СПОСОБ РАСПОЛОЖЕНИЯ МНОЖЕСТВА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ПОД ГОЛОВНЫМ ОБТЕКАТЕЛЕМ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ БЕЗ КОНСТРУКТИВНОГО РАСПРЕДЕЛИТЕЛЯ И СБОРКА, ПОЛУЧЕННАЯ ПРИ ПОМОЩИ ТАКОГО СПОСОБА
METHOD FOR ARRANGEMENT OF SET OF SPACECRAFTS UNDER HEAD FAIRING OF LAUNCH VEHICLE WITHOUT STRUCTURAL DISTRIBUTOR AND ASSEMBLY OBTAINED USING SUCH A METHOD

Изобретение относится к области космонавтики и, в частности, касается запуска космических аппаратов, таких как искусственные спутники. Более конкретно, оно относится к способу расположения множества космических аппаратов под головным обтекателем ракеты-носителя и к сборке, которую можно получить при помощи такого способа.
В рамках активной политики оптимизации расходов и систем необходимо изменить и оптимизировать обычные способы объединения спутников под головным обтекателем ракет-носителей, чтобы максимизировать пространство и массу, доступные для космических аппаратов.
Обычно для расположения спутников внутри ракеты-носителя применяют два решения:
Первым вариантом является использование центрального трубчатого элемента, расположенного вдоль оси головного обтекателя ракеты-носителя и называемого распределителем. Эта труба механически связана со спутниками, чтобы удерживать их во время запуска и полета при помощи механических интерфейсов. Блок, состоящий из распределителя и механических интерфейсов, позволяет получить жесткую сборку. В космическом пространстве после отделения этой сборки от ракеты-носителя пиротехнические заряды, электромеханические катушки, сплавы с эффектом запоминания формы или парафиновые приводы отсоединяют спутники от конструктивного распределителя. Наиболее простым решением является закрепление множества спутников на одной ступени вокруг центральной трубы.
На фиг. 1 показан известный распределитель (раскрытый в документе ЕР 3081496), который можно разместить под головным обтекателем ракеты-носителя Falcon 9, причем этот распределитель позволяет более эффективно использовать имеющееся пространство под головным обтекателем. Эта сборка работает только для спутников небольшого размера с их компоновкой в несколько слоев вокруг распределителя. Эта сборка содержит 6 ступеней из 12 спутников в 2 слоях, плюс одну ступень с одним слоем, содержащим 4 спутника. Эта сборка позволяет запускать до 76 спутников. Таким образом, использование распределителя позволяет механически удерживать спутники на ракете-носителе и управлять последовательностью отделения спутников. Однако монтаж распределителя является дорогостоящим и требует сложной логистики. Кроме того, центральная труба занимает большое пространство, которое не используется для полезной нагрузки (спутники), и в среднем распределитель составляет 10-14% от общей запускаемой в космос массы.
В известных решениях (см., например, патент US 5411226 А) адаптируют форму и тип нетрубчатого распределителя, чтобы минимизировать пространство, занимаемое распределителем. Однако даже при минимизации занимаемого пространства масса распределителя остается значительной и ограничивает количество спутников, которые можно запустить одновременно.
Вторым вариантом является размещение спутников друг над другом в наборе вдоль продольной оси ракеты-носителя под ее головным обтекателем. Недостатком этого решения является то, что масса спутников в наборе действует на находящийся (находящиеся) внизу спутник(и), что вынуждает адаптировать дизайн и конструкцию этих спутников (как правило, за счет увеличения их массы), чтобы они могли выдерживать такую механическую нагрузку. Кроме того, такая компоновка значительно усложняет и увеличивает риски последовательности отделения спутников. Наконец, такая сборка очень часто ограничена одним спутником на каждом уровне.
Изобретение призвано обеспечить более эффективное использование имеющегося объема под головным обтекателем, общей запускаемой полезной массы и, следовательно, увеличить количество и/или массу спутников, которые можно запускать одновременно.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно изобретению, эта задача решается за счет расположения спутников под головным обтекателем ракеты-носителя без использования конструктивного распределителя.
