ПИЛОТИРУЕМЫЙ КОСМИЧЕСКИЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ Российский патент 2022 года по МПК B64G1/00 

Область техники

Изобретение относится к пилотируемым космическим летательным аппаратам (ПКЛА), совершающими длительные полеты в космосе, а именно вокруг Земли или в межпланетном пространстве.

Предшествующий уровень техники

Известны ПКЛА, в частности междуародная космическая станция (МКС). Данные ПКЛА содержат в своем составе модули, которые выводятся с помощью космических ракет - носителей на околоземную орбиту и там собираются в заданную конструкцию. Модули имеют различное назначение: жилые для размещения людей (космонавтов, астронавтов, исследователей и др.), грузовые, научно - исследовательские и др. ПКЛА снабжаются электрической энергией от солнечных батарей, размещенных на пристыкованных модулях.

Основным недостатком существующих ПКЛА является отсутствие практически гравитационного тяготения (невесомость), в результате чего организм человека при длительном нахождении его на борту ПКЛА в невесомости атрофируется, уменьшается плотность костей, нарушается сердечно - сосудистая система и возникают также другие нарушения организма человека.

Кроме того, конструкция, например МКС, имеет ограниченное жизненное пространство, исключающее длительные полеты без дозаправки топливом и продуктами для обеспечения жизнедеятельности человека.

Указанный основной недостаток ПКЛА - отсутствие силы тяжести, устранен в проекте ПКЛА - космического корабля для долговременных полетов Nautilus - X, разработанного инженерами NASA Марком Холдерманом и Эдвардом Хендерсоном (http;suniverseru.com/2015/nautilus-x).

Данный ПКЛА содержат модуль центральный осевой, имеющий с двух концов стыковочные устройства, вращающийся тор и корпус, установленные на одном из стыковочных устройств, надувные отсеки (модули), пристыкованные с боков корпуса и предназначенные для хранения грузов и проживания экипажа, двигатели и солнечные батареи.

Основными недостатками Nautilus - X являются следующее. Его конструкция представляет собой сложное сооружение, состоящее из различных по форме модулей и, как следствие, является недостаточно безопасной и надежной. Кроме того, доставка тора, одного из крупногабаритных модулей диаметром в девять метров, на околоземную орбиту, где планируется собрать космический корабль, представляет как и его использование, определенные трудности, связанные с перемещением членов экипажа во вращающийся тор и обратно. Все это также снижает безопасность и надежность эксплуатации корабля. Кроме того, в составе Nautilusa отсутствуют модули, которые могли самостоятельно отстыковаться и пристыковаться к кораблю в случае полета к другим планетам. Эти и другие вышеуказанные недостатки устранены в конструкции предложенного ПКЛА типа тороида.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в разработке конструкции ПКЛА с улучшенными эксплуатационными качествами, исключающими невесомость за счет обеспечения искусственного тяготения в космосе, значительного увеличения как жизненного, так и технического пространства ПКЛА.

В задачу изобретения также входит упрощение конструкции ПКЛА за счет одинаковых в основном модулей, способных отстыковываться от ПКЛА или состыковывться с ним, совершая при этом полеты в режиме космического корабля.

Для этих задач ПКЛА, содержащий центральный осевой модуль, вращающийся тор и корпус, пристыкованные к осевому модулю, модули, установленные с боков корпуса и предназначенные для хранения грузов и проживания экипажа, двигатели и солнечные батареи, согласно изобретению:

- выполнен из универсальных взаимозаменяемых модулей, кроме центрального осевого модуля, предназначенного для размещения командного экипажа;

- часть модулей пристыкована к центральному модулю и между собой в направлении центральной его оси;

- другая часть модулей состыкована между собой по замкнутому кругу с образованием тороидальной конструкции (тороида);

- каждый модуль тороида состыкован с центральным модулем трубчатым звеном, может поворачиваться относительно его оси и занимать положение параллельно оси центрального модуля;

- все модули имеют все необходимое для автономного полета: двигатели, солнечные батареи, системы жизнеобеспечения и др.;

- вся конструкция в собранном состоянии вращается с заданной частотой относительно оси центрального модуля;

- центральный осевой модуль имеет внутри капсулу для размещения командного экипажа, которая имеет способность вращаться синхронно со всей конструкцией, но противоположно ее направлению вращения, что обеспечивает неизменную ориентацию экипажа относительно внешнего космического пространства.

