СПОСОБ КОМПОНОВКИ ПОЛЕЗНОЙ НАГРУЗКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF PAYLOAD INTEGRATION AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к космической технике, в частности к космическим аппаратам, выводимым на орбиту с помощью ракет-носителей.
Известен способ компоновки полезной нагрузки под головным обтекателем ракеты-носителя «Днепр» (http://www.kosmotras.ru/upload/kgc_iul_2013.pdf, стр.5-6) с помощью дополнительной рамы, устанавливаемой в цилиндрической части головного обтекателя, обеспечивающей посадочные места для закрепления нескольких космических аппаратов.
Недостатками этого способа являются ограниченность применения его на разных типах ракет-носителей, связанная с необходимостью разработки нестандартного головного обтекателя для каждого типа, а также уменьшение массы полезного груза, выводимого ракетой-носителем за счет массы рамы и дополнительной системы отделения этой рамы от головного обтекателя.
Также известна космическая головная часть для группового запуска спутников (патент RU 2428358 С1, B64G 1/22), которая содержит переходной отсек для стыковки с последней ступенью ракеты, адаптер для крепления спутников и головной обтекатель, при этом космические аппараты крепятся к адаптеру сбоку.
Недостатком этого технического решения является наличие дополнительного адаптера для крепления спутников, уменьшающего предельную массу стыкуемых к нему космических аппаратов за счет собственной массы.
Известен способ компоновки, сущность которого раскрыта в материалах патента RU 2156212 С2, B64G 1/10, 1/22, «Устройство для размещения нескольких спутников на ракете-носителе», содержащее центральную стойку, закрепленную на ракете-носителе и имеющую множество идентичных посадочных мест, множество идентичных элементов стыковки, каждый из которых предназначен для закрепления одного из множества спутников на соответствующем посадочном месте, съемное средство крепления и средство крепления-отцепления, посредством которого любой из спутников может быть закреплен с возможностью управляемого отделения от соответствующего элемента стыковки.
Недостатками данного технического решения являются необходимость изготавливать дополнительные устройства (центральную стойку и посадочные места) для обеспечения закрепления полезной нагрузки, что влечет за собой уменьшение массы выводимого груза пропорционально массе предлагаемого переходного устройства, а также боковой способ крепления космических аппаратов к центральной стойке, что накладывает дополнительные ограничения на силовую схему космического аппарата, излишне увеличивая его массу.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу компоновки полезной нагрузки и устройству для его осуществления является «Способ выведения искусственных спутников в качестве основной и попутной полезных нагрузок на геостационарную орбиту и устройство для его осуществления» (RU 2254265 С2, B64G 1/00, 1/10), заключающийся в том, что полезная нагрузка состоит из двух космических аппаратов, причем космические аппараты последовательно установлены на ракету-носитель, начиная с нижнего. При этом основная полезная нагрузка в виде одного или более космических аппаратов установлена через устройство отделения на корпус указанного нижнего космического аппарата. Корпус последнего совмещает свои функции с функциями силового элемента переходника для установки основной полезной нагрузки. Данный способ компоновки был взят за прототип.
Недостатком этого способа компоновки является использование в качестве силового элемента, передающего нагрузку от верхнего космического аппарата к адаптеру (или переходной системе) ракеты-носителя, корпуса нижнего космического аппарата, что влечет за собой увеличение массы элементов корпуса, связанное с необходимостью увеличить его прочность и жесткость.
Заявителем в процессе информационного поиска не были выявлены аналоги, близкие к заявленному устройству по совокупности существенных признаков и технической сущности.
Задачей изобретения является минимизация затрат массы на введение в состав полезной нагрузки дополнительных космических аппаратов, повышение эффективности использования объема под головным обтекателем ракеты-носителя, уменьшение стоимости запуска космических аппаратов на орбиту.
Поставленная задача решается за счет способа компоновки полезной нагрузки, заключающегося в том, что на ракету-носитель устанавливают полезную нагрузку, включающую в себя как минимум два космических аппарата. Для взаимного размещения космических аппаратов в полезной нагрузке и закрепления полезной нагрузки на ракете-носителе, в качестве силовой конструкции корпуса космических аппаратов включают устройство для реализации способа компоновки полезной нагрузки. Заявленное устройство выполнено в виде разделяемой силовой трубы, состоящей из нескольких частей (по числу космических аппаратов в полезной нагрузке), каждая из которых выполняет функции силовой конструкции корпуса соответствующего космического аппарата. Космические аппараты собирают вокруг соответствующих частей разделяемой силовой трубы на заводе-изготовителе, интегрируют космические аппараты в единую полезную нагрузку, собирают космическую головную часть в составе интегрированной полезной нагрузки и головного обтекателя, устанавливают космическую головную часть на штатное место на ракете-носителе.
Разделяемая силовая труба выполняет функции единого для всех космических аппаратов, составляющих полезную нагрузку, переходного устройства, обеспечивающего взаимное расположение космических аппаратов под головным обтекателем ракеты-носителя и передающего весовые и стартовые нагрузки от космических аппаратов на адаптер (или переходную систему) ракеты-носителя, а способность силовой трубы разделяться на несколько частей (например, с помощью встроенного устройства разделения) позволяет разделять полезную нагрузку на отдельные космические аппараты после выведения ее на орбиту. Это техническое решение позволяет уменьшить количество конструктивных элементов космического аппарата, воспринимающих стартовые нагрузки, уменьшить массу конструкции панелей для бортовой аппаратуры за счет существенного смягчения предъявляемых к ним требованиям по жесткости, что увеличивает максимально допустимую массу полезного груза, увеличивает полезный объем под головным обтекателем и сокращает стоимость запуска космических аппаратов на орбиту за счет использования одной ракеты для запуска нескольких космических аппаратов.