Таким образом, объектом изобретения является сборка, содержащая:
- по меньшей мере один первый блок из множества космических аппаратов, которые должны быть закреплены на ракете-носителе в фазе запуска, отличающийся тем, что космические аппараты расположены вокруг центральной оси в одной поперечной плоскости, перпендикулярной к упомянутой центральной оси, при этом упомянутые космические аппараты имеют ребра вдоль продольной оси и, кроме того, расположены таким образом, чтобы один космический аппарат был соединен с соседним космическим аппаратом посредством одного ребра при помощи по меньшей мере одного устройства крепления, находящегося на упомянутом ребре, чтобы обеспечивать механическое удержание упомянутых космических аппаратов между собой,
- переходник «спутники - ракета-носитель», на котором закреплены упомянутые космические аппараты в поперечной плоскости.
Согласно частным вариантам выполнения такой сборки:
- Упомянутые космические аппараты закреплены на ракете-носителе при помощи соединительной детали ракеты-носителя, называемой переходником «спутники - ракета-носитель», адаптируемой в зависимости от количества подлежащих сборке космических аппаратов.
- Упомянутый переходник «спутники - ракета-носитель» является деталью, имеющей плоскую верхнюю часть со стороны космических аппаратов и круглую или коническую нижнюю часть со стороны ракеты-носителя.
- Упомянутый переходник «спутники - ракета-носитель» является цилиндрической деталью, расположенной под космическими аппаратами.
- Упомянутые космические аппараты установлены непосредственно на ракете-носителе и соединены с ракетой-носителем и между собой при помощи хомута.
- Сборка содержит центральную стойку, совместно используемую всеми космическими аппаратами, служащую для управления последовательностью отделения космических аппаратов.
- Сборка, в которой находятся несколько блоков космических аппаратов, расположенных вокруг центральной оси в одной поперечной плоскости, перпендикулярной к упомянутой центральной оси, при этом упомянутые космические аппараты имеют ребра вдоль продольной оси и, кроме того, расположены таким образом, чтобы один космический аппарат был соединен с соседним космическим аппаратом посредством одного ребра при помощи по меньшей мере одного устройства крепления, находящегося на упомянутом ребре, чтобы обеспечивать механическое удержание между собой упомянутых космических аппаратов, образующих слои, уложенные друг на друга вдоль продольной оси ракеты-носителя, при этом слои связаны между собой в поперечной плоскости упомянутой ракеты-носителя.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие отличительные признаки, детали и преимущества изобретения будут более очевидны из описания со ссылками на прилагаемые чертежи, которые представлены в качестве примеров и на которых:
Фиг. 1 (описана выше) - сборка космических аппаратов под головным обтекателем согласно известному уровню техники.
Фиг. 2 - общий вид сборки космических аппаратов согласно изобретению.
Фиг. 3 - вид космического аппарата.
Фиг. 4 - вид детали сборки космических аппаратов согласно одному варианту выполнения изобретения.
Фиг. 5 - упрощенный вид в разрезе сборки космических аппаратов согласно варианту выполнения изобретения.
Фиг. 6 - сборка космических аппаратов согласно одному варианту выполнения изобретения.
В дальнейшем тексте описания под «продольным направлением» (или «продольной осью») следует понимать направление (соответственно ось), параллельное оси головного обтекателя и, следовательно, направлению полета ракеты-носителя. Под «поперечной плоскостью» следует понимать плоскость, перпендикулярную к оси головного обтекателя (то есть к продольной оси).
Термин «космический аппарат» обозначает искусственный спутник или любой другой аппарат, предназначенный для полета в космическом пространстве, такой как межпланетный зонд. В дальнейшем тексте описания будут равнозначно использоваться термины «спутник» и «космический аппарат».
