УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПУСКА МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Устройство относится к области космической техники, в частности к устройствам отделения на орбите малых космических аппаратов (МКА), и может быть использовано для отброса малых космических аппаратов с борта орбитальной станции на целевую орбиту.
Известны патенты на устройства, которые предназначены для отброса спутников с борта различных носителей. Устройство для доставки объектов (патент 2530585) предназначено для ручного отброса спутника с борта орбитальной станции. Устройство не обеспечивает требуемые угловые направления отброса спутника и требуемую скорость отброса. Устройство не позволяет обратно принимать спутник после выполнения им целевой задачи. Устройство приспособлено только под спутники сферической формы и заданного диаметра. Система отделения полезной нагрузки (патент РФ 2396191) предназначена для разового отделения спутника и не позволяет принимать его обратно на борт носителя. Решение по «Устройству выдвижения и отделения полезной нагрузки» (патент РФ 2387586) направлено на повышение надежности за счет упрощения конструкции устройства. Система отделения полезной нагрузки от космического аппарата (патент РФ 2396190) предназначена для обеспечения закрутки отделяемого спутника от носителя и независимости поступательного и вращательного движений.
Данные устройства предназначены только для отброса МКА от носителя и не позволяют принимать его обратно на борт.Устройства обеспечивают отброс МКА только в одном направлении и с одной скоростью. Устройства разработаны для конкретных массогабаритных характеристик МКА и не позволяют отбрасывать спутники разных размеров.
В качестве прототипа выбрано устройство известных электромагнитных катапульт для запуска самолетов. Основой конструкции электронной катапульты является линейный индукционный двигатель, отдельные части которого последовательно включаются и выключаются. Особая тележка, движущаяся по электромагнитным направляющим, в которые вмонтированы мощные электромагниты, обеспечивает разгон самолета, взлетающего с палубы авианосца, до скорости, необходимой для отрыва. Имеется также возможность регулировки энергии разгона в случаях запуска самолетов разного типа и массы. Энергообеспечение для работы электромагнитной катапульты обеспечивает дизельная или газотурбинная силовая установка, (см. Сайт «Новый век. Новые технологии». В России будет создана электромагнитная катапульта, http://wek.ru. Дата обращения 26.11.2014)
Общими для прототипа и заявляемого устройства являются следующие блоки - линейный двигатель, состоящий из неподвижного статора и подвижного якоря, блок регулирования параметров ускорения, блок питания.
Конструктивные элементы данной катапульты не позволяют применить ее в условиях космоса для обеспечения возможности отброса малых космических аппаратов с борта орбитальной станции. Используемая система фиксации не позволяет производить запуск спутников различной формы и габаритов. Также система сориентирована в одном направлении и позволяет запускать объекты только в одном направлении и под одним углом к горизонту.
Задачей данного технического решения является разработка конструкции пускового устройства, позволяющего осуществлять отброс малых космических аппаратов разной массы и габаритов с борта орбитальной станции в заданном направлении и с заданной для данного МКА скоростью, а также принимать МКА обратно на борт орбитальной станции после выполнения целевой задачи. Это позволит расширить функциональные возможности существующих пусковых устройств.
В настоящее время развивается класс малых космических аппаратов, предназначенных для выполнения в космосе различных задач и экспериментов. Программой предусмотрено осуществление запусков этих МКА с борта орбитальной станции. МКА имеют большой разброс масс, габаритов и форм. Массы спутников могут быть от 1 до 100 кг, габариты от 10 см до 50-70 см, спутники могут быть выполнены в форме сферы, цилиндра, призмы. Для каждого МКА, исходя из его целевого назначения, выдвигаются требования по направлению и скорости отброса. Существует ряд спутников, которые после выполнения программы своего полета должны быть возвращены на борт орбитальной станции для проведения регламентных работ и подготовки к следующему пуску.
Разработка индивидуальных средств отброса МКА каждого класса с борта орбитальной станции неэффективна по экономическим и массовым характеристикам, т.к. приводит к увеличению массы требуемого оборудования. Вследствие этого возникает техническая задача разработки конструкции универсального пускового устройства, позволяющего осуществлять отброс МКА разной массы и габаритов с борта орбитальной станции в заданном направлении и с необходимой для данного МКА скоростью без вращательных движений, а также принимать МКА обратно на борт орбитальной станции после выполнения целевой задачи. Решение данной технической задачи позволит повысить эффективность решения целевых задач малыми космическими аппаратами, за счет отброса их от станции с заданными параметрами орбиты, уменьшить массу оборудования, требуемого для выполнения всей программы работ и экспериментов с МКА, за счет того, что отброс можно будет осуществлять только одним устройством.
