УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТВЕДЕНИЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ОТ ПРИБОРНО-АГРЕГАТНОГО ОТСЕКА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
DEVICE FOR REMOVAL OF SPACECRAFT NUCLEAR POWER PLANT FROM ONBOARD SYSTEMS SECTION

Изобретение относится к космической технике, может быть использовано в космических аппаратах (КА) для обеспечения отведения на заданное расстояние ядерной энергетической установки (ЯЭУ) от приборно-агрегатного отсека КА, в том числе от агрегатного отсека электроракетной двигательной установки (ЭРДУ), в целях снижения влияния негативных факторов ЯЭУ на ЭРДУ и иное функциональное оборудование КА.
В космических ЯЭУ с реактором деления одним из основных требований к структуре и компоновочной схеме космического транспортного средства является требование обеспечения радиационной защиты не только транспортируемого полезного груза (ПГ), но и оборудования ЯЭУ, ЭРДУ, приборного отсека с радиационно-чувствительной аппаратурой управления, при условии обеспечения минимальной массы транспортного аппарата. Одновременное выполнение этих требований достигается за счет лучевой компоновки транспортного аппарата с теневой радиационной защитой от излучений реактора и отведения ЭРДУ с приборным отсеком и ПГ от реактора. Однако при выведении с Земли транспортный аппарат с ПГ должен быть размещен под обтекателем ракеты-носителя (РН), внутренний объем которого ограничен, поэтому компоновка КА под обтекателем РН на этапе выведения на орбиту должна быть максимально компактной. Построение рабочей компоновки производится после выведения в космос. Отведение ЭРДУ и ПГ в заданное положение осуществляется при помощи специальной системы отведения до включения реактора на стартовой или рабочей орбите, которая по современным международным требованиям должна быть радиационно-безопасной орбитой (РБО) высотой не менее 800 км.
Известна система отведения термоэмиссионных ЯЭУ РП-25 и РП-50 электрической мощностью до 100 кВт (Васильковский B.C., Андреев П.В., Зарицкий Г.А. Проблемы космической энергетики и роль ядерных энергетических установок в их решении. // Ядерная энергетика в космосе. Сб. докл. в 3-х томах, т.1, М.: Изд. НИКИЭТ, 2005, с.20-26), реализованная на основе трансформируемого холодильника-излучателя (ХИ), который складывается в несколько рядов снаружи реакторного блока. При этом под обтекателем РН остается достаточно большой продольный габарит для размещения ЭРДУ и КА. После выведения на РБО ХИ раскладывается в рабочее положение, одновременно обеспечивая отведение реактора от приборно-агрегатного отсека КА. Подобная схема позволяет избежать применения на КА дополнительных трансформируемых конструкций. Однако реализация подобной схемы значительно усложняется в случае применения ЯЭУ повышенной мощности (500-1000 кВт и более), а также в случае использования на тяжелых КА, выводимых на орбиту несколькими пусками РН с последующей сборкой на орбите. Потребуется также значительное увеличение длины ХИ и применение переходного конструктивного элемента между опорным фланцем ХИ и стыковочным агрегатом.
Известна разработка трансформируемой ферменной конструкции по патенту (US 6904722 В2, МПК: В66С 13/12 (2006.01), опубл. 14.06.2005 г.), где продольные элементы (лонжероны) выполнены в виде сжатой ленты из материала с памятью формы и при нагревании принимают форму уголка. Конструкция содержит закрепленные на лонжеронах поперечные стержневые элементы и набор строп, как зафиксированных, так и подвижных, у которых один конец закреплен на ползуне, перемещающемся вдоль поперечного элемента. Однако, поскольку основным конструкционным материалом описанной системы является углепластик, такая конструкция не может использоваться в условиях высокотемпературного нагрева внутри ХИ ЯЭУ. Кроме того, применение таких конструкций требует наличия специальных устройств их хранения и последующего развертывания на рабочей орбите, имеющих значительные габариты и объем, сопоставимые с габаритами зоны полезного груза под обтекателем РН.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является устройство для отведения ядерной энергетической установки от приборного отсека космического аппарата на требуемое расстояние (Косенко А.Б., Синявский В.В. «Система отведения ядерного энергоблока от агрегатов тяжелой космической платформы», журнал «Известия РАН. Энергетика», 2007, №3, с.115-121), представляющее собой пространственную трансформируемую форменную конструкцию. Базовым элементом конструкции является секция в форме параллелепипеда, имеющая квадратные основания, общие для смежных секций, складывающиеся боковые грани на двух противоположных сторонах секции и складывающиеся диагональные стержни по одному на двух других противоположных сторонах, причем основание и боковые грани выполнены из полых стержней и соединены между собой шарнирными узлами.