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 2 представлен фронтальный вид сборки 2 космических аппаратов 20, 21, 22, которые должны быть закреплены под головным обтекателем ракеты-носителя в фазе запуска, при этом головной обтекатель 23 показан прозрачно. В данном случае сборка состоит из трех спутников с трапециевидным сечением. В заявленной сборке спутники расположены вокруг центральной оси Z в заданной поперечной плоскости, образуя один слой. Центральная ось является осью, параллельной относительно продольной оси ракеты-носителя. В данном случае поперечной плоскостью называют любую плоскость, перпендикулярную к центральной оси Z. Спутники связаны механически между собой только посредством своих ребер (граней) вдоль продольной оси ракеты-носителя. В частности, спутники или космические аппараты расположены таким образом, чтобы один космический аппарат был соединен с соседним космическим аппаратом блока посредством одного ребра при помощи по меньшей мере одного устройства В крепления (или точки крепления), находящегося на упомянутом ребре, чтобы обеспечивать механическое удержание упомянутых аппаратов между собой. На фиг. 2 показаны три из этих точек В крепления, находящиеся в вершине ребер соседних спутников. Кроме того, спутники механически связаны с ракетой-носителем через интерфейсную (соединительную) деталь, называемую переходником «спутники - ракета-носитель» (24, показана на фиг. 3) и подобную интерфейсной детали, схематично показанной на фиг. 4 и содержащей точки (или ножки) крепления, связывающие спутники с этой деталью. Поскольку интерфейс ракеты-носителя обычно является круглым, то переходник «спутники - ракета-носитель» обычно содержит круглую часть для крепления на ракете-носителе. В варианте выполнения, представленном на фиг. 2, крепления спутник/спутник и спутник/ракета-носитель выполнены в виде пиротехнических болтов. Преимуществом крепления этого типа является облегчение управления последовательностью отделения сгруппированных/разделяемых космических аппаратов. Кроме того, эти устройства крепления обеспечивают возможность разъединения спутников во время последовательности отделения. В альтернативном варианте выполнения устройство или устройства В крепления представляют собой электромеханические катушки, сплавы с запоминанием формы, парафиновые приводы или другие дистанционно активируемые механизмы разделяемого соединения.
В заявленной сборке не используют распределитель для удержания космических аппаратов на ракете-носителе во время запуска. Роль механического удержания вдоль продольной оси ракеты-носителя, которая обычно отводилась конструктивному распределителю, в данном случае выполняют соединения между ребрами спутников вдоль этой же оси, в данном случае пиротехнические болты. В данном случае под конструктивным распределителем следует понимать элемент конструкции, обладающий очень большой механической жесткостью и выдерживающий действие сил между ракетой-носителем и каждым из спутников и между самими спутниками. Таким образом, это решение дает существенный выигрыш в объеме хранения и в запускаемой полезной массе. При этом можно изменить конструкцию спутников, чтобы использовать это пространство и эту массу и принять на борт больше полезного груза, который определяет ценность спутников. Кроме того, отказ от установки распределителя позволяет сократить расходы и упростить способ расположения. Сэкономленную при помощи этой сборки полезную массу можно оценить в 5-7% общей запускаемой полезной массы (то есть примерно 50% массы классического распределителя). Компоновка, показанная на фиг. 2, называется «трапецией», так как она образована спутниками с трапециевидным сечением. В другом варианте выполнения спутники имеют прямоугольное сечение. Однако использование спутников с трапециевидным сечением позволяет лучше использовать пространство, высвободившееся за счет отказа от распределителя, чем в случае спутников с прямоугольным сечением. Следовательно, именно ему отдается предпочтение.
Динамическое поведение сборки должно соответствовать требованиям отвечающих за запуск органов. В частности, частоты первых мод колебания в вертикальном и продольном направлении должны превышать предельные значения, которые зависят от ракеты-носителя и составляют порядка нескольких Гц или нескольких десятков Гц. Цифровые модели позволили установить, что в варианте выполнения, представленном на фиг. 2, первые поперечные и продольные частоты имеют значения, отвечающие спецификациям.
