Баллистическая возвращаемая капсула Советский патент 1992 года по МПК B64G1/64 

Изобретение относится к области космической техники, связанной с созданием аппаратов для доставки готовой продукции космических аппаратов-заводов, производящих различную продукцию в условиях микрогравитации в интересах народного хозяйства, такую, как кристаллы, полупроводники для радиоэлектронной промышленности, лекарства для медицинской отрасли, биостимуляторы и образцы культур для сельского хозяйства и т.д.

Известна автоматическая возвращаемая капсула для проведения экспериментов в условиях микрогравитации, имеющая форму усеченного конуса В качестве источника питания подсистем и полезной нагрузки предлагается энергоустановка с четырьмя панелями солнечных элементов Капсула оснащена основной гидразиновой двигательной установкой (ДУ) для выведения ее на расчетную орбиту и схода капсулы с орбиты и ДУ управления ориентацией в составе шести газодинамических двигателей. На орбите капсула функционирует в автоматическом режиме Для запуска капсулы предполагается использовать ракету-носитель Ariane IV или V. Срок эксплуатационной готовности 1993 г Приведены схемы компоновочного решения капсулы и размещения ее в отсете полезной нагрузки.

Недостатками этой капсулы связанными с ее функциональным назначением, являются:

сложность, большая масса и габариты, большие потребные затраты энергии на ее функционирование,

ГгТумД

относительно небольшая оперативность использования:

высокие весовые и стоимостные затраты на единицу полезной нагрузки (продукции технологического производства в космосе),

Наиболее близким к предлагаемому является устройство)представляющее собой баллистическую возвращаемую капсулу SRV, содержащую корпус со сбрасываемой теплозащитой, соединенные привязной системой, полезную нагрузку, теплоизолирующую надувную многосекционную оболочку между теплозащитой и корпусом, связанную с источником давления, тормозную двигательную установку для схода с орбиты, парашютную систему.

Недостатками этой баллистической возвращаемой капсулы являются

сложность капсулы, циклограммы ее функционирования, что снижает надежность капсулы; относительно большая ее стоимость;

смягчение удара капсулы о земную поверхность осуществляется только работой строп парашютной системы (зарифление и вытягивание строп);

не используется отброшенная масса теплозащиты;

жесткие временные требования к системе, обеспечивающей вытягивание строп.

Цель изобретения-упрощение конструкции, повышение ее надежности и технологичности при сохранении теплоизолирующих свойств надувной оболочки.

Цель достигается тем, что в баллистической возвращаемой капсуле, содержащей корпус со сбрасываемой теплозащитой, соединенные привязной системой, полезную нагрузку, теплоизолирующую надувную многосекционную оболочку между теплозащитой и корпусом,связанную с источником давления, тормозную двигательную установку для схода с орбиты, па р а шют ную систему, привязная система выполнена в виде одного центрального силового элемента, например троса, тарированной длины, закрепленного одним концом к теплозащите, а другим - к передней части надувной оболочки, в надувной оболочке выделена центральная секция, выполненная, например, в виде цилиндра, продольная ось которого совпадает с продольной осью капсулы, в стенках центральной секции надувной оболочки, перпендикулярных продольной оси, выполнены усиления с внешними и внутренними крепежными элементами, например, кольцами из материала с низкой теплопроводностью, например, стеклопластика, при этом крепежные элементы, расположенные вне надувной оболочки.

связаны один с тросом привязной системы, второй - с корпусом капсулы, а крепежные, элементы, расположенные во внутренней полости надувной оболочки, связаны между

собой силовым элементом, например тросом, длина которого равна продольному размеру надувной оболочки, выполненным из неэластичного материала

Один из внешних крепежных элементов

0 усиления теплоизолирующей надувной оболочки связан с чекой источника давления, установленного на корпусе капсулы, а на тросе вблизи капсулы установлен датчик натяжения троса, электрически связанный с

5 системой автоматики капсулы.

