RU225946U1

RU225946U1 - Laser beacon for positioning spacecraft on the surface and orbit of the Moon

Info

Publication number: RU225946U1
Application number: RU2023135911U
Authority: RU
Inventors: Андрей Олегович Дмитриев; Валентин Константинович Сысоев; Павел Владимирович Казмерчук; Людмила Витальевна Вернигора; Евгений Владимирович Леун; Юрий Вячеславович Панин
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина"
Filing date: 2023-12-28
Publication date: 2024-05-14

Abstract

Предлагаемая полезная модель относится к долгоживущим навигационным и сигнальным устройствам, используемым для позиционирования космических аппаратов (КА) на поверхности и орбите Луны. Лазерный маяк для позиционирования космических аппаратов на поверхности и орбите небесных тел, содержащий разделяемые носовую и хвостовую части, соединенные кабельной связью. Хвостовая часть, остающаяся на поверхности планеты, включает корпус, выполненный в виде усеченного конуса, обращенного меньшим основанием к поверхности планеты, фокусирующую линзу с полупрозрачным зеркалом и приемную антенну. Носовая часть включает корпус, выполненный в виде цилиндра с заостренным концом, внедряемым в глубину грунта, приемное радиоэлектронное устройство и последовательно подключенные термоэлектрический генератор, блок суперконденсаторов и излучающий модуль, выполненный в виде волоконного лазера с диодами накачки. Лазерное излучение от излучающего модуля к полупрозрачному зеркалу передается через световод, а термоэлектрический генератор связан с корпусом хвостовой части посредством гибкой тепловой трубы. При этом носовая и хвостовая части снабжены защитной энергопоглощающей структурой. Таким образом, предложенное выполнение лазерного маяка с использованием лазерных диодов, излучение которых выводится с помощью световода, и источником питания в виде ТЭГ с применением гибкой тепловой трубы, дает возможность увеличить срок активного существования маяка и использовать маяк как для позиционирования КА на орбите и поверхности Луны, так и для навигации лунных миссий, и для проведения высокоточных угломерных измерений. 2 з.п. ф-лы.

The proposed utility model relates to long-lived navigation and signaling devices used for positioning spacecraft (SV) on the surface and orbit of the Moon. A laser beacon for positioning spacecraft on the surface and orbit of celestial bodies, containing separable nose and tail parts connected by cable communication. The tail part, which remains on the surface of the planet, includes a body made in the form of a truncated cone, with its smaller base facing the surface of the planet, a focusing lens with a translucent mirror, and a receiving antenna. The nose part includes a body made in the form of a cylinder with a pointed end embedded deep into the soil, a receiving radio-electronic device and a serially connected thermoelectric generator, a block of supercapacitors and an emitting module made in the form of a fiber laser with pump diodes. Laser radiation from the emitting module to the translucent mirror is transmitted through a light guide, and the thermoelectric generator is connected to the tail body via a flexible heat pipe. At the same time, the nose and tail parts are equipped with a protective energy-absorbing structure. Thus, the proposed implementation of a laser beacon using laser diodes, the radiation of which is output using a light guide, and a power source in the form of a TEG using a flexible heat pipe, makes it possible to increase the active life of the beacon and use the beacon for positioning a spacecraft in orbit and the surface of the Moon , and for navigation of lunar missions, and for carrying out high-precision angular measurements. 2 salary f-ly.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к долгоживущим навигационным и сигнальным устройствам, используемым для позиционирования космических аппаратов (КА) на поверхности и орбите Луны. При этом решение задач позиционирования КА с помощью долгоживущих сигнальных устройств, находящихся на поверхности небесного тела, особенно актуально при развертывании комплексных исследований с использованием мобильных КА, например, луноходов, пилотируемых и орбитальных КА. Сигнальные устройства с оптическими и лазерными источниками излучений могут быть объединены в единую систему, которая, в том числе, может быть использована для проведения многократных измерений с борта орбитального КА углов между направлениями на светоизлучающие маяки и на звезды с помощью оптико-электронных приборов, что позволяет определить положения маяков на поверхности Луны.The proposed utility model relates to long-lived navigation and signaling devices used for positioning spacecraft (SV) on the surface and orbit of the Moon. At the same time, solving problems of spacecraft positioning using long-lived signaling devices located on the surface of a celestial body is especially important when deploying complex research using mobile spacecraft, for example, lunar rovers, manned and orbital spacecraft. Signaling devices with optical and laser radiation sources can be combined into a single system, which, among other things, can be used to carry out multiple measurements from on board an orbital spacecraft of angles between directions to light-emitting beacons and stars using optical-electronic devices, which allows determine the positions of beacons on the surface of the Moon.

