КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ ГИБКОЙ КОМПОНОВКИ ДЛЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ПОЛЕЗНОГО ГРУЗА
SPACECRAFT OF FLEXIBLE CONFIGURATION FOR EXTRA PAYLOAD

Предлагаемое изобретение предназначено для использования в области космической техники для повышения эффективности систем выведения.
Известные варианты выведения полезной нагрузки (космические аппараты) и полезных грузов (целевых компонентов топлива, воды, кислорода и т.д.) предусматривают размещение космического аппарата на платформе (раме) жесткой конструкции под обтекателем.
Недостатком при этом является неполная реализация возможностей ракеты-носителя, которые достигаются только при размещении на ней максимально допустимой полезной нагрузке для заданной высоты выведения. Масса выводимого космического аппарата не соответствует максимальной (эффективной) массе, которую ракета-носитель по своим энергетическим возможностям может вывести на заданную орбиту.
В ряде случаев такая проблема решается, если полезную нагрузку можно увеличивать до необходимой величины плавно и точно. Например, при использовании транспортного корабля "Прогресс" массу полезной нагрузки можно регулировать набором элементов груза жидких компонентов, расходными материалами, подарками, продуктами питания и т.д.
Однако в ряде случаев космический аппарат (КА) конструктивно определен по массе и объему и это значение не соответствует предельно допустимому значению выводимой массы для ракеты-носителя.
По оценке специалистов сравнение суммарного грузопотока в космическое пространство с суммарными возможностями систем выведения указывает на наличие неиспользуемого резерва.
Задача реализации способа доставки дополнительного полезного груза объективна и реализуется в ряде технических решений.
Чтобы использовать избыточные мощности ракеты-носителя осуществляют запуски по нескольку космических аппаратов, кластерные запуски. Так предложено решение, защищенное патентом № RU 2226482 С «Устройство для группового выведения космических аппаратов» (IPC1-7), B64G 1/64, 2004 г., Маркелов В.В. и др. В данном устройстве предусмотрено в отсеке место для попутных космических аппаратов, установлены системы их отделения. По мере развития малогабаритных космических аппаратов применение такого решения будет расширяться.
Недостатком такого способа и устройства однако является то, что в силу конструктивных и организационных причин не всегда есть возможность комплектовать необходимые наборы космических аппаратов по точно заданной массе, приведенной к предельным возможностям системы выведения.
Известен защищенный патентом FR 2649667 A1, B64G 1/10 «Способ запуска космического аппарата в космос и соответствующее устройство запуска» (Claude Jonson, Piere Max, Gerard Legran) способ выведения полезной нагрузки, включающий хотя бы один основной космический аппарат и дополнительный КА со служебными бортовыми системами и отсеком полезного груза.
Предлагаемый способ обеспечивает повышение эффективности использования ракет-носителей. Однако при этом недостатком является ограниченность возможностей использования дополнительного КА, при его заданной жесткой компоновке из-за трудности решения задачи совмещения его с основным КА.
Для устранения этого недостатка требуется введения новых отличительных признаков при техническом решении его конструкции, используя гибкие, надувные, конструкции, мягкие оболочки.
Известно решение, которое является аналогом предлагаемого изобретения, по патенту RU 2241644 С1, B64G 1/00, B64G 1/12 «Надувной автономный космический модуль», авторы Буланов В.В., Иванов В.М., Успенский Г.Р., ФГУП ЦНИИмаш, при котором используется пространственное развертывание элементов надувного каркаса оболочки модуля. Но данное решение применимо лишь к области создания на монтажной орбите крупногабаритных автономных космических модулей и требует для реализации наличие вспомогательного малого КА.
В качестве прототипа принято решение по патенту FR 2649667 А1.
Целью предлагаемого изобретения является оперативное использование избыточной мощности ракеты-носителя при выведении космического аппарата, для чего применяется дополнительная нагрузка, устанавливаемая на ракету-носитель по остаточной массе и объему с помощью космического аппарата, обладающего способностью гибкой компоновки, в том числе за счет удлиненных связей между элементами, мягкой оболочки полезного груза и изменению массы до точно заданной величины.
Дополнительная нагрузка предназначена для решения задачи, позволяющей использовать выведение полезного груза на высоты и орбиты широкого диапазона. Например, такой задачей является создание в заданных точках космического пространства складов полезных грузов длительного хранения - компонентов топлива, воды, кислородосодержащих жидкостей и др.
Эти склады могут быть использованы для обеспечения пилотируемых полетов, использования при экстремальных ситуациях, увеличения сроков активного существования автоматических космических аппаратов и т.п.
Космический аппарат гибкой компоновки для дополнительного полезного груза отделяют после выведения и сброса обтекателя в допустимый момент времени, оптимальный для перехода дополнительного космического аппарата в заданную точку космического пространства и доставки полезного груза.