Достигаемый технический результат заключается в минимизации затрат массы на введение в состав полезной нагрузки дополнительных космических аппаратов за счет использования разделяемой силовой трубы, в собранном виде представляющей собой единую как для основного, так и как минимум для одного дополнительного космических аппаратов структуру; повышении эффективности использования объема под головным обтекателем ракеты-носителя за счет размещения под головным обтекателем дополнительных космических аппаратов; уменьшении стоимости запуска космических аппаратов на орбиту за счет использования одной ракеты-носителя для одновременного запуска нескольких космических аппаратов.
Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более, не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения:
На фиг. 1 представлена схема компоновки двух космических аппаратов под головным обтекателем ракеты-носителя с помощью разделяемой силовой трубы (продольный разрез).
На фиг. 2 представлена схема реализации способа компоновки полезной нагрузки: а - сборка космических аппаратов вокруг соответствующих частей разделяемой силовой трубы на заводе-изготовителе; б - интеграция космических аппаратов в единую полезную нагрузку; в - сборка космической головной части в составе интегрированной полезной нагрузки и головного обтекателя и установка ее на штатное место на ракете-носителе.
Способ компоновки полезной нагрузки, включающей в себя один основной и хотя бы один дополнительный космические аппараты, заключается в следующем. Для размещения под головным обтекателем 1, кроме основного космического аппарата 2, как минимум одного дополнительного 3, необходимо расположить их соосно ракете-носителю и последовательно вдоль продольной оси ракеты-носителя, а также обеспечить передачу весовых и стартовых нагрузок от всех космических аппаратов 2, 3 на адаптер (или переходную систему) 4 ракеты-носителя 7. Предлагается для этих целей использовать разделяемую силовую трубу 5, устанавливаемую соосно с ракетой-носителем и служащую для компоновки как минимум одного дополнительного космического аппарата 3 в составе полезной нагрузки относительно основного космического аппарата, а также для восприятия нагрузок от космических аппаратов 2, 3. При этом космические аппараты 2, 3 компонуются вокруг силовой трубы 5, как бы охватывая ее. Таким образом, силовая труба 5, кроме переходного устройства для закрепления космических аппаратов 2, 3 на адаптере (или переходной системе) 4 ракеты-носителя 7, выполняет функции основы силовой схемы каждого космического аппарата.
Устройство для реализации способа компоновки полезной нагрузки, выполненное в виде разделяемой силовой трубы 5 для одновременного запуска как минимум двух космических аппаратов 2, 3 одной ракетой-носителем 7. Силовая труба 5 снабжена как минимум двумя устройствами разделения 6, известными из уровня техники, служащими для отделения полезной нагрузки от ракеты-носителя и разделения полезной нагрузки после выведения ее на орбиту. Устройство разделения 6 должно быть выполнено таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить гарантированное разделение полезной нагрузки на орбите, а с другой стороны - сохранить жесткостные и прочностные характеристики разделяемой силовой трубы 5 на этапе выведения на орбиту.
С целью обеспечения технологичности сборки космических аппаратов разделяемую силовую трубу предлагается делить на части, по количеству космических аппаратов в полезной нагрузке, и собирать каждый космический аппарат вокруг своей части разделяемой силовой трубы.
При этом высота каждой части разделяемой силовой трубы может подбираться индивидуально, согласно габаритам соответствующих космических аппаратов, таким образом, чтобы обеспечить взаимное размещение космических аппаратов в составе полезной нагрузки, с учетом запасов на гарантирование несоударения космических аппаратов.
С целью оптимизации массы конструкции части разделяемой силовой трубы могут представлять собой изогридную сетчатую структуру, например, приведенную в патенте RU 2392122 С1.
Для обеспечения прочностных характеристик разделяемой силовой трубы площадь поперечного сечения различных ее частей может различаться в соответствии со следующей закономерностью: часть разделяемой силовой трубы, воспринимающая нагрузку от всех космических аппаратов, составляющих полезную нагрузку, то есть та часть, один конец которой крепится к адаптеру (или переходной системе) ракеты-носителя, должна иметь максимальную площадь поперечного сечения, а та часть разделяемой трубы, которая воспринимает нагрузку только от одного космического аппарата, то есть та часть, которая в стартовом положении полезной нагрузки является верхней, может иметь минимальную площадь поперечного сечения.
Устройство работает следующим образом: космические аппараты 2, 3 собираются на заводе-изготовителе каждый вокруг своей части разделяемой силовой трубы 5. Разделяемая силовая труба 5 с закрепленными на ней космическими аппаратам 2, 3 собирается с помощью, например, устройства разделения 6 в единый конструктив в техническом комплексе на полигоне запуска и в собранном виде устанавливается на адаптер (или переходную систему) ракеты-носителя. На участке выведения на орбиту разделяемая силовая труба воспринимает и передает воздействия от всех космических аппаратов, входящих у состав полезной нагрузки, на адаптер (или переходную систему) 4 ракеты-носителя 7 через устройства разделения 6. После выведения полезной нагрузки на целевую орбиту устройства разделения обеспечивают безударное разделение космических аппаратов, входящих в состав полезной нагрузки.