СПУСКАЕМЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ДОСТАВКИ ГРУЗОВ С ПИЛОТИРУЕМОЙ ОРБИТАЛЬНОЙ СТАНЦИИ НА ПОВЕРХНОСТЬ ЗЕМЛИ

Полезная модель относится к космической технике, а именно к средствам доставки грузов с пилотируемых орбитальных станций на поверхность Земли.
Известно использование для доставки грузов с пилотируемых орбитальных станций на поверхность Земли советских и российских пилотируемых космических кораблей серии "Союз" (В.Е.Гудилин, Л.И.Слабкий. Ракетно-космические системы (История. Развитие. Перспективы), Москва, 1996, глава 4 [1]), а также американского многоразового челнока "Шаттл" (Спейс-Шаттл. В книге: "Космонавтика. Энциклопедия", Москва, "Советская энциклопедия", 1985, с.375-376 [2]). В первом случае грузовой контейнер в район посадки доставляет отделяемый от корабля "Союз" возвращаемый аппарат, основным назначением которого является доставка на Землю экипажа. Во втором случае средством для доставки груза является непосредственно "Шаттл", являющийся одновременно спускаемым аппаратом. В обоих этих случаях доставка груза с космической орбитальной станции на Землю является
"попутной" операцией, осуществляемой одновременно с пилотируемым полетом.
Известно также использование для доставки грузов с орбитальной станции на поверхность Земли российского автоматического транспортного космического аппарата типа "Прогресс". В этом случае доставка как таковая осуществляется отделяемым от аппарата "Прогресс" спускаемым в атмосфере посадочным аппаратом - баллистической возвращаемой капсулой "Радуга", а сам аппарат "Прогресс" уводится в район затопления (Сборник РКК "Энергия" им. С.П.Королева под редакцией Ю.П.Семенова, 1996, с.342-345 [3]). При этом аппарат "Прогресс" может забрать с пилотируемой орбитальной станции для доставки на Землю только один спускаемый аппарат - баллистическую капсулу "Радуга".
Во всех описанных случаях для обеспечения входа спускаемого аппарата с грузовым контейнером в атмосферу его необходимо затормозить до скорости схода с орбиты в заданной ее точке, для чего используются реактивные сопла двигательной установки транспортного космического аппарата - соответственно, корабля "Союз", челнока "Шаттл" или аппарата "Прогресс", забирающего с пилотируемой орбитальной станции для доставки на Землю баллистическую капсулу "Радуга".
Использование описанных средств доставки грузов с пилотируемых орбитальных станций на поверхность Земли обходится чрезвычайно дорого. По этой причине доставка грузов на поверхность Земли осуществляется с их помощью не как самостоятельная операция, а лишь как вторая фаза более сложной операции, включающей в качестве первой фазы доставку экипажа и груза
(или только груза - при использовании аппарата "Прогресс") с поверхности Земли на пилотируемую орбитальную станцию. С учетом этого аппараты типа "Союз", "Шаттл" и "Прогресс" (последний - совместно с аппаратом "Радуга") не могут даже рассматриваться в качестве специализированных средств доставки грузов с пилотируемой орбитальной станции на поверхность Земли. Таковым фактически является лишь аппарат "Радуга", но он не может осуществить доставку груза на поверхность Земли самостоятельно, так как спуск его с орбиты пилотируемой станции начинается в составе аппарата "Прогресс". Очевидно также, что ни "Союз", ни "Шаттл", ни "Радуга", используемая только совместно с "Прогрессом", не пригодны для того, чтобы осуществлять доставку груза с пилотируемой орбитальной станции на поверхность Земли оперативно, т.е. в момент, когда в этом возникла необходимость.
Наиболее близким к предлагаемому аппарату является спускаемый аппарат типа "Радуга" [3]. Данный аппарат содержит разъемный корпус с теплозащитным покрытием на носовой и цилиндрической части. Корпус имеет отсек, в котором размещены контейнеры для возвращаемого груза, тормозную парашютную систему для снижения в атмосфере, размещенную в предназначенном для нее отсеке, и средства для радиотехнического и визуального обнаружения в виде радиопеленгационного и проблескового маяков.
Техническое решение по предлагаемой полезной модели направлено на получение технического результата, заключающегося в обеспечении высокой оперативности доставки грузов с орбитальной пилотируемой станции на поверхность Земли при одновременном
снижении необходимых для такой доставки материальных затрат.
