УСТРОЙСТВО ДЛЯ МЯГКОЙ ПАРАШЮТНОЙ ПОСАДКИ ГРУЗА НА ПОСАДОЧНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ
DEVICE FOR CARGO SOFT PARADROPPING ON LANDING SURFACE

Изобретение относится к областям техники, где для спуска объектов в атмосфере используются парашюты. Оно может быть использовано для безударного приземления возвращаемых космических аппаратов или десантируемых грузов.
Неотъемлемым свойством парашютной посадки является наличие вертикальной скорости снижения. Уменьшение величины этой скорости сопряжено с увеличением размера парашюта, объема и массы парашютной системы. Для снижения вертикальной скорости до допустимых значений применяют парашютную систему приемлемой массы и объема, а перед касанием посадочной поверхности вводят в действие специальное тормозное устройство. Известно два основных способа торможения груза, спускаемого на парашюте, перед касанием посадочной поверхности: 1) при помощи амортизаторов [1], например, по заявке РФ №92015245, МПК B64C 25/28, 2) при помощи реактивных тормозителей [1, 2], например, патент РФ №2272757.
Известны различные конструкции амортизаторов, наиболее простыми являются войлочные или другие прокладки, помещаемые между грузом и посадочной платформой. К более сложным относятся разламываемые клети, сотовые конструкции, рессоры, гидравлические тормоза, пневматические устройства в виде мешков, наполненных воздухом и др. Описанные устройства увеличивают высоту центра масс груза над нижней поверхностью амортизатора [1], поскольку для обеспечения заданной перегрузки необходим определенный путь торможения. При этом создается большой опрокидывающий момент при горизонтальном перемещении груза относительно грунта со скоростью ветра, что является главным недостатком описанных амортизаторов.
Основной частью реактивного тормозителя является двигатель, в котором происходит сгорание топлива и из сопла которого истекают продукты сгорания с большой скоростью. Струя истекающих газов создает реактивную силу, которая и используется в качестве силы торможения снижающегося на парашюте груза. Существенное отличие реактивного тормозителя от различных амортизаторов заключается в том, что груз можно тормозить на большом пути торможения, тогда как амортизаторы с большим путем торможения неприменимы, так как при этом расстояние от центра масс груза до нижней поверхности амортизатора в момент касания посадочной поверхности велико и груз опрокидывается, особенно при наличии ветра.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является система мягкой парашютной посадки с реактивным тормозителем, например, по заявке РФ №94019768, МПК B64B 1/06. Общим с заявляемым устройством является:
- введение в действие реактивного тормозителя по результатам измерения высоты до посадочной поверхности.
Основными недостатками систем мягкой посадки с реактивными тормозителями являются:
- наличие в системе посадки запасов взрывоопасного ракетного топлива;
- сложность двигательных установок и необходимость их дублирования;
- возможное разрушающее воздействие струй двигателей на посадочную поверхность с негативными последствиями как для окружающего пространства, так и для груза;
- сильное виброакустическое воздейстивие на груз.
Задачей устройства мягкой парашютной посадки является повышение безопасности, исключение виброакустических воздействий на груз и негативных воздействий на посадочную поверхность и спускаемый груз, уменьшение веса и упрощение системы посадки.
Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве, содержащем парашют, фал, соединяющий груз с парашютом, датчик высоты, блок управления, кабельную сеть, автоматический замок фала на участке фала, соединяющего парашют и груз, параллельно автоматическому замку фала закрепляется блок линейных упругих элементов состоящий из N (N>1) линейных упругих элементов с известными динамическими свойствами, причем М (N>M>0) линейных упругих элементов закреплены с помощью автоматических замков линейных упругих элементов, и автоматические замки линейных упругих элементов, а также автоматический замок фала подключены кабельной сетью к блоку управления, который по данным датчика высоты при достижении расчетной высоты над посадочной поверхностью, зависящей от скорости движения системы груз - парашют и характеристик блока линейных упругих элементов, выдает команду на раскрытие автоматического замка фала, при этом груз под действием силы тяжести ускоряется и осуществляется накопление потенциальной энергии в удлиняющемся блоке линейных упругих элементов, затем накопленная в нем энергия расходуется на торможение груза за счет ускоренного движения парашюта на фазе сжатия блока линейных упругих элементов, при этом по результатам измерения высоты датчиком высоты блок управления выдает команду на раскрытие необходимого количества автоматических замков линейных упругих элементов, что позволяет корректировать движение груза и обеспечивать вертикальную скорость груза в момент касания посадочной поверхности, близкую к нулю.