Жесткая сборка, образованная тремя спутниками с трапециевидным сечением и переходником «спутники - ракета-носитель», расположена в центре головного обтекателя ракеты-носителя. На фиг. 3 показан отдельный фронтальный вид одного спутника 22 с трапециевидным сечением, установленного на переходнике 24 «спутники - ракета-носитель». Ребра 25 спутника 22, соединенные с другими ребрами соседних спутников 20 и 21 (показаны на фиг. 2) при помощи устройств В крепления, обеспечивают удержание спутников между собой и отделение этих спутников. На фиг. 3 показаны устройства В крепления, расположенные на ребрах 25 и распределенные вдоль этих ребер. В не ограничительном примере, представленном на фиг. 3, соединение между двумя спутниками осуществлено при помощи двух устройств В крепления, расположенных вдоль ребер 25, тогда как соединение спутника с переходником ракеты-носителя осуществлено при помощи двух устройств В крепления.
В варианте выполнения, представленном на фиг. 2 и 3, спутники имеют цилиндрическое усиление 26, установленное в основании конструкции спутников в продолжении крепления с переходником 24 «спутники - ракета-носитель», обеспечивая дополнительную жесткость и удержание спутников на переходнике «спутники - ракета-носитель». В другом варианте выполнения в конструкции спутников отсутствует цилиндрическое крепление.
В еще одном варианте выполнения спутники соединены между собой таким же образом, как и в сборке, показанной на фиг. 2, но связаны напрямую (без переходника 24 «спутники - ракета-носитель») с ракетой-носителем при помощи хомута, например, обеспечивающего по сути дополнительное удержание между ними. В этом случае спутники закреплены на окружном контуре интерфейса ракеты-носителя. В еще одном варианте выполнения, количество спутников, образующих сборку, может отличаться от трех как в варианте выполнения с переходником «спутники - ракета-носитель», так и в варианте выполнения с непосредственным креплением на ракете-носителе. На фиг. 4 представлен вид в плане заявленной сборки спутника и интерфейсной детали переходника 24 «спутники - ракета-носитель». Эта деталь связывает ракету-носитель 32 с тремя спутниками (на фигуре показан только один спутник 21) через крепежную ножку 33. В этом варианте выполнения переходник «спутники - ракета-носитель» является жесткой цилиндрической металлической деталью, расположенной непосредственно под спутниками и между спутниками и ракетой-носителем. В еще одном варианте выполнения переходник «спутники - ракета-носитель» является деталью, верхняя часть которой (со стороны спутников) представляет собой простую плоскую жесткую пластину, обеспечивающую соединение со спутниками, а нижняя часть (со стороны ракеты-носителя) является круглой или конической для обеспечения соединения с ракетой-носителем. В варианте выполнения, представленном на фиг. 4, переходник «спутники - ракета-носитель» является деталью, общей для трех спутников. В другом варианте выполнения эта соединительная деталь адаптирована к количеству и к конструкции космических аппаратов, которые требуется объединить в сборку.
На фиг. 5 представлен схематичный вид в разрезе сборки космических аппаратов согласно тому же варианту выполнения, что и на фиг. 4. Можно напомнить, что конструкция спутников является трапециевидной, чтобы оптимизировать пространство, высвободившееся в результате отказа от распределителя. Три спутника 20, 21, 22 связаны своими ребрами при помощи устройств В крепления, и усиления 26а, 26b, 26с в каждом спутнике представляют собой треть цилиндра и обеспечивают дополнительную жесткость и удержание спутников на переходнике «спутники - ракета-носитель». Устройства В крепления расположены в вершине ребер соседних спутников данного слоя и позволяют соединить спутники между собой. Кроме того, в центре сборки установлена и соединена со спутниками центральная стойка 31, которая в отличие от обычного распределителя не обеспечивает никакой конструктивной функции и, следовательно, может быть намного более легкой. Эта стойка связана со всеми точками крепления спутников между собой и точками крепления спутников на переходнике «спутники - ракета-носитель». Эта стойка представляет собой простой немеханический интерфейс, который не удерживает спутники между собой или на ракете-носителе, но который содержит устройства отделения космических аппаратов. Концы этой стойки содержат пиротехнические заряды, которые в необходимый момент отсоединяют спутники друг от друга и отделяют спутники от ракеты-носителя. В варианте выполнения, представленном на этой фигуре, точки крепления спутников между собой и точки крепления спутников на переходнике «спутники - ракета-носитель» являются пиротехническими болтами, и стойка позволяет контролировать подрыв этих болтов. Таким образом, эта неконструктивная стойка позволяет управлять последовательностью отделения спутников. Это позволяет отделять несколько спутников сразу или освобождать их раздельно один за другим.
