка 1, цилиндрообразная полая с волнообразным профилем МТД-подложка 2. На лицевой стороне плоской дискообразной с волнообразным внешним контуром МТД-подложке 1 размещена первая конусообразная микропора 3, вторая конусообразная микропора 4, третья конусообразная микропора 5, четвертая конусообразная микропора 6, пятая конусообразная микропора 7, заполненные твердым топливом 8 (конусообразные микропоры 3, 4, 5, 6, 7 - калиброваны и ранжированы по объему соответственно в пропорциях 1-2-4-8-16), сферические воспламенители 9, вложенные в сквозные цилиндрические микропоры 10, расположенные на первой термостойкой диэлектрической мембране 11, на поверхности которой, обращенной к плоской дискообразной с волнообразным внешним контуром МТД-подложке 1, нанесена столбцовая шина 12, на второй термостойкой диэлектрической мембране 13 расположены сквозные конусообразные микропоры 14, и со стороны меньших диаметров оснований конусов нанесены первая строковая шина 15, вторая строковая шина 16, третья строковая шина 17, четвертая строковая шина 18, пятая строковая шина 19. На оборотной стороне плоской дискообразной с волнообразным внешним контуром МТД-подложки 1 размещена шестая конусообразная микропора 20, седьмая конусообразная микропора 21, восьмая конусообразная микропора 22, девятая конусообразная микропора 23, десятая конусообразная микропора 24, заполненные твердым топливом 8 (конусообразные микропоры 20, 21, 22, 23, 24 - калиброваны и ранжированы по объему соответственно в пропорциях 1-2-4-8-16), сферические воспламенители 9, вложенные в сквозные цилиндрические микропоры 10, расположенные на третей термостойкой диэлектрической мембране 25, на поверхности которой, обращенной к плоской дискообразной с волнообразным внешним контуром МТД подложке 1, нанесена вторая столбцовая шина 26, на четвертой термостойкой диэлектрической мембране 27 расположены сквозные конусообразные микропоры 28, и со стороны меньших диаметров оснований конусов нанесены шестая строковая шина 29, седьмая строковая шина 30, восьмая строковая шина 31, девятая строковая шина 32, десятая строковая шина 33. Продольные оси всех конусообразных микропор, размещенных на плоской дискообразной с волнообразным внешним контуром МТД-подложке 1, параллельны друг другу и перпендикулярны плоской лицевой и оборотной стороне плоской дискообразной с волнообразным внешним контуром МТД-подложки 1.

На внешней стороне цилиндрообразной полой с волнообразным профилем МТД-подложки 2 размещена первая радиально-веерная ячейка где: одиннадцатая конусообразная микропора 34, двенадцатая конусообразная микропора 35, тринадцатая конусообразная микропора 36, четырнадцатая конусообразная микропора 37, пятнадцатая конусообразная микропора 38, заполненные твердым топливом 8 (конусообразные микропоры 34, 35, 36, 37, 38 - калиброваны и ранжированы по объему соответственно в пропорциях 1-2-4-8-16), сферические воспламенители 9, вложенные в сквозные цилиндрические микропоры 10, расположенные на первой волнообразной термостойкой диэлектрической мембране 39, на поверхности которой, обращенной к цилиндрообразной пустотелой с волнообразным профилем МТД-подложке 2, нанесена третья столбцовая шина 40, на второй волнообразной термостойкой диэлектрической мембране 41 расположены сквозные конусообразные микропоры 42, и со стороны меньших диаметров оснований конусов нанесены одиннадцатая строковая шина 43, двенадцатая строковая шина 44, тринадцатая строковая шина 45, четырнадцатая строковая шина 46, пятнадцатая строковая шина 47. Ниже первой радиально-веерной ячейки размещена вторая радиально-веерная ячейка где: шестнадцатая конусообразная микропора 48, семнадцатая конусообразная микропора 49, восемнадцатая конусообразная микропора 50, девятнадцатая конусообразная микропора 51, двадцатая конусообразная микропора 52, заполненные твердым топливом 8 (конусообразные микропоры 48, 49, 50, 51, 52 - калиброваны и ранжированы по объему соответственно в пропорциях 1-2-4-8-16), сферические воспламенители 9, вложенные в сквозные цилиндрические микропоры 10, расположенные на первой волнообразной термостойкой диэлектрической мембране 39, на поверхности которой, обращенной к цилиндрообразной полой с волнообразным профилем МТД-подложке 2, нанесена столбцовая шина 40, на второй волнообразной термостойкой диэлектрической мембране 41 расположены сквозные конусообразные микропоры 42, и со стороны меньших диаметров оснований конусов нанесены шестнадцатая строковая шина 53, семнадцатая строковая шина 54, восемнадцатая строковая шина 55, девятнадцатая строковая шина 56, двадцатая строковая шина 57.

