Многофункциональная многоразовая космическая транспортная система от схода с орбиты до вариантов перемещений модулей перед посадкой

Вестник технологического университета. 2017. Т. 20, №20 УДК 629.78:351.814.3

А. С. Мещанов, Э. А. Туктаров, Р. Ф. Калимуллин

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МНОГОРАЗОВАЯ КОСМИЧЕСКАЯ ТРАНСПОРТНАЯ СИСТЕМА

ОТ СХОДА С ОРБИТЫ ДО ВАРИАНТОВ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ МОДУЛЕЙ ПЕРЕД ПОСАДКОЙ

Ключевые слова: многоразовая космическая транспортная система (МКТС), три трансформирующихся модуля; отход ступеней и сход с орбиты аппарата, вход в атмосферу и торможение модулей в одноосной компоновке, варианты перемещений и мягкой посадки в двухосной пакетной компоновке.

Получена конструктивно-компоновочная схема (ККС) МКТС, состоящая из трех спасаемых трансформирующихся модулей - двух разгонных ступеней и многофункционального воздушно-космического аппарата с пятью вариантами формирования полета модулей перед непосредственным автономным мягким вертикальным или горизонтальным приземлением в пакетной двухосной компоновке на твердую или водную поверхность, или на подвижную платформу.

Keywords: reusable space transport system (RSTS), three transformable modules, departure of steps and descent with orbits, entry into the atmosphere and braking of modules in a uniaxial configuration, variants of movement and soft landing in a biaxial package configuration.

The design-layout scheme (DLLS) of RSTS, consisting consisting of three rescue transformable modules - two acceleration stages and a multifunctional aerospace vehicle with five variants of the formation of the flight modules before a direct autonomous soft vertical or horizontal landing in a package biaxial arrangement on a solid or water surface or on a movable platform obtained.

Введение

Рассматриваются три модуля - трансформирующиеся ступени в двухосной пакетной двутавровой стартовой компоновке, представляющих МКТС (рис.1-4). Третья ступень представляет собой воздушно-космический трансформирующийся аппарат (ВКТА), отличающийся от первых двух наличием причальных двигателей, позволяющих пристыковаться не только к астероиду, но и достаточно точно к международной космической станции (МКС). Каждая из трех ступеней является многоразовой, так как после схода с орбиты не сгорает в атмосфере в силу трансформации в одноосную компоновку и быстрого гашения скорости с продольным вращением в одноосной компоновке. Далее каждая из них принимает пакетную двухосную компоновку и совершает либо в четырех вариантах мягкое вертикальное приземление, либо горизонтальную посадку на подвижную платформу. Три из данных четырех вариантов требуют предварительного стабилизируемого продольного движения модуля при действии номинальных и неопределенных возмущений, не удовлетворяющих в общем случае известным условиям инвариантности. Метод стабилизации, основанный на развитии известного метода управления на скользящих режимах при невыполнении инвариантности к возмущениям, представлен в последующей статье в данном номере журнала. Синтезированы многообразия скольжения и управления при таких возмущениях. Представлены методы регулирования колебаний управления и уменьшения и минимизации его энергетических затрат [1].

Рис. 1 - Многоразовый космический БЛА, где 1 -головной обтекатель, 2 - первая ступень, 3 - РРД разгона и торможения, 4 - ВКТА, 5 - отсек РРД, 6 - вторая ступень

Рис. 2 - Вид снизу на двутавровую стартовую компоновку МКТС, где 1 - первая ракета первой ступени, 2 - вторая ракета первой ступени, 3 -РРД разгона, 4 - первая ракета ВКТА, 5 - РРД торможения, 6 - вторая ракета ВКТА, 7 - первая ракета второй ступени, 8 - вторая ракета второй ступени

Рис. 3 - ВКТА в пакетной компоновке: 1 - левый корпус, 2 - первая головная часть (ГЧ) с полезной нагрузкой (ПН) и панелями солнечных батарей, 3 - заглушка стыковочного узла, 4 - вторая ГЧ с ПН и системой управления, 5 - отсек с рулевыми двигателями по углам тангажа, рыскания и крена, 6 - правый корпус, 7 - камера сгорания маршевого двигателя, 8 - отсек с рулевыми двигателями по углам тангажа, рыскания и крена, 9 - сопла маршевых ракетных двигателей, 10 - камеры сгорания причальных РРД для разгона и торможения, 11 - перемещаемые топливные баки причальных РРД, ЦМ - центр масс ВКТА

Рис. 4а - Отсек рулевых ракетных двигателей

Постановка задачи

Задача 1. Обоснование многофункциональности ВКТА и вместе с ним МКТС в целом.

Задача 2. Обоснование выдвигаемых вариантов приведений всех модулей МКТС к мягкому вертикальному приземлению (приводнению) и горизонтальному с подвижной платформой приземлению.