После отделения космический аппарат гибкой компоновки для дополнительного полезного груза переводят в транспортное положение. Это подразумевает пространственное позиционирование составляющих элементов космического аппарата гибкой компоновки для дополнительного полезного груза, формирование мягкой оболочки для создания конфигурации с контролируемым центром масс, активацию блоков электропитания, ориентации с двигателями, закрутки космического аппарата гибкой компоновки для дополнительного полезного груза вокруг своей оси для стабилизации его конфигурации. Затем обеспечивают включение маршевого ЭРД для движения космического аппарата гибкой компоновки для дополнительного полезного груза в заданную точку космического пространства и после доставки осуществляют его стыковку с накопителем полезных грузов.
Накопитель полезных грузов может представлять собой платформу, приспособленную для приема космических аппаратов гибкой компоновки для полезного груза и для перемещения полезного груза в положение, удобное для хранения и использования груза. Возможны варианты доставки космического аппарата гибкой компоновки для дополнительного полезного груза непосредственно к космическому аппарату его использования, например к пилотируемой космической станции, или доставки в заданную точку сбора для создания скопления таких аппаратов и складирования в них полезного груза.
Таким образом, сущность предлагаемого изобретения заключается в реализации устройства для использования избыточной мощности средств выведения. По тактико-техническим данным ракеты-носителя определяют максимальную массу, выводимую конкретной системой выведения на заданную орбиту для основной нагрузки, после вычитания массы основой полезной нагрузки определяют массу, которую можно вывести дополнительно попутно. В соответствии с этим обеспечивают догрузку ракеты-носителя, размещая в остаточном месте дополнительный полезный груз, с целью, назначение которого отличается от назначения основной нагрузки. Доставляют этот груз в заданную точку космического пространства и используют его или обеспечивает накопление полезного груза и его складирование с хранением и последующей раздачей.
Специально сконструированный из по возможности унифицированных элементов космический аппарат гибкой компоновки для дополнительного полезного груза отвечает следующим требованиям - быстрое и удобное приведение его массы в заданное значение, размещение в заданном остаточном объеме сложной конфигурации с минимумом технологических крепежных элементов, сохранение центровки отсека полезной нагрузки, выполнение ряда других требований по совместимости с основной полезной нагрузкой, разворачивание космического аппарата гибкой компоновки для дополнительного полезного груза в транспортное положение, доставка полезного груза в заданную точку космического пространства в широком диапазоне орбит, стыковка с объектами приема и перекачка в них полезного груза.
Существо изобретения иллюстрируют следующие чертежи:
фиг.1 - размещение космического аппарата гибкой компоновки для дополнительного полезного груза;
фиг.2 - отделение космического аппарата гибкой компоновки для дополнительного полезного груза после вывода в космическое пространство;
фиг.3 - космический аппарат гибкой компоновки для дополнительного полезного груза в транспортном положении (линейное построение);
фиг.4 - космический аппарат гибкой компоновки для дополнительного полезного груза в транспортном положении (трехмерное построение);
фиг.5 - узел складирования космических аппаратов гибкой компоновки для дополнительного полезного груза;
фиг.6 - платформа складирования дополнительного полезного груза (вариант).
Устройство используют следующим образом. При подготовке к выведению полезной нагрузки с помощью диспетчерского обеспечения грузопотока в космическое пространство определяют для расчетной орбиты максимальную массу выведения для данной ракеты-носителя 1 (фиг.1) и сравнивают ее с основной полезной нагрузкой 2. В случае если основная полезная нагрузка не использует полностью возможности системы выведения и имеется свободный объем 3 в головном отсеке 4 полезной нагрузки определяют возможности - размер, величину попутной массы дополнительного груза и используют эти возможности с помощью унифицированного дополнительного космического аппарата 5, который отвечает при компоновке требованиям максимальной совместимости с основной полезной нагрузкой. Космический аппарат гибкой компоновки для дополнительного полезного груза устанавливают в головной отсек 4 после установки основной полезной нагрузки 2, выполняют операции по фиксации его с помощью известных крепежных элементов, а также с помощью пластмассовых технологических прокладок 6 или наполнителей и крепежных замков, например типа «липучек» 7 и центровке головного отсека. Как вариант, может быть принято решение об изготовлении обтекателя увеличенного размера. Основную полезную нагрузку 2 покрывают (вариант) защитной пленкой 8. Космический аппарат гибкой компоновки для дополнительного полезного груза 5 может быть также размещен в отсеке другой конфигурации, например многоразового космического корабля.
После выведения сбрасывают обтекатель 9 (фиг.2) и в нужный момент отделяют космический аппарат гибкой компоновки для дополнительного полезного груза 5 известными способами или, например, с использованием наддува защитной пленки 8.
После отделения от основной полезной нагрузки 2 дополнительный космический аппарат 5 переводят в транспортное положение для чего активируют блоки управления 10 (фиг.3), энергопитания 11, связи 12, разводят служебные блоки с помощью электрореактивных двигателей (ЭРД) 13, производят наддув шлангов 14 для обеспечения симметричной формы контейнера полезного груза 15 и обеспечив конфигурацию дополнительного космического аппарата 5 с контролируемым центром масс и его стабилизацию, например, закруткой вокруг продольной оси, включают систему ориентации 16 (фиг.3) и маршевый ЭРД 17 для перехода в заданную точку космического пространства.
