УСТРОЙСТВО ВЫВЕДЕНИЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ТИПА Российский патент 2023 года по МПК B64G1/00 

Изобретение относится к космонавтике и может быть использовано для решения задач выведения на заданные орбиты отделяемых объектов (00) (1) (космических аппаратов (КА) и их группировок различного назначения, доставки полезной нагрузки к различным космическим объектам (КО) техногенного и естественного происхождения: астероидам, метеоритам, объектам космического мусора) [1, 2]. Эффект от его создания и применения заключается в расширении состава средств орбитального базирования, способных решить указанные задачи. Он достигается тем, что устройство выведения вращательного типа содержит приборно-агрегатный отсек (2), устройство ориентации оси вращения объектов (полезной нагрузки) с требуемыми углами ориентации до их раскручивания, устройство раскручивания объектов (КА, полезной нагрузки) до требуемой угловой скорости за счет вращения корпуса устройства (3) выведения вращательного типа с требуемыми углами бросания за счет энергии вращения (фиг. 1.а) или за счет энергии вращения относительно корпуса устройства (4) выведения вращательного типа его составной части - роторного устройства с расположением устройства выбрасывания объектов с требуемыми углами бросания (фиг. 1.6) и может применяться для выведения на заданные орбиты КА и полезной нагрузки [3].

Основные недостатки существующих аналогичных средств: средств выведения космических аппаратов (КА), разгонных блоков КА, что они являются сложными в технической реализации устройствами и требуют значительных энергетических затрат для решения указанных задач.

Известно устройство - разгонный блок (патент №2340516), содержащий кольцевую связку сферических усеченных баков, с которыми соединены стержни, установленные по ребрам правильной восьмиугольной пирамиды с креплениями к полезной нагрузке, и дополнительную связку баков в виде четырех цилиндрических емкостей со сферическими днищами, соединенными друг с другом, отделяемой после выработки из нее топлива, узлы крепления разгонного блока к смежной ступени носителя и ракетным двигателем, размещенном в осевом проеме дополнительной связки баков весте с дополнительным топливным баком.

Недостатком этого устройства являются сложность технической реализации, использование его в качестве последних ступеней ракетоносителей, наличие на борту разгонного блока увеличенных запасов топлива.

Известна система отделения полезной нагрузки (патент №2268208), содержащая разъединяемое удерживающее устройство, установленное между несущей конструкцией и полезной нагрузкой и включающее в себя дискретно расположенные на несущей конструкции механические замки, каждый из которых содержит стержень, удерживающее и фиксирующее звенья, причем стержень замка одним концом закреплен на полезной нагрузке, а другим концом контактирует с удерживающим звеном замка, устройство фиксации замков, содержащее натянутые тросы, взаимодействующие с фиксирующими звеньями замков и удерживаемые на несущей конструкции пиросредством, при этом система содержит толкатели отделения полезной нагрузки от несущей конструкции, отличающаяся тем, что стержень замка выполнен с односторонним выступом, контактирующим с указанным удерживающим звеном замка, а устройство фиксации замков снабжено многолучевой звездочкой, закрепленной с возможностью поворота на несущей конструкции в центре окружности установки замков и удерживаемой от поворота указанным пиросредством, при этом лучи звездочки связаны с фиксирующими звеньями соответствующих замков радиально натянутыми тросами, соединение концов которых с лучами звездочки выполнено с эксцентриситетом по отношению к оси ее вращения.

Недостатками данного устройства являются большая энергоемкость пиросредства, возможность повреждения элементов конструкции полезной нагрузки.

Известна система отделения полезной нагрузки (патент №2293694), содержащая разъединяемое удерживающее устройство, установленное между несущей конструкцией и полезной нагрузкой, и включающее в себя дискретно расположенные на закрепленном на несущей конструкции корпусе устройства механические замки с удерживающими и фиксирующими звеньями, связанные с поворотной многолучевой звездочкой, закрепленной с возможностью поворота в центре окружности установки замков и удерживаемой в исходном положении от поворота пиросредством, а также пружинные толкатели для отделения полезной нагрузки.

Недостатком данного устройства является возможность повреждения элементов конструкции полезной нагрузки, недостаточно высокая надежность системы, наличие дополнительных крепежных деталей, которые остаются в составе полезной нагрузки после разделения, что увеличивает ее массу.

