ПОСАДОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ВОЗВРАЩАЕМОЙ СТУПЕНИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ И СПОСОБ ЕЁ ПОСАДКИ Российский патент 2022 года по МПК B64G5/00 

Область техники

Изобретение относится к области ракетно-космической техники и может найти применение при создании многоразовых ступеней ракет-носителей.

Уровень техники

Известен проект посадочного устройства возвращаемой ступени ракеты-носителя (Журнал «ПРЕТИЧ» 25.01.2022, статья «Вертолет спасает космическую ракету - проект»), содержащего контейнер с парашютами, вертолет с устройством захвата троса вытяжного парашюта, и способ посадки ступени, заключающийся в том, что на заданной высоте парашюты вводятся в воздушный поток, после чего вертолет с помощью специального троса с устройством захвата цепляет трос вытяжного парашюта ступени и далее обеспечивает транспортировку и посадку ступени на посадочную площадку. В декабре 2021 года американская космическая компания Rocket Lab успешно реализовала этот проект, посадив первую ступень легкой ракеты «Электрон». Недостаток устройства и способа посадки ступени заключается в недостаточной надежности сохранения ступени и невозможности посадки таким способом тяжелых ступеней с помощью вертолета.

Известно также посадочное устройство возвращаемой ступени ракеты-носителя (Журнал «Репортер», статья «Возрождение «Байкала»: что не так с российской многоразовой ракетой?»), принимаемое за аналог, содержащее в сложенном состоянии вдоль корпуса ступени раскладываемое крыло, а также элементы стабилизатора, убранные шасси для посадки «по-самолетному» на взлетно-посадочную полосу (ВПП) аэропорта, систему управления с турбореактивными двигателями для управляемого полета в атмосфере и с запасом топлива для них, и способ посадки ступени, заключающийся в том, что на заданной высоте после отделения ступени включается система управления, последовательно раскладывающая крыло, включающая турбореактивные двигатели и обеспечивающая выпуск шасси для посадки ступени на ВПП и управление полетом. Недостаток аналога и способа его посадки заключается в существенном увеличении веса ступени, снижающем эффективность ракеты-носителя в целом.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и принимаемым в качестве прототипа, является посадочное устройство возвращаемой ступени ракеты-носителя и способ ее посадки, примененные в ракете-носителе Falcon-9 (Журнал «Все о космосе», статья «РН «Falcon-9»). Посадочное устройство состоит из четырех раскладываемых до касания посадочной площадки с малой скоростью посадочных опор, установленных симметрично в нижней части ступени и обеспечивающих сохранение конструкции ступени при посадке, системы управления посадкой, включающей до трех используемых для посадки дросселируемых маршевых двигателей, установленных в нижней части ступени, и системы ориентации с реактивными двигателями, осуществляющими приведение ступени перед посадкой в вертикальное положение, и способа посадки, заключающегося в раскладывании нижних посадочных опор и приведении ступени в вертикальное положение до момента касания посадочной площадки с малой скоростью нижними посадочными опорами. Недостаток прототипа заключается в возможной потере ступени при отклонении ступени от вертикального положения на нерасчетный угол в момент касания посадочной площадки за счет нерасчетных случайных погрешностей системы управления или за счет случайного в этот момент порыва ветра со скоростью, превышающей расчетную.

Таким образом, известные технические решения не могут обеспечить безаварийную посадку возвращаемой ступени ракеты-носителя при отклонении ступени от вертикального положения на нерасчетный угол в момент касания посадочной площадки за счет нерасчетных случайных погрешностей системы управления или за счет случайного в этот момент порыва ветра со скоростью, превышающей расчетную.

Причиной, препятствующей решению этой технической проблемы, является конструктивная неприспособленность возвращаемой ступени ракеты-носителя к посадке в более устойчивое по отношению к указанным обстоятельствам горизонтальное положение.

Раскрытие сущности изобретения

Предлагается посадочное устройство возвращаемой ступени ракеты-носителя и способ ее посадки, обеспечивающие перевод ступени из вертикального в горизонтальное положение на финальном этапе посадки.

