Космический аппарат

 

Изобретение относится к двигательным и управляющим средствам космических аппаратов (КА), использующим солнечное излучение. Согласно изобретению КА содержит пленочный солнечный парус, управляющий отсек с источником напряжения, коммутатором и лебедками. Лебедки связаны тягами с парусом. На периферии паруса выполнены элероны, соединенные через коммутатор с источником напряжения. При этом парус выполнен в форме многоугольника с завернутыми внешними углами, а тяги лебедок связаны с указанными углами. Подтягивание углов приводит к смещению центра светового давления относительно центра масс КА. В результате этого создается управляющий момент, изменяющий ориентацию паруса по тангажу и рысканью. Скорость вращения КА регулируется элеронами, управляемыми через действие электростатических и центробежных сил. Изобретение направлено на повышение маневренности КА, технологичности и надежности конструкции паруса, упрощение и снижение массы и габаритов системы. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к космическим летательным аппаратам с солнечным парусом.

Известен космический аппарат [1], содержащий круглый пленочный парус-отражатель с центральным отверстием, в котором с возможностью поперечного перемещения посредством лебедок и соединенных с парусом тяг размещен управляющий отсек с источником напряжений, соединенным через коммутатор с элеронами на периферии паруса, имеющими форму секторов, соединенных одной из радиальных кромок с парусом под некоторым малым углом к его радиусу. Управление аппаратом по углам тангата и рысканья осуществляется перемещением массы управляющего отсека относительно центра светового давления паруса и действием элеронов в качестве световых клапанов. Управление по крену обеспечено подачей на группы элеронов напряжения разного знака, при этом половина элеронов отклоняется на некоторый угол и изменяет скорость вращения паруса.

Известное устройство обеспечивает достаточно высокие технические характеристики и функциональные возможности космического аппарата, но имеет некоторые недостатки.

1. Возможность поперечного перемещения управляющего отсека в центральном отверстии предопределяет значительные размеры последнего, увеличение наружного диаметра паруса и его момента инерции, снижение маневренности.

2. В аппаратах с большой парусностью и относительно малой массой управляющего отсека снижены управляющие моменты и маневренность.

3. Использование элеронов для управления по углам тантажа и рысканья требует большого их числа и размещения по всему параметру паруса, что усложняет конструкцию, увеличивает массу и момент инерции паруса.

4. Известное устройство предусматривает радиальное направление линий сгиба гофр при свертывании паруса, что требует производственного помещения большого размера, сопоставимого с размерами развернутого паруса, недостаточно технологична операция намотки паруса на корпус КА.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, т. е. повышение маневренности, технологичности, надежности, упрощение конструкции, уменьшение массы и габаритов аппарата. Указанные цели достигаются исполнением паруса в виде многоугольника, в частности квадрата, углы которого завернуты и соединены тягами с бортовыми лебедками, укладкой паруса в виде параллельных гофр, намотанных на цилиндрический корпус управляющего отсека, оснащением аппарата синхронизатором развертывания паруса.

Конструкция аппарата представлена на чертежах, где на фиг.1 изображен КЛАСП, вид в плане; на фиг.2 - осевой разрез; на фиг.3 и 4 в увеличенном масштабе изображено устройство управляющих элеронов, на фиг.5 приведена схема развертывания паруса в космосе, на фиг.6 и 7 изображен центральный блок с устройством синхронизации развертывания паруса.

Аппарат содержит цилиндрический корпус 1, в котором размещена научная и служебная аппаратура (приборы для научных исследований, системы измерения ориентации, терморегулирования, связи и др.). Корпус размещен в центральном отверстии 2 солнечного паруса 3, выполненного в виде выпуклого многогранника, преимущественно квадрата, и соединен с ним радиальными растяжками 4. Поверхность паруса образована рядом параллельных лент, соединенных (склеенных, сваренных) между собой боковыми кромками, ленты выполнены из гибкого и легкого материала с высокой светоотражающей способностью, например из полиамидной пленки толщиной порядка 2 мкм с алюминиевым покрытием ~0,1 мкм. Периметр паруса усилен кантом 5 в виде нитей или лент, внешние углы паруса завернуты на 180^o и соединены тягами 6 с лебедками, размещенными на корпусе аппарата и снабженными приводами вращения, управляемыми бортовым компьютером.

