RU2643073C1 - Method of descent of separating part of launch vehicle - Google Patents
Method of descent of separating part of launch vehicle Download PDFInfo
- Publication number
- RU2643073C1 RU2643073C1 RU2016107671A RU2016107671A RU2643073C1 RU 2643073 C1 RU2643073 C1 RU 2643073C1 RU 2016107671 A RU2016107671 A RU 2016107671A RU 2016107671 A RU2016107671 A RU 2016107671A RU 2643073 C1 RU2643073 C1 RU 2643073C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- spiral
- trajectory
- descent
- transition
- attack
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
- B64C15/00—Attitude, flight direction, or altitude control by jet reaction
- B64C15/14—Attitude, flight direction, or altitude control by jet reaction the jets being other than main propulsion jets
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G1/00—Cosmonautic vehicles
- B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
- B64G1/24—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control
- B64G1/26—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control using jets
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G1/00—Cosmonautic vehicles
- B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
- B64G1/62—Systems for re-entry into the earth's atmosphere; Retarding or landing devices
Landscapes
- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к ракетно-космической технике, в частности к ракетам-носителям (РН) на жидких компонентах ракетного топлива (KPT), а именно к отделяющимся частям (ОЧ) ступеней РН при их движении по траекториям спуска.The invention relates to rocket and space technology, in particular to launch vehicles (LV) on the liquid components of rocket fuel (KPT), and in particular to the separating parts (OH) of the stages of the launch vehicle during their movement along the descent paths.
Известно техническое решение по способу управления полетом ЛА на атмосферном участке траектории спуска по патенту RU №2495802 от 20.10.2013 г., где при отделении ОЧ на высоте более 70 км применяют воздушно-космическую парашютную систему из термостойких материалов и средства пассивной ориентации, стабилизации, торможения и тепловой защиты, на высоте ниже 10 км применяют парашютную систему и на высоте ниже 3 км применяют вертолетный подхват ОЧ.A technical solution is known for the method of controlling flight of an aircraft in the atmospheric section of the descent trajectory according to patent RU No. 2495802 dated 10.20.2013, where an aerospace parachute system made of heat-resistant materials and means of passive orientation, stabilization is used when separating the VHF at an altitude of more than 70 km, braking and thermal protection, at an altitude below 10 km a parachute system is used and at an altitude below 3 km a helicopter interceptor is used.
Однако использование этого технического решения связано с привлечением значительных средств, в том числе парашютных систем, вертолетного подхвата.However, the use of this technical solution is associated with the attraction of significant funds, including parachute systems, helicopter pickup.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является патент RU №2414391 от 20.03.2011 г. «Способ спуска отделяющейся части ступени РН и устройство для его осуществления», в котором спуск ОЧ ступени РН на жидких КРТ в заданный район падения основан на стабилизации ОЧ положением двигательной установкой вперед, ориентации и управляемом движении ОЧ, после отделения ОЧ маневр спуска в заданный район падения осуществляют за счет энергетики, заключенной в невыработанных остатках КРТ на основе их газификации и подачи в газовую ракетную двигательную установку (ГзРДУ), а управление движением центра масс и вокруг центра масс ОЧ осуществляют отклонениями камер ГзРДУ, установленных в одностепенные приводы.The closest in technical essence to the proposed solution is patent RU No. 2414391 dated 03/20/2011, “Method for lowering the separating part of the PH stage and a device for its implementation”, in which the lowering of the PH stage of the PH on liquid SRT to a predetermined area of incidence is based on stabilization of the PH the position of the propulsion system forward, the orientation and controlled movement of the PF, after separating the PF, the descent maneuver to the specified drop area is carried out due to the energy contained in the undeveloped SRT residues based on their gasification and supply to the gas crab hydrochloric propulsion system (GzRDU) and traffic control center of mass and center of mass around OCH carried deviations GzRDU cameras installed in single-stage actuators.
