Устройство для мягкой парашютной посадки объекта на посадочную площадку

Полезная модель относится к областям техники, где для спуска объектов в атмосфере используются парашюты. Конкретно, к парашютам в сочетании с другими устройствами, замедляющими снижение объектов на финише приземления. В частности, полезная модель предназначена для безопасной посадки таких объектов, как отработавшие ступени ракет или космические модули и боевые машины десанта (БМД), особенно с экипажем.
На практике относительно мягкое приземление производится парашютно-реактивной системой (ПРС - http://strata.jofo.ru/index.php?section=blog&tp=588843). Замедление перед посадкой обеспечивается торможением объекта твердотопливными ракетными двигателями, направленными к земле. Скорость горения топлива и его прекращение не поддаются регулированию. Нередко торможение прекращается досрочно - на некоторой высоте объекта над грунтом. Дальнейшее падение на грунт иногда завершается тяжким ударом. Для его смягчения применяют громоздкие ложементы и платформы. Они создают помехи и затягивают время боеготовности высадившихся БМД, подвергая их опасности уничтожения. Высадка БМД на ПРС всего с двумя воинами на борту проводилась лишь в порядке редкого эксперимента.
Масса приземляющих устройств в ВДВ достигает значительных величин, составляющих от 14 до 30% приземляемой массы.
Известны устройства, уменьшающие скорость снижения объекта при помощи лебедки, втягивающей или отдающей канат, соединяющий объект с парашютом, в зависимости от конкретной задачи. Втягивание каната сближает объект с парашютом, при этом снижение объекта замедляется, а парашюта ускоряется; с соответствующим ростом его аэродинамического торможения, которое через канат передается объекту, замедляя его снижение. Например, устройство по патенту Германии № 3401825. В нем лебедка в соединении с тросом, на котором подвешен объект, управляется двигателем или мускульной силой, и производит подъем, ускорение или замедление объекта в воздухе. Это обеспечивается тем, что лебедка с определенной скоростью втягивает трос, соединенный с парашютом и имеющий заданную длину. Устройство по патенту Великобритании № 954263 использует лебедку с приводом от газотурбинного или порохового двигателя. Двигатель и приводимый им барабан, наматывающий трос, расположены между парашютом и спускаемым объектом; двигатель запускается датчиком дистанции (ДД) до посадочной площадки. Патент Великобритании № 969716 описывает лебедку с реактивным двигателем, вращающим барабан с наматывающимся тросом, на котором подвешен десантируемый объект. Лебедка содержит корпус с установленным в нем барабаном с возможностью его вращения и горизонтального перемещения. В корпусе размещен баллистический заряд, который поджигается по сигналу ДД.
Наиболее близким по существенным признакам к заявляемой модели является устройство для мягкого приземления парашютируемого объекта по патенту ЕР №0119322. В этом устройстве объект соединяется с парашютом тросом с промежуточным наматывающим устройством в виде лебедки, изменяющей расстояние между объектом и парашютом. Привод лебедки осуществляется от газотурбинного двигателя. Имеется ДД, который перед торможением выдвигается вниз на заданную дистанцию от «подошвы» объекта. Последующий контакт датчика с посадочной площадкой включает газотурбинный двигатель лебедки для энергичного наматывания троса, сближающего объект с парашютом. Обусловленное этим сближением торможение объекта должно обеспечивать мягкую посадку в соответствии с указанным выше алгоритмом.
Данное устройство и ему подобные имеют следующие недостатки:
отсутствует регулирование торможения и момента его прекращения. С большой вероятностью спонтанно завышенное тормозное действие лебедки может прекратиться еще до контакта объекта с посадочной площадкой. Оставшись без торможения, объект может ускориться к начальной скорости снижения, сводя на нет всю операцию;
приводы лебедки, запатентованные к применению в устройстве, такие как газотурбинный, пороховой, реактивный и т.д. не подлежат какому-либо регулированию тяги, способному гарантировать безопасность посадки. Упоминаемый в описании патента ЕР №0119322 электродвигатель имеет слишком низкую удельную мощность (по отношению к его весу), чтобы в ограниченных весовых пределах обеспечить требуемое торможение.
Ни одно из данных запатентованных устройств не нашло практического применения.
