СПОСОБ ДОСТАВКИ ГРУЗОВ С ПИЛОТИРУЕМЫХ ОРБИТАЛЬНЫХ СТАНЦИЙ НА ПОВЕРХНОСТЬ ЗЕМЛИ
METHOD TO DELIVER CARGOES FROM MANNED ORBITAL STATIONS ON EARTH SURFACE

Изобретение относится к космической технике, а именно к способам доставки грузов с пилотируемых орбитальных станций на поверхность Земли.
Известен способ доставки грузов с пилотируемой орбитальной станции на поверхность Земли с использованием американского пилотируемого космического челнока "Шаттл", в соответствии с которым отправляемый груз помещают в грузовой отсек челнока, в заданной точке орбиты совместного полета станции и "Шаттл'а" отделяют последний от станции, в расчетной точке траектории полета челнока его затормаживают до скорости, обеспечивающей вход "Шаттл'а" в плотные слои атмосферы в точке с заданными координатами, и отслеживают с помощью наземных средств наблюдения спуск и посадку транспортного аппарата с грузом в заданном районе (Спейс-Шаттл. В книге: "Космонавтика. Энциклопедия", Москва, "Советская энциклопедия", 1985, с.375-376 [1]).
Известен также способ доставки грузов с пилотируемой орбитальной станции "Мир" и Международной космической станции на поверхность Земли с использованием российского автоматического транспортного космического аппарата "Прогресс" (Сборник РКК "Энергия" им. С.П.Королева под редакцией Ю.П.Семенова, 1996, с.342-345 [2]). В этом случае доставка груза как таковая осуществляется отделяемым от транспортного аппарата "Прогресс" спускаемым в атмосфере аппаратом "Радуга", а сам аппарат "Прогресс" уводится в зону затопления.
В соответствии с этим способом на борту орбитальной станции груз укладывают в контейнер, помещают грузовой контейнер в герметичный отсек спускаемого аппарата "Радуга", размещаемого в транспортном аппарате "Прогресс", в заданной точке орбиты совместного полета отделяют аппарат "Прогресс" от станции, который затем ориентируют в нужном направлении отделения аппарата "Радуга" и затормаживают в заданной точке траектории его полета до скорости, обеспечивающей вход в плотные слои атмосферы отделяемого спускаемого аппарата "Радуга" с грузовым контейнером в точке с заданными координатами, отслеживают с помощью наземных средств наблюдения спуск аппарата в плотной атмосфере, и после посадки осуществляют его поиск и эвакуацию грузового контейнера к месту назначения.
При реализации названных известных способов для соответствующей ориентации и торможения до скорости схода с орбиты спускаемого аппарата с грузовым контейнером используется реактивная двигательная установка транспортного космического аппарата - соответственно, челнока "Шаттл" или аппарата "Прогресс". В результате того, что в доставке груза участвуют эти космические транспортные аппараты, доставка грузов с пилотируемых орбитальных станций на поверхность Земли обходится чрезвычайно дорого.
Кроме того, очевидно также, что ни "Шаттл", ни спускаемый аппарат "Радуга", используемый только совместно с аппаратом "Прогресс", не пригодны для оперативного решения задачи доставки грузов с пилотируемой орбитальной станции на поверхность Земли, вне связи со сроками полета аппаратов типа "Шаттл" или "Прогресс" с Земли к орбитальной станции.
К предлагаемому изобретению наиболее близок известный способ, описанный в [2].
Изобретение направлено на получение технического результата, заключающегося в обеспечении высокой оперативности доставки грузов на поверхность Земли при одновременном снижении необходимых для такой доставки материальных затрат.
Предлагаемый способ, как и наиболее близкий к нему известный, включает размещение подлежащего доставке на поверхность Земли груза в грузовом контейнере спускаемого аппарата, отделение спускаемого аппарата от орбитальной станции, торможение для схода с орбиты и перехода на траекторию снижения спускаемого аппарата в плотной атмосфере, наблюдение с помощью наземных средств за траекторией спуска аппарата в атмосфере, приземление, поиск и эвакуацию контейнера к месту назначения.