Предлагаемый спускаемый аппарат для доставки грузов с орбитальной пилотируемой станции на поверхность Земли, как и наиболее близкий к нему известный аппарат "Радуга" [3], содержит грузовой контейнер, размещенный в предназначенном для него отсеке, систему торможения и теплозащиты для обеспечения входа и движения спускаемого аппарата в плотных слоях атмосферы, а также радиосредства для его обнаружения.
Для достижения указанного выше технического результата предлагаемый спускаемый аппарат, в отличие от наиболее близкого к нему известного, снабжен управляемым источником газа, размещенным в том же отсеке, что и грузовой контейнер. Последний имеет жесткую носовую часть, на которой закреплен источник газа. При этом система торможения и теплозащиты для обеспечения входа и движения спускаемого аппарата в плотных слоях атмосферы выполнена в виде гибкой герметичной оболочки с гибкой тепловой защитой. Оболочка плотно присоединена к грузовому контейнеру по периметру его жесткой носовой части, полностью охватывает грузовой контейнер и является отсеком для его размещения. Эта оболочка выполнена с возможностью наддува из указанного управляемого источника газа и приобретения сферической формы при заполнении газом. Кроме того, спускаемый аппарат содержит исполнительное средство для включения наддува, размещенное в том же отсеке, что и грузовой контейнер.
Управляемый источник газа может представлять собой, в частности, баллон высокого давления или генератор газа. Указанное исполнительное средство может содержать элемент для приведения
в действие управляемого источника газа, соединенный с датчиком времени или средством для приема радиокоманды, передаваемой с орбитальной станции.
Выполнение спускаемого аппарата с гибкой герметичной оболочкой, образующей отсек для размещения грузового контейнера, позволяет иметь необходимое количество таких аппаратов на орбитальной станции ввиду незначительности их массы и объема, который они занимают в состоянии, предшествующем наддуву. Гибкость оболочки и ее тепловой защиты обусловливает возможность укладки оболочки в нерабочем состоянии в компактный объем. Вместе с тем выполнение оболочки с возможностью наддува благодаря наличию управляемого источника газа и средства для включения наддува обеспечивает большой размер этой оболочки в наполненном газом состоянии и выполнение ею роли системы торможения спускаемого аппарата только за счет использования аэродинамической силы, т.е. пассивно, без использования каких-либо двигателей или парашютной системы, на всех этапах спуска, включая как сход с орбиты, так и снижение в плотных слоях атмосферы. Это позволяет планировать спуск груза на Землю и осуществлять его оперативно, т.е. полностью независимо от сроков полета к орбитальной станции пилотируемых или автоматических возвращаемых аппаратов, имеющих двигательную установку. Очевидна также несопоставимость материальных затрат при использовании предлагаемого устройства по сравнению с доставкой грузов на Землю с помощью таких возвращаемых аппаратов, как "Союз", "Прогресс"+"Радуга" или "Шаттл". Выполнение гибкой герметичной оболочки с возможностью приобретения ею сферической формы обеспечивает самоориентирование в
потоке только в одном направлении и устойчивый полет до самой поверхности Земли. Это достигается благодаря аэродинамическим свойствам спускаемого аппарата, центр масс которого смещен вперед по отношению к направлению полета относительно геометрического центра сферы, поскольку гибкая оболочка прикреплена к жесткой носовой части размещаемого внутри нее грузового контейнера по всему периметру этой части. В случае посадки спускаемого аппарата на водную поверхность надутая герметичная оболочка обеспечивает его плавучесть (непотопляемость), что свидетельствует о спасаемости груза и в этих условиях посадки аппарата.
Наличие управляемого источника газа и исполнительного средства для включения наддува обеспечивает необходимую логику работы спускаемого аппарата. Размещение этих средств в том же отсеке, что и грузовой контейнер, обеспечивают их функционирование в условиях разреженной атмосферы, в которой происходит начальный этап движения спускаемого аппарата. Термостойкость герметичной оболочки с гибкой теплозащитой обеспечивает сохранность как самой этой оболочки, так и заключенных внутри образованного ею герметичного отсека частей аппарата и груза при воздействии высокой температуры, возникающей при сходе аппарата с орбиты и дальнейшем снижении. Вместе с тем плавный характер торможения, имеющий место с учетом описанных выше особенностей чисто аэродинамического схода с орбиты позволяет получить сравнительно невысокие температуры нагрева и благодаря этому облегчить выбор подходящих материалов для изготовления оболочки и ее теплозащиты.
Частные случаи выполнения управляемого источника газа в виде баллона высокого давления или генератора газа, а исполнительного средства для включения наддува - в виде элемента для приведения в действие управляемого источника газа, соединенного с датчиком времени или со средством для приема радиокоманды, передаваемой с орбитальной станции, равноценны с точки зрения достижения указанного выше технического результата и обеспечивают дополнительную свободу выбора при проектировании спускаемого аппарата.