Однако в данном техническом решении не описан принцип развертывания конструкции, не решена задача обеспечения целостности конструкции при взаимном перемещении отсеков значительной массы, а также не предусмотрена фиксация конструкции в развернутом состоянии и обеспечение ее жесткости.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение возможности отведения ЯЭУ от агрегатного отсека КА в автоматическом режиме с последующей фиксацией конструкции в развернутом положении.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в автоматическом отведении на заданное расстояние ЯЭУ от агрегатного отсека КА, с созданием после отведения жесткой конструкции системы отведения ЯЭУ от агрегатного отсека КА, в том числе ЭРДУ.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для отведения ЯЭУ от приборно-агрегатного отсека космического аппарата, представляющем собой трансформируемую пространственную ферменную конструкцию, базовым элементом которой является секция в форме параллелепипеда с квадратными основаниями, общими для двух смежных секций, со складывающимися боковыми гранями на двух противоположных сторонах секции и со складывающимися диагоналями по одной на двух других противоположных сторонах секции, причем основания, боковые грани и диагонали выполнены из полых стержневых элементов и соединены между собой шарнирными узлами, диагонали смежных секций установлены разнонаправленно, а продольные и поперечные стержневые элементы боковых граней и оснований скреплены между собой фитингами, образуя с двух противоположных складывающихся боковых граней секции по две скрепленные между собой жесткие рамы, содержащие по одному диагональному стержню каждая, а шарнирные узлы соединения соседних боковых рам и сложения диагоналей снабжены пружинами кручения, причем в шарнирных узлах установлены фиксаторы конструкции в развернутом состоянии.
Пружины кручения в шарнирных узлах установлены на осях вращения и закреплены в проушинах фитингов.
Фиксаторы выполнены в виде защелок, которые под действием плоской пружины входят в контакт с упорной осью и препятствуют взаимному вращению элементов секции в направлении обратного сложения развернутой конструкции.
На фиг.1 приведен общий вид космического транспортного аппарата в виде ядерной электроракетной двигательной установки (ЯЭРДУ) в составе ЯЭУ, приборного отсека и агрегатного отсека ЭРДУ, устройства отведения ЯЭУ от ЭРДУ. На фиг.2, 3 показан вид спереди и сбоку соответственно на одну секцию форменной конструкции устройства отведения ЯЭУ от приборного отсека КА и ЭРДУ. На фиг.4 показан шарнирный узел крепления диагонали секции. На фиг.5 изображен шарнирный узел соединения смежных рам. На фиг.6 - шарнирный узел соединения смежных рам в продольном сечении Д-Д. На фиг.7 показано трансформирование конструкции из сложенного состояния в развернутое.
ЯЭРДУ (фиг.1) состоит из ЯЭУ с последовательно расположенными термоэмиссионным реактором-преобразователем (ТРП) 1, блоком радиационной защиты 2, агрегатным отсеком 3 и холодильником-излучателем 4, приборного отсека 5, агрегатного отсека ЭРДУ 6 с вынесенными на штангах 7 блоками электроракетных двигателей 8 и устройства отведения ЯЭУ от ЭРДУ, состоящего из пространственной трансформируемой ферменной конструкции 9.
Трансформируемая ферменная конструкция 9 (фиг.1) устройства отведения ЯЭУ от приборно-агрегатного отсека ЭРДУ собрана из секций в форме параллелепипеда. Секция ферменной конструкции (фиг.2) состоит из общих для двух смежных секций оснований 10 и 11, боковых граней 12 и 13, расположенных на противоположных сторонах секции и состоящих каждая из двух соединенных между собой рам 14 и 15, 16 и 17 соответственно; и двух складывающихся диагоналей 18 и 19, расположенных на двух других противоположных боковых сторонах секции, причем диагонали двух смежных секций установлены разнонаправленно. Каждая из четырех рам 14, 15, 16, 17 состоит из продольных стержней 20 и 21, поперечных стержней 22 и 23 и диагонального стержня 24, скрепленных между собой фитингами типа «ухо» 25 и «вилка» 26, образуя жесткие конструкции (фиг.3). Квадратные основания 10 и 11 состоят из четырех поперечных стержней 27, соединенных фитингами 28.