К недостаткам этого технического решения относится высокая скорость ОЧ в точке приземления, что при решении вопросов по разработке систем мягкой посадки приводит к необходимости значительных энергетических затрат на торможение ОЧ и, соответственно, к утяжелению конструкции системы мягкой посадки ОЧ (см., например, мягкая посадка первой ступени РН «Фалкон-9» http://www.spacex.com. патент RU №2309089 от 27.10.2007 г. «Способ возвращения на космодром многоразовой первой ступени»).The disadvantages of this technical solution include the high speed of the landing gear at the landing point, which when solving issues on the development of soft landing systems leads to the need for significant energy costs for braking the landing gear and, consequently, the weighting of the design of the soft landing system of the ocher (see, for example, soft landing the first stage of the Falcon-9 launch vehicle http://www.spacex.com. Patent RU No. 2309089 of 10.27.2007 "The method of returning the reusable first stage to the spaceport").
Задачей заявляемого технического решения является повышение эффективности способа спуска ОЧ за счет снижения скорости ОЧ при касании поверхности района падения на основе введения режима полета ОЧ с балансировочными углами атаки по спиральной траектории спуска.The objective of the proposed technical solution is to increase the efficiency of the method of launching the VF by reducing the speed of the VF when touching the surface of the area of incidence based on the introduction of the flight mode of the VF with balancing angles of attack along a spiral descent path.
Данный технический результат достигается тем, что в способе спуска ОЧ ступени РН на жидких КРТ в заданный район падения, основанном на стабилизации и ориентации ОЧ за счет энергетики, заключенной в невыработанных остатках жидких КРТ на основе их газификации, вводят следующие действия:This technical result is achieved by the fact that in the method of lowering the RL stage of LV on liquid SRT to a predetermined area of incidence, based on stabilization and orientation of the RL due to the energy contained in the undeveloped residues of liquid SRT based on their gasification, the following actions are introduced:
а) после входа в атмосферу рассчитывают величину балансировочного угла атаки (αб), его ориентацию, обеспечивающую переход на попадающую траекторию спуска в заданную точку прицеливания;a) after entering the atmosphere, calculate the value of the balancing angle of attack (α b ), its orientation, providing a transition to the falling trajectory of descent to a given aiming point;
б) рассчитывают параметры спиральной траектории (далее «Спираль»), по которой осуществляют полет с балансировочными углами атаки αб относительно попадающей траектории спуска, при этом переход ОЧ на «Спираль» осуществляется с достижения значений величин аэродинамического момента, обеспечивающего возможность маневра перехода ОЧ на «Спираль» с траектории неуправляемого спуска ОЧ, а нижний конец «Спирали» касается начала траектории тормозного участка, на котором осуществляют отработку тормозного импульса;b) calculate the parameters of the spiral trajectory (hereinafter referred to as the “Spiral”), along which flight with balancing angles of attack α b relative to the falling descent trajectory is carried out, while the transition of the IF to the “Spiral” is carried out with the achievement of the values of the aerodynamic moment, which provides the possibility of maneuvering the transition of the AF to “Spiral” from the path of uncontrolled lowering of the OCh, and the lower end of the “Spiral” refers to the beginning of the trajectory of the brake section, where the brake pulse is worked out;
в) движение ОЧ по Спирали осуществляют путем разворота ОЧ с угловой скоростью, определяемой из условия попадания ОЧ в начало тормозного участка с минимальной скоростью движения центра масс ОЧ.c) the movement of the ocher along the spiral is carried out by turning the ocher with an angular velocity determined from the condition that the ocher hits the beginning of the brake section with the minimum velocity of the center of mass of the ocher.
Реализация предлагаемого технического решения поясняется фиг., где:The implementation of the proposed technical solution is illustrated in Fig., Where:
1 - ОЧ на нисходящей части внеатмосферного участка траектории спуска 1-3-8-9 без реализации предлагаемого аэродинамического маневра спуска;1 - OCh in the descending part of the extra-atmospheric section of the descent trajectory 1-3-8-9 without the implementation of the proposed aerodynamic descent maneuver;
2 - вход в атмосферу (h ~100 км);2 - entrance to the atmosphere (h ~ 100 km);
3 - участок перехода ОЧ на попадающую траекторию спуска 4 и «Спираль» 5;3 - section transition OCh on the falling trajectory of
5 - «Спираль», начинающая с конца участка 3 и заканчивающая в точке 6 - начале траектории тормозного участка ОЧ и лежащее на попадающей траектории 4;5 - "Spiral", starting from the end of
7 - смещенная точка падения ОЧ;7 - the displaced point of incidence of OCh;
8 - траектория спуска ОЧ без аэродинамического маневра по изменению точки падения ОЧ;8 - the path of descent of the PF without aerodynamic maneuver by changing the point of incidence of the PF;
9 - точка падения ОЧ без аэродинамического маневра;9 - point of fall of the OCh without aerodynamic maneuver;
10 - ОЧ на «Спирали» с балансировочными углами атаки.10 - OCh on the "Spiral" with balancing angles of attack.