На фиг. 3 представлены следующие элементы блок-схемы управления мультивекторной двигательной системой: квадратная матричная структура двигательных элементов, размещенная на плоской дискообразной с волнообразным внешним контуром МТД-подложки 1, прямоугольная волнообразная матричная структура двигательных элементов, расположенная на внешней волнообразной поверхности цилиндрообразной полой с волнообразным профилем МТД-подложки 2, опоясывающей по цилидрической (боковой) поверхности плоскую дискообразную с волнообразным внешним контуром МТД-подложку 1, дешифратор строк 58, коммутатор адресов двигательных ячеек 59, дешифратор данных 60, первый дешифратор столбцов 61, второй дешифратор столбцов 62, третий дешифратор столбцов 63, блок памяти альтернативных кодовых комбинаций 64, блок памяти отработанных кодовых комбинаций 65, контроллер 66.

В зависимости от класса управляемого МКА, устройство может быть реализовано с помощью известных микроструктурных технологий, используемых для изготовления микроэлектромеханических систем (МЭМС) в диапазоне размеров элементов менее 100 микрометров. Монолитная термостойкая диэлектрическая (МТД) подложка может быть изготовлена из кварцевого стекла, керамики, термостойкого, термостабильного полимерного композита. В зависимости от назначения двигательной системы, в качестве твердого топлива может быть использовано однокомпонентное, двухкомпонентное или нанокомпозитное топливо (например, нанотермит), и пиротехнические воспламенители, осуществляемые торцевое воспламенение заряда со стороны сопла, используемые в известных двигательных системах для МКА, построенные по МЭМС технологии. Микропоры различных форм в интервале, близком к нано размерному уровню, также могут быть получены с помощью ионно-трековых технологий (основанные на получении с помощью ионов узких латентных треков с последующим их травлением).

Сборка предлагаемой конструкции мультивекторной матричной двигательной системы с цифровым управлением величиной и направлением тяги двигательных ячеек для малоразмерных космических аппаратов может осуществляется, например, в следующей последовательности: с аверса на МТД-подложку с заполненными твердым топливом конусообразными микропорами, накладывается первая термостойкая диэлектрическая мембрана с вложенными сферическими воспламенителями; на нее накладывается вторая термостойкая диэлектрическая мембрана со сквозными конусообразными микропорами. После этого аналогичные операции производят со стороны реверса. На МТД-подложку с заполненными твердым топливом конусообразными микропорами накладывается третья термостойкая диэлектрическая мембрана с вложенными сферическими воспламенителями; на нее накладывается четвертая термостойкая диэлектрическая мембрана со сквозными конусообразными микропорами. Следующим этапом, на плоскую дискообразную с волнообразным внешним контуром МТД-подложку 1 надевается собранная цилиндрообразная полая с волнообразным профилем МТД-подложка 2 с двумя закрепленными волнообразными термостойкими диэлектрическими мембранами 39, 41, охватывающими цилидрическую (боковую) поверхность плоской дискообразной с волнообразным внешним контуром подложки 1. Конструкция выполнена таким образом, чтобы при сборке многослойного пакета обеспечить самоцентровку полюсов сферических воспламенителей в прилегающих к ним контактных отверстиях шин строк и столбцов по линиям шаровых поясов при механическом стягивании или склеивании подложки с мембранам, и исключить юстировку углов продольных осей двигательных ячеек. Дешифраторы строк, столбцов, данных, коммутатор адресов двигательных ячеек, блоки памяти могут быть реализованы на радиационно-стойкой (для использования в космосе) программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС).

