УСТРОЙСТВО ОТДЕЛЕНИЯ НАНОСПУТНИКОВ В КАЧЕСТВЕ ПОПУТНОЙ НАГРУЗКИ

Полезная модель относится к космической технике и может быть использовано для отделения от верхней ступени ракеты-носителя малых спутников: пико- и наноспутников массой от 0,1 до 10 кг, запускаемых преимущественно попутно.
Для отделения малых спутников от ракеты-носителя чаще всего используют энергию сжатого газа, механические (пружинные) или пиротехнические устройства.
Известно устройство, содержащее адаптер для соединения малого космического аппарата со средством выведения его на орбиту (патент RU №2442728, МПК B64G 1/64, опубл. 20.02.2012 г.). На платформе адаптера расположены посадочные места для малых космических аппаратов (МКА), элементы удерживающего устройства и пружинного толкателя отделения МКА. При подаче команды на электроспусковой механизм, через систему рычагов и троса пружинный толкатель отделяет МКА от платформы.
Известно устройство, содержащее адаптируемые к ракете-носителю идентичные органы стыковки нескольких спутников: (Патент №2156212, МПК B64G 1/22, опубл. 20.09.2000 г.). На каждом органе расположена система крепления и отделения спутника, а также электроразъемы, которые служат для электрической связи с ракетой-носителем органов стыковки. Отделение спутников происходит после подрыва пиротехнических болтов и последующего отталкивания спутника пружинным механизмом отделения.
Известен адаптер "ISIPOD CubeSat Deployer", предназначенный для запуска от 1 до 3 наноспутников (НС) стандарта "CubeSat" с размерами 100×100×100 мм, массой от 1 до 3 кг. (www.isispace.nl). НС устанавливается внутрь контейнера на платформу и прижимается пружинами к крышке. Электрический импульс от ракеты-носителя активирует механизм выпуска крышки, которая поворачивается на угол 170°. НС отделяются по направляющим рельсам пружинным механизмом, который сообщает ему заданную скорость. Скорость отделения НС определяется жесткостью используемой пружиной и массой спутника. При групповом запуске НС размещаются в отдельных адаптерах.
В перечисленных устройствах НС отделяются от средства выведения с помощью автономных устройств однократного действия - пружинных механизмов и пиротехнических элементов, которые размещаются на местах установки при проведении наземных сборочно-монтажных работ. Повторное использование их в космосе не предусмотрено.
Недостатки перечисленных адаптеров:
- наличие вибрации НС на стадии вывода ракеты-носителя на заданную орбиту, обусловленную собственными частотами системы прижимных и выпускных пружин, рычагов и т.п. устройства отделения НС;
- относительно большая масса адаптера по отношению к НС, на каждое место установки;
- относительно малая скорость отделения НС;
- невозможность гибкого регулирования скорости отделения с помощью простых команд (электрических сигналов) в программном блоке управления или дистанционно по командам с наземных служб;
- потеря миссии запуска НС при сбое системы отделения - невозможность повторного взвода пружины или подрыва пиротехнических элементов.
Анализ различных устройств отделения НС с использованием пиротехнические средств, механических пружинных и других систем показал, что может быть достигнуто повышение эффективности средств выведения за счет использования магнитно-импульсного привода с емкостным накопителем энергии.
В качестве прототипа выбрано устройство, с магнитно-импульсным приводом (патент №2472679, МПК B64G 1/22, опубл. 20.01.2013, бюл. №2). Устройство содержит адаптеры по числу выводимых НС, которые размещены на платформе ракеты носителя. На адаптере расположен индуктор, выполненный в виде спиральной катушки, к активной зоне которого примыкает электропроводная пластина, а на другой стороне пластины расположен НС. При этом индуктор подключен через управляемый разрядник к емкостному накопителю энергии, а накопитель соединен с выходом высоковольтного зарядного блока, входы которого соединены с бортовой сетью питания. К емкостному накопителю могут подключаться параллельно несколько цепей управляемых разрядников и индукторов, с установленными на них НС. Разрядники коммутируют запасаемую энергию накопителя на индукторы в заданной последовательности блоком управления при групповым запуском НС.
Недостатки прототипа:
- возможность проникновения импульсных электромагнитных полей в корпус НС, которые могут влиять на работоспособность электронной аппаратуры;
- зависимость импульсного давления на спутник от частоты разряда накопителя энергии и толщины электропроводной пластины;
- наличие электропроводной пластины или металлической стенки корпуса НС необходимой толщины, которая определяется толщиной скин-слоя импульсного тока, наведенного в материале пластины,
относительно большая масса пластины, которая попутно отделяется с полезной нагрузкой - наноспутником
Задачей технического решения является улучшение электромагнитной совместимости устройства отделения с электронной аппаратурой НС и расширение функциональных возможностей устройства для запуска НС с заданной скоростью и заданным направлением, а также повышение помехозащищенности электронной аппаратуры НС от электромагнитных наводок.
Задача решается за счет того, что устройство отделения наноспутников в качестве попутной нагрузки, содержащее адаптер со средствами отделения носпутников, состоящий из платформы, снабженной индуктором, выполненным в виде спиральной катушки, который подключен через управляемый разрядник к емкостному накопителю энергии, а накопитель соединен с выходом высоковольтного зарядного блока, входы которого соединены с бортовой сетью питания, причем к накопителю подключены параллельно несколько цепей управляемых разрядников и индукторов, при этом управляющие входы разрядников подключены к блоку управления групповым отделением, согласно полезной модели, дополнительно снабжено акустическим волноводом, при этом к активной зоне индуктора примыкает приемная часть акустического волновода, не создающего внутренних акустических отражений, а на противоположной стороне волновода расположен
Кроме того, волновод выполнен из электропроводного материала.