Указанные устройства с оптическими и лазерными источниками излучений могут найти широкое применение в космических системах навигации, геодезии и др., использующих высокоточные угломерные измерения для позиционирования космических аппаратов.These devices with optical and laser radiation sources can find wide application in space navigation systems, geodesy, etc., using high-precision angular measurements for positioning spacecraft.

Известно автономное сигнальное устройство (патент RU 110857 U1, приоритет от 16.06.2011), содержащее цилиндрический корпус с закрепленной на его торце крышкой, выполненной в виде линзы, источник питания и соединенный с ним, установленный внутри корпуса полупроводниковый источник света и блок управления последним. Источник питания представляет собой солнечные батареи, размещенные по периметру внешней поверхности корпуса, при этом корпус выполнен из термостабильного материала и теплоизолирован изнутри, причем внутри корпуса в центре его торцевой поверхности, противоположной линзе, смонтирован отсек, в котором расположен блок управления полупроводниковым источником света. Источник света смонтирован в центре верхней поверхности отсека и направлен в сторону линзы, а устройство снабжено смонтированными внутри корпуса, последовательно над полупроводниковым источником света диафрагмой и по меньшей мере еще одной линзой, образующей с линзой крышки объектив.An autonomous signaling device is known (patent RU 110857 U1, priority dated June 16, 2011), containing a cylindrical housing with a lens-shaped cover attached to its end, a power source and a semiconductor light source connected to it, installed inside the housing, and a control unit for the latter. The power source consists of solar panels placed along the perimeter of the outer surface of the housing, while the housing is made of a heat-stable material and is thermally insulated from the inside, and inside the housing, in the center of its end surface opposite the lens, there is a compartment in which the control unit for the semiconductor light source is located. The light source is mounted in the center of the upper surface of the compartment and directed towards the lens, and the device is equipped with a diaphragm and at least one more lens mounted inside the housing, sequentially above the semiconductor light source, forming a lens with the cover lens.

Предлагаемое устройство теоретически может быть использовано в качестве лазерного маяка для позиционирования КА на поверхности и орбите Луны, однако оно не способно решить проблемы с обеспечением необходимой ориентации устройства на поверхности Луны в процессе его посадки и гарантированного уровня энергообеспечения в течение длительного времени только за счет солнечных батарей, т.к. при посадке на Луну возможно оседание лунной пыли на поверхность солнечных батарей, что сразу уменьшит их эффективность, снижение энергопотребления на поддержание теплового режима маяка при большом градиенте температур и др.The proposed device can theoretically be used as a laser beacon for positioning spacecraft on the surface and orbit of the Moon, however, it is not able to solve the problems of ensuring the necessary orientation of the device on the surface of the Moon during its landing and a guaranteed level of energy supply for a long time only due to solar panels , because When landing on the Moon, lunar dust may settle on the surface of solar panels, which will immediately reduce their efficiency, reduce energy consumption to maintain the thermal regime of the lighthouse at a large temperature gradient, etc.

Известен пенетратор для исследования поверхности небесных тел (патент RU 2111900, приоритет от 10.01.1991), содержащий разделяемые носовой, внедряемый в грунт, и хвостовой, остающийся на поверхности, элементы с размещенными в них приборными отсеками с экспериментальной и служебной аппаратурой, соединенными между собой кабельной связью, и средство торможения хвостового элемента, выполненное в виде полости между разделяемыми элементами пенетратора, сообщенной с емкостью с газом под давлением. Хвостовой элемент включает в себя цилиндрическую часть для размещения приборного отсека и аэродинамическую поверхность, выполненную в виде усеченного конуса. Цилиндрическая часть хвостового элемента выполнена в виде обечайки, жестко связанной с меньшим основанием усеченного конуса. Приборный отсек и носовой элемент пенетратора размещены в обечайке хвостового элемента с возможностью осевого перемещения с образованием между ними полости. Пенетратор снабжен поршнем, размещенным в указанной полости и взаимодействующим с головным элементом, причем полость сообщена с емкостью с газом посредством канала, выполненного в стенке обечайки, а обечайка снабжена ограничителями хода приборного отсека и поршня.A known penetrator for studying the surface of celestial bodies (patent RU 2111900, priority dated January 10, 1991), containing separable bow, embedded in the ground, and tail, remaining on the surface, elements with instrument compartments placed in them with experimental and service equipment, interconnected cable connection, and a means of braking the tail element, made in the form of a cavity between the separated elements of the penetrator, connected with a container with gas under pressure. The tail element includes a cylindrical part for housing the instrument compartment and an aerodynamic surface made in the form of a truncated cone. The cylindrical part of the tail element is made in the form of a shell, rigidly connected to the smaller base of the truncated cone. The instrument compartment and the nose element of the penetrator are placed in the shell of the tail element with the possibility of axial movement with the formation of a cavity between them. The penetrator is equipped with a piston placed in said cavity and interacting with the head element, wherein the cavity communicates with the gas container through a channel made in the wall of the shell, and the shell is equipped with travel limiters for the instrument compartment and the piston.