На фиг. 4 представлено сечение Б-Б цилиндрообразной полой с волнообразным профилем МТД-подложки 2, и схематическое распределение направлений векторов тяги, осуществляющих линейное перемещение и одновременное вращение вокруг оси Z МКА. Где: dд - линия делительной окружности; Rвп, Rвг - радиусы, равные по величине, являющиеся шагом чередования сопряженных выпуклых и вогнутых полуокружностей. N - номер полуокружности (номер радиально-веерной группы), n - номер двигательного элемента входящего в радиально-веерную группу. Величина Rвп или Rвг равна длине делительной окружности ад, деленной на общее число полуокружностей N. ϕ - угловой сектор между двумя лучами, проходящими из центра делительной окружности dд через точки пересечения линии делительной окружности с соседними центрами радиусов Rвп и Rвг полуокружностей, являющейся угловым шаговым интервалом равным 360°/N max (для данного примера 360°/16 = 22.5° градусов). В каждый сектор ϕ входит радиально-веерная группа двигательных элементов n с дискретным расположением веерообразных продольных осей, и угловым шаговым интервалом ψ равным 180°/n max (для данного примера 180°/10 = 18° градусов). Последовательный угловой ряд требуется для генерации реактивных струй под заданными углами к линии делительной окружности (от перпендикулярных до близких к касательным) приводящих МКА к вращению в заданном направлении или линейному перемещению или торможению.

При программировании режимов работы каждому двигательному элементу присваивается идентификационное кодовое слово, состоящее из кода номера полуокружности (кода радиально-веерной группы) N (определяющий рабочий угловой ϕ интервал группы) и кода номера n, определяющего угловое детерминированное положение продольных осей (угол ψ направления вектора тяги в группе) двигательных элементов в радиально-веерной группе N. В блоке памяти альтернативных кодовых комбинаций 64 расположена таблица преобразования координат векторов тяги прямоугольной матричной структуры в угловые координаты векторов тяги волнообразнозной матричной структуры (т.е. каждой точке на пересечении определенной строки и столбца соответствует двигательный элемент с определенной величиной и направлением угла вектора тяги и определенными геометрическими координатами его расположения на цилиндрической поверхности).