Обоснование многофункциональности ВКТА и МКТС

Данный ВКТА двумя ступенями доставляется на орбиту астероида или МКС. Данные две разгонные ступени также являются многоразовыми, так как возвращаются на Землю не сгорая в атмосфере благодаря своей трансформации из пакетной компоновки в одноосную и мягкому в том или ином варианте приземлению в пакет-ной компоновке с помощью своих маршевых и рулевых ракетных двигателей (МРД и РРД). Система управления ВКТА в дополнение к МРД и РРД снабжена еще и причальными РРД и предусматривает возможность перемещения центра масс (ЦМ) в продольном и в двух поперечных направлениях, а также дросселирование тяг РД. Благо-даря перечисленным возможностям (трансформации, перемещению ЦМ, дросселированию тяг) предлагаемый ВКТА является не только многоразовым, но и многофункциональным, так как: 1) доставляет грузы на международную космическую станцию (МКС), совершая при этом необходимые процедуры сближения и высокоточного причаливания, а также возвращает на Землю грузы и, при необходимости, экипаж; 2) осуществляет мягкую посадку на потенциально опасные астероиды для доставки либо зондирующей аппаратуры для последующего за астероидом слежения, либо заряда для его раздробления; 3) доставляет на орбиту спутники-роботы зондирования Земли, а также снимает с орбиты и возвращает на Землю спутники, требующие замены; 4) устанавливает на различных орбитах (при соответствующих объемах головной части аппарата с полезной нагрузкой (ПН) и его тяговоору-женности) спутники связи; 5) выводит на орбиту и затем возвращает на Землю несколько спутников связи и с ними через определенное время возвращается, а также снимает с орбиты вышедшие из строя спутники связи; 6) выводится на орбиту группа ВКТА (16-20 единиц) для глобальной связи; 7) в случае возникновения военной угрозы на орбиту выводятся и патрулируют 16 - 20 спутников -ВКТА меньшей размерности-телекоммуника-ционные спутники (ТКС), каждый из которых снабжён и взрывчатым веществом (ВВ), предназначенным для поражения определённых целей; при поступлении такой команды ТКС сходит с орбиты, входит в атмосферу и совершает полёт на заданную цель, минуя мягкое вертикальное приземление; если патрулирование отменяется, то спутники - ТКС могут не возвращаться на Землю, а продолжать выполнять гражданские функции телекоммуникаций.

Рис. 4б - Поперечное сечение отсека РРД

Пять вариантов приведения модулей к мягкому вертикальному или горизонтальному приземлению или приводнению

Рассматриваются варианты применимые для всех трех модулей МКТС (первая и вторая разгонные ступени и ВКТА), так как все действия по приземлению начинаются после схода модулей с орбиты.

Вариант 1. Данный вариант приземления представлен на рис. 5 с пояснениями основных позиций.

Рис. 5 - Схема возвращения и мягкого приземления модуля МКТС: 1 - тормозной импульс для схода с орбиты, 2 - трансформация и вход в атмосферу, 3 - торможение, вращение и управление в атмосфере, 4 -отвесное падение и обратная трансформация; 5 - включение маршевых двигателей для мягкого приземления

Приведение модуля к точке приземления может осуществляться и в результате его бокового движения в заданном направлении в результате создаваемого несовпадения центра масс (ЦМ) с центром давления (ЦД). В этом случае изменение угловой скорости продольного вращения модуля в одноосной компоновке по направлению и величине позволяет регулировать скорость его прецессии таким образом, чтобы плоскость, содержащая вектор скорости и подъемную силу, совпадала с заданным направлением изменения полета модуля с боковым маневрированием в пределах нескольких сотен километров [2,3]. После трансформации модуля в пакетную двухосную компоновку и возвращения ЦМ в исходное положение, совмещенное с ЦД, осуществляется мягкое вертикальное приземление с применением разработанных авторами проекта цикла методов многошагового терминального управления тягой МРД с учетом действия ограниченных возмущений (в частности, в работах [4-8]. Во время приземления до определенной малой высоты действует также система угловой стабилизации модуля в вертикальном положении и программное управление его боковыми перемещениями вдоль поперечных осей посадочной площадки с помощью РРД (тангажа, рыскания и крена) с последующей посадкой на

четыре опоры, обладающие достаточной прочностью, амортизацией и защитой, или достаточным удалением, от пламени сопел работающих МРД.

Вариант 2. Отличается от первого варианта тем, что на высоте порядка 1-2 м на пятом участке полета (рис. 5) при скорости приводнения близкой к нулевой и направленной вверх МРД отключаются и включаются при совмещенном ЦМ с ЦД четыре РРД тангажа для поворота модуля на 90 градусов, после чего тяга всех четырех РРД тангажа направляется вертикально вверх для мягкого вертикального приводнения модуля плашмя. С помощью РРД рыскания возможны кратковременные, до соприкосновения с водной поверхностью, вращения модуля вокруг ЦМ и его поступательные перемещения вдоль данной поверхности.