На фиг,1 представлено устройство в исходном положении, общий вид, на фиг. 2 - вид А на фиг, 1; на фиг 3 - устройство после сброса теплозащиты и наддува теплоизоли0 рующей оболочки; на фиг. 4 - вид Б на фиг. 3; на фиг. 5 - связка теплозащита - трос - капсула ; на фиг. 6 - усиления надувной оболочки с внешними и внутренними кре- .пежными элементами, два возможных вари5 анта конструктивного исполнения; на фиг. 7 -- связь внешнего троса через надувную оболочку с чекой источника давления; на фиг. 8 - график зависимости потребной площади основного парашюта от массы спускаемого

0 груза и установившейся скорости снижения основного парашюта.

Баллистическая возвращаемая капсула 1 (фиг. 1) включает в себя корпус 2 со сбрасываемой теплозащитой 3, которая крепит5 ся к корпусу 2 при помощи фланца 4 Внутри

корпуса 2 размещена полезная нагрузка 5.

Внешняя форма капсулы образована

цилиндром 6, притупленным по сфере 7, с

конической хвостовой юбкой 8 Корпус кап0 сулы 2 включает в себя корпус отсека 9 полезной нагрузки 5 и корпус хвостовой юбки 10, связанные между собой при помощи фланца 4.

Корпус отсека 9 полезной нагрузки 5

5 представляет собой стакан с фланцем 4, закрытый гермоднищем 11, Между теплозащитой 3 и корпусом отсека 9 полезной нагрузки 5 размещена теплоизолирующая оболочка 12. На донной части корпуса отсека 9 полезной

0 нагрузки 5 установлен источник 13 давления, связанный с гермополостью термоизолирующей оболочки 12.

Корпус 10 хвостовой юбки 8 выполнен в виде конической оболочки со шпангоутами

5 14-16. Внутри корпуса 10 размещены тормозная двигательная установка (ТДУ) 17, двигатели 18 стабилизации положения капсулы 1, парашютная система 19 системы автоматики 20, электропитания 21 поиска 22 капсулы 1, мягкой посадки 23 (двигатели

мягкой посадки). ТДУ 17 и двигатели 18 стабилизации размещены на раме 24 и отделяются при помощи двигателя 25 увода (фиг. 1 и 2).

Связь капсулы 1 с КА осуществляется при помощи пирозамков 26 и шпилек 27 (фиг. 2).

На фиг.З представлена баллистическая возвращаемая капсула 1 после отделения тормозной двигательной установки 17, двигателей 18 стабилизации, отстрела парашютной системы 19, отделения теплозащиты 3 и наддува теплоизолирующей оболочки 12.

Теплоизолирующая оболочка 12 разделена на секции 28 перегородками 29 в продольном и поперечном направлениях Секции 28 соединены между собой калиброванными отверстиями 30. Внутри секций размещена многослойная оболочка 31 выполненная из перфорированной пленки, обладающей высокими рэдиационно-отражающими свойствами.

В передней части 32 капсулы 1 выделена центральная секция 33, выполненная, например, в виде цилиндра, продольная ось

34которого совпадает с продольной осью

35капсулы 1. В стенках центральной секции 33 надувной оболочки, перпендикулярных продольной оси 35 капсулы, предусмотрены усиления с внешними 36 и 37 и внутренними 38 и 39 крепежными элементами, например .кольцами, выполненными из материала с низкой теплопроводностью, например, стеклопластика. При этом внешние 37 и 36 крепежные элементы, расположенные вне надувной оболочки, связаны соответственно один (36)с тросом 40 привязной системы, второй (37) с чекой 41 источника 13 давления, размещенного на корпусе отсека 9 по- лезнрй нагрузки 5, а внутренние 38 и 39 крепежные элементы, расположенные во внутренней полости надувной оболочки, связаны между собой, например, тросом 42, длина которого равна продольному размеру надувной оболочки, выполненным из неэластичного материала (фиг.З).