Устройство работает следующим образом: управляющее кодовое слово с контроллера 66 (блок-схема фиг. 3) поступает на информационные входы блока памяти отработанных кодовых комбинаций 65 и блока памяти альтернативных кодовых комбинаций 64. Управляющее кодовое слово состоит из битов, определяющих направление векторов тяги, кода адреса строк и столбцов квадратной матрицы, определяющего геометрическое размещение реверсивной двигательной ячейки на поверхности плоской дискообразной с волнообразным внешним контуром МТД-подложки 1, кода адреса строк и столбцов волнообразной прямоугольной матричной структуры, определяющего местоположение радиально-веерной двигательной ячейки на цилиндрической (боковой) поверхности цилиндрообразной полой с волнообразным профилем МТД-подложки 2 и кода данных, определяющего в двоичном коде величину тяги каждой двигательной ячейки. Блок памяти отработанных кодовых комбинаций 65 запоминает коды всех отработанных сферических воспламенителей 9 с целью исключения попыток повторного включения отработанных двигательных элементов, и, в случае появления повторной кодовой комбинации, выдает команду на блок памяти альтернативных кодовых комбинаций 64 на выборку заранее смоделированных и введенных перед началом работы таблиц принятия оптимальных решений в конкретных ситуациях в виде множества наборов альтернативных целенаправленных кодовых комбинаций. Например, если в двигательной ячейке с координатами Xn, Yn уже был использован заряд w₄ с тяговым весовым коэффициентом w равным 4, то выбирается в соседней ячейки с адресом Xn+1, Yn заряд с тяговым весовым коэффициентом w равным 4, если же и он также использован, выбирается в двух соседних ячейках с адресами Xn+1, Yn, Xn-1, Yn два заряда w₂ и w₂ по 2 весовых коэффициента в сумме составляющие 4, если же и они использованы, то выбираются неиспользованные заряды из ближайшего геометрического окружения по координатам Xn, Yn+1, Xn, Yn-1. Также могут быть осуществлены более сложные сочетания комбинаций в разных удаленных друг от друга точках на поверхности плоской дискообразной с волнообразным внешним контуром МТД-подложки 1 и цилиндрообразной полой с волнообразным профилем МТД-подложки 2, одинаково влияющих на величины изменения линейных и угловых перемещений, направленных на оптимизацию расхода топлива и живучесть двигательной системы. С пяти информационных выходов блока памяти альтернативных кодовых комбинаций 64 преобразованные кодовые комбинации через адресные шины строк, столбцов и шину данных одновременно поступают на входы первого дешифратора столбцов 61, который выбирает по координате X адресную шину реверсивной двигательной ячейки с лицевой стороны подложки (аверса) или с оборотной стороны (реверса) с помощью второго дешифратора столбцов 62, или с помощью третьего дешифратора столбцов 63 выбирается адресная шина радиально-веерной двигательной ячейки. С четвертого адресного выхода, через дешифратор строк 58, выбирается адресная шина по координате Y реверсивной двигательной ячейки, расположенной как на лицевой, так и на оборотной стороне плоской дискообразной с волнообразным внешним контуром подложки 1, и одновременно выбирается адресная шина радиально-веерной двигательной ячейки по координате Z, расположенной на цилиндрической (боковой) поверхности цилиндрообразной полой с волнообразным профилем МТД-подложки 2. Кодовое слово, определяющее адрес реверсивной двигательной ячейки по координате Y и радиально-веерной ячейки по координате Z с дешифратора строк 58, поступает на вход коммутатора адресов двигательных ячеек 59, на второй вход которого поступает код с выхода дешифратора данных 60, определяющий величину тяги реверсивной или радиально-веерной двигательной ячейки. Коммутатор адресов двигательных ячеек 59 производит соединение группы шин строк с группой шин данных каждой реверсивной или радиально-веерной двигательной ячейки отдельно или нескольких одновременно, задавая кодовой комбинацией определенный весовой коэффициент тяги в двоичном коде, который в данном примере при использовании пятиразрядного двоичного кода может принимать значения от 1 до 31 (количество разрядов определяется требованиями к точности выполнения маневра МКА). В зависимости от управляющих битов (аверс/реверс/гурт), первый, второй, или третий дешифраторы столбцов 61, 62, 63 производят включение элементов реверсивных двигательных ячеек на лицевой или оборотной стороне плоской дискообразной с волнообразным внешним контуром МТД-подложки 1 или на цилиндрической (боковой) стороне цилиндрообразной полой с волнообразным профилем МТД-подложки 2, осуществляя этим выбор направления тяги («вверх-вниз», «вперед-назад», «влево-вправо», прецизионные повороты или вращение вокруг осей). Выполнение изменения направлений векторов тяги и управление их величинами поясняется на примере организации работы одной реверсивной и двух радиально-веерных двигательных ячеек, представленных в разрезе на фиг. 2. Первый дешифратор столбцов 61 производит включение шин столбцов 12 на лицевой стороне (аверсе) плоской дискообразной с волнообразным внешним контуром МТД-подложке 1 для создания прямого направления векторов тяги, а второй дешифратор столбцов 62 производит включение шин столбцов 26 на оборотной стороне (реверсе) плоской дискообразной с волнообразным внешним контуром МТД-подложки 1 для создания векторов тяги с противоположными направлениями. Для создания векторов тяги с управляемым углом в диапазоне от 0 до 360° градусов, перпендикулярных реверсным коллинеарным векторам тяги, третий дешифратор столбцов 53 производит включение шин столбцов 40 на цилиндрообразной полой с волнообразным профилем МТД-подложке 2. Коммутатор адресов двигательных ячеек 59 переключение шин строк 15-19, 29-33 и 43-47, 53-57 осуществляет одновременно с двух сторон плоской дискообразной с волнообразным внешним контуром МТД-подложки 1 и внешней стороны цилиндрообразной полой с волнообразным профилем МТД-подложки 2. Шины с выходов коммутатора адресов двигательных ячеек 49 соединены с шинами строк 15-19, 29-33 и 43-47, 53-57, а шины с выходов первого, второго и третьего дешифраторов столбцов 61, 62, 63 соединены со столбцовыми 12, 26, 40 шинами. Между столбцовыми шинами 12, 26, 40 и, соответственно, между строковыми шинами 15-19, 29-33 и 43-47, 53-57, для обеспечения устойчивого электрического контакта, зажаты сферические воспламенители 9. В зависимости от поступившего управляющего кода каждой логической «1», осуществляется воспламенение соответствующих сферических воспламенителей 9, за счет протекания через них электрического тока, вызывающего их детонацию и воспламенение расположенных под ними зарядов твердого топлива 8, размещенных в разных по объему конусообразных микропорах 3-7, 20-24 и 34-38, 48-52. Каждый воспламенитель 9, разрушаясь, воспламеняет только свой заряд твердого топлива 8 с определенным весовым коэффициентом тяги в определенной реверсивной или радиально-веерной двигательной ячейке. Продукты сгорания твердого топлива 8, вырываясь через сквозные цилиндрические микропоры 10 (свободные от сферических воспламенителей после их распыления при детонации), и за тем через конусообразные сквозные микропоры 14, или 28 или 42, работающие как сопла, создают реактивную тягу. Величина тяги каждой двигательной ячейки может дискретно управляться в зависимости от ее разрядности и может принимать любые дискретные значения в заданном интервале, например, при пяти разрядной организации - 1-31 или при семи разрядной - 1-127.