а. Посадочное устройство возвращаемой ступени ракеты-носителя состоит из четырех раскладываемых посадочных опор, системы управления при посадке и системы ориентации. Посадочные опоры установлены в нижней части ступени симметрично относительно ее продольной оси. Система управления при посадке содержит один или несколько маршевых ракетных двигателей с изменяемым по модулю и отклоняемым по направлению вектором тяги, также установленных в нижней части ступени. Система ориентации содержит четыре решетчатых руля, размещенных в верхней части ступени, и ракетные двигатели, осуществляющие приведение ступени перед посадкой в вертикальное положение. С целью облегчения поворота ступени из вертикального в заданное горизонтальное положение нижние посадочные опоры ступени в разложенном состоянии имеют небольшой радиус удаления узла касания посадочной опоры с посадочной площадкой от продольной оси ступени, достаточный для сохранения целостности конструкции ступени при ее повороте.

b. В состав посадочного устройства входят четыре верхние посадочные опоры, размещенные симметрично относительно поперечной оси ступени по плоскостям установки нижних посадочных опор, аналогичные нижним посадочным опорам, что в совокупности с уменьшенными нижними опорами смещает центр тяжести ступени к ее верхней части, что весьма важно при движении ступени в атмосфере.

c. Узел касания посадочной опоры с посадочной площадкой представляет собой плиту в форме круглого диска, к которой сверху в центре с помощью одноосного шарнира прикреплена выдвигаемая посадочная штанга и с боков приварены две боковые трубы посадочной опоры, а снизу к плите приварена полусфера с диаметром, равным диаметру плиты, что облегчает поворот ступени из вертикального в заданное горизонтальное положение относительно двух нижних опор, находящихся на посадочной площадке.

d. Система ориентации посадочной ступени содержит финальный алгоритм управления, обеспечивающий поворот ступени из исходного вертикального в заданное горизонтальное положение относительно двух нижних посадочных опор к моменту касания посадочной площадки с малой скоростью двумя верхними посадочными опорами.

е. Способ посадки возвращаемой ступени ракеты-носителя состоит в раскладывании верхних посадочных опор одновременно с нижними и приведении ступени в вертикальное положение до момента касания посадочной площадки с малой скоростью нижними посадочными опорами, после чего выполняется приведение ступени из вертикального в заданное горизонтальное положение к моменту касания посадочной площадки с малой скоростью верхними посадочными опорами.

Задачей этого изобретения является разработка посадочного устройства возвращаемой ступени ракеты-носителя и способа ее посадки, учитывающие возможность появления нерасчетных случайных погрешностей системы управления в момент касания посадочной площадки нижними посадочными опорами или случайного порыва ветра в этот момент со скоростью, превышающей расчетную, и обеспечивающие более устойчивое горизонтальное положение возвращаемой ступени после посадки.

Поставленная задача решается тем, что посадочное устройство возвращаемой ступени ракеты-носителя, состоящее из четырех раскладываемых до касания посадочной площадки с малой скоростью посадочных опор, установленных в нижней части ступени симметрично относительно продольной оси ступени и обеспечивающих сохранение целостности конструкции ступени при посадке, системы управления при посадке, содержащей один или несколько маршевых ракетных двигателей с изменяемым и отклоняемым вектором тяги, установленных в нижней части ступени, системы ориентации с четырьмя решетчатыми рулями и с ракетными двигателями, осуществляющими приведение ступени перед посадкой в вертикальное положение, согласно изобретению эти опоры в разложенном состоянии имеют небольшой радиус удаления узла касания посадочной опоры с посадочной площадкой от продольной оси ступени, достаточный для сохранения целостности конструкции ступени при ее повороте.

На верхней части ступени симметрично относительно поперечной оси ступени установлены верхние посадочные опоры по плоскостям установки нижних посадочных опор, аналогичные нижним посадочным опорам, и раскладываемые одновременно с нижними посадочными опорами.

Узел касания посадочной опоры с посадочной площадкой представляет собой плиту в форме круглого диска, к которой сверху в центре с помощью одноосного шарнира прикреплена выдвигаемая посадочная штанга и с боков приварены две боковые трубы посадочной опоры, а снизу приварена полусфера с диаметром, равным диаметру плиты.

Система ориентации ступени содержит финальный алгоритм управления, обеспечивающий поворот ступени из исходного вертикального в заданное горизонтальное положение к моменту касания посадочной площадки с малой скоростью двумя верхними посадочными опорами.