1. Балансировочный угол атаки αб рассчитывают из условия равенства нулю аэродинамического момента (см. кн. 1 Аппазов Р.Ф., Сытин О.Г. Методы проектирования траекторий ракет-носителей и спутников Земли. Изд-во «Наука», 1987. С. 427-428). Например, для плоского случая необходимо выбрать такое значение пространственного угла атаки αб/(αz), являющегося функцией только угла атаки, чтобы соответствующий аэродинамический момент в канале тангажа был равен нулю:1. The balancing angle of attack α b is calculated from the condition that the aerodynamic moment is equal to zero (see
Это достигается обеспечением совпадения центра масс и центра давления. Используя программный продукт ANSYS FLUENT осуществляют расчет MZ при различных углах атаки на основе численного решения уравнений Навье-Стокса (см. кн. 2 Краснов А.Ф. Аэродинамика. 1980, ч. 1, 2 стр. 105). При различных углах атаки изменяется картина обтекания ОЧ, в результате чего происходит изменение координаты цента давления и при достижении условия совпадения координат центра давления и центра масс реализуется условие (1).This is achieved by ensuring the coincidence of the center of mass and the center of pressure. Using the ANSYS FLUENT software product, M Z is calculated at various angles of attack based on the numerical solution of the Navier-Stokes equations (see
Для трехмерного случая, что имеет место для предлагаемой схемы спуска, необходимо обеспечение равенства аэродинамического момента нулю в каналах тангажа и рыскания:For the three-dimensional case, which is the case for the proposed descent scheme, it is necessary to ensure that the aerodynamic moment is zero in the pitch and yaw channels:
что обеспечивается выбором пространственного балансировочного угла атаки αб(αz, αy), который является уже как функции угла атаки αz и скольжения αy. Определение балансировочного угла скольжения αy осуществляется аналогично определению балансировочного угла атаки αz.which is provided for this spatial balancing angle of attack α b (α z, α y), which is already as a function of the angle of attack α z and sliding α y. The determination of the balancing angle of sliding α y is carried out similarly to the determination of the balancing angle of attack α z .
2. Расчет параметров «Спираль», по которой осуществляют полет с балансировочными углами атаки αб:2. Calculation of the "Spiral" parameter, which is carried on with balancing flight angles of attack α b:
- «Спираль» представляет собой траекторию, аналогичную по смыслу орбите фазирования при сближении КА на орбитах (см. кн. 4, Инженерный справочник по космической технике / под. ред. А.В. Солодова, М.: изд. Мин-во обороны СССР, 1977. С. 106-108), т.е. переход на орбиту (траекторию) движение по которой кроме решения транспортной задачи обеспечивает еще и удовлетворение дополнительного условия, например подход к конечной точке в заданный момент времени. В данном случае «Спираль» обеспечивает торможение ОЧ, вращаясь и снижаясь около попадающей траектории 4, обеспечивая планирующий спуск ОЧ с заданными балансировочными углами атаки (поз. 3-5-6 фиг. 1) с поз. 3 в поз. 6;- “Spiral” represents a trajectory similar in meaning to the phasing orbit when the spacecraft approaches in orbits (see
- верхний конец «Спирали» (конец участка 3) начинается с достижения значений величин аэродинамического момента, обеспечивающего возможность маневра перехода на «Спираль» с траектории неуправляемого спуска ОЧ (начало участка 3,8,9);- the upper end of the “Spiral” (end of section 3) begins with the achievement of the values of the aerodynamic moment, which provides the possibility of maneuvering the transition to the “Spiral” from the path of uncontrolled descent of the PF (the beginning of
- нижний конец «Спирали» касается начала тормозного участка (поз. 5), тормозной участок - вертикальный участок траектории спуска на котором осуществляют отработку тормозного импульса с помощью специальной тормозной ракетной двигательной установки (см., например, спуск отработанной ступени «Фалкон-9» www.spacex.com, а также по патенту РФ №2414391 от 20.03.2011 г. «Способ спуска отделяющейся части ступени РН и устройство для его осуществления»).- the lower end of the “Spiral” refers to the beginning of the brake section (pos. 5), the brake section - the vertical section of the descent trajectory where the brake pulse is worked out using a special brake rocket propulsion system (see, for example, the descent of the spent Falcon-9 stage) www.spacex.com, and also according to the patent of the Russian Federation No. 2414391 dated 03/20/2011, “Method for lowering the separating part of the PH stage and device for its implementation”).
