Устройство для доставки полезного груза в массив грунта небесного тела (варианты)

Предлагаемое изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при разработке космических аппаратов, предназначенных для проведения комплексных исследований грунта небесных тел, а также для доставки полезного груза в массивы Марса, Луны, астероидов и других планет и небесных тел Солнечной системы. Устройство для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел (варианты) содержит полый силовой корпус, выполненный с головной и цилиндрической хвостовой частями, в котором последовательно размещены балласт со средней плотностью, превышающей плотность силового корпуса, и полезный груз. Длина цилиндрической хвостовой части составляет 8-15 ее диаметров, центр масс установлен на расстоянии 0,4-0,5 длины силового корпуса, начиная с вершины головной части. По первому варианту головная часть, начиная с вершины, выполнена в виде первого усеченного конуса или просто конуса, следующего за ним цилиндра и прилегающего большим основанием к цилиндрической хвостовой части другого усеченного конуса. По второму варианту в головной части выполнены отверстия, сообщающиеся с полостью силового корпуса, в которой расположены балласт и полезный груз, а балласт или часть балласта выполнены из материалов, способных под действием инерционных сил выдавливаться из полости через эти отверстия во внешнюю среду. Достигается большая глубина проникновения, уменьшение зоны, контактируемой со средой, обеспечение прямолинейности и предсказуемости траектории движения в среде и уменьшение коэффициента трения с контактируемой средой. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при разработке космических аппаратов, предназначенных для проведения комплексных исследований грунта небесных тел, а также для доставки полезного груза в массивы Марса, Луны, астероидов и других планет и небесных тел Солнечной системы.

Известные зарубежные и отечественные устройства, предназначенные для исследования поверхности небесных тел, например, «Пенетратор для исследования поверхности небесных тел» (патент РФ №2111900, кл. B64G 1/00, опубл. 27.05.98), содержат разделяемые носовой, внедряемый в грунт, и хвостовой, остающийся на поверхности, элементы с размещенными в них отсеками экспериментальной и служебной аппаратуры, соединенными кабельной связью. Особенности внедряемого в грунт элемента этих устройств не позволяют достичь глубин проникания в грунт, больших, чем 2-3 м, что не позволяет получить достоверную информацию о характеристиках грунта на больших глубинах и затрудняет дальнейшее исследование Солнечной системы.

Известные зарубежные и отечественные глубоко проникающие в грунт устройства предназначены, в основном, для поражения и разрушения различных объектов. К ним можно отнести малогабаритные кассетные боеприпасы для проникания до глубин 10 м, управляемые авиационные бомбы GBU-24 (США), BG-L-1000 (Франция), AGM-130A (США), с массой 100... 1200 кг с прониканием в грунт до 15...20 м. (Н.Л.Волконский. «Энциклопедия современного оружия и боевой техники», т.1, СПб.: Издательство Полигон, ACT, 1997 г. - стр.334, 336, 337.)

Авиабомба GBU-28 (США) («Проблемы создания корректируемых и управляемых авиационных бомб», под. ред. Е.С.Шахиджанова, М.: НИЦ «Инженер», 2003 г. - стр.127, 218. «Средства воздушного нападения зарубежных стран: программы развития высокоточного оружия», под ред. Б.Ф. Чельцова, С. В. Ягольникова, М.: 2 ЦНИИ МО РФ - стр.271) массой более 2000 кг может достигать глубин до 30 м. Как правило, для этих конструкций характерна криволинейность и непредсказуемость траектории, особенно в малопрочных грунтовых массивах.

Многие из них содержат проникающий корпус с оживальной или конусной головной частью, которые внутри полости в качестве полезного груза имеют плотные или жидкостные наполнители, вес которых составляет не более 30 процентов от общего веса устройства. Корпус таких устройств изготовлен из конструкционных сталей, плотность которых не превышает 7,8 г/см³.

Для обеспечения достижения определенных глубин проникания в ряде устройств применяют металлические балласты, использование которых приводит к приросту глубины проникания на 10...20%.