На периферии паруса закреплены также четыре (или более) пары элеронов 7,8, выполненных в виде прямоугольных треугольников, соединенных гипотенузой под углом α к радиальному направлению паруса. Элероны могут быть выполнены из материала паруса, т.е. из алюминированной пленки, причем металлическое покрытие элеронов изолировано от покрытия паруса и соединено через управляемый бортовым компьютером коммутатор с бортовым источником высокого напряжения. Электрические соединения элеронов с генератором высокого напряжения могут быть выполнены в виде основного металлического (алюминиевого) покрытия 9, изолированного от остальной поверхности электроизоляционными промежутками 10 в виде свободных от покрытия участков (полос) подложки. Остальная металлизированная поверхность паруса тоже соединена с источником регулируемого высокого напряжения, но это условие не является необходимым в ситуациях, обеспечивающих естественную электризацию паруса, например, при пролетах аппарата радиационных поясов планет или при воздействии солнечного ветра. Вблизи внешних углов паруса целесообразно размещение тонких электропроводящих волокон 11, например углеродных, которые обеспечивают холодную эмиссию зарядов с острых и тонких концов и сброс избыточного напряжения. Возможно также использование для этих целей ионных двигателей.

Сборка паруса в предстартовое состояние осуществляется складыванием его в виде гофр по линиям изгиба 12, параллельным одной из внешних кромок паруса. Полученные таким образом два пакета гофр с натягом наматываются на цилиндрическую поверхность корпуса 1 и закрываются корсетом в виде двух полуцилиндрических створок 13, стянутых, например, пироболтами.

Аппарат может быть оснащен устройством синхронизации развертывания (см. фиг.6 и 7), содержащим основание 14, на котором посредством механизма разделения 15 закреплен корпус 1 аппарата с намотанным на нем парусом 3, и на подшипнике 16 установлен зубчатый венец 17 с кронштейнами 13, в которых на осях 19 с возможностью поворота смонтированы проушины 20, в последних и в водиле 21 с возможностью вращения установлены валики 22. С венцом 17 сопряжена шестерня 23, кинематически связанная с приводом, например с электродвигателем или центробежным тормозом.

После старта ракеты и прохождения ею плотных слоев атмосферы сбрасывается носовой обтекатель, под которым находится аппарат с собранным парусом. По достижении ракетной системой заданной области космического пространства сбрасываются створки корсета, и освободившийся парус развертывается под действием центробежной силы в радиальном направлении (см. фиг.5). Одновременно оба пакета гофр паруса от бортового генератора или из внешней среды получают электростатический заряд, вызывающий расслоение пакета и расширение паруса в поперечном к гофрам направлении.

Более однозначным, управляемым и поддающимся оптимизации является процесс раскрытия паруса, снабженного синхронизатором (см. фиг. 6 и 7). В этом варианте пакеты гофр паруса воздействуют на валики 22, приводят зубчатый венец 17, водило 21 и шестерню 23 во вращение, регулируемое связанным с шестерней приводом. Развертывание паруса с синхронизатором происходит с оптимальной скоростью, оба пакета гофр расходятся в диаметрально противоположном направлении. В завершающей фазе раскрытия парус принимает форму веера, после чего центральный блок с корпусом 1 отделяется в осевом направлении посредством механизма разделения 15, при этом водило 21 сходит с концов валиков 22, последние действием центробежной силы поворачиваются в положение 24 и создают возможность расширения паруса до его полного раскрытия.

Управление парусом по крену (скорость вращения) осуществляется подобно управлению космическим аппаратом по а.с. 1547229 В 64 G 1/40, 1988 г. При вращении паруса и элеронов 7,8, заряженных однозначно с парусом, последние силами электростатического отталкивания отклоняются от паруса, одновременно на элероны вследствие вращения паруса и соединения элеронов с парусом под углом α к радиусу действует центробежная сила, прижимающая электроны к парусу. В результате противоположного действия электростатических и центробежных сил элероны 7,8 в каждой фазе отклоняются на равные углы, но в противоположных (правом и левом) направлениях, создаваемые ими моменты вращения взаимно уравновешены. Подачей напряжения противоположного знака на один из элеронов в каждой паре можно соединить элерон с парусом, при этом второй элерон каждой пары создает крутящий момент и придает парусу требуемую скорость вращения.