Новизна предлагаемого технического решения заключается в использовании интегрированного в парашютный подвес блока линейных упругих элементов с автоматическими замками упругих элементов в качестве аккумулятора механической энергии, которая затем используется для гашения вертикальной скорости груза, а раскрытие автоматических замков линейных упругих элементов позволяет корректировать движение груза при подходе к посадочной поверхности для компенсации накопленных в процессе работы системы погрешностей.
В практике не известны случаи использования блока линейных упругих элементов для мягкой парашютной посадки.
На фиг.1 показана схема устройства с основными функциональными элементами:
1 - парашют;
2 - блок линейных упругих элементов;
3 - автоматические замки линейных упругих элементов;
4 - груз;
5 - фал;
6 - автоматический замок фала;
7 - кабельная сеть;
8 - блок управления,
9 - датчик высоты.
Груз (4) соединен с парашютом (1) с помощью фала (5) с автоматическим замком фала (6). В составе груза (4) или фала (5) находятся датчик высоты (9) и блок управления (8). Параллельно с автоматическим замком фала (6) закреплен блок линейных упругих элементов (2) с автоматическими замками линейных упругих элементов (3). Электрическая связь между блоком управления (8), датчиком высоты (9), автоматическим замком фала (6) и автоматическими замками линейных упругих элементов (3) осуществляется при помощи кабельной сети (7).
Устройство функционирует следующим образом. Изначально груз (4), соединенный с парашютом (1) фалом (5), движется с постоянной вертикальной скоростью. Автоматический замок фала (6) закрыт. Блок линейных упругих элементов (2) не нагружен. Автоматические замки линейных упругих элементов (3) закрыты. Данные о жесткости блока линейных упругих элементов (2), массе спускаемого груза (4) и аэродинамических характеристиках парашюта (1) занесены в блок управления (8). Во время движения датчик высоты (9) постоянно определяет высоту груза (4) над посадочной поверхностью. По кабельной сети (7) эти данные поступают в блок управления (8), который рассчитывает возможные траектории движения системы груз (4) - блок линейных упругих элементов (2) - парашют (1). По достижении высоты, при которой по расчетам блоком управления (8) траектории движения груза (4) реализуется нулевая вертикальная скорость касания посадочной поверхности при введении блока линейных упругих элементов (2), система управления (8) по кабельной сети (7) подает команду на раскрытие автоматического замка фала (6). Жесткая связь между грузом (4) и парашютом (1) нарушается и вводится в действие блок линейных упругих элементов (2). Под действием силы тяжести груз (4) начинает двигаться вниз ускоренно. Парашют (1) при этом тормозится за счет некомпенсированной аэродинамической силы. Блок линейных упругих элементов (2) нагружается, запасая потенциальную механическую энергию. Через некоторое время сила упругости в блоке линейных упругих элементов (2) возрастает до такой величины, что начинает тормозить груз (4) и ускорять парашют (1). Вертикальная скорость груза (4) уменьшается. В заранее выбранный момент времени на начальной фазе сжатия блока линейных упругих элементов (2) по результатам измерений высоты датчиком высоты (9) блок управления (8) рассчитывает высоту над посадочной поверхностью, на которой груз (4) будет иметь нулевую вертикальную скорость. В случае, когда по данным расчета блока управления (8) вертикальная скорость груза (4) достигнет нуля на некоторой высоте над посадочной поверхностью, блок управления (8), используя заранее определенную зависимость для используемых линейных упругих элементов изменения длины торможения от количества раскрытых автоматических замков линейных упругих элементов (3), выдает команду на раскрытие необходимого количества автоматических замков линейных упругих элементов (3). Раскрытие этих замков уменьшает запас потенциальной энергии блока линейных упругих элементов (2), что приводит к увеличению вертикального пути торможения груза и позволяет обеспечить касание посадочной поверхности с близкой к нулю вертикальной скоростью. Поскольку система позволяет корректировать движение только в сторону увеличения длины торможения, то начальная (прицельная) траектория должна рассчитываться на гарантированный недолет, т.е. все возможные погрешности и возмущения должны складываться в одну сторону.