Такая конструкция позволяет значительно упростить конструкцию за счет одинаковых по конструкции модулей, предназначенных для сборки ПКЛА на околоземной орбите.

При этом сборка крупногабаритного тороида (тора), предназначенного для создания искусственного тяготения, осуществляется не в земных условиях, а на околоземной орбите, что также упрощает конструкцию ПКЛА.

Возможность размещения в конструкции ПКЛА большого количества модулей позволяет значительно увеличить объемы для размещения людей, грузов, оборудования и, как следствие, обеспечить, в совокупности с искусственным тяготением длительные полеты в космическом пространстве без дозаправки топливом и продуктами для обеспечения жизнедеятельности. При этом обеспечивается сменяемость командных экипажей за счет возможности их перехода из центрального модуля в модули тороида (и обратно) с целью реабилитации от воздействия невесомости.

Конструкция модуля, имеющего в своем составе все необходимые для автономного полета в космическом пространстве, а также способность ПКЛА трансформироваться в виде орбитальной станции или в виде межпланетного космического корабля улучшает его эксплуатационные характеристики, повышает надежность и безопасность.

По имеющимся у заявителя сведениям, совокупность существенных признаков заявляемого ПКЛА не известны из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «новизна».

По мнению заявителя, сущность заявляемого изобретения не следует главным образом из известного уровня техники, так как из него не выявляется вышеуказанное влияние на достигаемый технический результат - новые свойства объекта - совокупность признаков, которые отличаются от известных космических ЛА (Nautilus-X и др.) заявляемый ПКЛА, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «изобретательский уровень».

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, может быть многократно использована в производстве ПКЛА, конструкция которого выполнена в виде вращающегося тороида с получением технического результата, заключающегося в создании искусственного тяготения, значительного увеличения жизненного и технического пространства и, как следствие, большой длительности полета, а также упрощение конструкции ПКЛА по сравнению с существующими ЛА, что позволяет сделать вывод о соответствии ПКЛА критерию «промышленная применяемость».

Изобретение поясняется чертежам, на которых изображены:

На фиг. 1 - ПКЛА, вид сбоку:

а) конфигурация в полете на околоземной орбите;

б) конфигурация в межпланетном полете.

На фиг. 2 - ПКЛА, вид в плане:

а) конфигурация в полете на околоземной орбите;

б) конфигурация в межпланетном полете.

На фиг. 3 - модуль ПКЛА центральный осевой:

а) с убранными радиальными звеньями на ракете-носителе (вид сбоку в разрезе);

б) вид в плане.

На фиг. 4 - модуль ПКЛА универсальный:

а) конфигурация автономного космического корабля (взлетно-посадочное) - вид сбоку в разрезе;

б) вид в плане.

ПКЛА содержит центральный осевой модуль 1, внутри которого в передней части находится герметичный отсек (капсула) 2 для размещения командного экипажа, способный вращаться относительно продольной оси, и который имеет по центру тоннель 3, соединяющий капсулу и стыковочное устройство 4 в задней части, имеется шлюзовая камера 5 с люками 6 и дверями 7, встроенными в тоннель, а также имеется блок двигателей 8, расположенный в заднем отсеке, тороидальную конструкцию - тороида 9, которая образована из одинаковых расположенных по кругу модулей 10, состоящих из переднего отсека 11 различного назначения (грузового, бытового, командного и др.), тоннеля 12, расположенного по центру на всю длину модуля и предназначенного для сообщения как и с передним отсеком через специальные люки-двери 13, так и с другими модулями тороида через поворотные стыковочные устройства 14 и 15, размещенных на концах тоннеля, а также состоящего из заднего отсека с расположенным в нем блоком двигателей 16, наружная оболочка которого выполнена из нескольких (показано 6) шарнирно установленных секций-обтекателей 17, способных за счет телескопических подкосов 18 отклоняться в стороны и служить в качестве взлетно-посадочных опор в режиме автономного полета, радиальные звенья 19 типа телескопических труб, которые соединяют каждый из модулей 10 тороида 9 одним из боковых стыковочных устройств 20 - с одной стороны, с другой стороны - с центральны осевым модулем 1, к которому звенья закреплены шарнирно с возможностью поворачиваться и фиксироваться перпендикулярно его оси за счет телескопически выдвигаемой трубы 21 радиальных звеньев 19, стыковочных устройств 22, телескопических подкосов 23, расположенных между центральным модулем 1 и радиальным звеном 19, механизмов поворота 24, а также раскосов 25, устанавливаемых между радиальными звеньями 19 с помощью механизма поворота 26, солнечные батарей 27, размещенные на каждом из упомянутых модулей, маневровые двигатели, входящие в состав каждого модуля (не показано), которые обеспечивают сборку (разборку) всей конструкции ПКЛА. Не показано также оборудование, размещенное в передних отсеках модулей.

