Многослойная гибкая надувная оболочка для космического аппарата
MULTILAYER FLEXIBLE INFLATABLE SHELL FOR SPACECRAFT

Изобретение относится к области космической техники, а именно к оболочке пилотируемого космического аппарата, предназначенной для защиты экипажа от факторов космического пространства.
Известно техническое решение по трансформируемому космическому модулю TransHab, разработанное НАСА, изложенное в статье «Inflatable Habitats» (авторы: Kriss J. Kennedy, Jasen Raboin, Gary Spexarth, Gerard Valle, NASA Johnson Space Center, Houston, Texas), опубликованной в издании «Paul Zarchan. Gossamer Spasecraft: Membrane and Inflatable Structures Technology for Space Applications // Reston, Virginia: American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc. ISBN 1-56347-403-4. 2001. C. 527-529, 534-535». Вышеуказанная оболочка трансформируемого космического модуля состоит из нескольких групп слоев материалов, выполняющих различные функции. Оболочка включает экранно-вакуумную теплоизоляцию (ЭВТИ) с защитой от атомарного кислорода, противометеороидную защиту в виде защитных противометеороидных экранов с межэкранными разделителями, армирующий слой, герметизирующий слой, слой, защищающий от повреждений изнутри.
Защита от микрометеороидов и техногенных частиц обеспечивается с использованием пяти разнесенных экранов из тканевых слоев материала Nextel (Некстел) толщиной 1,5 мм, которые разделены дистанцирующими прокладками из пенопласта.
Основными недостатками такой конструкции являются большие толщины противометеороидной защиты и многослойной трансформируемой герметичной оболочки (МТГО), и, как следствие, невозможность их сжатия до минимальных размеров при укладке в зону полезного груза.
Известна многослойная трансформируемая герметичная оболочка (МГТО) [Патент РФ. №2014114599 на изобретение, B64G 1/52 (2016.01). Многослойная трансформируемая герметичная оболочка / И.М. Филиппов, В.Г. Соколов, Н.Г. Медведев, Л.С. Бурылов, А.А. Чернецов; заявл. 14.04.2014; опубл. 27.01.2016, Хамиц И.И., Филиппов И.М.1, Бурылов Л.С. и др. Трансформируемые крупногабаритные конструкции для перспективных пилотируемых комплексов // Космическая техника и технологии. 2016. №2(13), 23-33], состоящая из экранно-вакуумной теплоизоляции с защитой от атомарного кислорода, противометеороидную защиту в виде защитных противометеороидных экранов с межэкранными разделителями из вспененного эластичного открытопористого материала, армирующего слоя, герметизирующего слоя, слоя, защищающего от повреждений изнутри, противометеороидная защита состоит из многослойных противометеороидных экранов из арамидной ткани, причем в первом от наружного к внутреннему содержится не менее 40% общего количества слоев или суммарной поверхностной плотности экранов, во втором - не менее 20%, которые дистанцируются друг относительно друга на 100±75 мм, а межэкранные разделители выполнены с «вафельной» несквозной перфорацией, при этом габаритные размеры ячеек перфорации имеют соотношение a:b:c:m:H=35:35:17:3:20 с отклонением не более чем в 3 раза, где а - длина ячейки перфорации, b - ширина ячейки перфорации, с - глубина ячейки перфорации, m - толщина стенок между ячейками, H - высота межэкранного разделителя.
Недостатками этой МТГО являются дополнительная масса оболочки из-за армирующего слоя, относительно большие усилия для сжатия и меньшая сжимаемость оболочки для укладки в зону полезного груза под обтекатель КА.
При создании крупных космических аппаратов (КА) остро стоит вопрос минимизации массы конструкции и ее габаритов на этапе выведения. Существенную долю массы конструкции аппарата составляет его внешняя оболочка, поэтому возникает необходимость поиска других технических решений для таких КА. Одним из таких путей является замена внешней оболочки аппарата на облегченную гибкую оболочку. Гибкая оболочка отличается от жесткой металлической содержанием различных слоев из гибких (пленочных и тканевых) материалов, каждый из которых выполняет свои функции.
Также гибкая надувная оболочка должна решать следующие задачи:
- обеспечение защиты экипажа от микрометеороидов и космического мусора;
- уменьшение воздействия ионизирующего излучения космического пространства;
- обеспечение необходимой прочности оболочки как конструкции (по силовым нагрузкам на оболочку);
- обеспечение герметичности внутреннего объема пилотируемого КА;
- увеличение полезного герметичного объема КА нового поколения, создавая при этом более удобное и комфортное помещение для космонавтов долговременного пребывания;
- уменьшение массогабаритных характеристик конструкции обитаемых модулей в стартовом положении для обеспечения возможности их выведения существующими и перспективными ракетами-носителями, так как пространство зоны полезного груза под обтекателем ограничено.
Целями предлагаемого изобретения является уменьшение относительной массы конструкции оболочки, увеличение внутреннего объема модуля КА и повышение надежности.
Поставленные цели достигаются тем, что в предлагаемой оболочке, защищающей экипаж от внешних факторов, содержащей слои ЭВТИ 1, микрометеороидной защиты в виде защитных противометеороидных пластин 3(3а, 3b, 3с) и внутренних вертикальных пластин 7, пленки для скольжения 4, обеспечивающие минимальное трение при развертывании конструкции, прочную формирующую пленку 6, позволяющую правильно формировать положение пластины микрометеороидной защиты во время укладки и разворачивании оболочки, внутреннюю герметизирующую пленку 8, слои, содержащие надувные баллоны 5, выполненные из тонкостенных пленочных материалов, наполняемых в последствие газовой смесью, выполняют функцию устройства для распрямления оболочки в рабочее состояние, формирование межэкранных разделителей и придания правильной формы распрямленной оболочки в целом. Через пленочно-тросовые конструкции 9 производится соединение гибкой оболочки с элементами жесткой конструкции КА, чем обеспечивается прочность и жесткость конструкции КА с гибкой оболочкой.