Рамы 14 и 15, 16 и 17 имеют шарнирные узлы 29, 30, 31, 32 крепления между собой и шарнирные узлы 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40 с основаниями 10 и 11 (фиг.2).
В фитингах 28 предусмотрены проушины (фиг.4), позволяющие шарнирно соединять элементы секции.
Осью вращения боковых рам 14, 15, 16, 17 вокруг оснований 10, 11 является ступенчатый болт 41 (фиг.4), предотвращающий сжатие элементов шарнирного узла крепления при затяжке. Каждая из диагоналей 18 и 19 секции состоит из двух стержневых элементов разной длины, 42 и 43, имеющих законцовки типа «ухо» 44 и «вилка» 45, образующие шарнирный узел сложения диагонали. Для беспрепятственного процесса раскрытия конструкции плоскость сложения диагонали 18 вынесена из плоскости вращения проушины фитинга 28 на расстояние Δ. Для этого применяются специальные втулки 46, допускающие взаимное перемещение деталей в пределах предусмотренного зазора 0,3-0,5 мм.
Образующие шарнирное соединение фитинги 25 и 26 боковых рам 14 и 15, 16 и 17 и законцовки 44 и 45 диагоналей 18 и 19 выполнены в форме вилки и проушины (фиг.5). Шарнирные узлы в местах соединения рам, расположенных на одной стороне секции фермы, а также в месте сложения диагоналей секции обладают пружинами кручения 47, установленными на осях 48 и закрепленными в фитингах 25 и 26, законцовках 44 и 45, и под действием которых происходит раскрытие конструкции.
Каждый шарнирный узел соединения смежных рам и каждый шарнирный узел сложения диагоналей снабжен фиксатором элементов ферменной конструкции в развернутом состоянии. В качестве фиксатора используется (фиг.5, 6) защелка 49, имеющая поверхности 50 и 51, упирающаяся в упорную ось 52 под действием плоской пружины 53.
Устройство для отведения ЯЭУ от приборного отсека ЭРДУ на требуемое расстояние развертывается в рабочее состояние следующим образом.
КА в виде ЯЭРДУ в транспортном положении выводится на рабочую орбиту при помощи разгонного блока с химическими ракетными двигателями, где ЯЭРДУ придается требуемое пространственное положение, и осуществляется отделение РБ.
По команде с земли производится подрыв пироболтов и раскрытие стыка опорного шпангоута приборного отсека 5 и фланца на силовом каркасе ХИ ЯЭУ.
Под действием пружины кручения 47 находящиеся в сложенном состоянии попарно соединенные рамы 14 и 15, 16 и 17 совершают вращательное движение друг относительно друга вокруг оси 48 шарнира до тех пор, пока угол между ними не достигнет 180°. При этом шарниры, соединяющие смежные рамы друг с другом, совершают поступательное движение во встречном направлении внутрь секции, а основания 10 и 11 совершают поступательное движение вдоль продольной оси ферменной конструкции в противоположных направлениях. Также под действием пружин кручения 47, установленных в шарнирных узлах в местах сложения диагоналей 18 и 19, происходит вращательное движение друг относительно друга стержневых элементов 42 и 43, составляющих диагональ секции.
Ограничение вращательного движения боковых рам 14 и 15, 16 и 17 друг относительно друга при достижении положения, соответствующего углу 180°, обеспечивается установкой в шарнирах упорной оси 52, в которую упирается пятка фитинга 25 боковой рамы 15. Фиксация конструкции в развернутом состоянии обеспечивается следующим образом. В процессе раскрытия конструкции упорная ось 51, установленная в фитинге 25 боковой рамы 15, совершает вращательное движение вокруг оси 48 шарнира. При этом упорная ось 51 сначала входит в контакт с поверхностью 50 защелки 49, поджатой плоской пружиной 53. Далее в процессе раскрытия конструкции точка контакта смещается на поверхность 51 и перемещается по ней до контакта упорной оси 52 с поверхностью 54 пятки фитинга 25. При этом вращение упорной оси 52 вокруг оси 48 шарнира с одной стороны ограничивается пяткой фитинга 25, с другой - защелкой 49 под действием плоской пружины 53.
Таким образом, предложенное устройство позволяет отвести ЯЭУ от приборного отсека КА, в том числе и отсека ЭРДУ, на заданное расстояние, обеспечив жесткую фиксацию конструкции в рабочем положении, а также компактную укладку на этапе выведения на орбиту с использованием полезного пространства внутри конического или цилиндрического холодильника-излучателя ЯЭУ.