Поставленная цель достигается тем, что в конструкцию устройства для запуска малых космических аппаратов, содержащего линейный двигатель, состоящий из неподвижного статора и подвижного якоря, блок регулирования ускорения, блок питания, введены основание, с установленным на нем опорно-поворотным блоком, неподвижная стойка, прикрепленная к статору линейного двигателя, подвижная стойка, прикрепленная к якорю линейного двигателя, контактная группа, установленная с возможностью перемещения на неподвижной стойке, электромагнитный фиксатор, установленный с возможностью перемещения на подвижной стойке, пульт управления, первый, второй и третий выходы которого подключены к входу блока питания, первым входам опорно-поворотного блока и блока регулирования ускорения соответственно, первый, второй и третий выходы блока питания подключены к ко вторым входам опорно-поворотного блока, блока регулирования ускорения и контактной группе соответственно, выход блока регулирования ускорения связан со статором линейного двигателя, при этом контактная группа связана с электромагнитным фиксатором с возможностью разъединения связи.
На фигуре 1 представлена структурная схема устройства для запуска малых космических аппаратов, где изображено: основание 1, опорно-поворотный блок 2, статор 3 линейного двигателя, якорь 4 линейного двигателя, неподвижная стойка 5, подвижная стойка 6, электромагнитный фиксатор 7, контактная группа 8,. пульт 9 управления, блок 10 питания, блок 11 регулирования ускорения, запускаемый МКА 12.
Основание 1 предназначено для размещения на нем блоков устройства, для крепления устройства в требуемом месте на внешней поверхности орбитальной станции. Оно содержит узлы фиксации, выполненные в виде механических захватов. К основанию 1 жестко прикреплен опорно-поворотный блок 2.
Опорно-поворотный блок 2 предназначен для жесткого крепления к нему статора линейного двигателя и его разворота в требуемом направлении по углу места и азимуту. Блок 2 содержит приводы наведения статора линейного двигателя по двум углам. В устройстве могут быть применены конструкции опорно-поворотного блока с приводами наведения, серийно выпускаемые промышленностью. На первый вход блока 2 подается сигнал о требуемых углах наведения от пульта 9 управления. На второй вход блока 2 подается напряжение питания от блока 10 питания.
Линейный двигатель состоит из неподвижного статора 3 и подвижного якоря 4. В данном устройстве в качестве линейного двигателя могут быть применены линейные двигатели, серийно выпускаемые промышленностью для целей станкостроения.
Неподвижная стойка 5 предназначена для крепления контактной группы 8 и подвода к ней электропитания. Неподвижная стойка 5 может быть выполнена из металла или пластика и прикреплена к статору линейного двигателя.
Подвижная стойка 6 предназначена для крепления электромагнитного фиксатора 7. Подвижная стойка может быть выполнена из металла или пластика и неподвижно прикреплена к якорю 4 линейного двигателя.
Электромагнитный фиксатор 7 предназначен для крепления отделяемого МКА к устройству для запуска малых космических аппаратов. Когда напряжение подано на электромагнитный фиксатор, в нем генерируется магнитное поле, которое притягивает МКА 12 и фиксирует его на подвижной стойке 6. Для возможности обеспечения запусков всей номенклатуры спутников они должны быть оснащены пластиной из ферромагнитного материала, прикрепленной к внешней поверхности спутника на оси, проходящей через центр тяжести МКА.
Контактная группа 8 предназначена для разъемного подключения электромагнитного фиксатора 7 к блоку питания 10. В исходном состоянии контактная группа подключена и питание подается на электромагнитный фиксатор.
Электромагнитный фиксатор 7 и контактная группа 8 установлены на подвижной 6 и неподвижной 5 стойках с возможностью синхронного перемещения по высоте стоек. Это обеспечивает инвариантность пускового устройства к габаритным характеристикам отделяемых МКА.