Капсула 1 связана с парашютной системой при помощи растяжек 43 через соединительный узел (не показан), к которому крепятся стропы парашюта.

На фиг.4 показана надувная теплоизолирующая оболочка 12 со стороны передней ее части. Здесь 44 - носовые секции, 45 - промежуточные секции, а 46 - кормовые секции.

На фиг.5 представлена общая схема связки теплозащита 3 - трос 40 - капсула 1. Капсула 1, в свою очередь, через растяжки 43 соединена через соединительный узел 47 со стропами 48 парашюта (не показан).

На фиг.6 укрупненно показаны два варианта (а и б) возможного исполнения усилений 49 (фиг.ба) с внешними 36 и 37 и внутренними 38 и 39 крепежными элемента- 5 ми, например кольцами, выполненными из материала с низкой теплопроводностью, например, стеклопластика и связанными перемычкой 50. Перемычка 50 и часть колец заделаны в усиление (резину) 49 надувной

0 теплоизолирующей оболочки 12

На фиг.66 представлен второй вариант возможного исполнения надувной оболочки в виде единого конструктивного узла 51, прохо дящего насквозь через стенку надув5 ной оболочки 12 и герметизированного с нею. Конструктивный узел 51 состоит из винта 52 со щечкой 53, переходящей в кольцо 38, и гайки 54, переходящей в кольцо 36 Конструктивный узел 51 через прокладки 55

0 обжимает надувную оболочку 12, обеспечивая герметизацию стыка. Для повышения надежности герметизации все соединения могут быть выполнены на клею.

На фиг.7 укрупненно показано соедине5 ние троса 40 через надувную теплоизолирующую оболочку 12 с чекой 41 источника 13 давления.

Связь источника 13 давления с внутренней полостью 56 надувной оболочки 12 вы0 полнена через штуцер 57 и трубопровод 58, связанный с выходным каналом 59 источника 13 давления.

Для обеспечения свободного размещения источника 13 давления на корпусе отсе5 ка 9 полезной нагрузки 5 в надувной теплоизолирующей оболочке выполнена фигурная ниша 60.

На фиг.З представлен график зависимости площади основного парашюта 50м от

0 величины спускаемой массы капсулы М для различных скоростей V установившегося спуска (например, 4,6,10 м/с). Чем меньше скоро- сть Утем больше должна быть площадь Son основ- г ного парашюта для одной и той же массы капсулы,

5 Если масса капсулы 1 равна Mi, то для скорости V2 площадь основного парашюта должна быть 3 оп

На тросе 40 установлен датчик натяжения троса, электрически связанный с систе0 мой автоматики.

Крепление троса 40 может быть выполнено непосредственно к корпусу капсулы 1, В этом случае задействование источника 13 давления производится от системы автома5 тики 20. Это необходимо делать в случае, если при малых перегрузках (2-4) необходимо дополнительное усилие для сброса теплозащиты, которое и создается давлением надувной теплоизолирующей оболочки. При больших перегрузках можно использовать

усилие, возникающее при сбросе теплозащиты под воздействием инерционных нагрузок, для задействования источника 13 давления путем выдергивания, например, чеки.

Трос 42 (фиг 7) выполнен из неэластичного материала с тем, чтобы не передавать силовую нагрузку от троса 40 на теплоизолирующую надувную оболочку 12.

Устройство работает следующим образом.

По команде системы управления КА баллистическая возвращаемая капсула 1, находящаяся в шлюзовой камере КА с помощью, например, пружинного механизма отделяется от КА с заданной скоростью. После отхода баллистической возвращаемой капсулы 1 от КА на безопасное для КА расстояние система автоматики 20 включает тормозную двигательную установку 17, обеспечивающую сход капсулы с орбиты На участке отхода капсулы 1 от КА и в процессе работы ТДУ 17 обеспечивается стабилизация положения капсулы 1 при помощи двигателей 18 стабилизации

После окончания работы ТДУ 17 рама 24 с двигателями 17 и 18 определяется от капсулы 1 при помощи двигателей 25 увода Капсула 1 продолжает автономный полет