Сборка ПКЛА осуществляется на околоземной орбите и производится в следующей последовательности.

С помощью ракет - носителей вначале на околоземную орбиту выводится модуль центральный осевой 1 с убранными радиальными звеньями 19, где после отсоединения модуля от ракеты - носителя, звенья поворачиваются с помощью механизмов поворота 24 и фиксируются относительно центрального модуля 1 с помощью подкосов 23, а между собой звенья фиксируются с помощью раскосов 25, установка которых осуществляется с помощью механизмов поворота 26. Затем на орбиту доставляются универсальные модули 10 с целью создания тороида 9, которые соединяются с радиальными звеньями 19 с помощью боковых стыковочных устройств 20, после чего модули поворачиваются относительно продольной оси радиального звена до стыковки модулей между собой с помощью стыковочных устройств 14 и 15 с образованием тороида 9. На орбиту могут быть также дополнительно доставлены такие же модули различного назначения и пристыкованы к центральному осевому модулю 1 или к модулям тороида за счет боковых стыковочных устройств типа 20. Сборка ПКЛА на орбите может быть осуществлена как в пилотируемом, так и в беспилотном режимах полета.

На заключительном этапе сборки производится включение всех систем ПКЛА, в том числе систем жизнеобеспечения, энергообеспечения (раскрываются солнечные батареи 27), ориентация относительно Земли и приведение во вращение ПКЛА относительно оси центрального модуля с заданной частотой для создания в модулях тороида искусственного тяготения за счет возникающих центробежных сил. Расчеты показывают, что даже при относительно небольшом диаметре тороида (12,5 м), для достижения величины земного тяготения необходима частота вращения ПКЛА - 12 оборотов в минуту. При этом все модули ПКЛА сообщаются между собой за счет стыковочных устройств, тоннелей и радиальных звеньев, которые оснащены пневмолифтами с выходом при необходимости через люки-двери в любой отсек модуля. Также модули оснащены люками (не показано) для выхода космонавтов в космическое пространство.

Для полетов к другим космическим телам, в частности к планетам солнечной системы, ПКЛА трансформируется, когда модули тороида поворачиваются параллельно оси центрального осевого модуля, при этом может быть увеличено количество универсальных модулей 10 в зависимости от дальности полета. Затем увеличивается скорость полета ПКЛА за счет включения блоков двигателей 16 у нескольких модулей 10 с целью схода ПКЛА с околоземной орбиты и полета к планете. При приближении ПКЛА к планете на расчетное расстояние модули тороида предварительно поворачиваются относительно осей радиальных звеньев на 180° с целью обеспечения его торможения за счет включения блоков двигателей 16 модулей 10. По достижению планеты ПКЛА выходит на околопланетную орбиту, где происходит отстыковка одного или нескольких универсальных модулей с космонавтами на борту и осуществляется посадка на планету. Выход (вход) космонавтов из модуля на поверхность планеты осуществляется через стыковочное устройство 15 тоннеля 12, соединенного с передним командным отсеком 11, имеющим шлюзовую камеру, размещенную внутри тоннеля 12. При этом ПКЛА совершает орбитальный полет вокруг планеты в режиме ожидания. После выполнения задания модуль с экипажем совершает взлет с планеты и пристыковывается к ПКЛА, который затем может продолжить полет к другим планетам или возвратиться на околоземную орбиту.

