RU2133697C1

RU2133697C1 - Device for descent of spacecraft on surface of atmosphere planets

Info

Publication number: RU2133697C1
Application number: RU97120355A
Authority: RU
Original assignee: Кузнецов Виктор Владимирович; Учватов Владимир Ионович
Priority date: 1997-11-25
Filing date: 1997-11-25
Publication date: 1999-07-27

Abstract

FIELD: space engineering; deceleration device and structural members used for descent in planet atmosphere. SUBSTANCE: according to invention, device includes foldable closed lifting surface made in form of pneumatic wing manufactured from flexible gastight material and provided with branch pipe for replenishment of its cavity with gas. Provision is also made for members for securing the descent vehicle which includes flexible load-bearing linkage connected at point located over perimeter of pneumatic wing. Length of linkage may be changed by the commands from control system. Pneumatic with cavity is formed by upper and lower diaphragms interconnected over perimeter of external edge and row of inner profiled partitions. Inflatable elongated members is arranged between descent vehicle and pneumatic wing. In the course of aerodynamic control during descent, this member gives mobility to descent vehicle relative to pneumatic wing; to this end, local contraction of this member is formed by means of partition or clip. EFFECT: enhanced reliability of descent due to reduction of mechanical and thermal loads. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области космической техники, а именно к тормозным устройствам, элементам конструкций, используемых при торможении и спуске космических аппаратов в атмосферах планет. The invention relates to the field of space technology, namely to braking devices, structural elements used during braking and launching of spacecraft in planetary atmospheres.

Известны устройства, снижающие механические и тепловые нагрузки при способе спуска путем применения специальных тормозных поверхностей. По патенту Франции МКИ B 64 G 1/62 N 2660908 от 18.10.1991 г. предложен по существу кольцевой парашют с жесткими формообразующими элементами в форме усеченного конуса, а по патенту N 2661150 от 25.10.1991 г., Франция, МКИ B 64 G 1/62 тормозная поверхность создается за счет разворачивающихся щитков. Known devices that reduce mechanical and thermal loads during the descent method by using special brake surfaces. According to French patent MKI B 64 G 1/62 N 2660908 of 10/18/1991, an essentially annular parachute with rigid truncated cone-shaped forming elements was proposed, and according to patent N 2661150 of 10/25/1991, France, MKI B 64 G 1/62 The brake surface is created by the unfolding flaps.

Недостатками этих устройств являются сложность механизмов их развертывания, полет при спуске с нулевым аэродинамическим качеством, а следствие этого - необходимость применения тепловой защиты как на спускаемом аппарате, так и на тормозных устройствах. The disadvantages of these devices are the complexity of the mechanisms for their deployment, descent flight with zero aerodynamic quality, and the consequence of this is the need to apply thermal protection both on the descent vehicle and on the braking devices.

Известно устройство по патенту Германии МКИ B 64 G 1/62, 1/58 по заявке 3934346, опубликованной 25.04.1991 г., представляющее собой приспособление, которое переводится из компактного состояния в капсуловидную форму, внутри которой размещается небольшая полезная нагрузка. На внешней поверхности устройства нанесен слой теплозащиты, в результате чего образуется легкий термозащитный щит значительной площади. Такое устройство для небольших полезных нагрузок (для малых значений так называемого баллистического коэффициента) может обеспечить снижение температурных нагрузок. A device is known according to German patent MKI B 64 G 1/62, 1/58 according to the application 3934346, published on 04.25.1991, which is a device that is transferred from a compact state to a capsule-shaped form, inside which a small payload is placed. A thermal insulation layer is applied on the external surface of the device, as a result of which a light thermal shield of a considerable area is formed. Such a device for small payloads (for small values of the so-called ballistic coefficient) can provide a reduction in temperature loads.

Недостатком устройства является нулевое аэродинамическое качество, а следовательно, и спуск по баллистической траектории, вызывающей резкое торможение и значительные тепловые потоки. The disadvantage of this device is the zero aerodynamic quality, and hence the descent along the ballistic trajectory, causing sharp braking and significant heat fluxes.