В известных конструкциях проникающих устройств (пенетраторов) определяющую роль для достижения больших глубин проникания в различные грунтовые и прочные массивы играют динамические характеристики и состояние среды на границе контакта с устройством. Это обусловлено тем, что при высоких скоростях проникания определяющую роль играют нормальные и касательные напряжения на поверхности головной части и остальной контактируемой со средой в процессе проникания поверхности устройства при формировании силового воздействия на него при движении в преграде.

На формирование сил сопротивления среды значительное влияние оказывает размер поперечного сечения и форма головной части устройства, которые определяют не только основную силу сопротивления прониканию, но и область и угол отрыва среды от поверхности головной части при формировании размера кавитационной полости.

Наиболее близким к заявленному является монолитный проникающий снаряд, содержащий полый силовой корпус, выполненный с головной и цилиндрической хвостовой частями, в полости которого последовательно размещены балласт, средняя плотность которого превышает плотность материала силового корпуса, и полезный груз (патент США №6186072, кл. F42B 30/00, опубл. 13.02.01).

Существенными недостатками этой конструкции являются:

1) большие значения давления от сопротивления среды на значительной контактирующей поверхности, которые полностью реализуются возле зоны контактируемой головной части со средой в момент ее погружения и последующего движения, что в значительной степени повышает силу лобового сопротивления и действие больших осевых и боковых перегрузок на конструкцию устройства и его комплектующие элементы;

2) присутствие трения в процессе проникания, что в свою очередь повышает сопротивляемость среды в зоне контакта с устройством и вносит значительную долю в уменьшение глубины проникания и прирост перегрузки;

3) характер криволинейности и непредсказуемости траектории, особенно в малопрочных грунтовых массивах, что приводит устройство к неустойчивому движению и развороту, а значит, и к уменьшению глубины проникания и возможным пластическим деформациям при встрече с грунтовыми преградами при больших скоростях встречи и углах атаки в процессе инерционно расширяющейся кавитационной полости.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение глубины проникания, уменьшение зоны, контактирующей со средой, создание условий для инерционного расширения среды при формировании угла отрыва на малой поверхности головной части, обеспечение прямолинейности и предсказуемости траектории движения в среде и уменьшение коэффициента трения с контактирующей средой.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел, содержащем полый силовой корпус, выполненный с головной и цилиндрической хвостовой частями, в полости которого последовательно размещены балласт со средней плотностью, превышающей плотность силового корпуса, и полезный груз, в соответствии с предлагаемым изобретением по варианту I головная часть выполнена в виде первого усеченного конуса или просто конуса, следующего за ним цилиндра и прилегающего большим основанием к цилиндрической хвостовой части другого усеченного конуса, при этом длина цилиндрической хвостовой части выполнена составляющей 8-15 ее диаметров, а центр масс установлен на расстоянии 0,4...0,5 длины силового корпуса, начиная с вершины головной части.

Также угол наклона образующей другого усеченного конуса составляет 7-12°, диаметр цилиндра составляет 0,2-0,5 диаметра цилиндрической хвостовой части корпуса, длина цилиндра составляет 0,1-2,0 его диаметра, а угол раствора конуса или первого усеченного конуса составляет 90-120°.

Также на корпус нанесено антифрикционное покрытие.

Указанный технический результат предлагаемого изобретения по варианту 2 достигается тем, что в устройстве для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел, содержащем полый силовой корпус, выполненный с головной и цилиндрической хвостовой частями, в полости которого последовательно размещены балласт со средней плотностью, превышающей плотность силового корпуса, и полезный груз, длина цилиндрической хвостовой части выполнена составляющей 8-15 ее диаметров, центр масс установлен на расстоянии 0,4... 0,5 длины силового корпуса, начиная с вершины головной части, в головной части выполнены отверстия, сообщающиеся с полостью силового корпуса, в которой расположены упомянутые балласт и полезный груз, при этом балласт или часть балласта выполнены из материалов, способных под действием инерционных сил выдавливаться из полости через эти отверстия во внешнюю среду.

Также на корпус нанесено антифрикционное покрытие.

