Взлетно-посадочный космический аппарат - RU2131383C1

Чертежи

Описание

Космических аппарат (КА) относится к ракетно-космической технике и предназначен для вертикальных посадки и взлета с небесных тел в условиях твердой, жидкой или пылевидной поверхности.

Глубокое исследование и освоение космоса невозможно без создания взлетно-посадочных КА, обеспечивающих их возвращение с полезным грузом (экипажем) на орбитальную станцию или на Землю. Особую роль приобретает надежность такого аппарата, так как операции с ним являются завершающей фазой глобальных космических программ, требующих значительных затрат. Например, стоимость лунной пилотируемой программы "Аполлон" составила около 30 млрд. долларов [1]. Прогнозируемая стоимость марсианской экспедиции около 100 млрд. долларов [2] . Для пилотируемой экспедиции отказ взлетно-посадочного аппарата имеет катастрофические последствия с гибелью экипажа.

Известны две реализованные конструкции взлетно-посадочных КА. Советский автоматический КА "Луна-16" обеспечил мягкую посадку на Луну и возвращение на Землю с пробами лунного грунта [3, 4]. Аппарат выполнен двухступенчатым, тандемной схемы, с вертикальными посадкой и взлетом. Посадочная ступень снабжена четырьмя выдвижными посадочными опорами и служит стартовой платформой для взлетной ступени. Каждая ступень оснащена автономными основными двигательными установками, работающими только при посадке и взлете, соответственно.

К недостаткам КА "Луна-16" следует отнести недостаточную надежность в экстремальных ситуациях, отличных от расчетных. Например, отказ основного двигателя взлетной или посадочной ступеней ведет к невыполнению программы или гибели аппарата.

Лунный корабль "Аполлон", принятый за прототип предлагаемого изобретения, обеспечил доставку на Луну экипажа и его возвращение на орбиту спутника Луны [1, 3] . Корабль также выполнен двухступенчатым, тандемной схемы, с вертикальными посадкой и взлетом. Посадочная ступень служит стартовой платформой для взлетной ступени. Обе ступени оснащены автономными основными двигательными установками, работающими только при посадке или взлете, соответственно. Основной двигатель взлетной ступени установлен в ее центральной части. Посадочная ступень оснащена крестообразной рамой. На концах крестообразной рамы установлены выдвижные посадочные устройства, в центральной части закреплен основной посадочный двигатель. Внутри силовой рамы расположены подвесные топливные баки.

Недостатками такой конструкции также является малый запас надежности в экстремальных ситуациях, отличных от расчетных. Основные факторы риска:
- невозможность взаимного резервирования двигателей посадочной и взлетной ступеней при их отказе;
- малый просвет между конструкцией корабля и посадочной поверхностью;
- невозможность посадки в среду, отличную от расчетной (например, жидкость);
- прямое воздействие факела основного двигателя при взлете на конструкцию корабля;
- невозможность подтверждения работоспособности основного двигателя взлетной ступени при посадке.

Устранение этих факторов риска традиционными решениями ограничено жесткими требованиями по массовым характеристикам корабля.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности КА путем устранения указанных факторов риска.

Достигается поставленная задача тем, что на взлетно-посадочном КА, состоящем из тандемно расположенных взлетной и посадочной ступеней, включающих двигательные установки с основными двигателями взлетной ступени, установленными в ее центральной части, ось симметрии которых проходит через центр масс взлетной ступени, и подвесными топливными баками посадочной ступени, закрепленными на ее силовой раме, силовая рама выполнена кольцевой формы с центром, расположенным на продольной оси симметрии основных двигателей взлетной ступени, а подвесные топливные баки шарнирно закреплены по периферии кольцевой силовой рамы с возможностью разворота на угол не менее 90 градусов.

Сущность изобретения поясняется чертежами:
- фиг. 1 - конструктивно-компоновочная схема взлетно-посадочного КА в посадочном положении;
- фиг. 2 - вид А на аппарат снизу.