Пульт 9 управления предназначен для управления блоками устройства для запуска малых космических аппаратов, включения блоков в работу, ввода начальных данных - массы МКА, требуемой скорости отброса, требуемых углов отброса. Пульт может быть выполнен в виде набора тумблеров, клавиатуры, кнопок. Первый выход пульта подключен к входу блока 10 питания, по нему передается сигнал о включении питания. Второй выход связан с входом опорно-поворотного блока 2, по нему передается информация о требуемых углах отброса. Третий выход пульта подключен к первому входу блока регулирования ускорения 11, по нему передается информация о массе МКА и скорости отброса.
Блок 10 питания предназначен для подачи электропитания на все блоки устройства для запуска малых космических аппаратов, требующие электропитания для своей работы - электромагнитный фиксатор, линейный двигатель, опорно-поворотного блок. Первый, второй и третий выходы блока питания подключены ко вторым входам опорно-поворотного блока 2, блока регулирования ускорения 11 и контактной группе 8 соответственно.
Блок 11 регулирования ускорения предназначен для расчета величины подаваемого напряжения на линейный двигатель для достижения требуемой скорости отброса. Блок может быть выполнен в виде программного модуля. Выход блока связан с обмоткой статора 3 линейного двигателя.
Позицией 12 на схеме обозначен запускаемый МКА.
Функционирование разработанного устройства осуществляется следующим образом.
Включается питание устройства для запуска малых космических аппаратов, напряжение подается на электромагнитный фиксатор и он приводится в действие. Устанавливается запускаемый МКА на электромагнитный фиксатор 7 и фиксируется на нем за счет действующего магнитного поля. Устройство для запуска малых космических аппаратов переносится и фиксируется в месте запуска МКА на внешней поверхности орбитальной станции. На пульте управления 9 устанавливаются исходные данные для запуска МКА - масса, требуемая скорость отброса, углы отброса относительно строительных осей станции. По этим параметрам опорно-поворотный блок 2 разворачивает статор 3 линейного двигателя в требуемом направлении, а блок регулирования ускорения 11 рассчитывает требуемое напряжение, которое должно быть подано на линейный двигатель для достижения требуемой скорости отброса. Программным способом или при нажатии кнопки пуск, напряжение подается на статор 3 линейного двигателя и якорь 4 приводится в движение относительно статора. При движении якоря 4 подвижная стойка 6 перемещается вместе с ним и приводит МКА в движение. При этом МКА фиксируется к электромагнитному фиксатору 7 за счет действующего магнитного поля. При движении якоря контактная группа 8 выходит из зацепления с электромагнитным фиксатором 7 и снимает с него напряжение. МКА перестает удерживаться на электромагнитном фиксаторе 7 и прижимается к подвижной стойке только за счет инерционный сил. При достижении заданной скорости отброса якорь 4 начинает замедляться и останавливается. При изменении ускорения якоря и соответственно подвижной стойки контакт между МКА и электромагнитным фиксатором 7 пропадает и далее МКА летит по прямолинейной траектории по инерции. Ввиду того, что при отделении МКА от электромагнитного фиксатора 7 не было никаких сил сцепления, то соответственно не возникает и любых крутящих моментов. Этим обеспечивается отброс МКА без закручивания.
После отброса спутника якорь 4 линейного двигателя возвращается в исходное положение, при этом происходит зацепление контактной группы 8 с электромагнитным фиксатором 7 и на него снова подается напряжение, которое генерирует магнитное поле. После выполнения МКА своей целевой задачи, он подлетает к месту старта, ориентируется относительно устройства для запуска малых космических аппаратов и сближается с ним по заданной программе. При подходе к электромагнитному фиксатору 7 на заданное расстояние магнитное поле электромагнитного фиксатора притягивает МКА к себе и обеспечивает его удержание. Далее устройство для запуска малых космических аппаратов с размещенным на нем МКА перемещают к требуемому месту на поверхности станции.
Разработанная конструкция устройства для запуска малых космических аппаратов позволяет осуществлять весь комплекс работ при отбросе МКА с внешней поверхности орбитальной станции и приеме его обратно на борт. Устройство обеспечивает отброс МКА в заданном направлении и с заданной для данного МКА скоростью без вращательных движений. Конструкция электромагнитного фиксатора и наличие стоек позволяет осуществлять запуск МКА любой конфигурации.
Применение устройства для запуска малых космических аппаратов позволит повысить эффективность решения целевых задач малыми космическими аппаратами за счет отброса их от станции с заданными параметрами орбиты, уменьшить массу оборудования, требуемого для выполнения всей программы работ и экспериментов с МКА, за счет того, что отброс можно будет осуществлять только одним устройством.