Данное устройство способно решить задачу по обеспечению необходимой ориентации хвостовой части пенетратора на поверхности Луны, однако оно не имеет оборудования, позволяющего использовать пенетратор в качестве репера для навигации, а также имеет функциональные ограничения из-за необходимости использования в приборных отсеках традиционные невозобновляемые источники электропитания с малым сроком службы (обычно не более 3-5 лет). Кроме того, на снижение запасов электроэнергии влияют дополнительные энергозатраты на поддержание необходимого теплового режима в приборных отсеках.This device is capable of solving the problem of ensuring the necessary orientation of the tail part of the penetrator on the lunar surface, however, it does not have equipment that allows using the penetrator as a reference for navigation, and also has functional limitations due to the need to use traditional non-renewable power sources with low energy consumption in the instrument compartments. service life (usually no more than 3-5 years). In addition, the reduction in energy reserves is affected by additional energy costs to maintain the required thermal conditions in the instrument compartments.

Наиболее близким аналогом к заявленному способу, выбранным в качестве прототипа, является автономная навигационная станция-пенетратор (Toldbo С., Kiss A., Törjék N., Vázquez С.А.Т., Bényei D.L., Therkelsen M. Deployment Method and Optimal Placement of Surface Beacon Navigation System for Co-located Lunar Landings // Acta Astronautica 193 (2022) pp. 432-443, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0094576522000030?via%3Dihub), состоящую из разделяющихся носовой и хвостовой частей, соединенных теплопередающим и электрическим кабелями. Носовая часть содержит термоэлектрический генератор (ТЭГ), а в хвостовой части размещены радиопередатчик и антенна. Теплопередающий кабель выполнен из меди.The closest analogue to the claimed method, chosen as a prototype, is an autonomous navigation station-penetrator (Toldbo S., Kiss A., Törjék N., Vázquez S.A.T., Bényei D.L., Therkelsen M. Deployment Method and Optimal Placement of Surface Beacon Navigation System for Co-located Lunar Landings // Acta Astronautica 193 (2022) pp. 432-443, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0094576522000030?via%3Dihub), consisting of separable bow and tail sections connected by heat transfer and electrical cables. The nose contains a thermoelectric generator (TEG), and the tail contains a radio transmitter and antenna. The heat transfer cable is made of copper.

При ударной посадке на поверхность Луны навигационной станции-пенетратора, ее носовая и хвостовая части разделяются и носовая, содержащая термоэлектрический генератор, продолжает двигаться в лунный грунт на глубину около 1 метра. Хвостовая часть после отделения остается на поверхности, обеспечивая возможность навигации с помощью антенны в режиме радиобуя. Теплопередающий кабель, выполненный из медной проволоки длиной 1 м и диаметром 1 см, имеет теплопроводность k=401 Вт/м⋅К. Выработка электроэнергии осуществляется двухэтапно в зависимости от почасового суточного местного времени как для режима «день», так и режима «ночь», а максимальная генерируемая мощность составляет примерно 0,37 Вт.When a penetrator navigation station lands on the lunar surface, its bow and tail parts are separated and the bow, containing a thermoelectric generator, continues to move into the lunar soil to a depth of about 1 meter. The tail section remains on the surface after separation, providing the ability to navigate using an antenna in beacon mode. A heat transfer cable made of copper wire 1 m long and 1 cm in diameter has a thermal conductivity k=401 W/m⋅K. Electricity generation is carried out in two stages depending on hourly local time for both day and night modes, and the maximum generated power is approximately 0.37 W.

