Космический аппарат с солнечным парусом

 

Изобретение относится к космической технике, а именно к конструкциям солнечного парусного корабля ( СПК ) для межпланетных полетов. СПК содержит основной 1 и дополнительный 5 парусы. Основной парус 1 выполнен кольцевой формы с внутренним диаметром, равным или большим наружного диаметра дополнительного паруса 5, который выполняет функцию компенсатора кинетического момента основного паруса 1. Управлением относительной угловой скоростью дополнительного паруса 5 и ротора 7 его электродвигателя достигается ориентация относительно продольной оси корабля. Ориентация относительно поперечных осей достигается за счет процессии системы при изломе ее продольной оси вращения в двухстепенном шарнире, связывающем роторы 6, 7 электродвигателей парусов 1 и 5. 3 ил.

Изобретение относится к использованию солнечной энергии для обеспечения движения космического аппарата с помощью солнечного паруса, воспринимающего давления солнечного излучения.

Космический аппарат с солнечным парусом или солнечный парусный корабль (СПК) имеет в своем составе отражающую солнечный свет поверхность паруса больших размеров (10⁴-10⁵ м²), устройство формирования поверхности для начального раскрытия из уложенного состояния и дальнейшего поддержания требуемой формы, а также систему трехосной ориентации в космическом пространстве.

Наиболее близким из известных технических решений является космический аппарат (КА) с солнечным парусом, содержащий корпус, гибкую поверхность, средство ее формирования, включающее устройство закрутки и средство управления ориентацией гибкой отражающей поверхности.

Исследования показывают, что космические аппараты с солнечным парусом могут быть использованы для решения различных задач для полетов по геоцентрическим орбитам или для межпланетных перелетов. Конструкция известного КА обладает хорошей компактностью в сложенном состоянии, что позволяет выводить его на начальную орбиту ракетой-носителем орбитального класса с ограниченной зоной полезного груза (зоной, где размещается СПК). Однако для межпланетных перелетов, где требуется большие тяга и ускорение для сокращения времени разгона по спиральной геоцентрической орбите, конструкция КА прототипа становится неэффективной из-за потери полезной площади паруса и увеличения удельной массы СПК на единицу площади поверхности.

Технической задачей данного изобретения является увеличение тяги СПК в условиях обеспечения космических перелетов к дальним планетам Солнечной системы, а также увеличения массы полезного груза за счет увеличения эффективной площади паруса при уменьшении удельной массы СП на единицу площади поверхности.

Данная техническая задача решается за счет того, что в космическом аппарате с солнечным парусом, содержащем корпус, гибкую поверхность, средство ее формирования, включающее устройство закрутки и средство управления ориентацией гибкой отражающей поверхности, корпус выполнен в виде двух шарнирно соединенных частей, с одной из которых связана гибкая отражающая поверхность, при этом средство формирования снабжено установленным на другой части корпуса трансформируемым маховиком, выполненным в виде дополнительной гибкой отражающей поверхности, а устройство закрутки выполнено в виде механизма противовращения частей корпуса вдоль их продольных осей, причем основная гибкая отражающая поверхность выполнена кольцевой формы с внутренним диаметром равным или большим наружного диаметра дополнительной поверхности, а средство управления ориентацией основной гибкой отражающей поверхности в пространстве выполнено в виде устройства изменения угла между продольными осями частей корпуса.

На фиг. 1 изображен общий вид СПК с дополнительным парусом; на фиг. 2 то же, вид сбоку; на фиг. 3 в увеличенном масштабе конструкция СПК с дополнительным парусом.