На фиг. 4 также приведено примерное расположение векторов тяги относительно оси Z при выполнении маневра малоразмерным космическим аппаратом в определенный момент времени, где: + 24N1n6, + 27N5n6, + 30N9n6, + 25N13n6 - векторы тяги, осуществляющие левостороннее вращение МКА. - 25N1n6, - 18N5n6, - 24N9n6, - 25N13n6 - векторы тяги вызывающие реверсивное правостороннее вращение МКА (обозначенные пунктирными линиями); + 10N5n1 и - 20N15n1 -векторы тяги, осуществляющие линейные перемещения («вперед» или «назад»). Обозначение направлений вращений символами + или - носят условный характер. Величина тяги указана цифрой стоящей за символом Направление угла вектора тяги указано цифрами, стоящими за символами N и n. При пяти разрядной организации двигательных ячеек, векторы тяги + или - принимают значения от 1 до 31 с шагом в одну единицу, задаваемые кодом от 00001 до 11111, при коде 00000 - двигательная ячейка выключена.

Предлагаемая конструкция мультивекторной ракетной двигательной системы с цифровым управлением величиной и направлением тяги двигательных ячеек для малоразмерных космических аппаратов, соединенная, например, с помощью телескопической штанги с МКА, позволяет одной мультивекторной цифровой двигательной ракетной системой, при оптимальном расходе твердого топлива, осуществить скоростное маневрирование МКА, используя возможность сочетания линейного перемещения с возможностью одновременного вращения по осям за счет цифрового управления величинами разнонаправленных радиальных тяг с веерообразным распределением продольных осей, упорядочено распределенных на волнообразной цилиндрической поверхности, охватывающей квадратный массив перпендикулярно направленных коллинеарных реверсивных тяг, синхронизированных с радиально-веерными тягами, что ранее невозможно было осуществить известными двигательными системами, работающими на твердом топливе.

1. Патент RU 2660210 C1, 05.07.2018, B64G 1/40. МАТРИЧНАЯ РАКЕТНАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА С ИНДИВИДУАЛЬНЫМ ЦИФРОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ВЕЛИЧИНОЙ ТЯГИ КАЖДОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ ЯЧЕЙКИ ДЛЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ космических аппаратов/Линьков В.А., Линьков Ю.В., Линьков П.В., Таганов А.И., Гусев С.И.

2. Патент RU 2654782 С1, 22.05.2018, F02K 9/94, F02K 9/95, B64G 1/40, В81В 7/04. РЕВЕРСИВНАЯ МАТРИЧНАЯ РАКЕТНАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА С ИНДИВИДУАЛЬНЫМ ЦИФРОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ВЕЛИЧИНОЙ ТЯГИ КАЖДОЙ РЕВЕРСИВНОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ ЯЧЕЙКИ ДЛЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ/Линьков В.А., Линьков Ю.В., Линьков П.В., Таганов А.И., Гусев С.И.

3. Патент на полезную модель RU 183937 U1, 09.10.2018, B64G 1/40. МУЛЬТИВЕКТОРНАЯ МАТРИЧНАЯ РАКЕТНАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА С ЦИФРОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ВЕЛИЧИНОЙ И НАПРАВЛЕНИЕМ ТЯГИ ДВИГАТЕЛЬНЫХ ЯЧЕЕК ДЛЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ/ ЛИНЬКОВ В.А., Гусев С.П., Колесников С.В., Линьков Ю.В., Линьков П.В., Таганов А.И.