На фиг. 6 показана сборка 40 из трех спутников «трапеций» 41, 42, 43 (спутник 43 не показан для упрощения чертежа), соединенных с ракетой-носителем через цилиндрический переходник 44 «спутники - ракета-носитель» с неконструктивной центральной стойкой 31, выполняющей роль интерфейса, общего для трех спутников и содержащего устройство отделения космических аппаратов. В варианте выполнения, представленном на фиг. 6, соединение между соседними спутниками осуществлено при помощи 4 точек крепления через пиротехнические болты, а соединение спутники/переходник «спутники - ракета-носитель» осуществлено при помощи двух точек крепления (в данном случае тоже пиротехнических болтов). Кроме того, как и в варианте выполнения, показанном на фиг. 3, конструкция спутников содержит две трети цилиндра 26а, 26b, которые способствуют передаче усилий спутники/переходник «спутники - ракета-носитель». В другом варианте выполнения количество соединений спутники/спутники и спутники/переходник «спутники - ракета-носитель» может отличаться от варианта выполнения, показанного на фиг. 6.
В еще одном варианте выполнения устройство отделения выполнено не в виде пиротехнических болтов, а представляет собой электромеханические катушки, сплавы с запоминанием формы, парафиновые приводы или другие дистанционно активируемые механизмы разделяемых соединений.
В другом варианте выполнения немеханический интерфейс, общий для всех космических аппаратов и содержащий устройство отделения аппаратов, не является стойкой, а выполнен в виде тросов, соединенных между собой и закрепленных на уровне переходника «спутники - ракета-носитель», связывающих все точки крепления спутников между собой и спутников на переходнике «спутники - ракета-носитель». Преимуществом стойки является то, что она в меньшей степени может смещаться во время запуска.
В еще одном варианте выполнения производят укладку в наборы вдоль продольной оси ракеты-носителя нескольких слоев блоков из нескольких космических аппаратов, связанных между собой только вдоль продольной оси ракеты-носителя без использования конструктивного распределителя и связанных с интерфейсом ракеты-носителя в поперечной плоскости ракеты-носителя. Эта сборка позволяет получать N наборов из n спутников и одновременно управлять для каждой сборки последовательностью запуска n спутников. В этом варианте выполнения точки крепления (например, пиротехнические болты) или одно сплошное крепление в виде дуги окружности для каждого спутника в поперечной плоскости будут применяться между каждым набором, чтобы наборы можно было отделять один за другим. Разумеется, в этом случае конструкцию и дизайн спутников в нижних наборах следует адаптировать, чтобы они выдерживали массу спутников верхних наборов.
В варианте выполнения последовательность сборки множества космических аппаратов 20, 21, 22 под головным обтекателем ракеты-носителя 23 включает в себя следующие операции:
- устанавливают переходник 24 «спутники - ракета-носитель» на ракете-носителе и под головным обтекателем;
- устанавливают 1-й блок спутников 2 один за другим следующим образом:
- один спутник закрепляют на переходнике «спутники - ракета-носитель»;
- затем крепят другой спутник, связывая его с уже закрепленным спутником вдоль продольной оси ракеты-носителя;
- затем крепят еще один спутник и т.д., пока все спутники не будут закреплены и связаны между собой вдоль продольной оси ракеты-носителя, чтобы получить полную сборку;
- устанавливают немеханический интерфейс 31, общий для всех космических аппаратов и содержащий устройство отделения аппаратов.
В еще одном варианте выполнения последовательность сборки идентична вышеуказанной последовательности, но установку немеханического интерфейса производят после закрепления первого спутника на переходнике «спутники - ракета-носитель».
В еще одном варианте выполнения установку немеханического интерфейса можно осуществить до размещения первого блока спутников под головным обтекателем ракеты-носителя (и после их соединения вдоль продольной оси ракеты-носителя).