Устройство для торможения и защиты спускаемого летательного аппарата в атмосфере планеты Э.П. Цыганова Российский патент 2020 года по МПК B64G1/62 B64D33/00 B64D33/02 B64C23/00 F15D1/10 

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при разработке и создании космических летательных аппаратов (ЛА), в частности устройств и систем для торможения и защиты спускаемых аппаратов в атмосфере планеты.

Возвращение летательного аппарата на Землю требует решения двух основных задач - погашения космической скорости и защиты летательного аппарата от перегрева.

Эти задачи решаются путем создания защитных экранов (прототип) в виде термозащитного покрытия лобовой поверхности летательного аппарата. Такие экраны имели летательные аппараты «Буран», «Шаттл», летательные аппараты в виде «фары» (Уманский С.П. Космонавтика сегодня и завтра. Изд-во «Просвещение», 1986, с. 54, 93-99).

Защитные экраны в виде термостойкого покрытия могут составлять до 30% массы летательного аппарата, при этом охлаждение спускаемого летательного аппарата происходит за счет его обтекания воздушным потоком, что, однако, не обеспечивает достаточную эффективность охлаждения.

При спуске летательного аппарата, перемещающегося по космической траектории с космической скоростью, требуется снизить космическую скорость до некоторой приемлемой величины, допускающей возможность планирования летательного аппарата и мягкой посадки спускаемого летательного аппарата на ВПП.

По известным причинам планирующий полет не возможен при больших скоростях летательных аппаратов и низкой плотности атмосферы.

Можно считать, что при современном уровне развития техники управляемый планирующий полет в нижних слоях атмосферы становится возможным при снижении скорости спускаемого летательного аппарата ориентировочно до 2000 м/с (7200 км/час). Именно до такой скорости необходимо снизить скорость летательного аппарата, чтобы стал возможным планирующий полет. Хотя отмечено, что управляемость летательным аппаратом уменьшается уже при скорости 4000 км/час (1111 м/с).

Следует отметить, что объяснение механизма торможения спускаемого летательного аппарата в газовой среде основывается преимущественно на данных практики, так как не все параметры взаимодействующих физических тел могут быть измерены и учтены при расчетах. Эффективность торможения спускаемого летательного аппарата в атмосфере зависит от результата обмена импульсами между веществом атмосферы и летательным аппаратом (лобового сопротивления, эффективности сублимации, аэродинамического качества летательного аппарата и др.).

Аналогами заявленного изобретения являются технические решения известные из:

RU 138400 U1, 10.03.2014 (спускаемый аппарат с трубчатой конструкцией перед головной частью), описание, фиг.1;
RU 2110449 C1, 10.05.1998 (способ торможения с изменением средней плотности среды перед парашютом), формула;
SU 1774228 A1, 07.11.1992 (способ для определения реактивного давления продуктов абляции), описание, фиг.1.
Взаимодействие вещества атмосферы с летательным аппаратом осуществляется по типу частично упругого ударного взаимодействия, при этом в результате обмена механическими импульсами между ними механический импульс летательного аппарата уменьшается, скорость летательного аппарата снижается, летательный аппарат тормозится. При расчетах не имеет значения, что считать покоящимся телом - вещество атмосферы или летательный аппарат.

Спускаемый летательный аппарат при сходе с орбиты, где он перемещался с космической скоростью, например, 7778 м/с на высоте 400 км, при снижении до высоты 90-80 км практически не тормозится. На этом этапе спуска его траектория полета является баллистической, при этом его скорость под действием гравитации несколько увеличивается (см. фиг. 1).

Практически торможение летательного аппарата начинается с высоты 90-80 км. На графике (см. фиг. 2; сведения о плотности атмосферы взяты из книги В. Лей "Ракеты и полеты в космос". Изд-во МО, Москва, 1961, с. 398) показан градиент плотности атмосферы в зависимости от высоты. При торможении спускаемый летательный аппарат проходит сквозь слои атмосферы, имеющие разную плотность (фиг. 2).

Создав условия для более эффективного торможения уже на начальном этапе торможения, где плотность атмосферы еще не высокая, можно увеличить эффективность торможения.

Классифицируя происходящие при торможении спускаемого летательного аппарата процессы, отчасти их можно отнести к процессам, характеризующим рекуперативное торможение (импульс частиц, образующихся при сублимации, передается спускаемому летательному аппарату, уменьшая его механический импульс).

Устройство для торможения и защиты спускаемого летательного аппарата в атмосфере, являющееся экраном в виде трубчато-решетчатой конструкции, каркас которой закреплен на колпаке, закрывающим фронтальную поверхность летательного аппарата с возможностью отсоединения, отличающееся тем, что передние части трубчатых элементов конструкции имеют на внутренней поверхности слой термостойкого покрытия способного сублимировать при взаимодействии с атмосферой, при этом в составе термостойкого покрытия входят вещества, обладающие магнитными свойствами, и имеется возможность абсорбции магнитных веществ на магнитных уловителях.