Вариант 3. Отличается от первых двух вариантов тем, что в позиции 3 или 4 (рис.5) у модуля с помощью двух РРД в носовых частях две ракеты поворачиваются вокруг шарнира до перехода в двухосную фиксируемую пакетную компоновку (рис.4). В данной компоновке с наличием РРД по трем углам Эйлера, МРД и регулируемого положения ЦМ относительно ЦД, с размещением ЦМ ближе к носовой части модуля чем ЦД, модуль принимает аэродинамические свойства самолета и совершает, с применением управлений по тяге МРД и по углу тангажа с тягой соответствующего РРД, полет к месту посадки в заданном направлении в продольном движении с постепенным уменьшением высоты до 1 -2 км. Далее перед местом посадки модуль увеличивает тягу МРД и совершает кабрирующий полет с плавным переходом на угол тангажа равный 90 градусов, после чего совмещает ЦМ с ЦД и совершает мягкое вертикальное приземление на тяге МРД с угловой стабилизацией и боковыми перемещениями, уточняющими приземление, как и в первом варианте посадки.

Вариант 4. Отличается от третьего варианта тем, что после кабрирующего полета с плавным переходом на угол тангажа равный 90 градусов и совмещения ЦМ с ЦД вертикально приводняется на тяге МРД, а далее как во втором варианте (на высоте порядка 1-2 м на пятом участке полета (рис. 5) при скорости приводнения близкой к нулевой и направленной вверх МРД отключаются и включаются четыре РРД тангажа для поворота модуля на 90 градусов, после чего тяга всех четырех РРД тангажа направляется вертикально вверх для мягкого вертикального приводнения модуля плашмя). Также с помощью РРД рыскания возможны кратковременные, до соприкосновения с водной поверхностью, вращения модуля вокруг ЦМ и его поступательные перемещения вдоль данной поверхности.

Вариант 5. Аналогично варианту 3 с позиции 3 или 4 (рис.5) модуль осуществляет полет в продольном движении, сравнивает свою скорость с заданной скоростью подвижной платформы (ПП, рис.6), движущейся по взлетно-посадочной полосе, принимает ее скорость и осуществляет на нее мягкую, с нулевой конечной скоростью, посадку [9].

3 4 5

Рис. 6 - Схема посадки модуля МКТС на подвижную платформу, где 1 - модуль МКТС, 2 -РД разгона, 3 - взлётно-посадочная полоса, 4 -подвижная платформа, 5 - РД торможения

Вы воды

Получены обоснования многофункциональности ВКТА и МКТС в целом и преимуществ пяти вариантов приземления (приводнения) с вертикальной и горизонтальной посадкой модулей, позволяющих обеспечить многократные применения предлагаемой МКТС в различных условиях посадки. В частности, отсутствие шасси у модулей МКТС с применением ПП усиливает надёжность посадки, увеличивает массу полезной нагрузки и снижает

удельную стоимость доставки грузов на орбиту и возвращения их на Землю.

Публикация осуществлена при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Республики Татарстан в рамках научного проекта № 15-48-02101

Литература

1. А. С. Мещанов, Э. А. Туктаров, С. О Богданов, Р. Ф. Калимуллин, Вестник технологического университета, 20, №20, 84-90 2017).

2. Афанасьев В. А., Дегтярев Г. Л., Мещанов А. С., Си-разетдинов Т. К., Изв. вузов, Авиационная техника, 3, 10 -14, (2001).

3. Пат. РФ 2202500 (2003).

4. Афанасьев В. А., Мещанов А. С., Сиразетдинов Т. К., Изв. вузов. Авиационная техника, 4, 11 -18 (1984).

5. Афанасьев В. А., Мещанов А. С., Сиразетдинов Т. К.,

Кибернетика и вычислительная техника, 74, 79 - 86 (1987).

6. Афанасьев В. А., Мещанов А. С., Мещеряков М. Г., Сиразетдинов Т. К., Изв. вузов. Авиационная техника, 1, 13 - 17 (1993).

7. Афанасьев В. А., Мещанов А. С., Мещеряков М. Г., Сиразетдинов Т. К., Изв. вузов. Авиационная техника, 3, 16 - 20 (1993).

8. Мещанов А. С., Вестник КГТУ, 4, 65 -70 (1999).

9. Афанасьев В. А., Дегтярев Г. Л., Мещанов А. С., Си-разетдинов Р.Т., Известия вузов. Авиационная техника, 4, 11 - 13 (2014).

© А. С. Мещанов, кандидат технических наук, профессор кафедры автоматики и управления, старший научный сотрудник, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева - КАИ, mas41@list.ru; Э. А. Туктаров, аспирант той же кафедры, ed.tuktarov@mail.ru; Р. Ф. Калимуллин, аспирант той же кафедры, alfa92.03@mail.ru.

© A. S. Meshchanov, candidate of engineering sciences, professor, Associate Professor of department of Automation and Control, senior research scientist, Kazan National Research Technical University named after A.N.Tupolev, mas41@list.ru; E. A. Tuktarov, post-graduate student of department of Automation and Control, Kazan National Research Technical University named after A.N.Tupolev, ed.tuktarov@mail.ru; R. F. Kalimullin, graduate student of the automatics and control chair at the Kazan national research technical university after A.N. Tupolev-KAI, city of Kazan, Russian Federation, alfa92.03@mail.ru.