На фиг.2 показан пример работы устройства мягкой парашютной посадки. Снизу схематически показана посадочная поверхность, слева ось с высотой Н - расстоянием между нижней точкой груза и посадочной поверхностью. Изображено пять стадий процесса посадки:
A - первая стадия, характеризующаяся установившимся движением системы груз - парашют с устройством мягкой парашютной посадки и достижением высоты, на которой раскрывается автоматический замок фала (6);
B - вторая стадия, на которой происходит ускоренное движение вниз груза (4) и накопление потенциальной энергии в блоке упругих элементов (2);
C - третья стадия. Осуществляется сжатие блока линейных упругих элементов (2) и торможение груза (4);
D - четвертая стадия - стадия раскрытия необходимого количества автоматических замков линейных упругих элементов (3) для компенсации накопленных погрешностей;
E - пятая, завершающая стадия мягкой парашютной посадки с вертикальной скоростью, близкой к нулю.
На фиг.3 приведен график зависимости высоты Н груза (4) над посадочной поверхностью от времени. Момент времени 0 соответствует моменту раскрытия автоматического замка фала (6). Показаны две кривые для расчетной и откорректированной траекторий. Расчетная траектория определена с обеспечением гарантированного недолета. На начальной фазе сжатия блока линейных упругих элементов (2) в точке коррекции (6 секунда) раскрывается необходимое число автоматических замков линейных упругих элементов (3), запас потенциальной энергии уменьшается, и траектория движения груза изменяется в сторону увеличения длины торможения. На 14-й секунде откорректированная траектория имеет нулевую высоту и нулевую первую производную высоты по времени (нулевую вертикальную скорость).
Предлагаемое изобретение может быть реализовано, например, следующим образом.
Изначально груз (4) массой M=8000 кг движется на жесткой сцепке через фал (5) с парашютом (1), коэффициент аэродинамического сопротивления которого C=545 кг/м в атмосфере Земли. Скорость системы при этом постоянна 12 м/с. Параллельно с автоматическим замком фала (5) закреплен блок линейных упругих элементов (2) с жесткостью k=1200 Н/м. Он может быть выполнен из резины с модулем упругости E=5 МПа. При этом длина блока линейных упругих элементов (2) составляет 29 м. К автоматическому замку фала (6) подведена кабельная сеть (7) от блока управления (8). Блок линейных упругих элементов (2) выполнен из восьми линейных упругих элементов: один - с жесткостью 1080 Н/м, один - с жесткостью 60 Н/м, один - с жесткостью 30 Н/м, два - с жесткостью 10 Н/м, один - с жесткостью 5 Н/м, один - с жесткостью 3 Н/м, один - с жесткостью 2 Н/м. Линейные упругие элементы с жесткостью 60, 30, 10, 5, 3 и 2 Н/м закреплены в блоке линейных упругих элементов (2) через автоматические замки линейных упругих элементов (3) с подведенной кабельной сетью (7) от блока управления (8). Данные по массе груза (4), жесткости линейных упругих элементов (2), коэффициенту сопротивления парашюта (1), необходимые для расчета траектории движения при работе устройства мягкой парашютной посадки, введены в блок управления (8). Введена в блок управления (8) зависимость прироста пути торможения груза от величины уменьшения жесткости блока линейных упругих элементов, приведенная на фиг.4.
