СПОСОБ СПУСКА ОТДЕЛЯЮЩЕЙСЯ ЧАСТИ СТУПЕНИ РАКЕТЫ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF DESCENDING SEPARATED SPACE ROCKET STAGE AND DEVICE THEREFOR

Предлагаемые изобретения относятся к ракетно-космической технике и могут быть использованы для сокращения районов падения отделяющихся частей (ОЧ) ступеней ракет космического назначения (РКН).
Одной из основных проблем, связанных со снижением техногенного воздействия пусков РКН на окружающую среду, является наличие ОЧ, что приводит к необходимости выделять значительные территории для районов падения ОЧ, использованию энергетически неоптимальных схем выведения, а наличие невырабатываемых остатков жидкого топлива в баках ОЧ приводит к взрывам на орбитах и на атмосферном участке траектории спуска, проливам компонентов топлива в районах падения, увеличению разбросов фрагментов ОЧ и т.д.
Известен «Способ спуска отделяющейся части ступени ракеты космического назначения» (патент RU №2475429, МПК B64G 1/26, опубл. 20.02.2013), по которому программу управления работой газовых ракетных двигателей и движением ОЧ ступеней ракет космического назначения разделяют на внеатмосферный и атмосферный участки, которые разбивают на конечное число интервалов времени и определяют программу углового разворота и движения ОЧ на каждом интервале.
Наиболее близким к заявляемому является «Способ спуска отделяющейся части ракеты космического назначения на жидких компонентах топлива в заданный район падения и устройство для его осуществления» (патент RU №2414391, МПК B64G 1/26, B64C 15/14, опубл. 20.03.2011). Способ основан на стабилизации ОЧ положением двигательной установкой вперед, ориентации и управляемом движении ОЧ, после отделения ОЧ маневр спуска в заданный район падения осуществляют за счет энергетики, заключенной в невыработанных остатках компонентов жидкого топлива на основе их газификации и подачи в газовую ракетную двигательную установку (ГзРДУ) спуска, при этом управление движением центра масс и вокруг центра масс ОЧ осуществляют отклонениями камер ГзРДУ, а ОЧ на момент выключения ГзРДУ обеспечивают угловое положение в пространстве, соответствующее минимальному углу атаки при входе ее в плотные слои атмосферы, и закручивают ОЧ вокруг ее продольной оси. Величину невыработанных остатков жидкого топлива формируют с учетом спуска ОЧ в заданный район падения, а завершение активного участка маневра спуска осуществляют до входа в плотные слои атмосферы и сохранения управляемости ОЧ с помощью камер ГзРДУ.
Отделяющаяся часть ракеты космического назначения на жидких компонентах топлива включает в свой состав систему управления и навигации, систему газификации, причем на верхнем днище топливного отсека установлены четыре камеры, каждая из которых оснащена приводом, а система газификации имеет автономный газогенератор с мембранной системой подачи компонентов топлива, возбудители акустических колебаний, размещенные на штуцерах ввода теплоносителя в топливные баки.
К недостаткам известных технических решений относятся:
- наличие ГзРДУ, что требует использования тяжелых камер сгорания, каждая из которых устанавливается в одностепенный управляемый привод, масса ГзРДУ многократно больше, чем масса сопел ГРС из-за высокой температуры продуктов сгорания;
- ГзРДУ необходима при реализации импульсов спуска с орбиты, изменения точки падения (управление движением центра масс), но не эффективна в режиме стабилизации (управление относительно центра масс) при полете ОЧ на атмосферном участке траектории спуска (АУТС), т.к. конструкция приводов, углы прокачки, приводят к существенному утяжелению конструкции;
- при газификации топлива в баках состав продуктов газификации, поступающий из баков в ГзРДУ, переменный по времени, что приводит к тому, что процесс сгорания в камере носит неустойчивый характер с переменной скоростью истечения и, соответственно, переменной тягой;
- не используется возможность аэродинамического маневра, что, как показали проведенные оценки для данного класса траекторий входа и параметров смещения точек падения ОЧ, более эффективна, чем придание импульса центру масс ОЧ с помощью ГзРДУ.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является устранение указанных недостатков, повышение точности стабилизации ОЧ при штатных возмущениях, снижение массы и габаритов системы утилизации ПГ и частоты колебаний ОЧ.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе спуска отделяющейся части (ОЧ) ступени ракеты-носителя (РН) на жидких компонентах ракетного топлива (КРТ) в заданный район падения, основанном на стабилизации ОЧ в статически устойчивом положении, использовании энергетики, заключенной в невыработанных остатках жидкого КРТ на основе их газификации, обеспечении углового положения в пространстве, соответствующего минимальному углу атаки при входе ее в плотные слои атмосферы, согласно заявляемому изобретению, после отделения ОЧ управление спуском в заданный район падения осуществляют на атмосферном участке траектории спуска ОЧ за счет аэродинамического маневра, при этом управление движением центра масс и вокруг центра масс ОЧ осуществляют путем раздельного сброса продуктов газификации (ПГ) из баков горючего и окислителя через регулируемые сопла газореактивной системы (ГРС), после завершения маневра осуществляют безмоментный сброс оставшихся ПГ из баков через сопла сброса ГРС.
