CS254402B1 - Způsob navození podmínek mikrogavitacé a zařízení k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Abstract

Řešení je určeno pro návozem podmínek mikrogravitace v blízkosti povrchu země. Podstata spočívá v automatické regulaci rychlosti nosného prostředku mikropočítačem, kdy na základě vyhotovených údajů z programové paměti, akcelerometru a snímače tlaku v nádrži pohonných hmot jsou předávány impulsy přes zesilovač k elektroventilům spojeným s nádrží pohodných hmot a motory nebo jsou impulsy určeny k zapálení raketových motorů. Řešení lze využít pro vědecké a experimentální účely s využitím raketové techniky

Description

Vynález se týká způsobu navození podmínek mikrogravitace pohybem v blízkosti země a zařízení k provádění tohoto způsobu.

Určité vědecké experimenty se dají provádět pouze v beztížném stavu. Dosažení téměř beztížného stavu v blízkosti země v prodlouženém intervalu je značně obtížné. Volně vržené těleso se v homogenním gravitačním poli a neodporujícím prostředí pohybuje po parabolické dráze, přičemž se nachází v dynamickém stavu beztíže. Jedná se o případ idealizovaný, protože gravitační pole sférického tělesa je sbíhavé a jeho intenzity ubývá se čtvercem vzdálenosti. V případě pohybu atmosférou, jejíž hustoty ubývá přibližně exponenciálně s výškou, přistupuje navíc vliv odporujícího prostředí. Parabolická dráha za ideálních podmínek je plně určena vektorem počáteční rychlosti. Působení poruchových vlivů, které nelze nikdy zcela vyloučit, způsobuje, že nikdy nenastává situace, aby tíhové zrychlení, měřené v soustavě pohybujícího se tělesa, bylo rovno přesně nule. Technické přiblížení ideálnímu stavu je označováno jako mikrogravitace, které se dosahuje tak, že nosný prostředek se pohybuje po balistické dráze, přičemž se mohou silovým působením kompenzovat rušivé vlivy. Dosud známé prostředky, kterými lze podmínky mikrogravitace pro experimentální využití navodil, jsou rychlozdviže, letouny, rakety nebo umělá kosmická tělesa. Tyto prostředky se vyznačují buď krátkou dobou trvání mikrogravitace, nebo značnou výškou dráhy. Trvalé navození mikrogravitace lze docílit výhradně na umělém kosmickém tělese. Přechodným typem mezi prostředky pozemskými a kosmickými je výšková raketa, která se pohybuje pasivně po balistické dráze ve velkých výškách. Každý způsob a prostředek jc charakterizován čtyřmi základními parametry. Jsou to doba trvání mikrogravitace v sekundách, kvalita mikrogravitace udávaná obvykle ve zlomcích normálního tíhového zrychlení g , výše nákladů v přepočtu na jeden experiment a velikost prostoru ohroženého pohybem použitého prostředku. Nevýhodou všech známých prostředků jsou vysoké náklady. K tomu přistupuje, mimo kosmických těles, krátká doba trvání řádu desítek sekund a nízká kvalita mikrogravitace řádu 10'¹ gQ, daná vlivem lidského činitele. Nevýhodou použití výškové rakety, kde je běžně dosahováno časů stovek sekund a kvalita lepší než 10~⁴ g je velký ohrožený prostor, daný potřebným dostupem, převyšujícím 100 km. Z praktického hlediska pak už není zásadní rozdíl mezi výškovou raketou a kosmickými prostředky. z