Взлетно-посадочный КА состоит из взлетной ступени 1 и посадочной ступени 2. Посадочная ступень 2 включает кольцевую силовую раму 3, по периферии которой установлены топливные баки 4 в шарнирах 5 с возможностью разворота приводами 6. Баки 4 фиксируются в посадочном положении тросами 7 с возможностью изменения их длины приводами 8 (например, лебедкой). Корпус 10 взлетной ступени 1 соединен с посадочной ступенью 2 разъемными узлами 9. Основные двигатели 11 обеспечивают мягкую посадку взлетно-посадочного КА и подъем взлетной ступени 1. Компоненты топлива взлетной ступени размещены в баках 12, экипаж или полезный груз - в отсеке 13. Узел 14 обеспечивает стыковку с орбитальным комплексом или взаимодействие с внешней средой.

В исходном положении взлетно-посадочной КА находится на орбите спутника небесного тела. Топливные баки 4 посадочной ступени 2 зафиксированы в положении 4 (штрихпунктир на фиг. 1), обеспечивающем питание компонентами топлива двигателей 11. В расчетный момент двигателя 11 выдается тормозной импульс, определяемый запасом компонентов топлива в баках 4. После выработки компонентов баки 4 приводами 6 разворачиваются вокруг шарниров 5 до упора в силовую раму 3 и фиксируются в этом положении тросами 7. При наличии атмосферы мягкая посадка проводится на парашюте, при отсутствии - на двигателях 11 с питанием их из баков 12. Посадка производится на баки 4 с амортизацией за счет упругости тросов 7 и качающейся подвески в шарнирах 5. При посадке на сушу поверхность баков 4, соприкасающаяся с грунтом, может быть дополнительно защищена, например, сминаемым сотовым покрытием, аналогичным покрытию лунного корабля "Аполлон", защита может быть выполнена также в виде надувных баллонов. После выполнения КА своего функционального назначения проводится старт взлетной ступени на двигателях 11 с питанием их из баков 12. При этом разрываются соединительные узлы 9 и посадочная ступень 2, включая силовую раму 3 и баки 4, остается на месте старта. По достижении необходимой скорости двигателя 11 взлетной ступени выключаются и КА переходит на орбиту спутника.

Предлагаемое изобретение повышает надежность взлетно-посадочного КА, снижая степень риска в экстремальных ситуациях:
- двигатели взлета и посадки взаимно резервируются на случай отказа за счет их расположения только на взлетной ступени;
- высокое расположение двигателей от посадочной поверхности уменьшает возможность повреждения двигателей;
- имеется возможность посадки в любую среду (твердую, жидкую, пылевидную) за счет плавучести баков;
- исключено прямое воздействие факелов основных двигателей на конструкцию аппарата;
- работоспособность двигателей, обеспечивающих взлет, подтверждается в процессе посадки.

Литература
1. Шунейко И.И. Пилотируемые полеты на Луну. Конструкция и характеристики Сатурн V - Аполлон. М.: ВИНИТИ, 1973.

2. Планы исследования Марса. Экспресс-информация "Ракетная и космическая техника" N 45, 1996, ЦНИИМАШ.

3. Гетланд К. Космическая техника. М.: Мир, 1986.

4. Проектирование спускаемых автоматических космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1985.

Реферат

Изобретение относится к ракетно-космической технике и предназначено для осуществления вертикальных посадки и взлета с небесных тел в условиях твердой, жидкой или пылевидной поверхности. Космический аппарат, согласно изобретению, состоит из тандемно расположенных взлетной и посадочной ступеней, включающих двигательные установки с основными двигателями взлетной ступени, установленными в ее центральной части, ось симметрии которых проходит через центр масс взлетной ступени, и подвесными баками посадочной ступени, закрепленными на ее силовой раме. Силовая рама выполнена кольцевой формы с центром, расположенным на продольной оси симметрии основных двигателей взлетной ступени. Подвесные топливные баки шарнирно закреплены по периферии этой кольцевой силовой рамы с возможностью разворота на угол не менее 90^o. Изобретение позволяет повысить надежность космического аппарата, снижая степень риска в экстремальных ситуациях. 2 ил.

Формула