DE4422617C1 - Landing-shock-damping system for spacecraft - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dämpfung des Landestoßes eines Raumflugkörpers, insbesondere einer bemannten oder unbemannten Kapsel, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a method for damping the landing impact Spacecraft, in particular a manned or unmanned capsule, according to the preamble of claim 1.
Für eine sicheren schonende Landung von in der Regel an Fallschirmen zu Boden sinkenden Raumflugkörpern sind prinzipiell vier verschiedene Mög lichkeiten bekannt:For a safe, gentle landing, usually on parachutes Basically sinking spacecraft are four different possibilities known:
- - Gedämpfte Landebeine- Steamed landing legs
- - Retrorockets- Retrorockets
- - Crash-Strukturen- crash structures
- - Airbags.- airbags.
Es sind auch Kombinationen möglich und teilweise bereits verwirklicht. So zum Beispiel Retrorockets mit Landebeinen oder Retrorockets mit Crash-Strukturen.Combinations are also possible and some have already been implemented. For example, retrorockets with landing legs or retrorockets with Crash structures.
Unter dem Begriff "Retrorockets" sind Landetriebwerke zu verstehen, wel che kurzzeitig einen der Schwerkraft entgegenwirkenden Schub erzeugen und dadurch den betreffenden Raumflugkörper unmittelbar vor der Bodenbe rührung abbremsen.Land engines are to be understood under the term "retrorockets" briefly produce a thrust that counteracts gravity and thereby the spacecraft in question immediately in front of the floor slow down the movement.
Sowohl Landebeine als auch Retrorockets mit zugehörigem Treibstoffsystem sind technisch aufwendig, weisen einen nicht unerheblichen Platzbedarf auf und erhöhen spürbar die Masse des Raumflugkörpers.Both landing legs and retrorockets with associated fuel system are technically complex and require a considerable amount of space and noticeably increase the mass of the spacecraft.
Crash-Strukturen sind verformbare Strukturen, welche meist zwischen dem Hitzeschild und der Kabine/Nutzlast angeordnet sind. Diese nehmen die kinetische Energie des Raumflugkörpers beim Landen durch plastische Ver formung auf. Wegen des geringen, zur Verfügung stehenden Einbauvolumens zwischen Hitzeschild und Kabine oder Nutzlast ist die realisierbare Dicke dieser Crash-Strukturen relativ gering, so daß der Dämpfungshub für ein sanftes Abbremsen bei der Landung meist nicht ausreicht. Deshalb müssen in der Regel noch zusätzliche Maßnahmen zur Landestoßdämpfung, wie z. B. Retrorockets, ergriffen werden.Crash structures are deformable structures, which usually lie between the Heat shield and the cabin / payload are arranged. These take the kinetic energy of the spacecraft when landing through plastic ver formation on. Because of the small available installation volume The realizable thickness is between the heat shield and the cabin or payload of these crash structures relatively small, so that the damping stroke for a gentle braking on landing is usually not sufficient. Therefore have to usually additional measures for landing shock absorption, such as. B. Retrorockets.
Aus der DE-AS 11 87 497 ist eine Vorrichtung zur Dämpfung des Landesto ßes von an Fallschirmen abgeworfenen Lasten bekannt, welche nach dem Re trorocket-Prinzip Gas aus Düsen ausströmen läßt. Allerdings handelt es sich hier nicht um Verbrennungsabgas, sondern um "kaltes", gespeichertes Druckgas. Letzteres wird aus mehreren Düsen zwischen einer Plattform und dem Erdboden ausgeblasen, so daß kurzfristig ein dämpfendes Gaskissen entstehen soll. Es wird bezweifelt, ob der gewünschte Gaskisseneffekt tatsächlich auftritt.DE-AS 11 87 497 describes a device for damping the landing gear known from loads dropped on parachutes, which according to Re trorocket principle allows gas to flow out of nozzles. However, it does is not about combustion exhaust gas, but about "cold", stored Compressed gas. The latter is made up of several nozzles between a platform and blown out of the ground, so that a damping gas cushion for a short time should arise. It is doubted whether the desired gas cushion effect actually occurs.
