УЗЕЛ НЕСУЩЕГО ВИНТА МНОГОРАЗОВОЙ СТВОРКИ ГОЛОВНОГО ОБТЕКАТЕЛЯ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ Российский патент 2024 года по МПК B64G1/62 

Область техники

Изобретение относится к области ракетной техники и может найти применение при создании возвращаемых створок головных обтекателей ракет-носителей космического назначения.

Уровень техники

Одним из важных современных направлений развития ракетной техники является многоразовость использования ее элементов, в частности, первых и вторых ступеней ракет-носителей космического назначения. Это позволяет сократить стоимость одного запуска и время на подготовку очередного запуска.

К таким же элементам космической техники, которые могли бы стать многоразовыми, относится головной обтекатель, который предназначен для защиты выводимой на орбиту полезной нагрузки ракеты-носителя от больших механических и тепловых нагрузок на участке выведения и отделяется от ракеты-носителя на большой высоте лишь после прохождения участка с большим скоростным напором. Головной обтекатель является сложным техническим устройством, стоимость которого может достигать 10% стоимости запуска ракеты-носителя.

Известен проект Китая по применению парашютной системы для спасения и контролируемого спуска створок головного обтекателя ракет-носителей (журнал «Все о космосе» от 26.07.2021), который основан на применении парашютной системы для контролируемого спуска створок головного обтекателя на Землю. Створки головного обтекателя падают до определенной высоты и достижения соответствующих условий, подходящих для развертывания парашюта. Затем парашют раскрывается, чтобы замедлить падение створки. На определенной высоте происходит отделение тормозного парашюта, раскрывается парафойл, начинается вторичное торможение и управление процессом. После этого створка головного обтекателя приземляется в безопасной зоне контролируемым образом. Достоинством способа посадки и конструкции, реализующей этот способ, является ее простота. Вместе с тем, существенным недостатком способа является низкая точность обеспечения заданных координат приземления и низкая надежность сохранения целостности конструкции створки при приземлении.

Из средств массовой информации известен проект спасения створок головного обтекателя частной фирмы SpaceX США, принятый за аналог, в котором вскоре после отделения первой ступени при выходе ракеты из плотных слоев атмосферы головной обтекатель сбрасывают в виде двух раздельных створок. Каждая створка обтекателя оборудована азотными двигателями для управления ориентацией в вакууме и системой управления парафойлом, обеспечивающими плавное управляемое приводнение в заданной точке с точностью 50 м. Чтобы избежать контакта створки с водой SpaceX пытается поймать ее в сетку площадью ~3716 м², натянутую подобно батуту над быстроходными судами. Недостатком такого способа является непременное наличие теплого моря в стране, осуществляющей запуски ракет-носителей, и при его наличии необходимость создания специальных судов и сеток. При этом сложность улавливания головного обтекателя удваивается, так как каждая из двух створок движется к земле независимо.

Известно техническое решение, раскрытое в ЕР 0321721 А2 (ERNO RAUMFAHRTTECNIK GMBH), 28.06.1989, принятое за прототип, которое содержит признаки, совпадающие с заявленным изобретением. Предложен узел несущего винта многоразовой створки головного обтекателя, состоящий из неподвижной силовой трубы, установленной на поперечной силовой пластине, опирающейся на внутренний силовой набор створки, внутри неподвижной силовой трубы закреплена вращающаяся труба с закрепленной на ней сверху втулкой несущего винта. Недостаток прототипа состоит в том, что он не обеспечивает необходимую надежность приведение створки в заданный район приземления.

Таким образом, известные технические решения не обеспечивают необходимую надежность приведения створки головного обтекателя в заданный район приземления при сохранении сравнительной простоты конструкции.

Раскрытие сущности изобретения

Предлагается узел несущего винта многоразовой створки головного обтекателя и способ его работы, содержащий несущий винт и систему управления, обеспечивающие спуск в атмосфере Земли «по-вертолетному» в режиме авторотации несущего винта и приведение створки в заданный район приземления

а. Узел состоит из поперечной силовой пластины, опирающейся на силовой набор створки, и из неподвижной силовой трубы, в которой закреплена вращающаяся труба с закрепленной на ней сверху втулкой несущего винта для спуска створки в атмосфере Земли «по-вертолетному». Втулка несущего винта способна вращаться вместе с закрепленными во втулке лопастями на участке спуска в режиме авторотации. Для управления общим и циклическим шагом лопастей они вставлены во втулку своим осевым шарниром. Для обеспечения вращения лопасти относительно оси шарнира применен реверсивный шаговый электродвигатель, вставленный во втулку вместе с датчиком угла поворота лопасти. Внутри вращающейся трубы закреплена неподвижная труба, проходящая через вращающуюся втулку и заканчивающаяся неподвижной площадкой для размещения на ней необходимой аппаратуры.