Известно устройство - центробежный пулемет (патент №7109) с вертикальной осью вращения и подачей пули через центральное отверстие в его оси, характеризующийся совокупным применением: а) помещенной на оси червячной передачи с тягой, ползуном и стержнем, служащим для проталкивания пули из ленты в канал оси и б) укрепленного в диске пружинного рычага, ведущего пулю по нарезам жолобка стального обода до выхода ее через отверстие, в котором пули выбрасываются из канала диска под действием центробежных сил, развивающихся при вращении последнего.

Недостатком данного устройства невозможность его применения для решения задач выведения на заданные орбиты КА и их группировок различного назначения.

Известно устройство - центробежный пулемет (патент №5905), состоящий из диска с криволинейным каналом, снабженного полуосями, из которых одна сделана полой и сообщается с каналом диска, а по второй полуоси сжатым воздухом производится подача пуль в канал диска, при быстром вращении которого тем или иным двигателем, пули, досланные силою сжатого воздуха до основания выводного канала в диске, начинают, под действием центробежной силы, двигаться по каналу и выбрасывается из фигурного канала диска, под действием развивающихся при вращении центробежных сил.

Недостатком данного устройства невозможность его применения для решения задач выведения на заданные орбиты КА и их группировок различного назначения.

Известно устройство для пуска ракет (патент №2330233), в котором для обеспечения высокой скорострельности устройство для запуска ракет выполнено в виде центрифуги с радиально закрепленными на ней направляющими, предназначенными для укладки и фиксации в них, которые при вращении центрифуги обеспечивают кратковременное удержание сошедших с направляющих под действием центробежных сил ракет в зависшем положении и освобождение ракет с последующим включением их двигателей.

Недостатком данного устройства является его применение только для скоростного пуска (очередями) значительного количества управляемых ракет из одной точки (укрытия), что делает невозможным его применения для решения задач выведения на заданные орбиты КА и их группировок различного назначения.

Известен проект устройства для посылки аппаратов в мировое пространство с помощью пращи и кругового туннеля, представляющего большое колесо с укрепленным на его ободе аппаратом, после приведения которого в быстрое вращение аппарат освобождают от удерживающей его связи, и продолжает путь по касательной к окружности обода и с той же линейной скоростью, которую он имел в момент освобождения, что может быть упрощено заменой колеса двуплечим рычагом, насаженным средней частью на ось, приводимую во вращение от того или иного двигателя с укрепленными аппаратом, для освобождения точно в избранный момент в желательном направлении которого от удерживающей связи можно применить электрический механизм и противовесом [4].

Недостатками этого устройства, как указывает автор, являются невозможность получения скоростей, близких к космической скорости, значительные массово-габаритные характеристики.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является система отделения нагрузки от космического аппарата (патент №2396190) с сообщением ей вращательного движения, вектор скорости которого совпадает с направлением вектора скорости поступательного движения при отделении, содержащая основание, предназначенное для соединения с конструкцией космического аппарата, и плунжер в виде трубы, жестко соединенной одной из ее торцевых частей с диском, имеющим соосное с трубой центральное отверстие, вал, размещенный внутри трубы плунжера, установленное на основании пружинное средство для сообщения поступательного движения плунжеру, снабженное средством регулирования линейной скорости отделения путем изменения усилия предварительного сжатия указанного пружинного средства, а также управляемое средство для стопорения плунжера, отличающаяся тем, что она снабжена платформой с отверстиями для опор размещаемой на ней отделяемой полезной нагрузки, указанный вал жестко соединен с платформой и установлен внутри указанной трубы плунжера на радиальной и осевой опорах с возможностью вращения вместе с платформой, указанная система содержит также жестко связанный с основанием установленный перпендикулярно ему цилиндрический канал, труба плунжера имеет длину, превышающую длину этого канала, и размещена в нем с возможностью только продольного перемещения, в трубе плунжера размещено средство для сообщения вращательного движения платформе, выполненное в виде торсиона, ориентированного по продольной оси указанной трубы и одним концом соединенного с валом, а другим - с опорным узлом, установленным в противоположной торцевой части трубы плунжера с возможностью свободного вращения только в направлении закрутки торсиона и являющимся средством для регулирования угловой скорости отделения путем изменения угла предварительной закрутки торсиона, при этом пружинное средство для сообщения поступательного движения плунжеру, передающему его платформе вместе с установленной на ней полезной нагрузкой, выполнено с возможностью передачи этого движения через указанный вал, размещенный в трубе плунжера, посредством воздействия этого пружинного средства на диск плунжера, управляемое средство для стопорения плунжера связано с диском плунжера и выполнено с возможностью освобождения его по команде на начало поступательного движения, причем система снабжена управляемым средством для стопорения платформы, выполненным с возможностью ее освобождения по команде на начало вращательного движения, и, кроме того, она содержит установленное на основании средство для фиксации отделяемой полезной нагрузки на платформе в транспортном положении, выполненное с возможностью взаимодействия с опорами отделяемой полезной нагрузки и обеспечивающее без подачи команды на это средство освобождение полезной нагрузки в направлении поступательного движения после начала вращательного движения.