Die Verwendung von Gaskissen mit textilen bzw. polymeren Hüllen, d. h. von Airbags, zur Landestoßdämpfung ist beispielsweise aus der DE-OS 41 18 300 und der US-PS 2 887 055 bekannt. Airbag-Systeme sind relativ leicht, einfach und benötigen im inaktiven Zustand wenig Platz. Aller dings ist es eher schwierig, sie an variierende Landebedingungen (Sink geschwindigkeit, Seitendrift etc.) anzupassen. Bei hohen Landegeschwin digkeiten besteht die Gefahr des Platzens zumindest einzelner Kammern bzw. die Gefahr des Zurückprallens infolge elastischer Energiespeiche rung bei ungenügender Dämpfung. Airbag-Systeme sind im allgemeinen wenig geeignet zur Aufnahme von Seitenkräften, d. h. von Scherbelastungen. Die Folgen können sein, daß ein mit Seitendrift landender Raumflugkörper um kippt oder sich überschlägt. Ein weiterer, gravierender Nachteil von Airbag-Systemen ist der, daß in Relation zu Crash-Strukturen die Ener gieaufnahmefähigkeit infolge des Abblasens bei gleichem Hub um ca. 50% geringer ist.The use of gas cushions with textile or polymeric covers, d. H. of airbags, for landing shock absorption is for example from the DE-OS 41 18 300 and the US-PS 2 887 055 known. Airbag systems are relative light, simple and require little space when inactive. Everything However, it is rather difficult to adapt them to varying landing conditions (sink speed, side drift etc.). At high landing speeds There is a risk of at least individual chambers bursting or the risk of rebounding due to elastic energy storage tion with insufficient damping. Airbag systems are generally few suitable for absorbing lateral forces, d. H. of shear loads. The Consequences may be that a spacecraft landing with side drift around tilts or overturns. Another serious disadvantage of Airbag systems is that in relation to crash structures the Ener absorption capacity as a result of blowing off at the same stroke by approx. 50% is less.
Gegenüber diesen bekannten Lösungen mit ihren Nachteilen besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Dämpfung des Landestoßes eines Raumflugkörpers anzugeben, welches die Vorteile von Airbag-Syste men, wie geringes Einbauvolumen und Gewicht, aufweist aber deren Nach teile vermeidet, das heißt zur Absorption von vertikalen und horizonta len Aufprallkomponenten geeignet ist und bei optimaler Dämpfung zu maxi maler Energieaufnahme fähig ist ohne eine Gefahr des Zurückprallens oder Versagens (Platzen, Zerstörung etc.).Compared to these known solutions with their disadvantages The object of the invention is to provide a method for damping the landing impact of a spacecraft indicating the advantages of airbag systems such as low installation volume and weight, but has their aftermath avoids parts, that is, for the absorption of vertical and horizonta len impact components is suitable and with optimal damping to maxi is capable of absorbing energy without any risk of rebounding or Failure (bursting, destruction, etc.).
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen im Oberbegriff.This object is achieved by the characterizing part of claim 1 Features mentioned solved in connection with the generic Characteristics in the generic term.
Somit schlägt die Erfindung vor, als Ersatz für einen Airbag bzw. für andere Crash-Strukturen vor der Landung ein mechanisch belastbares Schaumkissen zu erzeugen, welches die kinetische Energie beim Landen im wesentlichen durch plastische Verformung aufnimmt.The invention thus proposes as a replacement for an airbag or for other crash structures a mechanically resilient before landing To generate foam pillows, which the kinetic energy when landing in the essentially absorbs through plastic deformation.