b. В состав системы управления входит аппаратура потребителя системы глобального навигационного позиционирования, включая приемную антенну, размещенная под радиопрозрачным обтекателем на неподвижной площадке узла несущего винта. Аппаратура потребителя предназначена для определения пространственных координат створки головного обтекателя.

c. Система управления обеспечивает приведение створки головного обтекателя в заданный район приземления путем управления при движении по траектории спуска числом оборотов несущего винта, общим и циклическим шагом лопастей и стабилизацией углового положения створки в пространстве.

d. Способ работы узла несущего винта многоразовой створки головного обтекателя, состоящий из начального этапа освобождения лопастей несущего винта и выводе их в рабочее положение за счет набегающего потока воздуха при хаотичном вращении створки, переходе на режим авторотации и ориентированного положения створки относительно направления набегающего потока воздуха, а при переходе на участок траектории с установившимся пониженным скоростным напором и пониженной скоростью вертикального снижения, осуществляется одновременное управление общим и циклическим шагом лопастей для обеспечения необходимой надежности приведения створки головного обтекателя в заданный район приземления.

Задачей этого изобретения является разработка узла несущего винта многоразовой створки головного обтекателя и способ его работы, обеспечивающего необходимую надежность приведения створки головного обтекателя в заданный район приземления.

Поставленная задача решается тем, что узел несущего винта многоразовой створки головного обтекателя, состоящий из неподвижной силовой трубы, установленной на поперечной силовой пластине, опирающейся на внутренний силовой набор створки, внутри неподвижной силовой трубы закреплена вращающаяся труба с закрепленной на ней сверху втулкой несущего винта, согласно изобретению втулка несущего винта способна вращаться вместе с закрепленными во втулке лопастями на участке спуска в режиме авторотации, при этом лопасти вставлены во втулку своим осевым шарниром, и для обеспечения вращения лопасти относительно оси шарнира применен реверсивный шаговый электродвигатель, вставленный во втулку вместе с датчиком угла поворота лопасти, при этом внутри вращающейся трубы закреплена неподвижная труба, проходящая через вращающуюся втулку и заканчивающаяся неподвижной площадкой для размещения на ней необходимой аппаратуры.

В состав системы управления входит аппаратура потребителя системы глобального навигационного позиционирования, включая приемную антенну, размещенную под радиопрозрачным обтекателем на неподвижной площадке узла несущего винта, аппаратура потребителя предназначена для определения пространственных координат створки головного обтекателя.

Система управления обеспечивает приведение створки головного обтекателя в заданный район приземления путем управления при движении по траектории спуска числом оборотов несущего винта, общим и циклическим шагом лопастей.

Способ работы узла несущего винта многоразовой створки головного обтекателя, согласно изобретению вывод лопастей несущего винта в рабочее положение происходит за счет набегающего потока воздуха при хаотичном вращении створки, переходе на режим авторотации и ориентированного положения створки относительно направления набегающего потока воздуха, а при переходе на участок траектории с установившимся пониженным скоростным напором и пониженной скоростью вертикального снижения осуществляется одновременное управление общим и циклическим шагом лопастей для обеспечения необходимой надежности приведения створки головного обтекателя в заданный район приземления.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

На фиг. 1 приведена схема многоразовой створки головного обтекателя ракеты-носителя.

На этой схеме:

1 - поперечная силовая пластина;

2 - неподвижная труба;

3 - вращающаяся труба;

4 - втулка несущего винта;

5 - втулка вертикального шарнира;

6 - ротор реверсивного шагового электродвигателя;

7 - статор реверсивного шагового электродвигателя;

8 - неподвижная труба;

9 - неподвижная площадка;

10 - приемная антенна;

11 - радиопрозрачный обтекатель;

12 - опорный подшипник осевого шарнира;

13 - радиально-упорный подшипник осевого шарнира;

14 - радиально-упорный подшипник между трубами;

15 - опорный подшипник между трубами.

Осуществление изобретения

Пример возможной реализации предложенного технического решения.