Недостатком данной системы является ограниченность значений параметров движения отделяемой полезной нагрузки из-за необходимости обеспечения направления вектора скорости вращения отделяемой полезной нагрузки перпендикулярно вектору линейной скорости.

Целью изобретения является расширение состава средств орбитального базирования, обладающих технической простотой и незначительными массово-габаритными характеристиками, способных надежно решить задачи выведения на заданные орбиты КА и их группировок различного назначения, различные виды полезных нагрузок с низкими энергозатратами и без воздействия на элементы конструкции и полезной нагрузки.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство выведения вращательного типа, обеспечивающее решение задач по предназначению за счет раскручивания объектов (КА), получающих энергию для движения за счет энергии вращения, помимо входящих в прототип платформы с отверстиями для опор размещаемой на ней отделяемой полезной нагрузки, управляемого средства для стопорения платформы, средства для фиксации отделяемой полезной нагрузки на платформе, обеспечивающее освобождение полезной нагрузки в направлении поступательного движения после начала вращательного движения содержит устройство ориентации оси вращения объектов (полезной нагрузки) с требуемыми углами ориентации до их раскручивания в связной с устройством выведения вращательного типа системе координат с датчиковой аппаратурой для определения углов ориентации оси вращения, устройство раскручивания объектов до требуемой угловой скорости с датчиком угловой скорости для измерения угловой скорости вращения объектов, устройство выбрасывания объектов с требуемым углом бросания для придания им заданных параметрами движения.

Устройство ориентации оси вращения отделяющихся объектов (полезной нагрузки) с требуемыми углами ориентации а и (3 до их раскручивания вокруг оси вращения УВВТ (5), проходящей через его центр масс (6), в скоростной системе координат x_скy_скz_ск с датчиковой аппаратурой для определения углов ориентации оси вращения выполняется на базе стабилизированной платформы, служащей позиционным датчиком в системе ориентации и угловой стабилизации устройства выведения вращательного типа, определяющим его угловые отклонения от заданных направлений, и инерционных маховиков раскручиваемых двигателем (фиг. 2), движущегося по орбите (7) в одной из фокусов которой расположена Земля (8).

Устройство раскручивания объектов до требуемой угловой скорости с датчиком угловой скорости для измерения угловой скорости вращения объектов выполняется на базе инерционных маховиков раскручиваемых двигателем (9) (фиг. 3.а - осуществление раскручивания объектов за счет энергии вращения устройства выведения вращательного типа (вид в плоскости вращения); фиг. 3.б - осуществление раскручивания объектов за счет энергии вращения роторного устройства (вид перпендикулярно плоскости вращения)). Датчиком угловой скорости (10) может быть гироскопический датчик угловой скорости, поплавковый прибор или динамически настраиваемый, осцилляторный лазерный прибор.

Устройства выбрасывания объектов с требуемым углом бросания для придания им заданных параметров движения содержит датчиковую аппаратуру для определения совпадения угла ориентации устройства выведения вращательного типа или роторного устройства - Ψ требуемому значению и выдачи сигнала на выбрасывание объекта в устройство ликвидации связи объекта с устройством выведения вращательного типа или роторным устройством, устройство подачи (11) объектов магазинного или барабанного типа, устройство удержания/ликвидации (12) связи объекта с устройством выведения вращательного типа или роторным устройством с устройством отсечки последующего объекта (13) от предыдущего (фиг. 4.а - выбрасывание объектов за счет энергии вращения устройства выведения вращательного типа (вид в плоскости вращения); фиг. 4.б - выбрасывание объектов за счет энергии вращения роторного устройства (вид перпендикулярно плоскости вращения)).

Функционирование указанных устройств обеспечивается через блок электронной коммутации устройств с использованием источника электроснабжения.