Полезная модель иллюстрируется чертежами:
- на фиг.1 показана конструкция предлагаемого спускаемого аппарата с герметичной оболочкой в состоянии, когда она заполнена газом;
- на фиг.2 - характер изменения высоты и скорости вдоль траектории торможения спускаемого аппарата;
- на фиг.3 - расчетные зависимости максимальной температуры герметичной оболочки спускаемого аппарата от ее размеров и массы аппарата с грузом при торможении в атмосфере;
- на фиг.4 - расчетные зависимости скорости посадки на поверхность Земли спускаемого аппарата с грузом от его массы и размеров.
Предлагаемый спускаемый аппарат надувной конструкции, показанный на фиг.1, содержит грузовой контейнер 1 с жесткой носовой частью 5, размещенный внутри герметичного отсека 2. Последний образован гибкой термостойкой оболочкой 3, которая прикреплена к жесткой носовой части 5 отсека 2 по всему ее периметру
с уплотнением 4. Гибкая герметичная термостойкая оболочка с внутренней стороны выполнена из газонепроницаемого материала (например, из полиимидной пленки или прорезиненной ткани, используемой в дирижаблестроении), а с внешней стороны имеет многослойную гибкую теплозащиту (например, из слоев кремнеземной ткани, пропитанных сублимирующим веществом из семейства полимерных кремнийорганических соединений).
В герметичном отсеке 2 размещен также управляемый источник 6 газа, установленный на внутренней стороне жесткой носовой части 5. Источник 6 газа может представлять собой баллон высокого давления или генератор газа, например, в виде пороховой шашки. Кроме того, в отсеке 2 размещены радиосредства 7 для обнаружения спускаемого аппарата наземными средствами и исполнительное средство 8 для включения наддува, соединенное с управляемым источником 6 газа. Исполнительное средство 8 содержит элемент 9 для приведения в действие управляемого источника 6 газа (например, выпускной клапан баллона высокого давления или устройство зажигания пороховой шашки газогенератора), соединенный с элементом 10, представляющим собой датчик времени или средство для приема радиокоманды, передаваемой с орбитальной станции.
Предлагаемый спускаемый аппарат используется и работает следующим образом.
При появлении необходимости отправить на поверхность Земли груз (результаты экспериментов, носители отснятой информации и др. материалы) специалисты экипажа орбитальной станции укладывают его в грузовой контейнер 1 и присоединяют
гибкую оболочку 3 с уплотнением 4 к жесткой носовой части 5 контейнера 1 по всему ее периметру. Образуемый при этом герметичный отсек 2 спускаемого аппарата ограничен гибкой оболочкой 3 и носовой частью 5 грузового контейнера 1. Поэтому грузовой контейнер 1 находится внутри герметичного отсека 2, т.е. гибкая оболочка 3 полностью охватывает грузовой контейнер (а также управляемый источник 6 газа с исполнительным средством 8 для включения наддува и радиосредства 7 для обнаружения спускаемого аппарата наземными средствами). На этой стадии гибкая оболочка 3 сложена в компактный объем.
Далее спускаемый аппарат с герметичной оболочкой 3 и гибкой теплозащитой, сложенными в компактный объем, устанавливают в шлюзовую камеру орбитальной станции, откуда с помощью механического толкателя шлюзовой камеры отделяют спускаемый аппарат от орбитальной станции.
При этом спускаемый аппарат с грузовым контейнером первоначально движется практически по той же орбите, что и орбитальная станция.
После отхода спускаемого аппарата от орбитальной станции на безопасное для раскрытия оболочки 3 расстояние от управляемого источника 6 внутрь герметичного отсека 2 подают газ. Подача газа может быть начата исполнительным средством 8 для включения наддува, по команде от элемента 10 (фиг.1), подаваемой на элемент 9 (выпускной клапан баллона высокого давления или инициатор поджига пороховой шашки газогенератора) для приведения в действие управляемого источника газа. Если элемент 10 представляет собой датчик времени, то команда подается
спустя фиксированный промежуток времени после отхода спускаемого аппарата от орбитальной станции. Если же элемент 10 представляет собой средство для приема радиокоманды, передаваемой с орбитальной станции, то момент формирования команды определяется на орбитальной станции ее экипажем или автоматическими средствами станции. В результате наддува оболочка 3 расправляется и принимает сферическую форму, показанную на фиг.1.