В части устройства для осуществления способа указанный технический результат достигается тем, что в ОЧ ракеты, включающей в свой состав систему управления и навигации, топливный отсек, систему газификации жидких остатков топлива, согласно заявляемому изобретению, в плоскости стабилизации тангажа (рыскания), крена на максимальном удалении от центра масс установлены по 2 сопла сброса противоположно друг другу, соединенные магистралями подачи ПГ через пиромембраны, регулируемые клапана с соответствующими баками.
Сущность технического решения поясняется чертежом, где
- на фиг. 1 поясняются действия способа;
- на фиг. 2 приведена схема работы ГРС в канале тангажа на примере ОЧ второй ступени РКН «Союз 2.1.в» (блок И);
- на фиг. 3 приведена схема работы ГРС в канале крена;
- на фиг. 4 приведены параметры траектории спуска на примере ОЧ первой ступени РКН типа «Союз-2.1.в».
Выведение РКН на активном участке траектории первой ступени 1 осуществляется по оптимальной программе тангажа. После отделения ОЧ первой ступени в точке траектории 2 в соответствии с прототипом осуществляется маневр ОЧ с помощью ГзРДУ, обеспечивающий дальнейший полет ОЧ по баллистической траектории спуска, состоящей из внеатмосферного участка 3, входа в атмосферу 4 и атмосферного участка 5 с падением ОЧ на поверхность Земли в заданной точке 6. Для обеспечения стабилизированного полета ОЧ при входе атмосферу в соответствии с прототипом обеспечивают закрутку ОЧ вокруг продольной оси.
В том случае, если не осуществлять маневр спуска ОЧ, то после отделения ОЧ в точке 2 она совершит спуск по номинальной баллистической траектории 7,8 с падением в точку 9, которая, как правило, при оптимальной программе выведения РКН, находится вне выделенного района падения, которому принадлежит заданная точка прицеливания 6.
В соответствии с предлагаемым способом маневр спуска ОЧ в заданную точку прицеливания 6 осуществляется с использованием сопел ГРС на атмосферном участке траектории спуска 10 за счет использования нормальной составляющей аэродинамической силы.
Раздельный сброс ПГ газификации из баков О, Г через сопла ГРС обусловлен следующим:
- минимизация массы магистралей подачи ПГ, т.к. сопла сброса ПГ находятся в непосредственной близости относительно баков О, Г;
- в соплах ГРС не предусмотрено химическое взаимодействие ПГ;
- для решения задачи стабилизации ОЧ при ее управляемом полете величины тяг сопел сброса ГРС достаточны;
- сброс ПГ через сопла ГРС начинается после достижения в баках О, Г заданного давления при подаче в бак горячих газов (выход системы газификации на заданный режим).
Безмоментный сброс ПГ из баков О, Г осуществляется исходя из следующих условий:
- обеспечение прочности конструкции баков при повышении давления;
- необходимость расходования токсичных ПГ до момента падения ОЧ на поверхность Земли.
В таблице 1 приведен сравнительный анализ двух способов спуска: приложения импульса к центру масс ОЧ с использованием ГзРДУ и аэродинамический маневр для ОЧ первой ступени с использованием ГРС на АУТС.
Из результатов сравнительного анализа, приведенного в таблице 1, следует, что для ОЧ первой ступени РКН, совершающей большую часть траектории движения в атмосфере, использование аэродинамического маневра с использованием ГРС предпочтительнее по сравнению с использованием ГзРДУ.
1
1
На ступени 11 в плоскости тангажа ХОY установлены сопла сброса 12, 13 продуктов газификации из бака (Г) и бака (О) 14, 15, обеспечивающие управляющие моменты относительно центра масс 16 для компенсации аэродинамических возмущающих моментов, прилагаемых к центру давления 17. Управление тягой сопел сброса продуктов газификации из бака (Г), (О) осуществляется регулируемыми клапанами 18, 19. Сопла сброса 20, 21 продуктов газификации из бака (О) в канале крена соединены через регулируемый клапан 22, а сопла сброса 23, 24 продуктов газификации из бака (Г) соединены через регулируемый клапан 25. Подача теплоносителя в баки (Г), (О) осуществляется из газогенераторов 26, 27.
После отделения ОЧ 11 в точке 2 траектории спуска, запускаются газогенераторы 26, 27 системы газификации. После достижения заданного давления в баках (О), (Г) вскрываются пиромембраны 28, 29, соответственно. Продукты газификации поступают через регулируемые клапаны 18, 19, 22, 25 из баков (Г), (О) на сопла сброса продуктов газификации 12, 13, 14, 15, 20, 21, 23, 24.
грсГ
1
1
На ОЧ 11 на расстоянии L от центра масс 16 установлены противоположно друг другу относительно продольной оси OX 2 сопла сброса ПГ 12, 13 из бака (Г) и создают тяги  перпендикулярно продольной оси OX.