Задача полезной модели - снизить перегрузки при посадке с отказом от смягчающих приспособлений, с гарантией нулевого времени боеготовности (готовности к работе) экипажа в полном составе; а также снижение веса устройства.
Решение заключается в том, что в устройстве для мягкой парашютной посадки объекта на площадку, содержащем парашют, канат, соединяющий парашют с объектом через лебедку с приводом для втягивания/отпускания каната, а также датчик дистанции до посадочной площадки, в упомянутом приводе лебедки применен двигатель и регулятор торможения с режимом выдерживания сниженной скорости спуска.
Сущность полезной модели поясняется рисунком схемы устройства для мягкой посадки спускаемого объекта.
Спускаемый объект 1 подвешен - прикреплен к регулируемой лебедке 2 с канатом 3, соединенным с парашютом 4. Регулятор 5 торможения связан с датчиком дистанции (ДД) 6 до посадочной площадки.
Устройство работает следующим образом. От спускаемого объекта 1 выдвигается вниз ДД 6 на расчетную длину L - тормозную дистанцию (до посадочной площадки) запуска устройства, достаточную для торможения до скорости мягкого приземления. При дальнейшем снижении объекта 1 ДД 6 контактирует с посадочной площадкой, выдавая команду на включение торможения приводом лебедки 2. Лебедка втягивает канат по командам регулятора 5 торможения. Регулятор функционирует с обратной связью по сигналу перегрузки, т.е. торможения объекта. Требуемую тормозную тягу каната с ее гибким регулированием создает привод в виде единого рабочего комплекса контроллера с высокомоментным вентильным электродвигателем на постоянных магнитах. Способность комплекса успешно справляться с кратной кратковременной перегрузкой, обеспечивающей высокую удельную мощность привода в скоротечном процессе торможения, гарантирует малый вес устройства. Достаточная длительность перегрузки менее 1 с.
Готовность проекта к скорой и убедительной реализации подтверждает следующий расчет его рабочих, а также номинальных энергетических и весовых параметров. Их корректировка с учетом реальной инертности и КПД лебедки возможна в полной мере благодаря полученному резерву по весу устройства.
Расчет рабочей программы торможения.
Расчет ведем для чистого снижения по вертикальной оси координат - как главного в решении задачи мягкой посадки и практически независимого от горизонтальной составляющей, перпендикулярной к оси снижения.
Обозначения параметров:
k - заданная перегрузка на объект 1 при торможении (сколько g);
m - масса объекта вместе с посадочным устройством без парашюта;
Vo - скорость снижения объекта на парашюте до начала торможения;
Fт - тянущее усилие привода лебедки;
Vп - сниженная - посадочная скорость объекта;
т
а - замедление объекта при торможении;
tт - продолжительность торможения - замедления до достижения Vп;
Sпт - путь - дистанция снижения парашюта за время tт;
Sот - путь - дистанция снижения объекта за время tт;
Δ - сближение парашюта с объектом за время tт;
L - расчетная дистанция начала торможения, задаваемая настройкой ДД 6;
Δh - допустимая неплоскостность - неровность посадочной площадки.
Рассчитываем вариант, оптимальный для объекта с экипажем:
Vo=16 м/c; k=3,2; Vп=1,5 м/с (как от прыжка с высоты 11 см); Δh=±1 м.
При таком задании получим следующие значения параметров.
2
2
Тормозная перегрузка k=3,2 потребует тормозного тянущего усилия лебедки Fт=kmg=3,2 mg; (кгм/с, т.е. ньютонов), где m - масса объекта без парашюта, g=9,81 м/с - ускорение свободного падения, mg - вес объекта. На объект действует вес mg и усилие лебедки Fт.
(Fт-mg)н - результирующая действующих сил.
т
2
а=(Fт-mg):m=2,2g=21,58 м/с - замедление при торможении.
Продолжительность торможения -
т
2
tт=(Vo-Vп):а=(16-1,5) м/с:21,58 м/с=0,67 с; где (Vo-Vп) - снижение скорости за время tт.
; путь снижения парашюта за tт, где  - скорость снижения парашюта при торможении. Она пропорциональна √ из нагрузки на парашют (у нас это Fт при торможении и mg - до торможения), при прочих равных условиях (это вытекает из универсальной формулы скорости снижения объекта на парашюте , где G - вес объекта, т.е. нагрузка на парашют). Инерционным фактором парашюта пренебрегаем ввиду его ничтожности относительно аэродинамического фактора.