Предложенное техническое решение позволяет решить задачу по обеспечению станции постоянным источником электроэнергии, не требующим возобновления, что продлевает срок активного существования станции на длительное время (20 и более лет). Вместе с тем, использование термоэлектрического генератора имеет и свои ограничения, т.к. имея практически не иссекаемый источник энергии, указанные генераторы имеют крайне низкий КПД, как правило, не более 6%, что ограничивает мощность используемой приемно-передающей аппаратуры. При этом использование радиоаппаратуры в режиме передачи, а также монолитной проволоки для теплопередачи от носовой к хвостовой части увеличивает энергетические затраты.The proposed technical solution allows us to solve the problem of providing the station with a constant source of electricity that does not require renewal, which extends the active life of the station for a long time (20 years or more). At the same time, the use of a thermoelectric generator also has its limitations, because Having a practically inexhaustible source of energy, these generators have extremely low efficiency, as a rule, no more than 6%, which limits the power of the transmitting and receiving equipment used. At the same time, the use of radio equipment in transmission mode, as well as monolithic wire for heat transfer from the bow to the tail, increases energy costs.

Технической проблемой, решаемой предлагаемой полезной моделью, является увеличение срока активного существования маяка.The technical problem solved by the proposed utility model is to increase the active life of the beacon.

Указанная техническая проблема решается за счет того, что в отличие от известных космических долгоживущих навигационным и сигнальным устройствам в заявленном устройстве обеспечивается снижение нагрузки на систему электроснабжения КА и повышения КПД системы электроснабжения посредством использования лазерного источника излучения, выполненного в виде волоконного лазера с диодами накачки, в качестве ориентира для средств позиционирования КА, термоэлектрического генератора в качестве источника электроэнергии и тепловой трубы для передачи тепловой энергии от термоэлектрического генератора в носовую часть маяка, а также использования радиоаппаратуры только в режиме приема управляющих команд.This technical problem is solved due to the fact that, unlike known long-lived space navigation and signaling devices, the claimed device reduces the load on the spacecraft power supply system and increases the efficiency of the power supply system by using a laser radiation source made in the form of a fiber laser with pump diodes, in as a guide for spacecraft positioning means, a thermoelectric generator as a source of electricity and a heat pipe for transferring thermal energy from the thermoelectric generator to the bow of the lighthouse, as well as the use of radio equipment only in the mode of receiving control commands.

При этом использование в качестве ориентира для средств позиционирования КА лазерного источника излучения вместо радиомаяков позволяет отказаться от радиопередающих устройств для передачи навигационных сигналов и снизить энергозатраты на обеспечение работы маяка, а использование термоэлектрического генератора в качестве источника электроэнергии и тепловой трубы для передачи тепловой энергии от термоэлектрического генератора в носовую часть маяка позволяет с максимальным эффектом использовать энергию относительно маломощного источника, но обладающего неограниченным энергоресурсом.At the same time, the use of a laser radiation source instead of radio beacons as a guide for spacecraft positioning means allows one to abandon radio transmitting devices for transmitting navigation signals and reduce energy costs for ensuring the operation of the beacon, and the use of a thermoelectric generator as a source of electricity and a heat pipe for transferring thermal energy from the thermoelectric generator in the bow of the lighthouse allows you to use the energy of a relatively low-power source, but with unlimited energy resources, with maximum effect.

Кроме того, выполнение защитной энергопоглощающей структуры в виде сотовой тонкостенной конструкции, заполненной алюминиевой пеной, размещенной в корпусе носовой части пенетратора между его заостренным концом и приемным радиоэлектронным устройством, а в корпусе хвостовой части во всем свободном пространстве, позволяет снизить ударные перегрузки, действующие на хвостовую и носовую части маяка до допустимых значений.In addition, the implementation of a protective energy-absorbing structure in the form of a honeycomb thin-walled structure filled with aluminum foam, placed in the body of the nose part of the penetrator between its pointed end and the receiving radio-electronic device, and in the body of the tail section in the entire free space, makes it possible to reduce shock overloads acting on the tail and the bow of the lighthouse to acceptable values.