Выходная сторона волновода выполнена в виде усеченного или обратного конуса.
Плоскость выходной стороны волновода выполнена под углом не более 45° по отношению к продольной оси волновода
Волновод жестко закреплен на индукторе.
На фиг. 1 показана схема устройства,
На фиг. 2 показана схема устройства группового отделения НС,
На фиг. 3 показан вариант конструкции волновода со встроенным индуктором,
На фиг. 4 показаны варианты конструкции волновода с концентраторами импульсного давления,
На фиг. 5 показан вариант конструкции волновода с изменением направления отделяемого НС.
Устройство отделения НС содержит: емкостный накопитель 1; зарядный блок 2; разрядник 3, управляемый от программного блока 4; индуктор 5 и акустический волновод 6, на котором установлен наноспутник 7.
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии накопитель энергии 1 и зарядный блок 2 отключены от бортового питания, что исключает несанкционированный запуск НС. После выведения ракеты-носителя на заданную орбиту и отделения основной ПН подается команда на зарядный блок 2, который заряжает накопитель энергии 1 до заданного уровня напряжения. Зарядный блок представляет собой преобразователь напряжения бортовой сети питания (например, источник постоянного тока 27 В) в высокое напряжение постоянного тока (например, 3 кВ).
Для отделения НС 7 на разрядник 3 подается команда запуска от блока управления 4, которая включает разрядник. Разрядник коммутирует запасенную в накопителе 1 энергию на индуктор 5, в котором возникает импульсное магнитное поле. Магнитное поле индуктора наводит на приемном конце волновода 6, выполненного из электропроводного материала (например, из сплава алюминия), вихревые токи. Наведенные вихревые токи, взаимодействуя с импульсным магнитным полем индуктора, формируют в основании волновода импульс давления. Волновод жестко закреплен на индукторе. Упругая волна давления, распространяясь по волноводу, передается на НС 7 на противоположном конце волновода. НС под действием импульса давления приобретает необходимую скорость отделения от адаптера, установленного на платформе.
Для группового отделения второго и последующих НС производится последовательный цикл заряд-разряд от общего накопителя 1 через разрядники 3 на соответствующие индукторы 1 с НС - 7 (фиг. 2). Для последовательного отделения серии НС используется один зарядный блок и накопитель энергии, который поочередно разряжается на индукторы, с установленными на них волноводами с НС. Таким образом, система отделения НС может объединять в себе: от одного - один зарядный блок, один накопитель и один адаптер (индуктор-волновод), до нескольких адаптеров - один общий зарядный блок и накопитель и несколько последовательно подключаемых индукторов.
Скорость отделения НС зависит от запасаемой энергии накопителя.
0
где: C - емкость накопителя, U - напряжение заряда накопителя.
Изменяя напряжение заряда накопителя можно в широких пределах с высокой точностью и стабильностью задавать необходимую скорость отделения НС.
Для эффективного преобразования энергии накопителя в импульс давления необходимо соблюдать условие: толщина волновода - δ должна быть больше величины скин-слоя - Δ, наведенных вихревых токов в материале волновода:
где: ρ - удельное электрическое сопротивление материала волновода; µ - магнитная проницаемость материала; f - частота разрядного тока в индукторе.
При меньшей толщине δ импульсное магнитное поле просачивается сквозь материал волновода и может привести к появлению электромагнитных полей в корпусе НС и снижению эффективности передачи импульса давления на НС.
Для устранения «краевых эффектов» проникновения магнитного поля рассеяния индуктора волновод может экранировать боковую поверхность индуктора, в соответствии с фиг. 3. Основание волновода может охватывать индуктор, при этом основная составляющая импульса давления направленная нормально к плоскости приемной части волновода - F, распространяется по волноводу практически без потерь.
Форма волновода может быть выполнена в нескольких исполнениях для применения в устройствах отделения НС различной конструкции или поворота направления отделения при одинаковом способе монтажа адаптера на платформе.
Например, волновод может быть выполнен в виде усеченного или обратного конуса на выходном торце (в плоскости прилегания НС), в соответствии с фиг. 4, для концентрации импульса давления в определенной зоне или точке корпуса НС. Амплитуда импульса давления - F, в этом случае, пропорциональна отношению площадей приемного и выходного концов волновода.
Для поворота вектора импульса давления относительно оси адаптера, на которой расположен индуктор, проходящей нормально к плоскости приемного торца волновода - плоскость выходного торца может быть выполнена под углом до 45°, в соответствии с фиг. 5. При этом НС отделяется по направлению перпендикулярном плоскости выходного торца волновода, под углом а.
Пример практической реализации устройства:
Предлагаемое устройство было испытано на макете наноспутника массой 1 кг, с габаритными размерами 100×100×100 мм.
Индуктор подключался к накопителю энергии с параметрами: емкость -220 мкФ; напряжение заряда изменялось в диапазоне 2…3 кВ. Параметры спирального индуктора: наружный диаметр обмотки - 66 мм; внутренний диаметр обмотки - 20 мм; обмотка выполнена с числом витков - 12; индуктивность индуктора - 5,3 мкГн.
НС устанавливался на цилиндрический волновод из алюминиевого сплава толщиной 20 мм. Диаметр приемной части волновода - 100 мм, выходного торца - 60 мм.
Скорость отделения макета НС составила 1…2 м/с в выбранном диапазоне энергий - 400…800. Затухание амплитуды электромагнитного поля индуктора встроенного в волновод толщиной 20 мм, выполненным в соответствии с фиг. 3, на поверхности корпуса НС - более 25 крат (>30 дБ), по сравнению с прототипом устройства (без волновода) с переходной пластиной толщиной 3 мм.