Датчиковая аппаратура для определения совпадения угла ориентации (14) состоит из чувствительного элемента, преобразователя измеряемой величины, сигнализатора заданного уровня измеряемой величины и устройства передачи данных в блок электронной коммутации.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство выведения вращательного типа с отделяющимися объектами обладает наличием новых составных частей: устройства ориентации оси вращения объектов (полезной нагрузки) с требуемыми углами ориентации до их раскручивания, устройства раскручивания объектов до требуемой угловой скорости, устройства выбрасывания объектов с требуемым углом бросания.

Основными способами применения устройства выведения вращательного типа с отделяющимися объектами являются выбрасывание объектов в определенный момент времени с требуемыми параметрами при орбитальном движении устройства выведения вращательного типа.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство выведения вращательного типа с отделяющимися объектами обладает новизной и более широкими возможностями по использованию для решения задач выведения на заданные орбиты КА и других полезных нагрузок.

Таким образом, заявляемое устройство выведения вращательного типа соответствует критерию изобретения "новизна". Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что вновь введенные в предлагаемое устройство выведения вращательного типа составные части реализуемы, хорошо известны специалистам в данной области техники и дополнительного творчества, учитывая приведенные пояснения, для их реализации не требуется.

Примечание:

Источники информации, принятые при составлении описания и формулы изобретения.

1. Малые космические аппараты информационного обеспечения. Под ред. Фатеева В.Ф. - М.: Радиотехника, 2010. - 320 с.

2. Минаков Е.П., Пеньков М.М., Соколов Б.В., Шалдаев С.Е., Александров М.А. Устройство разрушения потенциально опасных космических объектов. Патент №2688111, 2019.

3. Инженерный справочник по космической технике. - М.: Военное издательство Министерства обороны СССР, 1969. - 694 с.

4. Штернфельд Ф.Ф. Введение в космонавтику. М.: Наука, 1974. - 240 с.

5. RU, патент: 2340516, B64G 001/16, B64G 001/22, B64G 001/40, 2008.

6. RU, патент: 2268208, B64G 1/64, 2006.

7. RU, патент: 2 293 694, B64G 1/64, B64D 1/02, F42B 15/36, 2007.

8. SU, патент: 7109, класс 72b, 6, 1928.

9. SU, патент: №5905, F41B 3/04, 1931.

10. RU, патент: 2330233, F41B 3/04, F41F 3/04, 2008.

11. RU, патент: 2396190, B64G 1/64, 2010 (прототип).

Изобретение относится к устройствам выведения вращательного типа (УВВТ) космических объектов (КО) и их группировок на заданные орбиты или – их доставки на поверхность Земли и других небесных тел. Требуемая для этого скорость сообщается вращением КО вместе с УВВТ вокруг их общего центра масс и отделением от УВВТ с заданным углом бросания. При этом КО могут дополнительно раскручиваться относительно каких-либо связанных осей УВВТ. Последнее снабжено датчиками для определения углов ориентации оси вращения УВВТ и средством сообщения ему вращения относительно этой оси. Средства выбрасывания КО, напр., пружинного типа могут иметь магазинное исполнение. Технический результат заключается в расширении состава космических средств, способных решать указанные задачи выведения КО, в т. ч. стабилизируемых вращением, в процессе своего штатного функционирования. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство выведения вращательного типа (УВВТ), содержащее пружинное устройство для сообщения поступательного движения отделяемым космическим объектам, снабженное средством регулирования линейной скорости отделения путем изменения усилия предварительного сжатия пружинного устройства, а также управляемым средством стопорения, отличающееся тем, что УВВТ с размещенными на его борту отделяемыми объектами, выбрасываемыми при его целевом применении, содержит устройство ориентации оси вращения УВВТ до раскручивания отделяемых объектов в связанной с УВВТ системе координат, снабженное датчиковой аппаратурой для определения требуемых углов ориентации указанной оси вращения, устройство раскручивания УВВТ с отделяемыми объектами до требуемой угловой скорости, снабженное датчиком угловой скорости вращения отделяемых объектов, устройства выбрасывания объектов с требуемыми углами бросания для придания им заданных параметров движения.

2. УВВТ по п. 1, отличающееся тем, что содержит роторное устройство с устройствами выбрасывания отделяемых объектов, предназначенное для раскручивания отделяемых объектов относительно корпуса УВВТ для их последующего отделения с требуемым углом бросания для придания им заданных параметров движения.