Управляющие моменты в канале тангажа от сопел сброса ПГ из бака (Г) будут:
Аналогично установлены сопла сброса ПГ из бака (О) 14, 15, создающие управляющие моменты в канале тангажа:
Эти управляющие моменты формируются одновременно с использованием ПГ из баков (О) и (Г), поэтому можно записать:
Регулирование величин управляющих моментов обеспечивается за счет изменения тяг сопел сброса ГРС:
макс
путем изменения секундного расхода ПГ через сопла 12, 13, 14, 15 регулирующими клапанами 18, 19, в результате чего тяга каждого сопла может изменяться в интервале [0, Р].
грс
1
Сопла сброса ПС из бака (О) 20, 21 и регулирующий клапан 22 установлены противоположно соплам сброса ПС из бака (Г) 23, 24 с регулирующим клапаном 25 на расстояниях R от продольной оси ОХ. Наиболее предпочтительное место расположения ГРС по крену с точки зрения минимизации подводящих газовых магистралей между баками (О) и (Г).
z1
Управляющие моменты в канале крена формируются по аналогии с управляющими моментами в канале тангажа M, а именно, путем сброса ПГ с баков (О), (Г):
макс
Тяга сопел в канале крена регулируется с использованием регулируемых клапанов 22, 25 в диапазоне [0, Р].
1
Управление в канале рыскания осуществляется тем же составом сопел сброса ПГ, при этом осуществляется разворот ОЧ вокруг продольной оси OX на 90°. Учитывая низкие частоты процесса стабилизационных колебаний (фиг. 4), возникает возможность использования маневра по крену и отказа от установки дополнительных 4 сопел сброса ПГ для управления в канале рыскания.
В общем случае возможна установка сопел сброса ПГ и в канале рыскания, конкретное решение о составе ГРС, т.е. дополнительной установке сопел сброса в канале рыскания, принимается в зависимости от динамических характеристик ОЧ (частоты и амплитуды стабилизационных колебаний ОЧ, которые определяются эффективностью управляющих органов , коэффициентами настроек автомата стабилизации (см., например, кн. 1 Разоренов Г.Н., Бахрамов Э.А., Титов Ю.Ф. Системы управления летательными аппаратами (баллистическими ракетами и их головными частями). М.: Машиностроение, 2003. - 583 с.) при движении на атмосферном участке спуска).
у
а
При предлагаемом способе спуска (использованием аэродинамического воздействия для смещения точки падения ОЧ) ГРС служит для формирования управляющего момента М, который уравновешивает аэродинамический момент М при движении ОЧ с балансировочным углом атаки α, определяемым из условия смещения ОЧ в точку 6.
П
у
Система угловой стабилизации решает задачу отработки потребного угла атаки α и формирует управляющий момент М, который рассчитывается по формуле:
где:
- коэффициент нормальной составляющей аэродинамической силы,
q, S - скоростной напор и площадь миделя ОЧ, соответственно,
D
C
x, x - координаты центров масс и давления ОЧ,
ω
α
П
П
k, k - коэффициенты усиления системы стабилизации по рассогласованию угловой скорости (ω-ω) и угла отклонения (α-α) от программной траектории.
П
Первое слагаемое обеспечивает программное значение угла атаки α, второе и третье формируют обратную связь по скорости и рассогласованию от программной траектории, обеспечивая качество переходного процесса системы угловой стабилизации. При этом учитывается ограничение:
П
П
Для обеспечения программного значения угла атаки α величина управляющего момента ГРС определяется в соответствии с (6), (7). Из-за ограничения на управляющий момент (7) действительный угол атаки α может быть меньше потребного α.
П
1
На фиг. 4 приведены параметры траектории спуска на примере ОЧ первой ступени РКН типа «Союз-2.1.в», пунктиром - программные значения, сплошной - фактические: угол наклона траектории θ(t), угол тангажа ϑ(t), угловая скорость ω(t), действительный α(t) и потребный угол атаки α(t), поперечная аэродинамическая сила Y(t) при исходных данных, приведенных в табл. 2
Из приведенных результатов следует, что предложенный способ спуска и устройство для его реализации являя.тся работоспособными и эффективными для спуска ОЧ первой ступени РКН на АУТС:
- обеспечивают высокую точность стабилизации ОЧ при штатных возмущениях и, соответственно, малые отклонения точки падения от расчетной точки (0,18 км);
- позволяют обеспечивать смещение точки падения ОЧ (до 30 км, что соответствует 5% от начальной дальности), эту величину можно существенно увеличить (до 20%), для этого необходимо увеличить допустимый угол атаки, тягу сопел ГРС;
- частоты колебаний ОЧ малы, что позволяет использовать установку сопел ГРС только в одном канале (тангажа или рыскания);
- достигается снижение массы системы утилизации ПГ по сравнению с прототипом более чем на 20% за счет отсутствия магистрали подачи горючего в ГзРДУ, камер ГзРДУ и приводов, рамы крепления ГзРДУ и приводов.