На фиг.1 представлено устройство для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел по варианту 1. На фиг.2 - устройство для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел по варианту 2, на фиг.3 - выносной элемент А на фиг.2.

Устройство для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел по варианту 1 содержит полый силовой корпус 1 (например, из высокопрочной стали), включающий в себя цилиндрическую хвостовую часть 2 и головную часть 3, выполненную в виде другого усеченного конуса 4, цилиндра 5 и первого усеченного конуса или просто конуса 6. Большее основание другого усеченного конуса 4 прилегает к цилиндрической хвостовой части 2 корпуса. При этом другой усеченный конус 4 может быть заменен частью оживала, а вершина конуса 6 может быть затуплена или конус 6 может быть замен первым усеченным конусом. В силовом корпусе 1 выполнена полость, в которой размещены балласт 7 (например, из свинца или сплава вольфрама, никеля и железа) и полезный груз 8. Средняя плотность балласта 7 превышает плотность силового корпуса 1 устройства (например, плотность полностью свинцового балласта составляет 11.3 г/см³, а плотность балласта, полностью состоящего из сплава вольфрама, никеля и железа - 16,8 г/см³, что больше плотности стального корпуса, равной 7,8 г/см³). Длина цилиндрической хвостовой части 2 составляет 8-15 ее диаметров. Центр масс установлен на расстоянии 0,4-0,5 длины устройства от вершины головной части.

Устройство для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел по варианту 1 используется следующим образом. При заданных условиях полета отделяют устройство от носителя. При проникании происходит отрыв грунта от боковой поверхности конуса и формирование кавитационной полости. Устройство продолжает движение в инерционно расширяющемся массиве грунта по предсказуемой прямолинейной траектории, которая обеспечивается выполнением длины цилиндрической части 2 корпуса 1, равной 8-15 его диаметров, и установлением центра масс на расстоянии 0,4-0,5 длины силового корпуса, считая от вершины головной части. Локализация зоны высокого давления на корпусе 1, а также локализация отрыва среды проникания происходит, в частности, при выполнении угла наклона образующей другого усеченного конуса 4 головной части 3 равным 7-12°, диаметра цилиндра 5 равным 0,2-0,5 диаметра цилиндрической хвостовой части 2 корпуса 1, длины цилиндра 5 равной 0,1-2,0 его диаметра и угла раствора конуса 6 или первого усеченного конуса 90-120°.

На поверхность корпуса 1 может быть нанесено антифрикционное покрытие толщиной 0,01...3 мм, например, фторопластовое или на основе хрома, для снижения коэффициента трения, вызванного контактом поверхности корпуса 1 с инерционно расширяющейся средой проникания.

Устройство для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел по варианту 2 содержит полый силовой корпус 1 (например, из высокопрочной стали), включающий в себя цилиндрическую хвостовую часть 2 и головную часть 3. В полости силового корпуса 1 размещены балласт 7 и полезный груз 8. На головной части 3 корпуса 1 выполнены отверстия 10, сообщающиеся с полостью корпуса. Весь балласт 7 или его часть 9 выполнены из материалов, способных под действием инерционных сил выдавливаться из полости через отверстия 10 во внешнюю среду (например, балласт может быть целиком выполнен из ртути или на четыре объемных части из сплава вольфрама, никеля и железа, а на одну объемную часть из смазки Криогель). Средняя плотность балласта превышает среднюю плотность корпуса 1 устройства (например, плотность полностью ртутного балласта составляет 13,5 г/см³, а плотность балласта, состоящего на четыре объемных части из сплава вольфрама, никеля и железа и на одну объемную часть из смазки Криогель - 12,8 г/см³, что больше плотности полностью стального корпуса, равной 7,8 г/см³). Длина цилиндрической хвостовой части 2 составляет 8-15 ее диаметров. Центр масс установлен на расстоянии 0,4-0,5 длины силового корпуса, считая от вершины головной части.

