СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ МЯГКОЙ ПОСАДКИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
CRAFT SOFT LANDING PROCESS

Изобретение относится к летательным аппаратам (ЛА) и посадочным платформам, в т.ч. космическим, завершающим полет приземлением на поверхность планеты с использованием парашютов.
Известны способы обеспечения мягкой парашютной посадки ЛА на твердую (суша, лед) и жидкую (океан, море, озеро) поверхность планеты - см., например: В.И. Баженов, М.И. Осин. Посадка космических аппаратов на планеты. М.: Машиностроение, 1978, стр.5-7, 13, 40-42; в том числе с определением его скорости относительно подстилающей поверхности - см., например: B.C. Авдуевский, Г.Р. Успенский. Космическая индустрия. М.: Машиностроение, 1989, стр.520.
Известен также способ обеспечения мягкой парашютной (парашютно-реактивной) посадки ЛА с ориентированной по направлению ветрового сноса базовой плоскостью автоматического или пилотируемого ЛА - см. патент РФ №2400410, приоритет от 20.07.2009 (ближайший аналог).
Недостатком указанного способа является невозможность компенсации (обнуления) скорости ветрового сноса ЛА в момент касания им поверхности планеты, что может приводить к его опрокидыванию (кувырканию), хаотичному изменению направления действия и величины посадочных перегрузок, воздействующих на экипаж и бортовое оборудование, и в этой связи повышенной технической сложности бортовых амортизирующих устройств «всенаправленного» действия (при их наличии).
Целью предлагаемого изобретения является создание способа обеспечения мягкой парашютной посадки для ориентированного (например, в направлении базовой плоскости, параллельной осям «голова-ноги» экипажа) приземления ЛА с одновременной компенсацией его горизонтальной (ветровой снос) и вертикальной (снижение на парашютах) скорости посредством специализированных ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) с фиксированным по массе и геометрии топливным зарядом. Соответственно, двигатели компенсации горизонтальной скорости ЛА в момент приземления будем называть РДТТ обнуления ветрового сноса (РДТТ ОВС), а двигатели компенсации вертикальной скорости ЛА - РДТТ мягкой посадки (РДТТ МП).
Указанная цель достигается тем, что при осуществлении мягкой посадки ЛА, включающей его спуск и приземление с помощью парашютно-реактивной системы, с измерением на борту ЛА направления его ветрового сноса, с разворотом ЛА к моменту касания земли базовой плоскостью вдоль направления ветрового сноса - на борту ЛА измеряют помимо направления скорость ветрового сноса, рассчитывают уровень тяги РДТТ ОВС, в период работы РДТТ МП производят включение не менее одного многосоплового РДТТ ОВС с фиксированной массой и геометрией топливного заряда, при этом оси сопел РДТТ ОВС располагают в плоскости поперечного сечения ЛА, проходящей через центр масс (ЦМ) ЛА, и ориентируют на угол 0…±90 градусов относительно направления ветрового сноса симметрично базовой плоскости ЛА.
Варианты реализации способа: в двухсопловом РДТТ обнуления ветрового сноса с поворотными соплами ориентацию осей сопел производят путем их синхронного разворота; в трехсопловом РДТТ ОВС с фиксированными соплами ось центрального сопла располагают в базовой плоскости ЛА, а оси боковых сопел фиксируют под углами соответственно -90 градусов и +90 градусов относительно оси центрального сопла, при этом тягу центрального сопла изменяют путем перепуска газов в боковые сопла; в четырехсопловом РДТТ ОВС с фиксированными соплами дополнительно к трехсопловой конфигурации добавляют наклонное сопло, ось которого располагают в базовой плоскости ЛА и направляют в ЦМ ЛА под фиксированным углом 5…30 градусов относительно плоскости поперечного сечения ЛА, проходящей через его ЦМ, при этом тягу центрального и наклонного сопел изменяют путем перепуска газов в боковые сопла. Наконец, при размещении на ЛА двух многосопловых РДТТ ОВС, один РДТТ ОВС располагают выше, другой - ниже ЦМ ЛА, оси сопел располагают в плоскостях поперечного сечения ЛА симметрично базовой плоскости ЛА, при этом включение обоих РДТТ ОВС производят одновременно друг с другом и с РДТТ МП, а опрокидывающий ЛА момент парируют путем выполнения условия:
<mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msubsup><mi>Ρ</mi><mi>в</mi><mi>Σ</mi></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>r</mi><mi>в</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>Ρ</mi><mi>н</mi><mi>Σ</mi></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>r</mi><mi>н</mi></msub></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msubsup><mi>Ρ</mi><mi>в</mi><mi>Σ</mi></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>Ρ</mi><mi>н</mi><mi>Σ</mi></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>Ρ</mi><mrow><mi>г</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow><mi>Σ</mi></msubsup></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Ρ</mi><mi>в</mi><mi>Σ</mi></msubsup></mrow>
где
- результирующая тяги верхнего относительно ЦМ ЛА РДТТ ОВС;
<mrow><msubsup><mi>Ρ</mi><mi>н</mi><mi>Σ</mi></msubsup></mrow>
- результирующая тяги нижнего относительно ЦМ ЛА РДТТ ОВС;
<mrow><msubsup><mi>Ρ</mi><mrow><mi>г</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow><mi>Σ</mi></msubsup></mrow>
- результирующая тяги обоих задействованных РДТТ ОВС;
<mrow><msub><mi>r</mi><mi>в</mi></msub></mrow>
- плечо между плоскостью размещения осей сопел верхнего в относительно ЦМ ЛА РДТТ ОВС и ЦМ ЛА;
<mrow><msub><mi>r</mi><mi>н</mi></msub></mrow>
- плечо между плоскостью размещения осей сопел нижнего относительно ЦМ ЛА РДТТ ОВС и ЦМ ЛА.