Uvedené nevýhody v podstatě odstraňuje způsob navození podmínek mikrogravitace a zařízení: k provádění tohoto způsobu podle tohoto vynálezu, jehož podstata· spočívá v tom, že automatická regulace, řízená mikropočítačem na základě údajů v pevné programové paměti, akcelerometru jako snímače regulované veličiny a snímače tlaku v nádrži pohonných hmot při dosažení potřebné počáteční rychlosti, odpovídající zadané době trvání mikrogravitace, vycházející ze vztahu vyšle impuls otevírající elektroventily, z nichž se přivádí pohonná směs do motorů, případně se přivede impuls k zapálení raketových motorů, přičemž reaktivním tahem těchto motorů se eliminují ztrátové složky rychlosti, způsobené odporem prostředí, náhodných rušivých vlivů způsobených rozptylem technických parametrů nosného prostředku a odchylkami stavu atmosféry, čímž se dociluje lineárního průběhu rychlosti nosného prostředku, při níž dochází k prodloužené mikrogravitaci. Automatická regulace obsahuje paměť, která je připojena na vstup k mikropočítači, k jehož vstupu je současně napojen akcelerometr jako snímač regulované veličiny a snímač, pohonných hmot, umístěný v nádrži pohonných hmot, přičemž výstupy mikropočítače jsou napojeny na vstupy zesilovače. Výstupy zesilovače jsou spojeny se vstupy ventilů, které jsou jednak spojeny s nádrží pohonných hmot a jednak s motory. Výstupy zesilovače jsou připojeny na vstupy raketových motorů.

Výhodou navrhovaného způsobu podle vynálezu je to, že umožňuje start po vertikále a zvyšováním počáteční rychlosti lze dobu letu libovolně prodlužovat, přičemž doba trvání mikrogravitace může dosáhnout až několikanásobku hodnot běžných u pozemských prostředků, a to s přijatelnými nároky na střelecký prostor. Nosný prostředek podle vynálezu může podle potřeby být dostatečně malý, jednoduchý, levný a v provozu trvale k dispozici.

Způsob a zařízení k navození mikrogravitace je blíže objasněn na přiložených zobrazeních, kde na obr. 1 je uveden teoretický vztah mezi rychlostí, výškou a dobou letu, na obr. 2 je průběh rychlosti v(t) a zrychlení a(t), na obr. 3 je uveden teoretický průběh tahu · P(t) letového motoru a obr. 4 představuje blokové schéma zařízení automatické regulace tahu letového motoru.

Způsob ' navození podmínek mikrogravitace spočívá v tom, že během pohybu po balistické dráze je reaktivním tahem automaticky ovládána rychlost, přičemž požadovaného lineárního průběhu rychlosti se dosahuje kompenzací ztrátové složky rychlosti, způsobené odporem prostředí a eliminací náhodných rušivých vlivů, způsobených rozptylem technických parametrů nosného prostředku a odchylkami stavu atmosféry. Změna,rychlosti v(t) probíhá pak podle přímky dané rovnicí v = v - gt, kde v. je daná počáteční rychlost vrhu a g normální gravitační zrychlení. Po celou dobu, kdy se změna rychlosti řídí tímto lineárním zákonem, panují v experimentálním bloku (resp. v souřadné soustavě pohybujícího sfc tělesa) podmínky mikrogravitace s odchylkami od nulové hodnoty nepřevyšujícími zadané meze ± Z\ a jak je ukázáno v detailu na obr. 2. Potřebný teoretický průběh tahu P(t) letového motoru je ukázán na obr. 3, a to pro polovinu celkové doby trvání mikrogravitace T. Průběh tahu je symetrický podle osy symetrie procházející bodem T/2, kde je tah nulový. Srafované sloupce označené I a II v grafu představují možnost pokrytí podstatné části požadovaného celkového impulsu činností svazku mikromotorů s TPH (tuhou pohonnou hmotou). Potřebné počáteční rychlosti v , odpovídající zadané době trvání mikrogravitace podle tabulky na obr. 1, je možno dosáhnout buď raketovým motorem (který je částí nosného prostředku), nebo pozemním zařízením, a to buď působením tlaku plynů nebo elektromagneticky. V tabulce na obr. 1 j.e dále ještě uvedena celková výška vrhu Y v metrech, která je dále vyznačena šrafovanou plochou trojúhelníka v diagramu v -1 na obr. 2.