Изобретение относится к двигательным ракетным системам. В мультивекторной матричной ракетной двигательной системе плоская дискообразная с волнообразным внешним контуром монолитная термостойкая диэлектрическая (МТД) подложка с размещенной на ней квадратной матричной реверсивной структурой двигательных ячеек соединена с повторяющей ее контур цилиндрообразной полой с волнообразным профилем МТД-подложкой с радиально-веерной ориентацией всех продольных осей конусообразных микропор на центры чередующихся сопряженных вогнутых и выпуклых полуокружностей. Микропоры заполнены твердым топливом и ранжированы по объему в пропорциях последовательных степеней числа два. На центры оснований микропор наложены две волнообразные термостойкие диэлектрические мембраны с упорядоченными микропорами. Управление величинами и направлениями тяг осуществляется с помощью пяти дешифраторов строк, столбцов и данных, коммутатора адресов двигательных ячеек, блоков памяти альтернативных и отработанных кодовых комбинаций, контроллера. Техническим результатом изобретения является повышение скорости и точности реконфигурации КА. 4 ил.

Мультивекторная матричная ракетная двигательная система с цифровым управлением величиной и направлением тяги двигательных ячеек для малоразмерных космических аппаратов, содержащая плоскую круглую монолитную термостойкую диэлектрическую (МТД) подложку с размещенной на ее поверхности квадратной матричной структурой конусообразных микропор, с двухсторонней встречно направленной ориентацией вершин конусообразных микропор, образующих массив реверсивных двигательных ячеек, кольцеобразную МТД-подложку, с упорядочено расположенными по ее боковой кольцевой поверхности конусообразными микропорами, заполненными твердым топливом, первую и вторую кольцеобразные термостойкие диэлектрические мембраны с упорядоченными сквозными конусообразными микропорами, образующими сопла, сферические воспламенители, дешифратор данных, четыре дешифратора строк и столбцов, коммутатор адресов двигательных ячеек, блок памяти отработанных кодовых комбинаций, контроллер, отличающаяся тем, что содержит блок памяти альтернативных кодовых комбинаций, причем кольцеобразная МТД-подложка выполнена цилиндрообразной, полой, с волнообразным профилем МТД-подложки, первая и вторая, кольцеобразные термостойкие диэлектрические мембраны выполнены волнообразными, плоская круглая МТД-подложка выполнена дискообразной с волнообразным внешним контуром и с геометрически вписанной в ее линию делительной окружности квадратной матричной реверсивной структурой двигательных ячеек, соединенной с цилиндрообразной полой с волнообразным профилем МТД-подложкой, направляющие цилиндрической поверхности которой повторяют форму волнообразного контура плоской дискообразной МТД-подложки, а величина образующей определяется количеством и шагом строк, выходы коммутатора адресов двигательных ячеек соединены с шинами строк, опоясывающими цилиндрообразную полую с волнообразным профилем МТД-подложку, с упорядочено расположенными по ее внешней цилиндрической поверхности в виде прямоугольной матричной структуры конусообразными микропорами, заполненными твердым топливом, с радиально-веерной ориентацией всех продольных осей конусообразных микропор на центры чередующихся сопряженных вогнутых и выпуклых полуокружностей одного радиуса, центры которых расположены на пересечении с линией делительной окружности, образующие в совокупности замкнутую волнообразную внешнею поверхность МТД-подложки с упорядоченно размещенными на ней конусообразными порами, которые ранжированы по объему в пропорциях последовательных степеней числа два, на центры оснований конусообразных микропор наложены сферические воспламенители, закрепленные в сквозных цилиндрических микропорах и зажатые центрующими отверстиями шин строк и столбцов, нанесенных на внешнею поверхность цилиндрообразной полой с волнообразным профилем МТД-подложку и поверхность первой волнообразной термостойкой диэлектрической мембраны, над которой расположена повторяющая ее контур вторая волнообразная термостойкая диэлектрическая мембрана со сквозными конусообразными микропорами, образующими чередующиеся с упорядоченными углами разнонаправленные сопла, расположенные над конусообразными микропорами, заполненными твердым топливом, образующие радиально-веерные двигательные ячейки, столбцовые шины которых соединены с выходом третьего дешифратора столбцов.