Принципиальная схема обеспечения мягкой парашютной посадки ЛА типа возвращаемого космического аппарата-капсулы на базе предложенного технического решения представлена на фиг.1. Варианты реализации показаны на фиг.2 (двухсопловой РДТТ ОВС с поворотными соплами), фиг.3 (трехсопловой РДТТ ОВС с фиксированными соплами), фиг.4 (четырехсопловой РДТТ ОВС с компенсацией опрокидывающего момента), фиг.5 (два РДТТ ОВС с компенсацией опрокидывающего момента).
Приняты обозначения:
1 - корпус летательного аппарата;
2 - парашютная система;
3 - РДТТ МП;
4 - РДТТ ОВС;
5 - поворотные сопла РДТТ ОВС;
6 - фиксированные (неподвижные относительно корпуса ЛА) сопла РДТТ ОВС;
7 - клапан перепуска газов РДТТ ОВС.
Проведение мягкой парашютной посадки ЛА по предлагаемому способу осуществляется следующим образом (на примере возвращаемого космического аппарата капсульного типа). В момент достижения ЛА расчетной высоты над поверхностью планеты (см. фиг.1) производится раскрытие и наполнение атмосферным газом (на Земле - воздухом) одного или нескольких куполов парашютов поз.2, обеспечивающих снижение аппарата со скоростью 6…12 м/с (оптимальный режим приземления). При этом бортовая аппаратура обеспечивает определение направления и значения скорости ветрового сноса корпуса поз.1 ЛА относительно поверхности планеты.
Перед касанием корпусом поз.1 ЛА поверхности производится включение (срабатывание) РДТТ мягкой посадки поз.3. Следует отметить, что РДТТ МП поз.3 могут входить как в конструктив парашютной системы поз.2 (см., например, фиг.1), так и располагаться в корпусе поз.1 ЛА (см., например, фиг.4, 5).
В момент срабатывания РДТТ МП поз.3 одновременно включаются РДТТ обнуления ветрового сноса поз.4 (в этом случае минимизируется время действия посадочной перегрузки, а направление равнодействующей данной перегрузки приближается к технически наиболее просто амортизируемой оси «голова-ноги» экипажа ЛА). При этом базовая плоскость корпуса поз.1 ЛА должна быть ориентирована по направлению ветрового сноса, и на борту ЛА рассчитана результирующая тяги всех задействуемых РДТТ ОВС поз.4, обеспечивающая компенсацию горизонтальной скорости движения ЛА.
В свою очередь, практическая реализация формирования потребного значения результирующей тяги РДТТ ОВС с фиксированным по массе и геометрии топливным зарядом (что целесообразно из конструктивно-компоновочных соображений, а также для сохранения простоты и надежности, характерных для двигательных установок с РДТТ) может осуществляться следующим образом. В двухсопловом двигателе поз.4 с поворотными соплами поз.5, оси которых расположены в поперечной плоскости ЛА, проходящей через его ЦМ, за счет синхронного разворота сопел поз.5 относительно базовой плоскости на равные по модулю, но противоположные по знаку углы в диапазоне 0…±90 градусов формируется потребное значение равнодействующей тяги РДТТ обнуления ветрового сноса (см. фиг.2).
В трехсопловом двигателе поз.4 с фиксированными соплами поз.6 - ось центрального (среднего) сопла располагают на линии пересечения поперечной и базовой плоскостей ЛА, а оси боковых сопел фиксируют в плоскости поперечного сечения ЛА под углами, соответственно, -90 градусов и +90 градусов относительно оси центрального сопла (см. фиг.3). При этом потребное значение равнодействующей тяги РДТТ ОВС поз.4 формируют клапаном поз.7 путем перепуска избыточных газов в боковые сопла (ориентация которых строго в противоположные стороны позволяет безмоментно сбросить избыточные - рассчитанные на максимальный ветровой снос ЛА - продукты сгорания РДТТ ОВС поз.4).
Следует отметить, что, поскольку ЦМ ЛА капсульного типа, как правило, располагается со смещением относительно продольной оси корпуса поз.1, парашютная система поз.2 ЛА также может быть закреплена асимметрично, опускающийся на поверхность планеты аппарат может иметь некоторый - однозначно определяемый заранее - наклон продольной оси к плоскости местного горизонта (см., например, фиг.1, 4, 5).
