ПОСАДОЧНОЕ УСТРОЙСТВО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
SPACECRAFT LANDING GEAR

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к посадочным устройствам (ПУ) космических аппаратов (КА).
Известны ПУ всенаправленного действия, например, пневматические ("Луна 9, 13"), бальзовые ("Рейнджер 4, 6, 9") и другие (см. "Проектирование спускаемых автоматических КА" под ред. В.М. Ковтуненко, М., Машиностроение, 1985, стр.157). Эти ПУ способны воспринимать удар о поверхность любой частью корпуса КА и работоспособны при высоких посадочных скоростях. Указанные ПУ применялись для обеспечения посадки КА небольшой массы при их неориентированном подходе к поверхности. Малая масса КА и уровень разработки систем управления (СУ) не позволяли обеспечить его ориентированный подход к поверхности. Недостатком их являются высокие перегрузки, достигающие 200-300 ед., и значительная масса ПУ по отношению к массе КА.
С ростом размеров и массы КА и совершенствования СУ появилась возможность ориентированного подхода к поверхности. Вследствие этого, получили распространение ПУ направленного действия, массовые характеристики которых значительно лучше, чем у ПУ всенаправленного действия. Так, известно ПУ торового типа ("Венера 9, 14", стр.158), в котором усилия амортизации реализуются при деформации металлического торового опорного элемента. Недостатками такого ПУ являются:
- значительные перегрузки (до сотен единиц), приходящие на элементы конструкции КА;
- возможное опрокидывание КА при посадке, что наиболее вероятно при наличии у него значительной по величине горизонтальной составляющей посадочной скорости.
Наиболее близким к предложенному является ПУ стержневого типа ("Луна 16" и др. стр.158, 162). Оно состоит из четырех складываемых опор, каждая из которых имеет V-образный подкос, амортизатор и опорную тарель. Верхние концы амортизаторов и подкосов шарнирно закреплены на корпусе КА, нижние концы амортизаторов и тарели шарнирно соединены со свободными концами подкосов. Амортизатор выполнен в виде двухзвенной телескопической стойки, а V-образный подкос служит элементом, ограничивающим ее угловое движение. Для повышения устойчивости КА в процессе посадки при ориентированном подходе его к посадочной поверхности необходимо, чтобы углы между амортизирующими стойками и плоскостью, ограниченной узлами их крепления к корпусу КА, были больше 90°. Амортизирующие стойки и подкосы ПУ крепятся в районе силовых шпангоутов или иных силовых элементов корпуса КА, причем усилия сжатия в узлах крепления стоек ограничены усилиями "пропускания" входящих в их состав амортизаторов в течение всего процесса посадки. Подкосы выполнены без амортизаторов, поэтому в узлах крепления к корпусу КА и, прежде всего, на начальном участке контакта тарели с посадочной поверхностью возникают ударные нагрузки, величины которых могут значительно превышать усилия "пропускания" амортизаторов. При этом стержневые элементы подкосов работают на устойчивость и их необходимо усиливать для восприятия указанных нагрузок. На эти же нагрузки приходится рассчитывать и конструкцию КА. Основные недостатки ПУ такого типа:
- значительные ударные нагрузки в подкосах и узлах их крепления к корпусу КА, что приводит к увеличению веса ПУ и усложнению его конструкции, например, к необходимости введения специальных демпфирующих элементов в узлах крепления подкосов;
- для размещения опор ПУ в сложенном состоянии требуется значительный объем, что ухудшает компоновочные характеристики КА в целом;
- необходимость проектирования КА на восприятие нагрузок, значительно превышающих эксплуатационные, т.е. тех, которые действуют на него на всех участках полета, что приводит к увеличению массы КА;
- необходимость защиты от ударных нагрузок элементов пневмогидросхемы, приборов и т.п., установленных на КА.
Задачей изобретения является улучшение весовых и компоновочных характеристик ПУ, а также исключение ударных нагрузок в узлах крепления элементов, ограничивающих угловое движение амортизирующей стойки или уменьшение их до величин, не превышающих эксплуатационные значения.
Задача решается за счет того, что в состав ПУ КА, каждая из опор которого включает стойку, состоящую из стакана с внутренним амортизирующим элементом, соединенного одним концом с КА посредством цилиндрического шарнира, а другим - телескопически с подвижным штоком, нижний конец которого с помощью сферического шарнира соединен с опорной тарелью, элементы, ограничивающие угловое перемещение опоры и взведение ее в исходное рабочее положение, введены в качестве одного из элементов, ограничивающих угловое перемещение опоры, два троса из сверхвысокомодульного материала, закрепленные без слабины в исходном рабочем положении опоры одними концами на КА, а другими - на подвижном штоке симметрично относительно плоскости поворота опоры, при этом значение угла β между продольной осью стойки в исходном рабочем положении опоры и прямой, проходящей через центр сферического шарнира тарели параллельно продольной оси КА, удовлетворяет условию β>δтр+δпп, где δтр - угол трения, δпп - угол подхода КА к посадочной поверхности, при этом другой элемент, ограничивающий угловое перемещение опоры, выполнен в виде механизма, допускающего лишь односторонний ее поворот в направлении увеличения угла β.