Способ посадки возвращаемой ступени ракеты-носителя, заключающийся в раскладывании нижних посадочных опор и приведении ступени в вертикальное положение до момента касания посадочной площадки с малой скоростью нижними посадочными опорами, согласно изобретению раскладывание верхних посадочных опор производится одновременно с раскладыванием нижних посадочных опор, а после момента касания посадочной площадки двумя нижними посадочными опорами осуществляется _t приведение посадочной ступени из вертикального в заданное горизонтальное положение к моменту касания посадочной площадки с малой скоростью двумя верхними посадочными опорами.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведена проекция возвращаемой ступени на вертикальную, горизонтальную и нормальную плоскости перед посадкой.

На фиг. 2 приведена проекция возвращаемой ступени на вертикальную, горизонтальную и нормальную плоскости после посадки.

На фиг. 3 приведены проекции узла касания посадочной опоры с посадочной площадкой на вертикальную, горизонтальную и нормальную плоскости.

На этих фигурах:

1 - возвращаемая ступень,

2 - нижние посадочные опоры;

3 - верхние посадочные опоры;

4 - решетчатый руль;

5 - сопло маршевого двигателя;

6 - плита;

7 - одноосный шарнир;

8 - выдвигаемая посадочная штанга;

9 - боковая труба;

10 - полусфера.

Осуществление изобретения

Пример возможной реализации предложенного технического решения.

Посадочное устройство возвращаемой ступени ракеты-носителя состоит из четырех нижних посадочных опор 2, установленных симметрично в нижней части ступени и имеющих в разложенном состоянии радиус удаления узла касания посадочной опоры с посадочной площадкой от продольной оси ступени, равный двум диаметрам ступени, и из четырех верхних посадочных опор 3, установленных симметрично относительно поперечной оси ступени по плоскостям установки нижних посадочных опор и аналогичных нижним посадочным опорам.

Посадочное устройство включает в себя также систему управления при посадке, включающую систему ориентации ступени с четырьмя решетчатыми рулями 4 и ракетными двигателями (на фиг. 1 и фиг. 2 не показано). Система ориентации содержит финальный алгоритм управления, который обеспечивает поворот ступени из вертикального в заданное горизонтальное положение к моменту касания посадочной площадки с малой скоростью верхними посадочными опорами.

Система управления при посадке содержит пять маршевых ракетных двигателей с соплами 5 с изменяемым по модулю и отклоняемым по направлению вектором тяги.

Узел касания посадочной опоры с посадочной площадкой представляет собой плиту 6 в форме круглого диска диаметра 0,3 м, к которой сверху в центре с помощью одноосного шарнира 7 прикреплена выдвигаемая посадочная штанга 8 и с боков приварены две боковые трубы 9 посадочной опоры, а снизу приварена полусфера 10 с диаметром, равным диаметру плиты.

Способ посадки возвращаемой ступени ракеты-носителя состоит в одновременном раскладывании нижних и верхних посадочных опор и приведении ступени в вертикальное положение перед касанием посадочной площадки с малой скоростью нижними посадочными опорами, а после касания - в приведении посадочной ступени из вертикального в заданное горизонтальное положение к моменту касания посадочной площадки верхними посадочными опорами.

Посадочное устройство возвращаемой ступени ракеты-носителя работает следующим образом. Перед посадкой ступени система управления обеспечивает управляемое движение ступени по траектории посадки в заданную точку посадочной площадки и ее угловое движение таким образом, чтобы к моменту касания посадочной площадки нижними посадочными опорами ступень занимала вертикальное положение, а ее вертикальная и горизонтальная скорости равнялись нулю. Это достигается благодаря работе системы управления, которая обеспечивает необходимое изменение величины и направления вектора тяги маршевых ракетных двигателей, отклонение решетчатых рулей и управление работой ракетных двигателей, осуществляющих ориентацию ступени в пространстве. Непосредственно перед посадкой производится одновременное раскладывание нижних и верхних посадочных опор. После касания посадочной площадки нижними посадочными опорами включается финальный алгоритм управления, который переводит ступень из вертикального в заданное горизонтальное положение. После касания посадочной площадки верхними посадочными опорами система управления выключается.