Кроме того, выполнение излучающего модуля в виде волоконного лазера с диодами накачки, содержащего последовательно установленные по ходу оптического тракта лазерные диоды накачки, сумматор накачки, а также расположенные в световоде первую и вторую брегговские решетки, при этом входы диодов накачки соединены с выходом блока суперконденсаторов, а выход второй брегговской решетки связан через световод и фокусирующую линзу с полупрозрачным зеркалом, позволяет обеспечить надежное функционирование оптического тракта маяка в течение длительного времени и снижение энергозатрат.In addition, the emitting module is made in the form of a fiber laser with pump diodes, containing pump laser diodes installed in series along the optical path, a pump adder, as well as first and second Bragg gratings located in the light guide, while the inputs of the pump diodes are connected to the output of the supercapacitor unit, and the output of the second Bragg grating is connected through a light guide and a focusing lens with a translucent mirror, which ensures reliable operation of the optical path of the beacon for a long time and reduces energy costs.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, гдеThe essence of the utility model is illustrated by drawings, where

фиг. 1 - Общий вид лазерного маяка;fig. 1 - General view of the laser beacon;

фиг. 2 - Схема оптического тракта лазерного маяка.fig. 2 - Diagram of the optical path of the laser beacon.

Лазерный маяк для позиционирования космических аппаратов на поверхности и орбите Луны состоит из разделяемых носовой и хвостовой частей, соединенных кабельной связью. Корпус носовой части 1, выполненный в виде цилиндра с заостренным концом, внедряется в лунный грунт и содержит термоэлектрический генератор (ТЭГ) 2, блок суперконденсаторов 3, излучающий модуль с лазерными диодами 4 (V. Faybishenko / Laser diode assemblies // Patent of United States, Pub. No.: US 2009/0245315 A1, Pub/ Date: Oct. 1, 2009), приемное радиоэлектронное устройство 5 и защитную энергопоглощающую структуру 6.A laser beacon for positioning spacecraft on the surface and orbit of the Moon consists of separable nose and tail parts connected by cable communication. The body of the nose 1, made in the form of a cylinder with a pointed end, is embedded in the lunar soil and contains a thermoelectric generator (TEG) 2, a block of supercapacitors 3, an emitting module with laser diodes 4 (V. Faybishenko / Laser diode assemblies // Patent of United States , Pub. No.: US 2009/0245315 A1, Pub/ Date: Oct. 1, 2009), receiving electronic device 5 and protective energy-absorbing structure 6.

Хвостовая часть маяка, остающаяся на поверхности планеты, включает корпус 7, выполненный в виде усеченного конуса, обращенного при посадке меньшим основанием к поверхности планеты, фокусирующую линзу 17 с полупрозрачным зеркалом 8 для вывода излучения и приемную антенну 9. В качестве излучателя оптического сигнала предполагается использовать излучающий модуль 4, выполненный в виде волоконного лазера с диодами накачки 13, работающими в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазонах. Излучение волоконного лазера с диодами накачки 13 передается через световод 10 и фокусирующую линзу 17 к полупрозрачному зеркалу 8, а термоэлектрический генератор соединен с хвостовой части посредством гибкой тепловой трубы 11.The tail part of the beacon, remaining on the surface of the planet, includes a body 7, made in the form of a truncated cone, with its smaller base facing the surface of the planet during landing, a focusing lens 17 with a translucent mirror 8 for outputting radiation, and a receiving antenna 9. It is intended to use emitting module 4, made in the form of a fiber laser with pump diodes 13 operating in the infrared or ultraviolet ranges. The radiation of a fiber laser with pump diodes 13 is transmitted through a light guide 10 and a focusing lens 17 to a translucent mirror 8, and a thermoelectric generator is connected to the tail section via a flexible heat pipe 11.

Излучающий модуль 4 содержит последовательно установленные по ходу оптического тракта лазерные диоды накачки 13, сумматор накачки 14, а также расположенные в активном световоде 16 первую и вторую брегговские решетки 15, при этом входы диодов накачки 13 соединены с выходом блока суперконденсаторов 3, а выход второй брегговской решетки 15 связан через световод 10 и фокусирующую линзу 17 с полупрозрачным зеркалом 8.The emitting module 4 contains pump laser diodes 13, a pump adder 14, installed in series along the optical path, as well as the first and second Bragg gratings 15 located in the active light guide 16, while the inputs of the pump diodes 13 are connected to the output of the supercapacitor block 3, and the output of the second Bragg grating grating 15 is connected through a light guide 10 and a focusing lens 17 with a translucent mirror 8.

