УСТРОЙСТВО АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
DEVICE FOR AERODYNAMIC BRAKING OF SPACECRAFT

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть применено для ускорения сведения с рабочей орбиты выработавших свой ресурс или отказавших автоматических космических аппаратов (КА) за счет увеличения площади поперечного к набегающему потоку сечения КА (миделя) при воздействии на него остаточной атмосферы Земли (т.н. пассивное торможение КА).
Областью применения изобретения являются преимущественно КА, летающие на орбитах высотой до 600 км и при этом достаточно медленно сходящие с космической орбиты. Такие аппараты обладают, как правило, следующими признаками:
- компактной конструкцией с незначительным отношением площади миделя КА к его массе (баллистическим коэффициентом);
- незначительно увеличивающейся в полете парусностью (например, за счет раскрывающихся солнечных батарей, выдвигающихся антенн и пр.).
Известны способы и устройства аэродинамического торможения КА за счет установки на борт надувных конструкций, включающих контейнер с одним или более шарами, заполняемыми газифицируемым порошком или бортовыми запасами газа. Например, патент РФ №2199474 от 15.12.2000 года на устройство надувной системы торможения последней ступени ракеты-носителя, в соответствии с которым на периферийную часть ступени устанавливается контейнер с механизмом его раскрытия и надувной конструкцией, выполненный в виде автономного моноблока. При этом механизм раскрытия снабжен пирогидравлическим реле времени, запускаемым по сигналу от системы управления космического аппарата. Надувная конструкция выполнена в виде набора сферических оболочек из эластичной пленки разной толщины, заключенных в сетчатую оболочку, что повышает ее защищенность от соударения с микрометеоритами и техногенными частицами, ускоряет время раскрытия каждой сферы и конструкции в целом.
Недостатком устройства является зависимость от сигналов системы управления космического аппарата, что создает угрозу несрабатывания надувной конструкции при внезапном отказе последнего. Кроме того, при нештатной закрутке или развороте отказавшего спутника эластичная полимерная пленка оболочек может быть разрушена при соприкосновении с его поверхностью.
Известны способы размещения аэродинамических тормозящих поверхностей на жестких конструкциях, вынесенных за пределы корпуса космического аппарата (его основного отсека).
rd
Ближайшим аналогом является космический аппарат PW-Sat, запущенный в 2013 году на орбиту с перигеем 300 км и апогеем 1023 км, см., например, Wolansky P, Urbanowicz M. PW-Sat - The first Polish Satellite - Test of the new Concept of Deorbiting Sysytem // Proceedings of the 63 International Astronautical Congress, Naples, Italy, October 1-5, 2012, Paper IAC-13.A6.4.6.
Выполненный на основе технологии CubeSat КА включает также штангу с растянутым по всей ее длине пленочным парусом.
Эксплуатация выявила низкую эффективность конструкции прототипа: на больших высотах из-за низкой плотности остаточной атмосферы устройство работало только в качестве гравитационного стабилизатора. На низких высотах КА разворачивался «по потоку» штангой назад и его корпус «затенял» парус.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является создание устройства аэродинамического торможения КА, обладающего автономностью от системы управления космического аппарата и эффективностью работы при любой ориентации последнего.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве аэродинамического торможения космического аппарата, включающем контейнер с надувной конструкцией из эластичной оболочки, механизм ее крепления к контейнеру, выталкивания и раскрытия, в контейнере установлена автономная система электропитания, автономные или связанные с КА спецвычислитель и радиолиния управления механизмом раскрытия, выключенная при штатной работе КА, механизм выталкивания и крепления к контейнеру надувной конструкции выполнен в виде раздвижной штанги телескопического типа или из упругой металлической ленты с длиной в раскрытом виде, превышающей максимальный габарит КА, эластичная оболочка выполнена из материала изменяемой под воздействием ультрафиолетового диапазона солнечного излучения жесткости и закреплена на торце раздвижной штанги, оболочка выполнена светопроницаемой для солнечного излучения и заполнена газифицируемым под действием ультрафиолетового диапазона солнечного излучения порошковым материалом, с обеспечением надува оболочки до площади миделя, превышающей площадь миделя КА не менее чем в три раза, контейнер выполнен из непрозрачного для ультрафиолета материала.
Как вариант, в конструкции устройства аэродинамического торможения космического аппарата, включающего контейнер с надувной конструкцией из эластичной оболочки, механизм ее крепления к контейнеру, выталкивания, раскрытия, контейнер установлен на торце телескопической штанги, раздвигающейся на длину, превышающую максимальный габарит КА, площадь миделя оболочки в надутом состоянии не менее чем в 3 раза превышает площадь миделя КА.
При этом эластичная оболочка может быть связана гибким шлангом с газовым баллоном, размещенным в контейнере или корпусе КА.
Устройство аэродинамического торможения КА в виде надувной конструкции на раздвижной штанге из упругой металлической ленты представлено на фиг. 1, 2. На фиг. 1 представлено устройство с убранными в контейнере элементами.