В этом случае возникает некоторая (также однозначно определяемая заранее) составляющая результирующей тяги РДТТ ОВС поз.4 по направлению снижения ЛА (а также составляющая «против ветра» результирующей тяги РДТТ МП поз.3), которая может быть программно скомпенсирована определенным увеличением тяги двигателей поз.3 (соответственно, работа РДТТ МП поз.3 «против ветра» позволяет программно уменьшить тягу РДТТ ОВС поз.4). Для более точного адаптивного (отличного от «жесткого» программного) решения задачи обеспечения мягкой посадки ЛА может оказаться целесообразным применение четырехсоплового РДТТ ОВС поз.4 с фиксированными соплами поз.6. В данном случае к трехсопловой конфигурации дополнительно добавляется четвертое фиксированное сопло (т.н. наклонное), ось которого располагается в базовой плоскости ЛА таким образом, чтобы между данной осью, направленной в ЦМ аппарата, и поперечной плоскостью, проходящей через ЦМ ЛА, был угол в диапазоне 5…30 градусов (см. фиг.4). Клапан поз.7 перераспределяет газовые потоки между центральным и наклонным соплами для формирования рассчитанного в соответствии с реальным ветровым сносом значения результирующей тяги РДТТ ОВС поз.4, при этом избыточные газы безмоментно сбрасываются через боковые сопла.
При конструктивно-компоновочных ограничениях, воспрещающих размещение осей сопел РДТТ обнуления ветрового сноса в поперечной плоскости ЛА, проходящей через его ЦМ, - допускается установка в корпусе поз.1 ЛА двух многосопловых РДТТ ОВС поз.4 на разных уровнях (см. фиг.5). При этом оси сопел одного РДТТ ОВС располагают выше, а оси сопел другого РДТТ ОВС - ниже уровня поперечной плоскости, проходящей через ЦМ ЛА (в соответствующих плоскостях поперечного сечения ЛА симметрично его базовой плоскости).
Включение обоих РДТТ обнуления ветрового сноса поз.4 производят одновременно (в период срабатывания РДТТ мягкой посадки поз.3). С целью нейтрализации опрокидывающего корпус поз.1 ЛА момента при формировании результирующей тяги РДТТ ОВС поз.4 обеспечивают выполнение следующего условия:
<mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msubsup><mi>Ρ</mi><mi>в</mi><mi>Σ</mi></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>r</mi><mi>в</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>Ρ</mi><mi>н</mi><mi>Σ</mi></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>r</mi><mi>н</mi></msub></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msubsup><mi>Ρ</mi><mi>в</mi><mi>Σ</mi></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>Ρ</mi><mi>н</mi><mi>Σ</mi></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>Ρ</mi><mrow><mi>г</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow><mi>Σ</mi></msubsup></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Ρ</mi><mi>в</mi><mi>Σ</mi></msubsup></mrow>
где
- результирующая тяги верхнего относительно ЦМ ЛА РДТТ ОВС;
<mrow><msubsup><mi>Ρ</mi><mi>н</mi><mi>Σ</mi></msubsup></mrow>
- результирующая тяги нижнего относительно ЦМ ЛА РДТТ ОВС;
<mrow><msubsup><mi>Ρ</mi><mrow><mi>г</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow><mi>Σ</mi></msubsup></mrow>
- результирующая тяги обоих задействованных РДТТ ОВС;
<mrow><msub><mi>r</mi><mi>в</mi></msub></mrow>
- плечо между плоскостью размещения осей сопел верхнего в относительно ЦМ ЛА РДТТ ОВС и ЦМ ЛА;
<mrow><msub><mi>r</mi><mi>н</mi></msub></mrow>
- плечо между плоскостью размещения осей сопел нижнего относительно ЦМ ЛА РДТТ ОВС и ЦМ ЛА.
Выбор того или иного варианта реализации предложенного технического решения определяется требованиями к точности компенсации ветрового сноса, конструктивно-компоновочными особенностями (ограничениями) ЛА, допустимым уровнем посадочных перегрузок для экипажа (при его наличии) и т.д. Следует также отметить, что предложенный способ обеспечения мягкой посадки ЛА работоспособен при отсутствии (отказе) двигателей мягкой посадки поз.3. При этом команда на срабатывание РДТТ ОВС поз.4 может выдаваться штатной аппаратурой включения РДТТ МП поз.3 (аналогом такой аппаратуры при применении безреактивной амортизации ЛА при приземлении).
Практическая реализация предложенного способа обеспечения мягкой посадки позволит для ряда классов ЛА - например, пилотируемых космических аппаратов-капсул - обеспечить принципиально новое качество - ориентированное, с максимально возможным ходом амортизации по предпочтительному по переносимости посадочных перегрузок направлению («голова-ноги»), исключающее кувыркание ЛА после посадки и отстрела куполов парашютов приземление. Указанное техническое решение особенно актуально для пилотируемых космических ЛА капсульного типа нового поколения, проектируемых в расчете не только на космонавтов-профессионалов, но и на специалистов с минимальной общекосмической подготовкой и даже космических туристов.