Для защиты от перегрузок носовая и хвостовая части маяка снабжены защитной энергопоглощающей структурой 6, которая может быть выполнена в виде сотовой тонкостенной конструкции, состоящей из резины и полиуретана, и заполненной алюминиевой пеной, обеспечивая гашение вибраций и ударных нагрузок (Haitao Luo, Yuxin Li, Guangming Liu, Changshuai Yu and Shipeng Chen Buffering Performance of High-Speed Impact Space Penetrator with Foam-Filled Thin-Walled Structure // Shock and Vibration, Volume 2019, 15 pages, https://doi.org/10.1155/2019/7981837). При этом защитная энергопоглощающая структура размещена в носовой части пенетратора между ее заостренным концом и приемным радиоэлектронным устройством, а в хвостовой части во всем свободном пространстве.To protect against overloads, the bow and tail parts of the lighthouse are equipped with a protective energy-absorbing structure 6, which can be made in the form of a honeycomb thin-walled structure consisting of rubber and polyurethane, and filled with aluminum foam, providing vibration and shock absorption (Haitao Luo, Yuxin Li, Guangming Liu, Changshuai Yu and Shipeng Chen Buffering Performance of High-Speed Impact Space Penetrator with Foam-Filled Thin-Walled Structure // Shock and Vibration, Volume 2019, 15 pages, https://doi.org/10.1155/2019/7981837) . In this case, the protective energy-absorbing structure is located in the bow part of the penetrator between its pointed end and the receiving radio-electronic device, and in the tail part throughout the entire free space.

При посадке маяка на поверхность небесного тела, например, Луны носовая и хвостовая части разделяются и носовая, содержащая термоэлектрический генератор, продолжает двигаться в лунный грунт на глубину около 1 метр и более. Хвостовая часть после отделения остается на поверхности, обеспечивая возможность использования лазерного маяка в качестве репера для навигации.When a beacon lands on the surface of a celestial body, for example, the Moon, the bow and tail parts are separated and the bow, containing a thermoelectric generator, continues to move into the lunar soil to a depth of about 1 meter or more. The tail section remains on the surface after separation, making it possible to use the laser beacon as a reference point for navigation.

Разница температур между заглубленной частью пенетратора на глубине более 1 метра, где всегда -35°С и частью остающейся на поверхности Луны под воздействием температуры от -173°С до +127°С в зависимости от времени лунных суток и точки местности, приводит в действие ТЭГ, который непрерывно преобразует тепловую энергию в электрическую с использованием эффекта Зеебека, и накапливает ее с помощью суперконденсаторов, которые одновременно имеют высокую мощность и высокую энергоемкость. Главными преимуществами ТЭГов являются компактность и надежность, поскольку в них отсутствуют движущиеся части. Однако главный их недостаток - чрезвычайно низкий КПД в районе 6% из-за чего требуется большой температурный градиент. Генерируемая мощность от ТЭГ зависит от размеров модулей, коэффициента полезного действия, средней температуры и разницы температур между холодной и горячей пластинами. Применение в ТЭГ тепловой трубы обеспечивает быструю передачу тепловой энергии с минимальными потерями.The temperature difference between the buried part of the penetrator at a depth of more than 1 meter, where it is always -35°C, and the part remaining on the surface of the Moon under the influence of temperatures from -173°C to +127°C, depending on the time of the lunar day and the point of the terrain, triggers TEG, which continuously converts thermal energy into electrical energy using the Seebeck effect, and stores it using supercapacitors, which are both high power and high energy intensity. The main advantages of TEGs are compactness and reliability, since they have no moving parts. However, their main drawback is the extremely low efficiency of around 6%, which requires a large temperature gradient. The generated power from the TEG depends on the module size, efficiency, average temperature and temperature difference between the cold and hot plates. The use of a heat pipe in TEG ensures rapid transfer of thermal energy with minimal losses.

При этом размещение излучающего модуля в носовой части маяка обеспечивает защиту источников лазерного излучения от сильных перепадов температур на поверхности Луны. Маяк может активироваться как по заложенной программе, что позволит наблюдать устройство с помощью наземных оптических телескопов, так и по радиосигналу, когда орбитальный аппарат попадает в зону видимости радиоантенны.At the same time, placing the emitting module in the bow of the beacon ensures protection of laser radiation sources from strong temperature changes on the lunar surface. The beacon can be activated both by a preset program, which will allow the device to be observed using ground-based optical telescopes, and by a radio signal when the orbiter comes within the visibility range of the radio antenna.