На нисходящем участке траектории после входа в плотные слои атмосферы капсулы 1 аэродинамически стабилизируется, а после прохождения максимальных траек- торных нагрузок ( км) производится отстрел крышки парашютного отсека и в поток выводятся сначала тормозной (Н 18...20 км), а затем и основной ( км) парашюты. При выводе в поток основного парашюта одновременно задействуются система 22 поиска капсулы 1 (РТС, светомаяк, дипольные отражатели), отделяется теплозащита 3 и производится наддув от источника 13 давления теплоизолирующей надувной оболочки 12

При сходе теплозащиты 3 с корпуса капсулы 1 задействуется чека 41 источника давления и сжатый газ поступает через трубопровод 58 и штуцер 57 во внутреннюю полость 56 надувной оболочки, обеспечивая ее наддув. Сход теплозащиты 3 обеспечивается наличием перегрузки, действующей на теплозащиту при содействии заторможенной парашютом капсулы 1 При этом сила F - п. Мтз должна быть больше сипы трения FTp, действующей между теплозащитой 3 и теплоизолирующей надувной оболочкой 12, . Здесь п - перегрузка, а Мтз - масса теплозащиты. В случае малых перегрузок (п 2-4) может оказаться F Ртр или F«FTp, т.е. не обеспечивается надежный сход теплозащиты В этом случае необходимо принудительно задействовать (например, электрически) источник 13 давления с тем, чтобы наддув теплоизолирующей надувной оболочки 12 начался до схода теплозащиты. Возникающие при этом силы обеспечивают принудительный сброс теплозащиты 3. В последнем случае крепежный элемент 37 (фиг.7) связан не с чекой 41 источника давления, а просто с силовым элементом (пусть 41) на корпусе источника давления или самом корпусе отсека 9 полезной нагрузки 5 После разделения теплозащита 3 уходит от корпуса капсулы 1, поскольку ее баллистический коэффициент тх Сх-5м/М меньше баллистического коэффициента связки капсула + основной парашют Здесь Сх - коэффициент аэродинамического сопротивления.

SM - площадь миделя, М - масса (теплозащита, капсула + парашют, смотря что рас- сматривается) При этом трос 40 натягивается, задействуя датчик 61 Датчик 61 выводится в рабочее состояние, но у него

еще не снята ступень предохранения. Ступень предохранения снимается при подлете капсулы 1 к поверхности Земли например, на высоте 1-2 км по команде временного механизма системы автоматики 20

При касании о грунт трос 40 ослабляется В результате срабатывает датчик 61 замыкая цепь, связывающую двигатели 23 мягкой посадки с источником питания Двигатели 23 мягкой посадки задействуются,

обеспечивая гашение скорости спуска до 0. Трос 40 крепится к петле 62 (фиг 1) теплозащиты

Время запуска двигателей мягкой посадки задается временной задержкой, определяемой тарированной длиной троса 40 (фиг 5), инерционностью всей системы в целом и временем работы самих двигателей мягкой посадки

Одновременно с запуском двигателей

23 мягкой посадки система 20 автоматики выдает команду на отстрел с временной задержкой парашюта

При касании теплозащиты о грунт изменяется масса, спускаемая на парашюте. Она

0 становится меньше на величину массы теплозащиты.

М2 М1-МТЗ,

где MI - начальная масса капсулы Мтз - масса теплозащиты а М2 - остаточная масса капсулы

Как видно из графиков, приведенных на

фиг 8, для новой массы М2 при неизменной

площади основного парашюта S11on определяется уточненная скорость снижения капсулы до приземления теплозащиты.