На протяжении всех длительных полетов капсула 2 с командным экипажем синхронно вращается противоположно направлению вращения всего ПКЛА, что обеспечивает неизменную ориентацию экипажа относительно внешнего космического пространства, при этом с целью реабилитации от воздействия невесомости обеспечивается сменяемость экипажа за счет возможности его перехода в модули тороида.

Предложенный ПКЛА впервые благодаря искусственному тяготению, простоте конструкции за счет применения одинаковых универсальных модулей, позволяющих создавать внутренние большие жизненные и технические пространства, а также выполнять функции автономных космических кораблей, совершать безопасно и надежно длительные полеты как на околоземной орбите, так и в космическом межпланетном пространстве, что позволяет сделать вывод о «промышленной применимости» ПКЛА.

Изобретение относится к пилотируемым космическим летательным аппаратам (ПКЛА), совершающим длительные полеты в космосе, а именно вокруг Земли или в межпланетном пространстве. Пилотируемый космический летательный аппарат (ПКЛА) содержит центральный осевой модуль, имеющий с двух концов стыковочные устройства, модуль в виде вращающегося тора, дополнительные модули, предназначенные для хранения грузов и проживания экипажа, а также двигатели и солнечные батареи. При этом дополнительные модули пристыкованы к центральному модулю и между собой в направлении центральной оси. Модуль в виде тора установлен на центральном осевом модуле и выполнен из состыкованных между собой модулей. Причем каждый модуль тора состыкован с центральным модулем трубчатым звеном и выполнен с возможностью поворачиваться относительно его оси и занимать положение параллельно оси центрального модуля. При этом все модули снабжены двигателями, солнечными батареями, системами жизнеобеспечения и необходимым оборудованием, а ПКЛА выполнен с возможностью вращения относительно оси центрального модуля. Изобретение позволяет обеспечить безопасность и надежность пилотируемого полета космических летательных аппаратов. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Пилотируемый космический летательный аппарат (ПКЛА), содержащий центральный осевой модуль, имеющий с двух концов стыковочные устройства, модуль в виде вращающегося тора, дополнительные модули, предназначенные для хранения грузов и проживания экипажа, а также двигатели и солнечные батареи, отличающийся тем, что дополнительные модули пристыкованы к центральному модулю и между собой в направлении центральной оси, модуль в виде тора, установленный на центральном осевом модуле, выполнен из состыкованных между собой модулей, причем каждый модуль тора состыкован с центральным модулем трубчатым звеном и выполнен с возможностью поворачиваться относительно его оси и занимать положение параллельно оси центрального модуля, при этом все модули снабжены двигателями, солнечными батареями, системами жизнеобеспечения и необходимым оборудованием, а ПКЛА выполнен с возможностью вращения относительно оси центрального модуля.

2. ПКЛА по п. 1, отличающийся тем, что все модули собраны между собой в конструкцию за счет стыковочных устройств, расположенных сбоку модуля и на его концах, которые имеют способность ориентироваться при стыковке с другими модулями.

3. ПКЛА по п. 2, отличающийся тем, что все модули конструктивно имеют сообщение между собой, включая дополнительно пристыкованные модули.

4. ПКЛА по п. 1, отличающийся тем, что центральный осевой модуль имеет внутри капсулу для размещения командного экипажа, которая имеет способность синхронно вращаться со всей конструкцией, но противоположно ее направлению вращения.

5. ПКЛА по п. 1, отличающийся тем, что каждый модуль тора соединен с центральным модулем радиальным звеном типа телескопической трубы.

6. ПКЛА по п. 5, отличающийся тем, что радиальные звенья шарнирно закреплены сбоку центрального осевого модуля и фиксируются относительно него и между собой с помощью выдвинутой из радиального звена телескопической трубы, стыковочного устройства, а также подкосов и раскосов.