Торможение спускаемого аппарата с контейнером начинается за счет аэродинамической силы, возникающей при обтекании наполненной газом гибкой оболочки 3 газом разреженной (высотной) атмосферы уже на самом раннем этапе спуска, т.е. сразу после отделения от станции и наддува оболочки. Эта сила мала и зависит от размера спускаемого аппарата, определяемого размерами герметичного отсека 2, образованного наполненной газом гибкой оболочкой 3. Орбита спускаемого аппарата под действием этой силы эволюционирует, т.е. периодически изменяются во времени скорость V движения (линия 11 на фиг.2) и высота Н (линия 12, там же). Торможение спускаемого аппарата в показанном на фиг.2 случае начинается при начальной высоте его орбиты, равной высоте орбиты орбитальной станции, составляющей 400 км.
При этом спускаемый аппарат самоориентируется в набегающем потоке газа атмосферы жесткой частью 5 грузового контейнера 1 вперед за счет переднего по отношению к центру наполненной газом оболочки 3 расположения центра его тяжести, и эта балансировка остается единственной при всех режимах обтекания (свободномолекулярном, ламинарном, турбулентном) и для
любых скоростей движения в диапазоне от гиперзвуковых до низких дозвуковых.
Продолжительность спуска грузов по предлагаемому способу зависит от размеров спускаемого аппарата и массы его с грузом и может составлять от нескольких часов до нескольких суток.
Из фиг.2 следует, что время эволюции орбиты спускаемого аппарата сферической формы диаметром 20 м и массой 400 кг составляет примерно 62 часа (около 2,6 суток). При этом аппарат до входа в плотные слои атмосферы на высоте 100 км совершает 40 витков вокруг Земли.
Таким образом, спускаемый аппарат в течение длительного времени совершает обороты вокруг Земли, постепенно из-за аэродинамического торможения снижаясь и приобретая соответствующую скорость для входа в плотную атмосферу. После полного наддува герметичного отсека наземные средства наблюдения обнаруживают и отслеживают движение спускаемого аппарата по сигналам его радиосредств 7 в нескольких разнесенных по времени точках его траектории. При этом определяют параметры орбитального движения спускаемого аппарата и расчетным путем с использованием этой информации определяют координаты ожидаемой точки и время входа аппарата в плотную атмосферу (на высоте около 100 км) и соответствующей точки посадки спускаемого аппарата на поверхность Земли. Заблаговременное определение точки посадки аппарата дает возможность подготовить и отправить в район посадки экспедицию, осуществляющую поиск и эвакуацию груза к месту назначения.
р
Во время торможения поверхность теплозащиты и гибкая термостойкая оболочка 3 спускаемого аппарата нагреваются под воздействием высокоскоростного встречного потока как разреженного, так затем и плотного газа атмосферы. Результаты расчета реализуемого при этом нагрева поверхности теплозащиты в зависимости от радиуса R оболочки 3 показывают, что при торможении спускаемого аппарата сферической формы и, например, массой 400 кг, равновесная температура Т поверхности теплозащиты оболочки 3 спускаемого аппарата на всем протяжении спуска не превышает 600°С, если диаметр сферы (2R) равен 20 м, и 320°С у аппарата диаметром 60 м (см. фиг.3; линии 13, 14 и 15 соответствуют значениям массы аппарата 200, 300 и 400 кг).
п
На фиг 4 представлены результаты расчетов зависимости скорости посадки V от размеров надувного герметичного отсека сферической формы с орбитальной станции, находящейся на высоте 400 км (R - радиус сферы, линии 16, 17 и 18 соответствуют значениям массы аппарата 200, 300 и 400 кг). Из этих результатов следует, что скорость посадки на поверхность Земли таких спускаемых аппаратов составляет от 2 до 7 м/с, что является вполне приемлемым для сохранения груза при ударе о поверхность.
Таким образом, с одной стороны, использование на начальной стадии спуска груза и далее вплоть до его посадки на поверхность Земли пассивного аэродинамического торможения в предлагаемом способе доставки груза с пилотируемой орбитальной станции избавляет от необходимости использовать дорогостоящие реактивные системы ориентации и торможения, и, с другой стороны, обеспечивает возможность оперативной доставки
груза с орбиты в любой момент времени при отсутствии пристыкованных к орбитальной станции специальных транспортных аппаратов.
Источники информации
1. В.Е.Гудилин, Л.И.Слабкий. Ракетно-космические системы (История. Развитие. Перспективы), Москва, 1996, глава 4.
2. Спейс-Шаттл. В книге: "Космонавтика. Энциклопедия", Москва, "Советская энциклопедия", 1985, с.375-376.
3. Сборник РКК "Энергия" им. С.П.Королева под редакцией Ю.П.Семенова, 1996, с.342-345.