СПК состоит из паруса (основного) 1, например, в транспортном состоянии уложенного на барабане 2, жестко закрепленного на статоре 3 одного из двух электродвигателей системы формирования поверхности паруса. Например, на барабане 4, жестко скрепленном со статором второго электродвигателя, уложен в транспортном состоянии дополнительный парус 5. Роторы 6 и 7 электродвигателей соосны и связаны между собой устройством управления углом между осями роторов 8. Поверхность основного паруса 1 кольцевой формы может быть выполнена в виде сплошного кольца, по внутреннему контуру кольцо соединено нитями 9 с барабаном 2. Дополнительный парус 5 может быть выполнен сплошным кругом, уложенным на барабане статора электродвигателя 3, или также в виде кольца, нитями скрепленного с барабаном 4, жестко закрепленным на статоре электродвигателя 10.

С началом вращения обоих статоров 3 и 10 электродвигателей в разные стороны относительно связанных между собой роторов 6 и 7 под действием центробежных сил оба паруса (основной и дополнительный) разворачиваются в радиальном направлении и удерживаются в заданной конфигурации, причем в целом система сохраняет нулевой кинетический момент от начала и до конца раскрытия и при дальнейшей эксплуатации. Управление СПК относительно осей, перпендикулярных оси роторов 6 и 7 достигается за счет излома продольной оси устройством управления углом между осями роторов 8, выполненным, например, в виде двухстепенного шарнира с приводом и возникающей при этом процессии всей системы СПК, управление относительно продольной оси осуществляется согласованием относительной скорости ротора 7 и статора 10 электродвигателя дополнительного паруса 5. Таким образом дополнительный парус выполнят две функции: во-первых, он является элементом, уравновешивающим кинетический момент основного паруса, а, во-вторых, увеличивает суммарную площадь парусов, т.е. эффективность предлагаемой конструкции СПК с дополнительным парусом выше, чем эффективность СПК конструкции парус-меховик.

Однако дополнительный парус в сложенном положении занимает обычно больший объем, чем сложенный маховик, следовательно, если ракета-носитель имеет зону полезного груза, допускающую размещение СПК с двумя сложенными парусами, основным и дополнительным, то более выгодной является предлагаемая конфигурация СПК.

Кроме того, форма основного паруса в виде кольца, удерживаемого с помощью радиальных нитей, связанных с СПК, не требует силовых элементов конструкции для поддержания формы и жесткости лопастей, и вся площадь кольца используется полностью, как эффективная площадь СП.

Выполнение маховика в виде дополнительного паруса дает увеличение эффективной площади СП, общая площадь его S_сп= π (R²_осн-r²_осн+ R²_доп), при r_осн=R_доп:S_сп= π R²_осн Потери же массы (М_сп) от установки кольцевого и дополнительного парусов большей площади, чем прототип, частично компенсируются массой самого маховика, а частично выигрышем массы при креплении основного паруса с КА с помощью нитей и отсутствием жестких силовых элементов конструкции обоих парусов. Следовательно, данная конструкция СПК обладает большей эффективностью (определяется отношением площади паруса к суммарной массе конструкции), меньшей удельной массой, что приводит к увеличению тяги СП и ускорения КА и позволяет сократить время разгона по спиральной геоцентрической орбите с достижением 2-ой космической скорости.

Формула изобретения

КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ С СОЛНЕЧНЫМ ПАРУСОМ, содержащий корпус, гибкую поверхность, средство ее формирования, включающее в себя устройство закрутки, и средство управления ориентацией гибкой отражающей поверхности, отличающееся тем, что в нем корпус выполнен в виде двух шарнирно соединенных частей, с одной из которых связана гибкая отражающая поверхность, при этом средство формирования снабжено установленным на другой части корпуса трансформируемым маховиком, выполненным в виде дополнительной гибкой отражающей поверхности, а устройство закрутки выполнено в виде механизма противовращения частей корпуса вдоль их продольных осей, причем основная гибкая отражающая поверхность выполнена кольцевой формы с внутренним диаметром, равным или большим наружного диаметра дополнительной поверхности, а средство управления ориентацией основной гибкой отражающей поверхности в пространстве выполнено в виде устройства изменения угла между продольными осями частей корпуса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3