Путь снижения объекта при торможении за tт - , где Vo tт - составляющая пути от ("дотормозной") скорости Vо; 5
а
т
- встречная составляющая от замедления . Аэродинамическим фактором объекта пренебрегаем ввиду его ничтожности относительно инерционного фактора.
от
пт
от
т
Расчетная дистанция ДД6: L=S+|Δh|=6,88 м; - (параметр аналогичен задаваемой длине щупа в действующих ПРС). Добавка +|Δh| исключает столкновение объекта с выступом в площадке до завершения торможения. Δ=S-S=19,18-5,88=13,3 м; - сокращение расстояния парашюта с объектом, т.е. длина намотки каната лебедкой за t.
п
п
По окончании торможения до V=1,5 м/с, по команде от регулятора 5, лебедка переключается в умеренный режим намотки каната с Fт=mg, уравновешивающей вес объекта. При этом нулевом воздействии скорость объекта выдерживается постоянной (V=1,5 м/с) до контакта с посадочной площадкой (методика расчета этого режима аналогична рассмотренной). Приведенный расчет показывает возможность регулирования торможения объекта по заданной программе.
Энергетический и весовой расчет.
Он показывает возможности снижения массы устройства, обеспечивающего мягкую парашютную посадку объекта с использованием высокомоментного электродвигателя с постоянными магнитами. Введем обозначения:
т
N - энергия привода, затрачиваемая на торможение спускаемого объекта;
т
W - средняя мощность привода, необходимая для торможения;
уд
W - удельная мощность двигателя;
д
m - масса высокомоментного электродвигателя в приводе лебедки;
у
m - масса всего посадочного устройства, т.е. с парашютом;
п
m - приземляемая масса, включая парашют;
(m - масса объекта вместе с посадочным устройством без парашюта).
y
y
п
п
D=m/m - массовая доля посадочного устройства в составе m.
y
у
п
п
Зададимся предельным значением D=12%. Тогда m=0,12 m (кг); → 1200 кг для m=10 т.
т
т
N=F⋅Δ=3,2 mg⋅13,3 м=417,5 m(дж); где m - приземляемая масса без парашюта.
т
т
т
п
парашюта
o
т
уд
уд
W=N:t=417,5 m:0,67 c=623 m(вт); → 6105 квт для m=9,8 т; (m=m - m=10 т-0,2 т=9,8 т; 0,2 т - вероятная масса парашюта для V=16 м/с (см. ниже). Высокомоментный вентильный электродвигатель на постоянных магнитах (http://www.smbdb.ru/products/16/42/), при кратком рабочем цикле как в нашем случае t=0,67 c, сможет работать с перегрузкой до 4-кратного превышения номинальной мощности без критического перегрева двигателя. Этим достигается удельная мощность W≈42 квт/кг. Примем W=25 квт/кг,6
п
чтобы обеспечить надежность и резерв (68%) корректировки технических требований. Масса требуемого двигателя для m=10 т составит:
д
т
уд
у
-3
m=W:W=623 m вт: 25 квт/кг=24,9 m⋅10 (кг) → ~245 кг для m=9,8 т. Остающихся 955 кг (из 1200 кг m) вполне достаточно для остальных элементов устройства:
барабан лебедки небольшой емкости (Δ=13,3 м)
~ 80 кг.
мини-аккумулятор (Ni-Cd, Li-Po, - для очень малого t<sub>т</sub>=0,67 с)
~ 50 кг.
регулятор с контроллером
~ 250 кг.
датчик ДД до площадки (легкой конструкции при L=6,88 м)
~ 25 кг.
легкий парашют (при Vo=16 м/с его мидель в 10 раз меньше обычного - с Vo=5 м/с; - из той же формулы скорости снижения парашюта ;
здесь S - мидель парашюта)
~ 200 кг
Итого 605 кг.
у
д
y
При современных комплектующих и материалах (кевлар, карбон) этой массы вполне достаточно для указанного снаряжения. Остающийся резерв 350 кг (от m-m=955 кг) дает возможность снижения D до 8,5%.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет управлять процессом гарантированно безопасной парашютной посадки объекта на посадочную площадку с естественной неровностью; и при этом снизить вес применяемого для этого оборудования.