Управление аппаратом по углам тантажа и рысканья осуществляется изменением парусности путем включения бортовых лебедок и наматывания тяг 6, при этом угловые участки паруса перемещаются к центру, конфигурация паруса изменяется согласно фиг.1, центр тяжести перемещается на величину L₂, центр давления - на величину L₁, разность L₁-L₂=L₃ определяет плечо силы и управляющий момент. Команды на включение лебедок формируются бортовым компьютером в соответствии с программой полета и информацией, поступающей из системы измерения ориентации. \\2 Гофрированные поверхности являются концентраторами солнечного излучения, поэтому при опасности перегрева материала паруса развертывание последнего рекомендуется осуществлять или в плоскости эклиптики (ребром к направлению солнечных лучей), или в тени Земли.

Многие частные проблемы, например, технология укладки паруса и его свертывание, могут быть рассмотрены позже в рабочем порядке.

Оценка реализуемости проекта может быть выполнена с учетом приведенных ниже основных технических характеристик конкретного варианта исполнения.

1. Габариты паруса - квадрат 400х400 м 2. Площадь паруса - 160000 м² 3. Материал паруса - - полиамидная пленка с толщиной 2 мкм, с алюминиевым покрытием 0,1 мкм, масса 1 м² 2,53 г.

4. Масса паруса - 405 кг 5. Масса центрального блока - 200 кг 6. Масса КЛАСП - 605 кг 7. Габариты центрального блока - ⊘ 400х2500 мм 8. Габариты КЛАСП со свернутым парусом - ⊘ 700х2500 мм 9. Сила тяги паруса - 1,36 н 10. Макс. ускорение КЛАСП - 2,25 мм/с² 11. Скорость вращения развернутого КЛАСП из условия отклонения периферии паруса на 5^o от плоскости - = 0,00798 рад/с (1 оборот за 13 мин)
12. Момент инерции паруса - = 10800000 кГм²
13. Сила тяги зарифованного паруса - 1,02 н (100 г)
14. Управляющий момент силы тяги - 33,96 н.м.

15. Момент инерции КЛАСП с зарифованным парусом - = 7963191 кг•м²
16. Угловая скорость КЛАСП с зарифованным парусом - = 0,010836 рад/с
17. Макс. угловая скорость прецессии КЛАСП как мера маневренности и управляемости - = 0,000394 рад/с (1 оборот за 4,43 ч)
Источники информации
1. Авт. свид. СССР 1547229 МКИ B 64 G 1/40, 1988 г.

Формула изобретения

1. Космический аппарат, содержащий пленочный солнечный парус, управляющий отсек с источником напряжения, коммутатором и лебедками, связанными тягами с парусом, элероны на периферии паруса, соединенные через коммутатор с источником напряжения, отличающийся тем, что парус выполнен в виде многоугольника с завернутыми внешними углами, а указанные тяги лебедок связаны с указанными внешними углами паруса.

2. Космический аппарат по п.1, отличающийся тем, что парус выполнен в форме квадрата.

3. Космический аппарат по п.1, отличающийся тем, что парус в транспортном положении сложен в пакет гофр с линиями сгиба, параллельными внешней кромке паруса, и намотан на цилиндрический корпус космического аппарата.

4. Космический аппарат по пп.1 и 3, отличающийся тем, что он снабжен синхронизирующим устройством, содержащим зубчатый венец с приводом вращения и кронштейнами, установленный посредством подшипников вращения на основании, механизм разделения, скрепленный с основанием и корпусом космического аппарата, водило, размещенное на данном корпусе с возможностью вращения, сопряженные с пакетом гофр аксиальные валики, концы которых установлены с возможностью вращения в водиле и проушинах, шарнирно соединенных с указанным зубчатым венцом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7