В результате применения настоящего изобретения техническое решение, обеспечивающее безаварийную посадку возвращаемой ступени ракеты-носителя при отклонении ступени от вертикального положения на нерасчетный угол в момент касания посадочной площадки за счет нерасчетных случайных погрешностей системы управления или за счет случайного в этот момент порыва ветра со скоростью, превышающей расчетную, реализуется за счет:

- использования конструкции посадочных опор с небольшим радиусом удаления узла касания посадочной опоры с посадочной площадкой от продольной оси ступени, достаточным для сохранения целостности конструкции ступени при ее повороте,

- применения верхних посадочных опор по плоскостям установки нижних посадочных опор симметрично относительно поперечной оси ступени, аналогичных нижним посадочным опорам,

- применения узла касания посадочной опоры, имеющей плиту в форме круглого диска, к которому снизу приварена полусфера с диаметром, равным диаметру плиты,

- применения финального алгоритма управления, обеспечивающего поворот ступени из вертикального в заданное горизонтальное положение к моменту касания посадочной площадки с малой скоростью двумя верхними посадочными опорами,

- применении способа посадки возвращаемой ступени, состоящего из двух этапов: первого этапа посадки ступени в вертикальном положении, включающего момент одновременного раскладывания нижних и верхних посадочных опор, до момента касания посадочной площадки нижними посадочными опорами и второго этапа - от момента касания посадочной площадки нижними посадочными опорами и включения и работы финального алгоритма посадки до момента касания посадочной площадки верхними посадочными опорами.

Группа изобретений относится к космической технике, а более конкретно к посадочным устройствам. Посадочное устройство возвращаемой ступени ракеты-носителя состоит из четырех раскладываемых до касания посадочной площадки с малой скоростью посадочных опор. Опоры в разложенном состоянии имеют небольшой радиус удаления узла касания посадочной опоры с посадочной площадкой от продольной оси ступени. Способ посадки возвращаемой ступени ракеты-носителя состоит в раскладывании нижних посадочных опор и приведении ступени в вертикальное положение до момента касания посадочной площадки с малой скоростью нижними посадочными опорами. При этом раскладывание верхних посадочных опор производится одновременно с раскладыванием нижних посадочных опор, а после момента касания посадочной площадки двумя нижними посадочными опорами осуществляется приведение посадочной ступени из вертикального в заданное горизонтальное положение. Достигается безаварийность посадки. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Посадочное устройство возвращаемой ступени ракеты-носителя, состоящее из четырех раскладываемых до касания посадочной площадки с малой скоростью посадочных опор, установленных в нижней части ступени симметрично относительно продольной оси ступени и обеспечивающих сохранение целостности конструкции ступени при посадке, системы управления при посадке, содержащей один или несколько маршевых ракетных двигателей с изменяемым и отклоняемым вектором тяги, установленных в нижней части ступени, системы ориентации с четырьмя решетчатыми рулями и с ракетными двигателями, осуществляющими приведение ступени перед посадкой в вертикальное положение, отличающееся тем, что эти опоры в разложенном состоянии имеют небольшой радиус удаления узла касания посадочной опоры с посадочной площадкой от продольной оси ступени, достаточный для сохранения целостности конструкции ступени при ее повороте.

2. Посадочное устройство по п. 1, отличающееся тем, что на верхней части ступени симметрично относительно поперечной оси ступени установлены верхние посадочные опоры по плоскостям установки нижних посадочных опор, аналогичные нижним посадочным опорам и раскладываемые одновременно с нижними посадочными опорами.

3. Посадочное устройство по п. 1, отличающееся тем, что узел касания посадочной опоры с посадочной площадкой представляет собой плиту в форме круглого диска, к которой сверху в центре с помощью одноосного шарнира прикреплена выдвигаемая посадочная штанга и с боков приварены две боковые трубы посадочной опоры, а снизу приварена полусфера с диаметром, равным диаметру плиты.

4. Посадочное устройство по п. 1, отличающееся тем, что система ориентации ступени содержит финальный алгоритм управления, обеспечивающий поворот ступени из вертикального в заданное горизонтальное положение к моменту касания посадочной площадки с малой скоростью двумя верхними посадочными опорами.

5. Способ посадки возвращаемой ступени ракеты-носителя, заключающийся в раскладывании нижних посадочных опор и приведении ступени в вертикальное положение до момента касания посадочной площадки с малой скоростью нижними посадочными опорами, отличающийся тем, что раскладывание верхних посадочных опор производится одновременно с раскладыванием нижних посадочных опор, а после момента касания посадочной площадки двумя нижними посадочными опорами осуществляется приведение посадочной ступени из вертикального в заданное горизонтальное положение к моменту касания посадочной площадки с малой скоростью двумя верхними посадочными опорами.