После прилета в заданную точку космического пространства используют узел стыковки 18 дополнительного космического аппарата для стыковки с объектом назначения или с другими дополнительными космическими аппаратами при накоплении и складировании или платформой, принимающий дополнительный полезный груз.
Предлагаемое устройство направлено на решение специальной задачи, допускающей использование выведенного космического аппарата с полезным грузом в широком диапазоне высот орбит и наклонений. Одним из вариантов решения такой задачи является создание в определенных точках космического пространства складов долгохранящихся полезных грузов, например компонентов топлива и продуктов жизнеобеспечения. Выбор таких точек производят с учетом перспективных планов космических полетов и в случае достаточной напряженности потока размещают в этой точке платформу складирования и хранения полезного груза.
Космический аппарат гибкой компоновки для дополнительного полезного груза обладает способностью гибкой компоновки, самостоятельного перемещения в космическом пространстве и способностью стыковаться с объектом назначения или соединения с подобными дополнительными космическими аппаратами в точке складирования.
Космический аппарат гибкой компоновки для дополнительного полезного груза содержит контейнер полезного груза 15 (фиг.3) в мягкой оболочке. Для облегчения центровки головного отсека дополнительный полезный груз может быть размещен в нескольких контейнерах.
Космический аппарат гибкой компоновки для дополнительного полезного груза оснащен узлом стыковки 18 с объектами использования полезного груза, приемным космическим аппаратом или, например, платформой складирования полезного груза, или конструкциями сбора этих аппаратов. Для забора или перелива полезного груза на узле 18 предусмотрен разъем с управляемым клапаном.
Контейнер полезного груза 15 оснащен системой поддержки формы мягкой оболочки, например, с помощью надувных шлангов 14, надуваемых из баллона сжатого газа высокого давления.
Космический аппарат гибкой компоновки для дополнительного полезного груза оснащен служебными системами, необходимыми для автономного существования и передвижения: системой связи 12, ориентации 16, управления 10, терморегулирования и энергопитания 11, двигательными установками - разводящими ЭРД 13, маршевым ЭРД 17 и другими необходимыми системами.
Все системы выполнены в виде отдельных миниатюризованных блоков округлой формы. Выступающие элементы выполнены откидывающими или раздвижными. Солнечная батарея 19 сложена в компактный пакет или свернута в рулон.
Для крепления дополнительного космического аппарата, размещенного около основной нагрузки, используют технологические прокладки и узлы крепления, например ленты «липучки», разъемы и т.д. Все технологические элементы выполняют строго в соответствии с Руководящими принципами Комитета ООН по космосу по предотвращению образования космического мусора.
Основной двигатель 17 выполнен на основе высокоэффективных электрореактивных двигателей и обеспечивает перелет в точку складирования в промежуток времени заданной длительности.
Служебные блоки снабжены системой перевода космического аппарата гибкой компоновки для дополнительного полезного груза в транспортное положение после вывода на орбиту, включающей надувные шланги оболочки контейнера полезного груза, электрореактивные двигатели (ЭРД) разведения и закрутки блоков космического аппарата между собой и основной маршрутный электрореактивный двигатель.
Например, ЭРД 13 подготавливают космический аппарат гибкой компоновки для дополнительного полезного груза к самостоятельному полету в космическом пространстве, обеспечивая разведения служебных блоков между собой. При этом система перевода в транспортное положение обеспечивает выдвижение и откидывание выступающих элементов и закрутку аппарата вокруг своей оси для стабилизации его конфигурации.
Блоки связаны между собой гибкими электрическими трубопроводными коммуникациями 20, расправляющимися при разворачивании в транспортное положение.
Построение космического аппарата гибкой компоновки для дополнительного полезного груза в развернутом транспортном положении может быть выполнено по линейной схеме (фиг.3), когда составляющие блоки расположены друг за другом по линии, или по трехмерной схеме (фиг.4), когда блоки расположены в пространстве по трем координатам.
После доставки космического аппарата гибкой компоновки для дополнительного полезного груза в точку использования полезного груза или его складирования осуществляют стыковку с объектом назначения и фиксацию взаимного положения с помощь узла стыковки (фиг.5).
При сборе дополнительных космических аппаратов в точке складирования обеспечивают их взаимное закрепление и фиксацию для полета в режиме ожидания до последующего использования.
При расширенном развитии этого способа при наличии диспетчерской службы в точке складирования целесообразно разместить платформу 21 (фиг.6) склад полезного груза, с емкостями для приема и хранения полезного груза 22, и необходимыми служебными системами 23, которые обеспечат операции по приему, длительном хранении и раздаче полезного груза.
Положительный эффект от применения данного изобретения заключается в увеличении экономической эффективности систем выведения за счет более полного использования их энергетических возможностей.
Технико-экономический эффект получается от увеличения грузопотока в космическое пространство при оперативном дополнении полезной нагрузки попутным полезным грузом с помощью космического аппарата гибкой компоновки для дополнительного полезного груза, а также за счет использования дополнительного полезного груза в космическом пространстве в целях увеличения активного существования космических аппаратов или безопасности пилотируемых полетов с помощью создания страховочного склада с резервами полезного груза.