Die hierfür erforderlichen Komponenten (Schaumkartuschen, Abzugsvorrich tungen etc.) sind Stand der Technik, das heißt erprobt und problemlos erhältlich. Durch Anpassung/Optimierung der Parameter wie Kissenform, Kissenvolumen, Schaumdichte, Härte, Aushärtungsgrad etc. lassen sich die gewünschten Aufschlagsbedingungen erreichen. Aufgrund sehr geringer Aus härtezeiten (z. B. wenige Sekunden bei Zweikomponenten-Reaktionsharz schäumen) kann das Schaumkissen kurz vor der Landung erzeugt werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, mehrere separate Schaumkissen mit gleichen oder unterschiedlichen Eigenschaften zu erzeugen.The components required for this (foam cartridges, trigger device tings etc.) are state of the art, that means tried and tested and easy available. By adapting / optimizing the parameters such as pillow shape, Pillow volume, foam density, hardness, degree of curing etc. achieve the desired service conditions. Because of very little out curing times (e.g. a few seconds with two-component reactive resin foam) the foam cushion can be generated shortly before landing. Of course, it is also possible to have several separate foam pillows with the same or different properties.
Die Unteransprüche 2 bis 5 enthalten bevorzugte Ausgestaltungen des Ver fahrens nach Anspruch 1.The sub-claims 2 to 5 contain preferred embodiments of the Ver driving according to claim 1.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnung noch näher erläu tert. Dabei zeigen in vereinfachter Darstellung: The invention will be explained in more detail with reference to the drawing tert. A simplified representation shows:
Fig. 1 eine Kapsel mit Kabine und Hitzeschild vor Erzeugung eines dämp fenden Schaumkissens, Fig. 1 shows a capsule with cabin and heat shield before generating a dämp fenden foam pad,
Fig. 2 dieselbe Kapsel ohne Hitzeschild mit einem umhüllten, torusför migen Schaumkissen, Fig. 2 shows the same capsule without heat shield with an enveloped, torusför-shaped foam cushion,
Fig. 3 eine Kapsel mit Kabine und einem nach unten von der Kabine weg ausfahrbaren Hitzeschild vor Erzeugung eines Schaumkissens, Fig. 3 shows a capsule with cabin and a downward extendable away from the cabin heat shield before producing a foam pad,
Fig. 4 dieselbe Kapsel mit nach unten ausgefahrenem Hitzeschild und mit einem Schaumkissen zwischen Kabine und Hitzeschild. Fig. 4 the same capsule with the heat shield extended downwards and with a foam cushion between the cabin and the heat shield.
Die Kapsel 1 nach Fig. 1 trägt in ihrer Struktur 3 eine Kabine 5, in welcher eine Besatzung aus einer oder mehreren Personen untergebracht sein kann. Beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre wird die Kapsel 1 durch das Hitzeschild 7 thermisch geschützt, welches im Schnitt darge stellt ist. Zwischen der Kabine 5 und dem Hitzeschild 7 sind an der Kap selstruktur 3 befestigte Schaumkartuschen 11 erkennbar, welche zwei im inaktiven Zustand voneinander getrennte Komponenten eines Reaktionsharz schaumes enthalten.The capsule 1 according to Fig. 1 carries in its structure 3, a cab 5, in which a crew of one or more persons may be accommodated. When re-entering the earth's atmosphere, the capsule 1 is thermally protected by the heat shield 7 , which is shown in section Darge. Between the cabin 5 and the heat shield 7 are attached to the Kap sel structure 3 attached foam cartridges 11 can be seen , which contain two separate components of a reactive resin foam in the inactive state.
Die den gravitationsbedingten Fall der Kapsel 1 bremsenden Fall- oder Gleitschirme sind der Einfachheit halber nicht dargestellt.The parachutes or paragliders which brake the gravitational case of the capsule 1 are not shown for the sake of simplicity.