Узел несущего винта многоразовой створки головного обтекателя состоит из поперечной силовой пластины 1, опирающейся на внутренний силовой набор створки, установленной на ней неподвижной силовой трубы 2, вращающейся труба 3 с закрепленной на ней сверху втулкой несущего винта 4, при этом втулка вертикального шарнира 5 лопасти соединена с ротором реверсивного шагового электродвигателя 6, который вместе со статором реверсивного шагового электродвигателя 7 образует осевой шарнир несущего винта, а внутри вращающейся трубы 3 закреплена неподвижная труба 8, проходящая через вращающуюся втулку несущего винта и заканчивающаяся неподвижной площадкой 9, на которой установлена приемная антенна 10 аппаратуры потребителя системы глобального навигационного позиционирования под радиопрозрачным обтекателем 11. В конструкции устройства применены опорный подшипник осевого шарнира 12, радиально-упорный подшипник осевого шарнира 13, радиально-упорный подшипник между трубами 14 и опорный подшипник между трубами 15.

В результате применения настоящего изобретения техническое решение, направленное на разработку узла несущего винта многоразовой створки головного обтекателя и способа его работы с целью повышения надежности приведения створки в заданный район приземления путем управления при движении по траектории спуска числом оборотов несущего винта, общим и циклическим шагом лопастей несущего винта реализуется за счет применения аппаратуры потребителя системы глобального навигационного позиционирования.

Группа изобретений относится к области ракетной техники, а более конкретно к головным обтекателям. Узла несущего винта многоразовой створки головного обтекателя содержит поперечную силовую пластину, на которой установлена неподвижная труба, в которой закреплена вращающаяся труба с установленной сверху втулкой несущего винта. Во втулке закреплены осевые шарниры лопастей несущего винта с регулированием общего и циклического шагов с помощью реверсивных шаговых электродвигателей. Внутри вращающейся трубы закреплена неподвижная труба, проходящая через вращающуюся втулку и заканчивающаяся неподвижной площадкой для размещения на ней приемной антенны. При переходе на участок траектории с установившимся пониженным скоростным напором и пониженной скоростью вертикального снижения осуществляется одновременное управление общим и циклическим шагом лопастей для обеспечения необходимой надежности приведения створки головного обтекателя в заданный район приземления, а также стабилизация углового положения створки за счет использования реактивного момента двигателя-маховика, создаваемого при раскрутке маховика. Достигается повышение надежности приведения створки головного обтекателя в заданный район приземления. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Узел несущего винта многоразовой створки головного обтекателя, состоящий из неподвижной силовой трубы, установленной на поперечной силовой пластине, опирающейся на внутренний силовой набор створки, внутри неподвижной силовой трубы закреплена вращающаяся труба с закрепленной на ней сверху втулкой несущего винта, отличающийся тем, что что втулка несущего винта способна вращаться вместе с закрепленными во втулке лопастями на участке спуска в режиме авторотации, при этом лопасти вставлены во втулку своим осевым шарниром, и для обеспечения вращения лопасти относительно оси шарнира применен реверсивный шаговый электродвигатель, вставленный во втулку вместе с датчиком угла поворота лопасти, при этом внутри вращающейся трубы закреплена неподвижная труба, проходящая через вращающуюся втулку и заканчивающаяся неподвижной площадкой для размещения на ней необходимой аппаратуры.

2. Узел по п. 1, отличающийся тем, что в состав его системы управления входит аппаратура потребителя системы глобального навигационного позиционирования, включая приемную антенну, размещенную под радиопрозрачным обтекателем на неподвижной площадке узла несущего винта, аппаратура потребителя предназначена для определения пространственных координат створки головного обтекателя.

3. Узел по п. 2, отличающийся тем, что его система управления обеспечивает приведение створки головного обтекателя в заданный район приземления путем управления при движении по траектории спуска числом оборотов несущего винта, общим и циклическим шагом лопастей.

4. Способ работы узла несущего винта многоразовой створки головного обтекателя, отличающийся тем, что вывод лопастей несущего винта в рабочее положение происходит за счет набегающего потока воздуха при хаотичном вращении створки, переходе на режим авторотации и ориентированного положения створки относительно направления набегающего потока воздуха, а при переходе на участок траектории с установившимся пониженным скоростным напором и пониженной скоростью вертикального снижения осуществляется одновременное управление общим и циклическим шагом лопастей для обеспечения приведения створки головного обтекателя в заданный район приземления.