Вещества, покрывающие трубчатые элементы конструкции изнутри, могут содержать вещества с выраженными магнитными свойствами, например, Fe, Ni, Со, Nd. Для покрытия внутренней поверхности трубчатых элементов конструкции могут использоваться термостойкие и сублимирующие вещества. Площадь поверхности трубчатых элементов и воздуховодов может многократно превышать фронтальную поверхность спускаемого летательного аппарата. Боковые стенки трубчато-решетчатой конструкции могут иметь шарнирно закрепленные створки, выступающие за плоскость фронтального сечения конструкции, регулирующие поступление вещества атмосферы в устройство. Может использоваться система охлаждения. Трубчатые элементы конструкции могут иметь форму цилиндров или конусообразную форму на входе и форму сопла Лаваля на выходе.

В изученной патентной и научной литературе предлагаемое техническое решение не описано.

Принципиальная схема предлагаемого устройства (системы торможения для спускаемого летательного аппарата) изображена на чертеже (фиг. 3).

Краткое описание чертежа

Предлагаемое устройство - трубчато-решетчатая конструкция - имеет решетчатый каркас (1), опирающийся на колпак (2), закрепленный на фронтальной (лобовой) части летательного аппарата (3), с возможностью разъединения. Трубчатые элементы (4) конструкции имеют на внутренней поверхности слой термостойкого покрытия. Все нагреваемые элементы конструкции связаны с системой охлаждения (5), основу которой составляют воздуховоды (6). Конструкция оборудована системой для посадки на ВПП (7).

Краткое описание работы устройства

При снижении спускаемого летательного аппарата на участке с низкой плотностью атмосферы (на высоте 110-70 км) вещество атмосферы, при взаимодействии с веществом термостойкого покрытия трубчатых элементов конструкции вызывает сублимацию вещества покрытия. Поскольку взаимодействие происходит по типу частично неупругого ударного взаимодействия, в результате обмена импульсами механический импульс спускаемого летательного аппарата уменьшается, летательный аппарат тормозится.

Сублимируемое вещество термостойкого покрытия смешивается с веществом атмосферы. Кроме того, "эффективная" масса атмосферы, будучи автономной по отношению к летательному аппарату, перемещаясь по воздуховодам, также обменивается своим механическим импульсом со спускаемым летательным аппаратом, уменьшая его механический импульс. В случае если в составе термостойкого покрытия имеются магнетики - вещества, обладающие магнитными свойствами - при сублимации они будут увеличивать массу, а при абсорбции на магнитных ловушках передадут свой импульс спускаемому летательному аппарату. Эффективный отвод тепла, образующегося в большом количестве за небольшой промежуток времени при сублимации термостойкого покрытия, происходит уже на начальном этапе торможения потоками протекающего через трубчатые элементы и воздуховоды воздуха, при этом площадь поверхности трубчатых элементов и воздуховодов может многократно превышать фронтальную (лобовую) поверхность спускаемого летательного аппарата.

Изобретение относится к аэрокосмической технике, а более конкретно к устройству для торможения в атмосфере. Устройство для торможения и защиты спускаемого летательного аппарата в атмосфере содержит экран в виде трубчато-решетчатой конструкции, каркас которой закреплен на фронтальной поверхности летательного аппарата. Передние части трубчатых элементов конструкции имеют на внутренней поверхности слой термостойкого покрытия способного сублимировать при взаимодействии с атмосферой. В состав термостойкого покрытия входят вещества, обладающие магнитными свойствами. Имеется возможность абсорбции магнитных веществ на магнитных уловителях. Достигается увеличение эффективности торможения. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для торможения и защиты спускаемого летательного аппарата в атмосфере, являющееся экраном в виде трубчато-решетчатой конструкции, каркас которой закреплен на колпаке, закрывающим фронтальную поверхность летательного аппарата с возможностью отсоединения, отличающееся тем, что передние части трубчатых элементов конструкции имеют на внутренней поверхности слой термостойкого покрытия, способного сублимировать при взаимодействии с атмосферой, при этом в составе термостойкого покрытия входят вещества, обладающие магнитными свойствами, и имеется возможность абсорбции магнитных веществ на магнитных уловителях.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вещества, покрывающие трубчатые элементы конструкции изнутри, могут содержать вещества с выраженными магнитными свойствами, например, Fe, Ni, Со, Nd.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что для покрытия внутренней поверхности трубчатых элементов конструкции используются термостойкие и сублимирующие вещества.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что площадь поверхности трубчатых элементов и воздуховодов может многократно превышать фронтальную поверхность спускаемого летательного аппарата.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что боковые стенки трубчато-решетчатой конструкции могут иметь шарнирно закрепленные створки, выступающие за плоскость

фронтального сечения конструкции, регулирующие поступление вещества атмосферы в устройство.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что используется система охлаждения.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что трубчатые элементы конструкции имеют форму цилиндров или конусообразную форму на входе и форму сопла Лаваля на выходе.