Fig. 2 zeigt den Zustand der Kapsel 1 kurz vor der Landung mit einsatz bereitem Schaumkissen 13. Um für dieses Platz zu schaffen, wurde das Hitzeschild 7 vorher abgeworfen (Vorgang nicht dargestellt). Damit der Schaum in definierter Form aushärtet, wurde er in eine Hülle in Form ei nes torusförmigen Sackes 10 eingebracht. Eine solche Hülle, beispiels weise aus Kunststoffgewebe, ist vorzugsweise gasdurchlässig aber schaum undurchlässig ausgeführt. Je nach Gestalt der Hülle lassen sich prak tisch beliebige Schaumkissenformen verwirklichen, wobei auch mehrere, getrennte Kissen kombinierbar sind. Fig. 2 shows the state of the capsule 1 just before landing with use bereitem foam pad 13. In order to create space for this, the heat shield 7 was previously thrown off (process not shown). So that the foam hardens in a defined form, it was introduced into a shell in the form of a toroidal sack 10 . Such a sheath, for example made of plastic fabric, is preferably gas-permeable but foam-impermeable. Depending on the shape of the cover, practically any foam pillow shape can be realized, whereby several, separate pillows can be combined.
Falls die exakte Kissenform keine so wichtige Rolle spielt, kann man den Schaum auch frei, ohne Hülle, quellen und aushärten lassen. Beim Auf schlag auf der Erdoberfläche - oder auch auf einer Wasserfläche - wird das Schaumkissen mehr oder weniger stark plastisch deformiert.If the exact pillow shape is not so important, you can do that Foam also free, without casing, swell and harden. When opening hit on the surface of the earth - or on a surface of water the foam cushion is deformed more or less plastically.
Es ist anzustreben, den elastischen Verformungsanteil möglichst klein zu halten, um Rückpralleffekte weitgehend zu unterbinden. In diesem Sinne kann eine Schaumstruktur günstig sein, welche absichtlich nicht voll ständig ausgehärtet ist.The aim should be to keep the elastic deformation component as small as possible hold to largely prevent rebound effects. In this sense a foam structure that is intentionally not full can be beneficial is constantly hardened.
Die Kapsel 2 nach Fig. 3 umfaßt ebenfalls eine Struktur 4, eine Kabine 6, ein Hitzeschild 8 sowie Schaumkartuschen 12 zwischen Kabine 6 und Hitzeschild 8. Die Besonderheit hier ist, daß der Abstand zwischen Kabi ne 6 und Hitzeschild 8 mittels einer über Pneumatikzylinder 9 betätigba re Lenkeranordnung deutlich vergrößert werden kann. Dieser Zustand mit großem Abstand ist in Fig. 4 wiedergegeben. Das Schaumkissen 14 füllt den Zwischenraum vollständig aus und wirkt so als stark dämpfende Crash-Struktur zwischen Hitzeschild 8 und Kabine 6. Das beim Wiederein tritt ohnehin zumindest oberflächlich beschädigte Hitzeschild 8 bekommt hier den ungedämpften, harten Landestoß ab.The capsule 2 according to FIG. 3 also comprises a structure 4 , a cabin 6 , a heat shield 8 and foam cartridges 12 between the cabin 6 and the heat shield 8 . The peculiarity here is that the distance between Kabi ne 6 and heat shield 8 can be significantly increased by means of a pneumatic actuator 9 actuated handlebar arrangement. This state with a large distance is shown in Fig. 4. The foam cushion 14 completely fills the intermediate space and thus acts as a strongly damping crash structure between the heat shield 8 and the cabin 6 . The heat shield 8 which at least superficially occurs when it is reinserted here receives the undamped, hard landing shock.
BezugszeichenlisteReference list
1 Kapsel
2
3 Kapselstruktur
4
5 Kabine
6
7 Hitzeschild
8
9 Pneumatikzylinder
10 Sack, torusförmig
11 Schaumkartusche
12
13 Schaumkissen
14. 1 capsule
2nd
3 capsule structure
4th
5 cabin
6
7 heat shield
8th
9 pneumatic cylinders
10 sacks, toroidal
11 foam cartridge
12th
13 foam pillows
14.
Claims (5)
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