Наиболее близким аналогом служит устройство для спуска космических аппаратов на поверхность планет, имеющих атмосферу, содержащее складываемую замкнутую несущую поверхность, выполненную в виде пневмокрыла, изготовленного из эластичного газонепроницаемого материала, снабженную патрубком для пополнения герметичной полости пневмокрыла газом и элементами крепления спускаемого аппарата, включающими в себя гибкие силовые связи для указанного крепления в точках, расположенных по периметру пневмокрыла, выполненные с возможностью изменения их длины по командам системы управления - см. патент US N 3212730 A (D.B. Tschudy et al.), 19.10.65. The closest analogue is a device for launching spacecraft onto the surface of planets having an atmosphere containing a folding closed bearing surface made in the form of a pneumatic wing made of flexible gas-tight material, equipped with a pipe for replenishing the air-tight cavity of the pneumatic wing with gas and fastening devices for the descent module, which include flexible power connections for the indicated fastening at points located along the perimeter of the air wing, made with the possibility of change Ia their length Command control system - see patent US N 3212730 A (D.B. Tschudy et al.), 19.10.65..

Недостатками известного устройства являются относительно большая масса пневмокрыла и ограниченные возможности управления положением спускаемого аппарата относительно пневмокрыла при обеспечении необходимой "жесткости" всей системы во время входа и спуска в атмосфере. The disadvantages of the known device are the relatively large mass of the air wing and the limited ability to control the position of the descent vehicle relative to the air wing while providing the necessary "rigidity" of the entire system during entry and descent in the atmosphere.

Целью настоящего изобретения является повышение надежности процесса спуска за счет уменьшения механических и тепловых нагрузок при торможении спускаемого аппарата в атмосфере планеты до величин, при которых температуры поверхности аппарата не превышают допустимых значений для работоспособности материалов, из которых изготовлены элементы аппарата, а следовательно, и без использования специальной тепловой защиты. The aim of the present invention is to increase the reliability of the descent process by reducing mechanical and thermal loads during braking of the descent vehicle in the planet’s atmosphere to values at which the surface temperature of the vehicle does not exceed acceptable values for the working capacity of the materials from which the components of the device are made, and therefore without using special thermal protection.

Указанная цель достигается тем, что в вышеупомянутом устройстве для спуска космических аппаратов на поверхность планет, имеющих атмосферу, полость пневмокрыла образована верхней и нижней мембранами, соединенными между собой по периметру внешней кромки, и рядом внутренних профилированных перегородок, между спускаемым аппаратом и пневмокрылом установлен надувной цилиндрический или конический удлиненный элемент, обеспечивающий подвижность спускаемого аппарата относительно пневмокрыла путем создания местного сужения сечения данного элемента с помощью перегородки или хомута, причем один конец этого элемента имеет крепление к спускаемому аппарату, а другой - к пневмокрылу. This goal is achieved by the fact that in the aforementioned device for launching spacecraft onto the surface of planets having an atmosphere, the pneumatic wing cavity is formed by upper and lower membranes interconnected along the perimeter of the outer edge and a number of internal profiled partitions, an inflatable cylindrical shell is installed between the descent vehicle and the pneumatic wing or a conical elongated element that provides mobility of the descent vehicle relative to the air wing by creating a local narrowing of the section of this element with a partition or clamp, and one end of this element is attached to the descent apparatus, and the other to the air wing.

Для спуска космического аппарата, находящегося на орбите планеты, имеющей атмосферу, заполняют полость пневматического устройства газом, либо за счет остаточного количества воздуха, находящегося в полости уложенного устройства, либо от специальной системы газонаполнения. Выполненное пневматическое устройство начинает функционировать как пневмокрыло. Существенная площадь пневмокрыла даже при малых значениях плотности атмосферы на высоте орбиты создает силу сопротивления, вызывающую торможение, а следовательно, и сход аппарата с орбиты. Для ускоренного режима торможения возможно применение тормозного импульса бортовых двигателей. Геометрические параметры пневмокрыла (форма крыла в плане и форма сечения профиля), а также центровка космического аппарата (пневмокрыла со спускаемым аппаратом) позволяют осуществлять полет на траектории спуска с допускаемыми температурами поверхности, без специальных теплозащитных покрытий. Для оптимизации параметров спуска возможно управление полетом путем изменения аэродинамического качества за счет изменения балансировки или геометрии пневмокрыла. To launch a spacecraft in an orbit of a planet with an atmosphere, they fill the cavity of the pneumatic device with gas, either due to the residual amount of air in the cavity of the stacked device, or from a special gas filling system. The executed pneumatic device begins to function as an air wing. A significant area of the pneumatic wing, even at low atmospheric density values at the height of the orbit, creates a resistance force that causes braking, and, consequently, the vehicle’s descent from the orbit. For the accelerated braking mode, it is possible to use the brake impulse of onboard engines. The geometrical parameters of the air wing (the shape of the wing in plan and the shape of the cross section of the profile), as well as the alignment of the spacecraft (air wing with the descent vehicle), allow flying along the descent trajectory with permissible surface temperatures, without special heat-protective coatings. To optimize the descent parameters, flight control is possible by changing the aerodynamic quality by changing the balance or geometry of the air wing.