Связь приемной радиоантенны и приемника на глубине осуществляется по электрическому кабель-тросу 12 с металлической основой, целью которого также будет принятие нагрузок на разрыв после контакта носовой части маяка с поверхностью. Радиоантенна может представлять собой, приемную малонаправленную антенну, более упрошенный вариант антенн, планируемых на миссиях «Луна-25» и «Фобос-Грунт». Подобные антенны активно использовались в советское время при освоении Луны, в частности на луноходах. Малонаправленные антенны имеют широкий допустимый температурный диапазон работы и функционируют в открытом космосе.The connection between the receiving radio antenna and the receiver at depth is carried out via an electric cable rope 12 with a metal base, the purpose of which will also be to accept tensile loads after contact of the bow of the lighthouse with the surface. The radio antenna can be a receiving, low-directional antenna, a more simplified version of the antennas planned for the Luna-25 and Phobos-Grunt missions. Such antennas were actively used in Soviet times during the exploration of the Moon, in particular on lunar rovers. Low-directional antennas have a wide permissible operating temperature range and operate in outer space.

Отсутствие необходимости выполнять научные измерения на поверхности Луны позволяет разместить всю аппаратуру на глубине 1 м в носовой части пенетратора. Вся электроника будет находиться в постоянной температуре окружающей среды -35°С. Размещение излучающего модуля и радиоприемника с блоком электроники в носовой части позволит сэкономить массу и энергетику аппарата на обеспечение теплоизоляция хвостовой части, находящейся на поверхности. Это является важным преимуществом, так как затраты на системы СОТР крайне существенны, особенно с учетом того, что ТЭГ вырабатывает очень ограниченное количество энергии. Ударная нагрузка при схеме сброса с 3 км высоты (схема захода на сброс с такой высоты, отрабатывалась в работах на АО НПО «Лавочкина») составит 300gWithout the need to carry out scientific measurements on the lunar surface, all equipment can be placed at a depth of 1 m in the bow of the penetrator. All electronics will be kept at a constant ambient temperature of -35°C. Placing the emitting module and radio receiver with an electronics unit in the bow will save the weight and energy of the device to ensure thermal insulation of the tail section located on the surface. This is an important advantage, since the costs of SOTP systems are extremely significant, especially considering that the TEG produces a very limited amount of energy. The impact load during the drop pattern from a height of 3 km (the drop approach pattern from such a height was tested in work at JSC NPO Lavochkina) will be 300g

, ,

где h - высота сброса пенетратора (3 км),where h is the height of the penetrator discharge (3 km),

t - время полета пенетратора до поверхности Луны,t is the flight time of the penetrator to the surface of the Moon,

g_л - ускорение свободного падения на Луне (1,6 м/с²),g _l - acceleration of free fall on the Moon (1.6 m/s ² ),

v - максимальная скорость, которую разовьет пенетратор при падении с высоты сброса,v is the maximum speed that the penetrator will develop when falling from the drop height,

S - расстояние, на которое проникает нос пенетратора.S is the distance that the nose of the penetrator penetrates.

Рассчитанные значения перегрузок для головной и хвостовой частей не являются критичными для современного уровня устройств ударостойкого исполнения. Так, например, одни из самых слабых к перегрузкам современные элементы солнечных батарей уже выдерживают перегрузку до 500g.The calculated overload values for the head and tail parts are not critical for the current level of impact-resistant devices. For example, modern solar battery cells are among the weakest to overloads and can already withstand overloads of up to 500g.

Экспериментально подтверждено, что потери на тепловой трубе при ее использовании обычно не превышают 3% и ими можно пренебречь. Таким образом, на ТЭГ действует разность температур, зависящая от времени лунных суток:It has been experimentally confirmed that losses on a heat pipe during its use usually do not exceed 3% and can be neglected. Thus, the TEG is affected by a temperature difference depending on the time of the lunar day:

ΔТ_день=ΔТ_пов-ΔТ_грунт=127-(-35)=162°СΔТ _day =ΔТ _surface -ΔТ _soil =127-(-35)=162°С

ΔТ_ночь=-173-(-35)=-138°СΔT _night =-173-(-35)=-138°C

Эффективность ТЭГ, определяемая выходной мощностью, во многом зависит от т.н. ее «средней точки» (рабочей точки), которая условно определяется температурой полудиапазона: Т_рт≈ΔТ/2. С учетом этого «средняя точка» (рабочая точка) для разных времен лунных суток будет соответствовать следующим значениямThe efficiency of TEG, determined by output power, largely depends on the so-called. its “midpoint” (operating point), which is conventionally determined by the temperature of the half-range: T _RT ≈ΔT/2. Taking this into account, the “midpoint” (working point) for different times of the lunar day will correspond to the following values