Устройство для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел по варианту 2 используется следующим образом. При заданных условиях полета отделяют устройство от носителя. При встрече с грунтовым массивом на этапе погружения головной части и дальнейшем торможении устройства в грунте возникают перегрузки, под действием которых балласт 7 (или часть балласта 9) выдавливается из полости через отверстия 10 на границу контакта поверхности корпуса 1 устройства с грунтом, тем самым снижая коэффициент трения.

Устройство продолжает движение в инерционно расширяющемся массиве грунта по предсказуемой прямолинейной траектории, которая обеспечивается выполнением длины цилиндрической части 2 корпуса 1 равной 8-15 его диаметров и установлением центра масс на расстоянии 0,4-0,5 длины силового корпуса, считая от вершины головной части.

На поверхность корпуса 1 может быть нанесено антифрикционное покрытие толщиной 0,01...3 мм, например фторопластовое или на основе хрома, для дополнительного снижения коэффициента трения, вызванного контактом поверхности корпуса 1 с инерционно расширяющейся средой проникания.

Благодаря такому выполнению устройства для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел достигается упомянутый технический результат, а именно увеличение глубины проникания, уменьшение зоны, контактирующей со средой, создание условий для инерционного расширения среды при формировании угла отрыва на малой поверхности головной части, обеспечение прямолинейности и предсказуемости траектории движения в среде и уменьшение коэффициента трения с контактирующей средой.

В таблице представлены результаты расчетов, подтверждающие преимущества предлагаемых изобретений по сравнению с прототипом. Расчеты проводились по экспериментально-теоретической методике МГТУ им. Н.Э.Баумана (см.: Велданов В.А. и др. Программа расчета на ПЭВМ параметров процесса взаимодействия ударника с преградой // Численные методы решения задач теории упругости и пластичности. Материалы XII Всесоюзной конференции. Новосибирск, 1992 г.).

Изобретение может быть практически реализовано несколько по-другому, чем конкретно описано, без отступления от сущности изобретения и в объеме заявленной формулы.

Таблица
Результаты расчета
Вариант	Преграда	Масса проникателя, кг	Диаметр проникателя, м	Скорость входа в преграду, м/с	Угол атаки	Коэфф. трения	Глубина проникания, м
1	Грунт	560	0,196	700	±2°	0,2	65
2	Грунт	540	0,196	700	±2°	0,075	100
Прототип	Грунт	544	0,254	1060	±2°	0,2	46

1. Устройство для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел, содержащее полый силовой корпус, выполненный с головной и цилиндрической хвостовой частями, в котором последовательно размещены балласт со средней плотностью, превышающей плотность силового корпуса, и полезный груз, отличающееся тем, что головная часть, начиная с вершины, выполнена в виде первого усеченного конуса или просто конуса, следующего за ним цилиндра и прилегающего большим основанием к цилиндрической хвостовой части другого усеченного конуса, при этом длина цилиндрической хвостовой части составляет 8-15 ее диаметров, а центр масс установлен на расстоянии 0,4-0,5 длины силового корпуса, начиная с вершины головной части.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что угол наклона образующей другого усеченного конуса составляет 7-12°, диаметр цилиндра составляет 0,2-0,5 диаметра цилиндрической хвостовой части корпуса, длина цилиндра составляет 0,1-2,0 его диаметра, а угол раствора конуса или первого усеченного конуса составляет 90-120°.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на корпус нанесено антифрикционное покрытие.

4. Устройство для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел, содержащее полый силовой корпус, выполненный с головной и цилиндрической хвостовой частями, в котором последовательно размещены балласт со средней плотностью, превышающей плотность силового корпуса, и полезный груз, отличающееся тем, что длина цилиндрической хвостовой части составляет 8-15 ее диаметров, центр масс установлен на расстоянии 0,4-0,5 длины силового корпуса, начиная от вершины головной части, в головной части выполнены отверстия, сообщающиеся с полостью силового корпуса, в которой расположены упомянутые балласт и полезный груз, при этом балласт или часть балласта выполнен из материалов, способных под действием инерционных сил выдавливаться из полости через эти отверстия во внешнюю среду.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что на корпус нанесено антифрикционное покрытие.