Предлагаемое устройство показано на фиг. 1 и представляет собой пневматическое крыло 1, произвольной формы в плане, полость которого образована соединенными по внешнему контуру мембранами, верхней мембраной 2 и нижней мембраной 3, а также соединенных между собой профилированными перегородками 4, выполненными из эластичного материала. Крепление спускаемого аппарата 5 к пневмокрылу осуществляется с помощью поясков, образующих фланец 6. The proposed device is shown in FIG. 1 and is a pneumatic wing 1, of arbitrary shape in plan, the cavity of which is formed by membranes connected along the outer contour, the upper membrane 2 and the lower membrane 3, as well as interconnected by profiled partitions 4 made of elastic material. The descent vehicle 5 is attached to the air wing with the help of belts forming a flange 6.

При запуске космического аппарата, который должен быть возвращен с орбиты, по допускаемым значениям максимальных возможных температур точек поверхности определяют необходимый баллистический параметр системы "спускаемый аппарат - крыло" с учетом диапазона возможного аэродинамического качества, площадь крыла и его массу. Пневматическое крыло 1 в сложенном положении прикрепляют с помощью фланца 6 к спускаемому аппарату 5, а его полость с помощью рукава 7 соединяют с источником газонаполнения. Для спуска космического аппарата с орбиты пневматическое устройство 1 наполняют газом. Значительная площадь наполненного пневматического устройства - пневмокрыла, создает силу аэродинамического сопротивления, происходит торможение спускаемого аппарата и он переходит на траекторию спуска при малых углах входа в атмосферу. Значения аэродинамического качества в процессе полета по траектории спуска определяются углами атаки пневмокрыла 1, задаваемыми балансировкой космического аппарата. Для этого крепление спускаемого аппарата 5 к пневмокрылу 1 смещено для получения требуемого балансировочного угла. When launching a spacecraft that must be returned from orbit, the required ballistic parameter of the "descent vehicle - wing" system is determined from the allowable values of the maximum possible temperatures of the surface points, taking into account the range of possible aerodynamic quality, the wing area and its mass. The pneumatic wing 1 in the folded position is attached using the flange 6 to the descent apparatus 5, and its cavity is connected to the gas supply source using the sleeve 7. For the descent of the spacecraft from orbit, the pneumatic device 1 is filled with gas. A significant area of the filled pneumatic device - the air wing, creates the force of aerodynamic drag, the descent vehicle is braked and it goes on the descent trajectory at small angles of entry into the atmosphere. Values of aerodynamic quality during the flight along the descent trajectory are determined by the angles of attack of the air wing 1 specified by the balancing of the spacecraft. For this, the attachment of the descent vehicle 5 to the air wing 1 is shifted to obtain the required balancing angle.

На фиг. 2 показано пневматическое устройство, в котором крепление спускаемого аппарата 5 к пневмокрылу 1 выполнено через удлиненный элемент 8, который имеет сужение вблизи пневмокрыла, сформированное путем установки мягкого кольца 9 меньшего диаметра, чем диаметр элемента 8. Кроме того, спускаемый аппарат 5 соединен с кромкой пневмокрыла 1 силовыми лентами 10, изменяя длину которых производят смещение центра тяжести системы "спускаемый аппарат - крыло", тем самым управляя углами атаки пневмокрыла 1, а следовательно, и значением аэродинамического качества. In FIG. 2 shows a pneumatic device in which the descent device 5 is attached to the air wing 1 through an elongated element 8, which has a constriction near the air wing, formed by installing a soft ring 9 of a smaller diameter than the diameter of the element 8. In addition, the descent device 5 is connected to the edge of the air wing 1 by power belts 10, changing the length of which produce a shift of the center of gravity of the "descent vehicle - wing" system, thereby controlling the angles of attack of the air wing 1, and therefore the value of the aerodynamic quality state.