Zařízení k provádění způsobu je tvořené nosným prostředkem v podobě kompaktního aerodynamického tělesa tvaru střely se stabilizačními plochami a návratovým zařízením, obsahující vlastní experimentální blok a letový motor s automatickou regulací tahu podle blokového schématu na obr. 4. Letový motor s automatickou regulací se skládá z pevné programové paměti ROM, akcelcrometru A jako snímače regulované veličiny a snímače tlaku S v nádrži PH (pohonných hmot) spojených svými výstupy s palubním mikropočítačem MP, jehož výstupy jsou prostřednictvím zesilovače ZES spojeny s elektroventily EV jednotlivých komor RM letového motoru. Při použití energeticky bohatších a cenově výhodnějších mikromotorů RM TPH pro pokrytí větší části potřebného celkového impulsu je pak mikropočítač MP svými výstupy prostřednictvím zesilovače ZES připojen k zažehovačům mikromotorů RM TPH. Pohonnou hmotou letového motoru pak může být např. stlačený plyn. Přesná regulace tahu (musí představovat pouze rozdíl mezi tahem skupiny mikromotorů a celkovým požadovaným tahem) je v tomto případě technicky nejméně náročná.

Způsob a zařízení podle vynálezu je určeno k navození podmínek mikrogravitace pohybem v blízkósti povrchu země, zejména pro experimentální využití.

Claims (3)

1. Způsob navození podmínek mikrogravitace v blízkostí povrchu země raketovým nosným prostředkem s ovládáním rychlosti pomocí automatické regulace, vyznačený tím, že automatická regulace, řízená mikropočítačem na základě údajů v pevné programové paměti, akcelerometru jako snímače regulované veličiny a snímače tlaku v nádrži pohonných hmot při dosažení potřebné počáteční rychlosti odpovídající zadané době trvání

254 402 mikrogravitace, vycházející ze vztahu T přes zesilovač vyšle impuls otevírající elektroventily, z nichž se přivádí pohonná směs do motorů případně se přivede impuls k zapálení raketových motorů, přičemž reaktivním tahem těchto motorů se eliminují ztrátové složky rychlosti, způsobené odporem prostředí, náhodných rušivých vlivů způsobených rozptylem technických parametrů nosného prostředku a odchylkami stavu atmosféry, čímž se dociluje lineárního průběhu rychlosti nosného prostředku, při níž dochází k prodloužené mikrogravitaci.

2. Zařízení k provádění způsobu podle bodu 1, sestávající z nosného prostředku v podobě rakety, obsahující nosný motor, stabilizační plochy, experimentální blok, letový motor s ovládáním rychlosti pomocí automatické regulace, vyznačené tím, že automatická regulace obsahuje pevnou programovou paměť (ROM), která je připojena na vstup k mikropočítači (MP) k jehož vstupu je současně napojen akcelerometr ’ (A) jako snímač regulované veličiny a snímač (S) pohonných hmot (PH), umístěný v nádrži pohonných hmot, přičemž výstupy mikropočítače (MP) jsou napojeny na vstupy zesilovače (ZES), dále výstupy zesilovače (ZES) jsou spojeny se vstupy elektroventilů (EV), které jsou jednak spojeny s nádrží pohonných hmot (PH), jednak s motory (RM).

3. Zařízení podle bodu 2, vyznačené tím, že výstupy zesilovače (ZES) jsou připojeny na vstupy rake lových motorů (RM TPH).

3 výkresy

254 402

T [8] Y [m] _χ v_y Em s J 1 1,25 4,9 5 50,7 24,5 ' 10 122,6 49,v 15 275,9 75,6 20 490,5 98,1. 50 1105,6 147,2 40 1962 196,2 50 5065 245,5 60 4415 294,5 100 12262 490,- 120 17658 588,6 180 59750 882,9

Obr. 1