Следовательно, наличие привязной массы (массы теплозащиты) позволяет снизить скорость встречи с Землей капсулы 5

Длина троса 40 определяется, исходя из двух условий:

1)минимальная раскачиваемость системы теплозащиты - трос - капсула - основной парашют;10

2) наиболее эффективное использование уменьшения массы при приземлении (успеть реализовать скорость V 2)

Таким образом, предложенное конструктивное исполнение баллистической возвра- 15 щаемой капсулы позволяет обеспечить упрощение конструкции (применяется только один трос), повысить ее надежность и технологичность (трос проходит через специально выделенную центральную секцию надувной 20 теплоизолирующей оболочки, соответствующим образом конструктивно выполненную) при сохранении теплоизолирующих свойств надувной оболочки В результате обеспечивается сохранность полезной нагрузки при 25 встрече капсулы с земной поверхностью путем уменьшения ударных нагрузок и обеспечения мягкой посадки поскольку предусмотрена организация своевременного получения сигнала о встрече с земной повер- 30 хностью и отработка этого сигнала с целью обеспечения мягкой посадки

Формула изобретения

1. Баллистическая возвращаемая капсу- ла, содержащая корпус со сбрасываемой 35 теплозащитой, соединенные привязной системой, полезную нагрузку, теплозащитную надувную многосекционную оболочку между защитой и корпусом, связанную с источником давления, тормозную двигательную 40 установку для схода с орбиты, парашютную систему, отличающаяся тем, что, с целью упрощения конструкции, повышения ее надежности и технологичности при сохранении теплоизолирующих свойств на- 45

дувной оболочки, в ней привязная система выполнена в виде одного центрального силового элемента, в надувной оболочке выделена центральная секция в стенках которой перпендикулярных продольной оси выполнены усиления с внешними и внутренними крепежными элементами, при этом крепежные элементы, расположенные вне надувной оболочки, связаны один с тросом привязной системы, другой с корпусом капсулы, а крепежные элементы, расположенные во внутренней полости надувной оболочки, связаны между собой силовым элементом, длина которого равна продольному размеру надувной оболочки, выполненным из неэластичного материала

2Капсула по п1,отличающаяся тем, что привязная система выполнена в виде троса тарированной длины, закрепленного одним концом к теплозащите, а другим - к передней части надувной оболочки

3Капсула по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что центральная секция выполнена в виде цилиндра, продольная ось которого совпадает с продольной осью капсулы

4. Капсула по пп 1-3, отличающая- с я тем, что крепежные элементы усилений выполнены в виде колец из материала с низкой теплопроводностью типа стеклопластика

5 Капсула, по пп 1-4, отличающая- с я тем, что силовой элемент выполнен в виде троса

6.Капсула по пп 1-5, отличающая- с я тем, что в ней один из внешних крепежных элементов усиления теплоизолирующей надувной оболочки связан с корпусом капсулы через чеку источника давления, установленного на корпусе капсулы.

7.Капсула по пп. 1-6, отличающая- с я тем, что на тросе вблизи капсулы установлен датчик натяжения троса, электрически связанный с системой автоматики капсулы.

го

Г-э

f

Г Го

и

00

28

г

з/

V 2 i2 28

ю &

чь

Изобретение относится к космической технике. С целью упрощения баллистическая возвращаемая капсула содержит корпус со срабатываемой теплозащитой, соединенные привязной системой полезную нагрузку, теплоизолирующую надувную многосекционную оболочку между теплозащитой и корпусом, связанную с источником давления, тормозную двигательную установку для схода с орбиты, парашютную систему В капсуле привязная система выполнена в виде одного центрального силового элемента, например троса тарированной длины закрепленного одним концом к теплозащите а другим к передней части надувной оболочки В надувной оболочке выделена центральная секция, в которой предусмотрены усиления с внешними и внутренними крепежными элементами, например кольцами Внешние элементы связаны с тросом и корпусом капсулы или чекой источника давления, внутренние - между собой неэластичным тросом На тросе вблизи капсулы установлен датчик натяжения троса 6 з п. ф-лы, 8 ил

V5

Bu35

46

Фиг. У

Ф#2.5

«)

U2.6

#

38

j; #

36

40

SO

«

7/

Фае. 7

W

J7 #7