Избыточное давление в полости пневмокрыла 1, а следовательно, и его форма поддерживаются на участке спуска, характеризуемом максимальными значениями скоростного напора. На заключительном этапе спуска оболочка пневмокрыла 1 не подполняется и используется совместно с силовыми лентами 10 в качестве полотнища парашютирующего устройства. Excessive pressure in the cavity of the pneumatic wing 1, and therefore its shape, is maintained at the descent site, characterized by the maximum values of the velocity head. At the final stage of the descent, the wing of the air wing 1 is not filled and is used in conjunction with power tapes 10 as a panel of a parachuting device.

Современные полимерные и композиционные материалы по своим прочностным и массовым характеристикам позволяют создавать устройства, обеспечивающие реализацию предлагаемого способа спуска космического аппарата. Полиэтилентерефталатные пленки, пленки, дублированные фторопластами, текстильные материалы на основе лавсана (дакрона), аримида, СВМ-волокна (кевлара), герметизированные фторсодержащими каучуками, и ряд других материалов, сохраняют свои характеристики при повышении температуры до 450-750^oT и могут быть применены для изготовления пневмокрыла с допускаемой удельной нагрузкой менее 10 Н/м². Реальные конструкции пневматических устройств позволят получить удельную нагрузку, которая дает возможность вариации углов входа в атмосферу и выбора диапазона аэродинамических характеристик.According to their strength and mass characteristics, modern polymer and composite materials make it possible to create devices that ensure the implementation of the proposed method for launching a spacecraft. Polyethylene terephthalate films, films dubbed with fluoroplastics, textile materials based on lavsan (Dacron), arimide, CBM fibers (Kevlar), sealed with fluorine-containing rubbers, and a number of other materials, retain their characteristics when the temperature rises to 450-750 ^o T and can be used for the manufacture of pneumatic wings with an allowable specific load of less than 10 N / m ² . Actual design of pneumatic devices will allow to obtain a specific load, which makes it possible to vary the angles of entry into the atmosphere and the choice of a range of aerodynamic characteristics.

Спуск космического аппарата с малыми механическими перегрузками, без высоких температур при торможении, исключение из конструкции спускаемого аппарата специальной тепловой защиты повышают его надежность и улучшают летно-технические характеристики. The descent of a spacecraft with low mechanical overloads, without high temperatures during braking, the exclusion of special thermal protection from the design of the descent vehicle, increase its reliability and improve flight performance.

Предложенное устройство перспективно для создания систем индивидуального спасения космонавтов, для спуска долговременно существовавших и отработавших срок службы спутников, планетных исследовательских зондов. The proposed device is promising for the creation of individual rescue systems for astronauts, for launching long-existing satellites, planetary research probes, which have long existed and have fulfilled their useful life.

Claims

Устройство для спуска космических аппаратов на поверхность планет, имеющих атмосферу, содержащее складываемую замкнутую несущую поверхность, выполненную в виде пневмокрыла, изготовленного из эластичного газонепроницаемого материала, снабженную патрубком для пополнения герметичной полости пневмокрыла газом и элементами крепления опускаемого аппарата, включающими в себя гибкие силовые связи для указанного крепления в точках, расположенных по периметру пневмокрыла, выполненные с возможностью изменения их длины по командам системы управления, отличающееся тем, что указанная полость пневмокрыла образована верхней и нижней мембранами, соединенными между собой по периметру внешней кромки, и рядом внутренних профилированных перегородок, между спускаемым аппаратом и пневмокрылом установлен надувной цилиндрический или конический удлиненный элемент, обеспечивающий подвижность спускаемого аппарата относительно пневмокрыла путем создания местного сужения сечения данного элемента с помощью перегородки или хомута, причем один конец этого элемента имеет крепление к спускаемому аппарату, а другой - к пневмокрылу. A device for launching spacecraft onto the surface of planets having an atmosphere containing a folding closed bearing surface made in the form of a pneumatic wing made of flexible gas-tight material, equipped with a nozzle for replenishing the air-tight cavity of the pneumatic wing with gas and fastening elements of the lowering apparatus, including flexible power connections for the specified fastening at points located around the perimeter of the air wing, made with the possibility of changing their length according to the commands of the system characterized in that said pneumatic wing cavity is formed by upper and lower membranes interconnected along the perimeter of the outer edge and a number of internal profiled partitions, an inflatable cylindrical or conical elongated element is installed between the descent vehicle and the pneumatic wing, which ensures the mobility of the descent vehicle relative to the pneumatic wing by creating local narrowing of the cross section of this element using a partition or clamp, and one end of this element is attached to the spa the device to be skimmed, and the other to the air wing.