На установившемся режиме после ввода парашюта (1) система груз (4) - парашют (1) движется на жесткой сцепке через фал (5) с постоянной скоростью, т.к. сила тяжести груза компенсируется силой аэродинамического торможения парашюта. При этом блок линейных упругих элементов (2) не нагружен. Осуществляется непрерывное измерение расстояния Н от груза (4) до посадочной поверхности датчиком высоты (9). Блок управления (8), используя данные по характеристикам системы груз (4) - блок линейных упругих элементов (2) - парашют (1) и замерам высоты, определяет момент раскрытия автоматического замка фала (6). Эта величина определяется при суммировании возможных погрешностей массы груза, жесткости блока линейных упругих элементов, коэффициента сопротивления парашюта, показаний датчика высоты, с обеспечением прогноза нижней предельной траектории. В этом случае любые другие траектории будут реализованы с недолетом, т.е. когда нулевая вертикальная скорость груза достигается на некоторой высоте над посадочной поверхностью. В рассматриваемом примере принято, что высота определена с завышением на 1%, а жесткость блока линейных упругих элементов, коэффициент сопротивления парашюта и масса груза - с занижением на 1%. При этих условиях команда от блока управления (8) на раскрытие автоматического замка фала (6) выдается при высоте груза над посадочной поверхностью 224 м. Такая траектория приведена на фиг.5 под индексом Tp1. Там же под индексом Тр2 приведена траектория движения при номинальных значениях параметров системы. На фиг.5 время 0 соответствует моменту раскрытия автоматического замка фала (6).
При работе рассматриваемой системы происходит рассогласование между прогнозируемой траекторией и фактической, обусловленное различием принятых предельных отклонениях величин параметров системы и фактических, что определяется при сравнении измерений высоты по времени и расчета траектории. По результатам измерений расстояния до посадочной поверхности датчиком высоты (9) блок управления (8) прогнозирует уточненную траекторию и определяет расстояние «недолета», т.е. высоты над посадочной поверхностью, на которой вертикальная скорость груза будет иметь нулевое значение. В определенный момент времени на начальной фазе сжатия блока линейных упругих элементов (2), используя зависимость, приведенную на фиг.4 и величину «недолета», рассчитанную блоком управления (8), блок управления (8) вычисляет необходимое количество линейных упругих элементов блока линейных упругих элементов (2), автоматические замки (3) которых необходимо раскрыть для минимизации величины «недолета», и вырабатывает команду на раскрытие этих автоматических замков линейных упругих элементов. Применительно к рассматриваемому примеру предположим, что реализовался предельный случай и все обозначенные выше погрешности имеют противоположный знак. Прогнозируемая в этом случае траектория представлена на фиг.5 индексом Тр3. Величина «недолета» составляет 12 м. Для компенсации указанного «недолета», согласно графику фиг.4, требуется уменьшить жесткость блока линейных упругих элементов (2) на 112 Н/м. С этой целью следует раскрыть автоматические замки линейных упругих элементов (3) с жесткостью 60, 30, 10, 10 и 2 Н/м. Реализующаяся при этом траектория приведена на фиг.5 и обозначена индексом Тр5. Эта траектория обеспечивает вертикальную скорость груза при подходе к посадочной поверхности, близкую к нулю.
Данное изобретение позволяет:
- уменьшить требования по безопасности при изготовлении и эксплуатации за счет исключения в системе взрывоопасных веществ;
- уменьшить вес устройства мягкой посадки по сравнению с системами на основе реактивных двигателей;
- производить корректировку процесса торможения груза для компенсации возможных погрешностей работы системы;
- минимизировать негативные воздействия на внешнюю среду и посадочную поверхность;
- устройство допускает многократное использование.
Литература
1. Лобанов Н.А. Основы расчета и конструирования парашютов. - М.: Машиностроение, 1965. - 364 с.
2. Герасименко И.А., Комов И.А. Воздушно-десантная подготовка. Часть 3. Парашютно-реактивные системы и их применение. - М.: МО СССР. Военное издательство, 1989. - 224 с.