1
1
N
N
Схема предлагаемого ПУ КА представлена на фиг.1. В состав каждой из опор входит амортизирующая стойка, состоящая из подвижного штока 3 и стакана 2, внутри которого помещен амортизирующий элемент (на фиг.1 не показан). Верхним концом стакан 2 с помощью цилиндрического шарнира 6 крепится к КА 1. Стакан 2 телескопически соединен с подвижным штоком 3, который своим нижним концом с помощью сферического шарнира 9 крепится к опорной тарели 4. Поворот опоры происходит в плоскости П. Она проведена через продольную ось стойки 7 перпендикулярно оси цилиндрического шарнира 6. Одними из элементов, ограничивающих угловое перемещение опоры, являются тросы 5, изготовленные из сверхвысокомодульного материала, например кевлара, которые верхними (т.т. C и D) и нижними (т.т. C и D) концами крепятся симметрично относительно плоскости П, соответственно на КА 1 и подвижном штоке 3. Другой элемент, ограничивающий угловое перемещение опоры, может быть выполнен, например, в виде храпового механизма, установленного на оси цилиндрического шарнира 6, допускающего односторонний поворот опоры лишь в направлении увеличения угла β между продольной осью стойки и прямой, проходящей через центр сферического шарнира 9 параллельно продольной оси КА 1 (см. фиг.1). Начальное значение угла β в исходном рабочем положении опоры должно удовлетворять условию β>δтр+δпп, где δтр - угол трения, δпп - угол подхода КА 1 к посадочной поверхности. Угол трения δтр определяется из соотношения δтр=Arctg(Fтр/F), где Fтр - сила трения тарели 4 о посадочную поверхность 8, F - нормальная реакция. В данном случае Fтр - максимальная горизонтальная сила сопротивления движению тарели 4 вдоль посадочной поверхности 8. Ее величина зависит от физических характеристик грунта (его состав, погодные условия и т.п.), формы тарели 4, начальных кинематических параметров движения КА 1 и т.д. Начальное значение угла β определяется также углом δпп (см. фиг.1) подхода КА 1 к посадочной поверхности 8 (δпп - угол между нормалью к поверхности 8 и продольной осью КА 1). Выполнение этого начального условия приведет к тому, что суммарная реакция поверхности 8, действующая на опору, будет создавать момент относительно цилиндрического шарнира 6, направленный на увеличение угла β.
1
1
Функционирование предлагаемого ПУ, как энергопоглощающего устройства, начинается с момента контакта любой из его тарелей 4 с посадочной поверхностью 8. Реакция взаимодействия опорной тарели 4 с посадочной поверхностью 8 создает момент относительно оси цилиндрического шарнира 6 в направлении увеличения угла β (см. фиг.1). Этот поворот может быть осуществлен только при линейном перемещении штока 3 относительно стакана 2 в процессе сжатия его внутреннего энергопоглощающего элемента. При этом перемещении штока 3 точки C и D лежат на сферических поверхностях с радиусами, равными длине тросов 5, и с центрами соответственно в точках C и D. Поскольку тросы 5 закреплены симметрично относительно плоскости П, линия пересечения этих поверхностей будет лежать в этой плоскости. Это обеспечивает поворот стойки при усилиях натяжения тросов 5, достаточных для деформирования амортизирующего элемента, т.е. перемещения штока 3 относительно стакана 2 с поглощением энергии движения КА. Элемент, ограничивающий угловое перемещение стойки, который может быть выполнен в виде храпового механизма, установленного на оси цилиндрического шарнира 6, препятствует повороту стойки в сторону уменьшения угла β под действием инерционных сил до начала взаимодействия опоры с посадочной поверхностью 8 и при потере контакта с ней. Совместное функционирование всех опор ПУ обеспечивает полное гашение кинетической энергии КА и его устойчивость в процессе посадки.
Итак, предлагаемое ПУ обладает следующими преимуществами в сравнении с аналогичным устройством, выбранным за прототип:
- исключены ударные сжимающие нагрузки в узлах крепления опор ПУ к корпусу КА, что приведет к снижению его массы;
- за счет исключения из состава ПУ жестких подкосов улучшены компоновочные характеристики ПУ в сложенном состоянии;
- исключение из состава ПУ жестких подкосов позволит приблизительно на 30% уменьшить его массу, что, как следствие, приведет к снижению энергетических характеристик механизма взведения ПУ в рабочее положение и, следовательно, к снижению и его массы;
- существенно (от 1,5 до 2 раз) снижается стоимость изготовления ПУ.
Литература
Проектирование спускаемых автоматических космических аппаратов под ред. В.М. Ковтуненко, М., Машиностроение, 1985.