Для этих данных использование в составе станции-пенетратора со «средней точкой» 81-69°С ТЭГ совместно с тепловыми трубами на основе капилляра из нержавеющей стали с внешним диаметром 12 мм (с толщиной стенки 1 мм) и длиной до ≈1 м, позволит получать выходную мощность порядка 0,3-0,5 Вт.For these data, the use of TEG as part of a penetrator station with a “midpoint” of 81-69°C together with heat pipes based on a stainless steel capillary with an outer diameter of 12 mm (with a wall thickness of 1 mm) and a length of up to ≈1 m will allow obtain an output power of the order of 0.3-0.5 W.

Для разных временных промежутков (лунная ночь и день) необходимы разные теплоносители:For different time periods (lunar night and day) different coolants are needed:

фреон-13 для лунной ночи, рекомендуемый температурный диапазон от -150°С до -10°С, максимальная теплопередающая способность 27 Вт⋅м);freon-13 for a moonlit night, recommended temperature range from -150°С to -10°С, maximum heat transfer capacity 27 W⋅m);

этанол для лунного дня (рекомендуемый температурный диапазон от -30°С до 190°С, максимальная теплопередающая способность 45 Вт⋅м).ethanol for lunar day (recommended temperature range from -30°C to 190°C, maximum heat transfer capacity 45 W⋅m).

Характер светового сигнала маяка по продолжительности и частоте вспышек обеспечивается кодирующим устройством блока электроники, что позволит обеспечить уверенную идентификацию искусственного происхождения как наземными телескопами, так и бортовой телекамерой орбитального аппарата. Местоположение светосигнального маяка при этом будет зафиксировано с точностью, соответствующей пространственному разрешению приемной оптической аппаратуры.The nature of the light signal of the beacon in terms of duration and frequency of flashes is provided by the encoding device of the electronics unit, which will ensure confident identification of artificial origin both by ground-based telescopes and the on-board television camera of the orbiter. The location of the light-signal beacon will be recorded with an accuracy corresponding to the spatial resolution of the receiving optical equipment.

Таким образом, предложенное выполнение лазерного маяка с использованием лазерных диодов, излучение которых выводится с помощью световода, и источником питания в виде ТЭГ с применением гибкой тепловой трубы, дает возможность увеличить срок активного существования маяка и использовать маяк как для позиционирования КА на орбите и поверхности Луны, так и для навигации лунных миссий, и для проведения высокоточных угломерных измерений.Thus, the proposed implementation of a laser beacon using laser diodes, the radiation of which is output using a light guide, and a power source in the form of a TEG using a flexible heat pipe, makes it possible to increase the active life of the beacon and use the beacon for positioning a spacecraft in orbit and the surface of the Moon , and for navigation of lunar missions, and for carrying out high-precision angular measurements.

Claims

1. Laser beacon for positioning spacecraft on the surface and orbit of celestial bodies, containing separable nose and tail parts, connected by cable connection, in which the tail part, remaining on the surface of the planet, includes a body made in the form of a truncated cone, with its smaller base facing the surface planet, a focusing lens with a translucent mirror and a receiving antenna, and the nose part includes a housing made in the form of a cylinder with a pointed end embedded deep into the soil, a receiving radio-electronic device and a serially connected thermoelectric generator, a block of supercapacitors and a radiating module made in the form of a fiber laser with pump diodes, wherein laser radiation from the emitting module to the translucent mirror is transmitted through a light guide, and the thermoelectric generator is connected to the body of the tail section via a flexible heat pipe, while the nose and tail sections are equipped with a protective energy-absorbing structure.

2. Laser beacon according to claim 1, characterized in that the protective energy-absorbing structure is made in the form of a honeycomb thin-walled structure filled with aluminum foam, located in the bow part of the penetrator between its pointed end and the receiving radio-electronic device, and in the tail part throughout the entire free space.

3. The laser beacon according to claim 1, characterized in that the emitting module contains pump laser diodes installed in series along the optical path, a pump adder, as well as first and second Bragg gratings located in the light guide, while the inputs of the pump diodes are connected to the output of the supercapacitor unit , and the output of the second Bragg grating is connected through a light guide and a focusing lens with a translucent mirror.