3. Движение ОЧ по «Спирали» осуществляют путем разворота ОЧ с угловой скоростью, определяемой из условия попадания ОЧ в начало тормозного участка с минимальной скоростью движения центра масс ОЧ, при этом:3. The movement of the ocher along the "Spiral" is carried out by turning the ocher with an angular velocity determined from the condition that the ocher hits the beginning of the brake section with the minimum velocity of the center of mass of the ocher, with:
- угловая скорость разворота ОЧ ωxc реализуется путем формирования управляющего момента
- значение величины ωxc и времени движения по «Спирали» производится с использованием метода оптимизации (см., например, кн. 3 Лесин В.В. Основы методов оптимизации: учебное пособие / Лесин В.В., Лисовец Ю.П. - СПб.: Лань, 2011. - 342 с.). Критерием оптимизации (в данном случае минимизации) является значение скорости центра масс ОЧ на начало участка торможения (поз. 6) либо величина тормозного импульса.- the value of ω xc and the time of movement along the “Spiral” are made using the optimization method (see, for example,
Использование предлагаемого способа спуска позволяет существенно уменьшить затраты на торможение ОЧ ступени при реализации мягкой посадки. Например, проведенные оценки при традиционном спуске ОЧ первой ступени РН «Союз-2.1.в» показывают, что при нулевом угле атаки время пассивного полета составляет 353 с, а скорость центра масс ОЧ при касании поверхности района падения ~169 м/с.Using the proposed method of descent allows you to significantly reduce the cost of braking the stage if the implementation of soft landing. For example, the assessments made during the traditional descent of the first-stage OC of the Soyuz-2.1.v LV show that at zero angle of attack the passive flight time is 353 s, and the speed of the center of mass of the OC when it touches the surface of the incidence region is ~ 169 m / s.
При использовании предлагаемого способа спуска ОЧ с балансировочными углами атаки (в интервале 30°-60°) время пассивного полета составляет ~500 с, а скорость ОЧ в точке касания поверхности района падения составляет ~75 м/с, следовательно, как видно из приведенного примера для ОЧ первой ступени РН «Союз-2.1.в», применение предлагаемого способа спуска позволяет:When using the proposed method of launching the VL with balancing angles of attack (in the range of 30 ° -60 °), the passive flight time is ~ 500 s, and the VL velocity at the point of contact of the surface of the incidence region is ~ 75 m / s, therefore, as can be seen from the above example for the first-stage pilot launch vehicle Soyuz-2.1.v, the application of the proposed descent method allows:
- существенно (примерно в 2 раза) снизить запасы топлива на гашение скорости центра масс ОЧ при мягкой посадке, соответственно, уменьшить массу конструкции топливных баков;- significantly (about 2 times) to reduce fuel reserves to damp the speed of the center of mass of the HF during soft landing, respectively, to reduce the mass of the structure of fuel tanks;
- увеличение времени спуска ОЧ, соответственно, позволит увеличить величину смещения точки прицеливания относительно исходной, а также увеличить точность посадки ОЧ;- an increase in the time of descent of the ocher, respectively, will increase the magnitude of the displacement of the aiming point relative to the original, as well as increase the accuracy of landing of the ocher;
- движение ОЧ по траектории «Спирали» разгружает корпус ОЧ от изгибных моментов, соответственно, снижает нагрузки на корпус ОЧ;- OCh movement along the “Spiral” trajectory unloads the OCh body from bending moments, respectively, reduces the load on the OCh body;
- увеличение времени спуска приводит к увеличению затрат топлива на стабилизацию и ориентацию ОЧ, однако, учитывая малость возмущающих моментов из-за движения ОЧ на балансировочных углах, это увеличение незначительно по сравнению с экономией запасов топлива на реализацию тормозного импульса.- an increase in the descent time leads to an increase in fuel consumption for stabilization and orientation of the PF, however, given the small amount of disturbing moments due to the movement of PF at the balancing angles, this increase is insignificant compared to the saving of fuel reserves for the implementation of the braking impulse.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016107671A RU2643073C1 (en) | 2016-03-02 | 2016-03-02 | Method of descent of separating part of launch vehicle |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016107671A RU2643073C1 (en) | 2016-03-02 | 2016-03-02 | Method of descent of separating part of launch vehicle |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2643073C1 true RU2643073C1 (en) | 2018-01-30 |