Применение в конструкции баллонов позволяет уменьшить массу оболочки, объем в сложенном состоянии, сохранение формы всей оболочки в случае деформации или повреждения одного из баллонов. Такое решение позволит создавать не только исходно замкнутые формы гибкой оболочки с герметичным внутренним объемом, но и формы с открытым внутренним объемом, что позволит собирать в ней более сложные конструкции, или использовать такую оболочку в составе более сложного комплексного построения, собираемого на орбите. Для этих целей предлагаемая гибкая оболочка снабжена гибкими (пленочно-тросовыми) конструкциями (крепежами) 9, позволяющими соединить данную гибкую оболочку с жесткими элементами конструкции собираемого модуля пилотируемого КА, с обеспечением защиты оболочки от механических нагрузок, планируемых в ходе дальнейшей эксплуатации пилотируемого КА.
После выхода на целевую орбиту упаковка оболочки распаковывается (снимаются упаковочные элементы) на сборочной станции. Затем в пленочные надувные баллоны 5 подается воздух и эти баллоны, надуваясь, распрямляют всю пленочную оболочку.
На фиг. 1 изображена многослойная надувная гибкая оболочка в разрезе в рабочем положении.
Состав оболочки:
1 - экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ);
2 - шарнирно-замковые устройства (а - наружного слоя, b, с - среднего слоя, d - внутреннего слоя), которые обеспечивают подвижность пластин микрометеороидной защиты (ММЗ) при переводе их из сложенного в расправленное состояние и правильную фиксацию пластин ММЗ в развернутом состоянии, представляют собой малоразмерные механизмы, закрепленные с определенным шагом на краях полужестких пластин и внутренних вертикальных перегородок ММЗ;
3 - полужесткие пластины противометеороидных экранов (а - наружного слоя, b - среднего слоя, с - внутреннего слоя);
4 - пленки для скольжения (а - наружного слоя, b - внутреннего слоя) - тонкий гибкий материал-прослойка между слоями основных функциональных материалов, обеспечивающий минимальное трение между поверхностями основных материалов при развертывании конструкции гибкой оболочки;
5 - надувные баллоны (из гибкой пленки) (а - наружного слоя, b - внутреннего слоя), обеспечивающие развертывание (подъем и распрямление) всех частей (деталей) гибкой оболочки, самопроизвольное распрямление всей конструкции гибкой оболочки из упакованного в рабочее состояние, принятие формы и типоразмеров всей конструкции гибкой оболочки близким к требуемым, формирование межэкранного разделителя в конструкции ММЗ;
6 - прочная «формирующая» пленка (а - наружного слоя, b - внутреннего слоя), которая крепится к средней линии полужестких пластин ММЗ; позволяет им «более плотно, со сдвигом и поворотом относительно друг друга» укладываться в «упаковке» гибкой оболочки; но при распрямлении (переводе в рабочее состояние) гибкой оболочки (за счет своей прочности) не позволяет полужестким пластинам ММЗ «разъехаться» в произвольные положения, а выставляться именно в правильные положения;
7 - внутренние вертикальные перегородки ММЗ (а - наружного слоя, b - внутреннего слоя), обеспечивающие формирование «правильных форм и габаритов» межэкранного пространства ММЗ, также участвуют в выполнении основных защитных функций ММЗ (особенно - при попадании микро-метеоритов под углом к плоскости основных пластин ММЗ), уменьшает поражение надувных баллончиков в соседних пустотных камерах при попадании микро-метеорита. Выполняются из того же материала, что и основные полужесткие пластины ММЗ, но имеют меньшую толщину;
8 - внутренние герметизирующие пленки;
9 - гибкие (пленочно-тросовые) конструкции, позволяющие соединить данную гибкую оболочку с жесткими элементами конструкции собираемого модуля пилотируемого КА.
На Фиг. 2 и Фиг. 3 представлены участки гибкой оболочки в расправленном состоянии (с надутыми газовыми баллонами) и в сдутом состоянии. Сдутая оболочка имеет значительно меньшую толщину (на Фиг. 2 и Фиг. 3 толщины надутой и сдутой оболочки обозначены, соответственно, условными размерами s и t). При этом в данной конструкции можно получить значительное уменьшение толщины оболочки: s:t достигает соотношения от 1:2 до 1:3. Кроме того, сдутая оболочка обладает добавочной гибкостью (по сравнению с «надутой» оболочкой), что позволяет укладывать ее в достаточно плотные упаковки, в которых гибкие оболочки должны транспортироваться в космос с последующим развертыванием с наддувом газовых баллонов и интегрированием этой гибкой оболочки в конструкцию крупногабаритных модулей КА.
Преимущества данной конструкции гибкой оболочки в сравнении с другими предложениями по гибким оболочкам для КА:
- значительно уменьшенные габариты гибкой оболочки в транспортировочной (упакованной) форме (при сравнимых габаритах конструкций оболочки в развернутом состоянии);
- большая надежность развертывания гибкой оболочки из сжатого состояния в рабочее;
- гораздо меньшее количество газа, необходимого для развертывания оболочки;
- возможность развертывания «открытой» оболочки, внутрь которой можно затем устанавливать (собирать) жесткие элементы конструкции модуля КА с монтажом внутренних приборов и оборудования;
- позволяет создавать крупногабаритные конструкции модулей КА с большой степенью интеграции конструкций гибкой оболочки и жесткого внутреннего каркаса, разнесенного к внутренним границам оболочки.