На фиг. 2 представлено устройство в рабочем режиме. При этом контейнер выполнен в виде сферы, состоящей из отдельных лепестков.
На фиг. 3 представлен вариант устройства аэродинамического торможения - в виде контейнера, установленного на раздвижной телескопической штанге.
Приняты обозначения:
1 - контейнер;
2 - надувная конструкция;
3 - раздвижная штанга;
4 - автономная система питания;
5 - аппаратура радиолинии управления механизмом раскрытия надувной конструкции и спецвычислитель выработки команд (на фиг. показаны одним блоком);
6 - устройство раскрытия створок контейнера;
7 - катушка.
В основу изобретения заложена гипотеза о возможности произвольной ориентации и даже долговременной закрутке отказавшего космического аппарата на орбитах с небольшой остаточной атмосферой. В такой ситуации размещение надувной конструкции на раздвигаемой штанге, превышающей по размеру максимальный габарит космического аппарата, является защитой эластичной оболочки от разрушения при соприкосновении с поверхностями космического аппарата.
Для минимизации занимаемого места штанга может быть выполнена из упругой металлической ленты, фиг. 1, поз. 3. или телескопической конструкции, фиг. 3, поз. 3.
Штанга может быть размещена в контейнере фиг. 1, 2, поз. 1 устройства аэродинамического торможения, являясь при этом также механизмом крепления к контейнеру, выталкивания и раскрытия эластичной оболочки надувной конструкции фиг. 1...3, поз. 2.
При исполнении из металлической ленты конструкция выдвижного элемента представляет собой гибкую полосу, смотанную в сложенном виде в катушку фиг. 1, поз. 7, а при раскладывании под действием собственных сил упругости обладающую возможность разворачиваться в трубу с перехлестом краев. Эластичная оболочка при этом прикреплена к торцевой части полосы.
Оболочка может быть выполнена из материала изменяемой под воздействием ультрафиолетового диапазона солнечного излучения жесткости. Таковым является, например, пленка из композитного материала (на основе ткани, стекловолокна и пр.) и фотополимеризующегося полимерного состава (например, на основе полиимидов, уретан-акриловых композиций). Оболочка закладывается в контейнер в виде герметичной пленочной конструкции и вакуумируется для минимизации места в контейнере. После раскрытия и надува (до давления ~10 мм ртутного столба) в космосе отверждается, фотополимеризуясь, при этом время надува значительно меньше времени фотополимеризации. Таким образом, формируется жесткая форма аэродинамического тормоза, сохраняемая даже при разгерметизации пленки от возможного соприкосновения с поверхностью КА и микрометеоритами, физико-химического воздействия космоса.
Для обеспечения надува пленки может использоваться газифицируемый под действием солнечного излучения, порошок, например, на основе азидов металлов, или бортовые запасы газа. Порошок располагается в складках оболочки. Баллон с газом (на фиг. не показан) расположен в корпусе КА или контейнере и соединен с оболочкой гибким шлангом.
Оболочка тормозного устройства выполнена прозрачной для диапазона солнечного излучения (например, ультрафиолетового), в котором проходит химическая активация порошка.
В свою очередь, для предупреждения несвоевременного срабатывания надувной конструкции контейнер выполнен непрозрачным для диапазонов полимеризации оболочки, газификации порошка. Форма контейнера при обеих вариантах устройства выбирается в зависимости от конфигурации посадочного места на поверхности КА и размеров установленных внутри контейнера элементов.
Размеры конструкции обеспечивают надув оболочки до площади миделя, превышающей площадь миделя КА не менее чем в три раза, что сокращает время спуска КА с орбиты в несколько раз.
Устройство аэродинамического торможения по первому варианту изобретения работает следующим образом. При штатной работе КА командная радиолиния управления устройством фиг. 1, поз. 5 находится в выключенном состоянии. Аппаратура устройства запитывается от автономной системы электропитания фиг. 1, поз. 4. Радиолиния включается автоматически по команде с борта КА, с наземного или космического пункта управления полетом КА, или по таймеру спецвычислителя при непоступлении команд с КА определенное время. После включения радиолинии управления на нее извне поступает сигнал на задействование устройства торможения и спецвычислитель вырабатывает команды управления, в том числе раскрытия створок контейнера фиг. 1 поз. 6., раскрытия штанги фиг. 1 поз. 3 с закрепленным на ее конце надувным устройством фиг. 1, поз. 2.
Как вариант, контейнер с надувной конструкцией из эластичной оболочки, механизмом ее крепления к контейнеру, выталкивания, раскрытия может быть установлен на раздвижной телескопической штанге фиг. 3, поз. 3. Заблаговременно раскрытая до надува штанга играет роль аэродинамического стабилизатора, обеспечивая благоприятную ориентацию надувной конструкции при ее срабатывании, а также на больших высотах, работая в качестве гравитационной системы ориентации КА.
Предлагаемое техническое решение позволяет ускорить сведение с орбит относительно долгоживущих космических аппаратов с незначительной «конструктивной» парусностью, решая задачу очистки космического пространства.