Family
ID=61173407
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016107671A RU2643073C1 (en) | 2016-03-02 | 2016-03-02 | Method of descent of separating part of launch vehicle |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2643073C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2792472C1 (en) * | 2022-12-05 | 2023-03-22 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет" | Method for saving the fairing half of a launch vehicle and a device for its implementation |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2414391C1 (en) * | 2009-06-22 | 2011-03-20 | Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Омский Государственный Технический Университет" | Method of descending space rocket stage separation part and device to this end |
RU2506206C1 (en) * | 2012-07-12 | 2014-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" | Method of descending space rocket stage separation part and device to this end |
US20150076287A1 (en) * | 2013-03-15 | 2015-03-19 | Arthur M. Dula | Tether for spacecraft reaction control system |
-
2016
- 2016-03-02 RU RU2016107671A patent/RU2643073C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2414391C1 (en) * | 2009-06-22 | 2011-03-20 | Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Омский Государственный Технический Университет" | Method of descending space rocket stage separation part and device to this end |
RU2506206C1 (en) * | 2012-07-12 | 2014-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" | Method of descending space rocket stage separation part and device to this end |
US20150076287A1 (en) * | 2013-03-15 | 2015-03-19 | Arthur M. Dula | Tether for spacecraft reaction control system |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Журнал "Новости космонавтики", N4 (207), 1-29 февраля 2000. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2792472C1 (en) * | 2022-12-05 | 2023-03-22 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет" | Method for saving the fairing half of a launch vehicle and a device for its implementation |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Yibo et al. | Review of control and guidance technology on hypersonic vehicle | |
Williams et al. | An aerothermal flexible mode analysis of a hypersonic vehicle | |
US8489258B2 (en) | Propulsive guidance for atmospheric skip entry trajectories | |
Mehta et al. | Water injection pre-compressor cooling assist space access | |
RU2475429C1 (en) | Method of spacecraft stage separation part descent | |
CN103064423A (en) | Multiple-constraint multi-spacecraft flight interval indicating and collision avoidance method | |
Francis | Air vehicle management with integrated thrust-vector control | |
RU2643073C1 (en) | Method of descent of separating part of launch vehicle | |
Carr et al. | An energy based objective for solving an optimal missile evasion problem | |
RU2685591C1 (en) | Ballistic missile | |
Pamadi et al. | Ascent, stage separation and glideback performance of a partially reusable small launch vehicle | |
Braun et al. | Advances in inertial guidance technology for aerospace systems | |
Sostaric et al. | Trajectory guidance for Mars robotic precursors: aerocapture, entry, descent, and landing | |
RU2327949C1 (en) | Missile | |
Sell et al. | Powered flight design and performance summary for the Mars science laboratory mission | |
Sippel et al. | Simulation of dynamic control environments of the in-air-capturing mechanism | |
Miller | Optimal trajectory planning for the apollo moon landing: Descent, ascent, and aborts | |
Sarkar et al. | Range extension of an air-to-air engagement by offline trajectory optimization | |
Lee et al. | Preliminary design of the hybrid air-launching rocket for Nanosat | |
Shin et al. | Design the Guidance Law for Formation Flight of Multiple UAVs | |
Robinson | Spacecraft Guidance Techniques for Maximizing Mission Success | |
RU2539709C1 (en) | Controlled missile | |
Davies | North American X-15 | |
Hocine | Guidance and control of surface to air missile with nonlinear varying parameters | |
Nugroho | Preliminary Design of Turbojet Cruise Missiles |