Для достижения указанного выше технического результата в предлагаемом способе, в отличие от наиболее близкого к нему известного, используют спускаемый аппарат, имеющий герметичный надувной отсек с гибкой термостойкой оболочкой, выполненной с возможностью приобретения сферической формы при заполнении ее газом. Внутри этого отсека размещают грузовой контейнер и источник газа, прикрепляя грузовой контейнер к гибкой оболочке. После отделения спускаемого аппарата от орбитальной станции осуществляют наддув указанного отсека газом и увеличивают размеры его гибкой оболочки до достижения сферической формы. Торможение спускаемого аппарата для схода с орбиты и перехода на траекторию снижения его в плотной атмосфере осуществляют только за счет аэродинамической силы, возникающей во время полета в разреженных слоях атмосферы. Наблюдение за спускаемым аппаратом ведут в нескольких точках траектории торможения в разреженной атмосфере после полного наддува его отсека, при этом определяют параметры траектории аппарата, по значениям которых определяют и уточняют время и координаты входа аппарата в плотные слои атмосферы и ожидаемую точку посадки. В качестве источника газа могут быть использованы баллон высокого давления или генератор газа. Подача газа может быть начата по команде, подаваемой от датчика времени, находящегося на спускаемом аппарате, или по радиокоманде с орбитальной станции.
Использование спускаемого аппарата с надуваемым герметичным отсеком и размещение груза в контейнере, помещаемом внутри этого отсека, позволяет иметь необходимое количество таких аппаратов на орбитальной станции ввиду незначительности их массы и объема, который они занимают в состоянии, предшествующем наддуву. В сочетании с торможением такого аппарата в разреженной атмосфере только за счет использования аэродинамической силы 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 способа по сравнению с доставкой грузов на Землю с помощью таких возвращаемых аппаратов. Использование спускаемого аппарата, герметичный надувной отсек которого выполнен с возможностью приобретения сферической формы, обеспечивает самоориентирование в потоке только в одном направлении и устойчивый, без колебаний 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 гибкую оболочку надувного отсека прикрепляют к размещаемому внутри нее грузовому контейнеру. Описанные выше особенности наблюдения за спускаемым аппаратом и определения параметров его траектории позволяют прогнозировать место посадки и обеспечить своевременную эвакуацию доставленного груза. В случае посадки спускаемого аппарата на водную поверхность надутая герметичная оболочка обеспечивает его плавучесть (непотопляемость).
Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых показаны:
- на фиг.1 - спускаемый аппарат, используемый при осуществлении предлагаемого способа, в виде, который этот аппарат имеет в процессе торможения в разреженных слоях атмосферы;
- 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 способ может быть осуществлен с помощью устройства, представляющего собой спускаемый аппарат надувной конструкции, показанный на фиг.1.
Этот аппарат содержит (фиг.1) грузовой контейнер 1 с жесткой носовой частью 5, размещенный внутри герметичного отсека 2, образованного гибкой термостойкой оболочкой 3. Последняя прикреплена к жесткой носовой части 5 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). 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. 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, соединенный с элементом 10, представляющим собой датчик времени или средство для приема радиокоманды, передаваемой с орбитальной станции.
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 контейнер 1 (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, сложенной 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 источника 6 внутрь герметичного отсека 2 подают газ. Подачу газа начинают спустя фиксированный промежуток времени после отхода спускаемого аппарата от орбитальной станции с помощью элемента 9 для приведения в действие управляемого источника 6 по команде от датчика времени, находящегося на спускаемом аппарате (в этом случае элемент 9 (фиг.1) является таким датчиком), или по радиокоманде с орбитальной станции (в этом случае элемент 9 (фиг.1) является средством для приема такой команды, а момент формирования команды определяют на орбитальной станции члены ее экипажа или автоматические средства 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. 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 этом примере 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 отслеживают наземными средствами наблюдения 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 гибкая оболочка 3 спускаемого аппарата нагревается под воздействием высокоскоростного встречного потока как разреженного, так и затем плотного газа атмосферы. Результаты расчета реализуемых при этом уровней теплового потока и прогрева оболочки в зависимости от ее радиуса R показывают, что при торможении спускаемого аппарата сферической формы и, например, массой 400 кг, температура Т герметичной оболочки 3 спускаемого аппарата на всем протяжении спуска не превышает 600°С, если диаметр (2R) сферы 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. Спейс-Шаттл. В книге: "Космонавтика. Энциклопедия", Москва, "Советская энциклопедия", 1985, с.375-376.
2. Сборник РКК "Энергия" им. С.П.Королева под редакцией Ю.П.Семенова, 1996, с.342-345.