RU2759358C1 - Suborbital spacecraft and the method for its braking in the atmosphere - Google Patents

Suborbital spacecraft and the method for its braking in the atmosphere Download PDF

Info

Publication number
RU2759358C1
RU2759358C1 RU2020125750A RU2020125750A RU2759358C1 RU 2759358 C1 RU2759358 C1 RU 2759358C1 RU 2020125750 A RU2020125750 A RU 2020125750A RU 2020125750 A RU2020125750 A RU 2020125750A RU 2759358 C1 RU2759358 C1 RU 2759358C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
flaps
group
ship
descent
flight
Prior art date
Application number
RU2020125750A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Владимирович Аракелян
Кирилл Сергеевич Горбунов
Александр Петрович Ларин
Александр Алексеевич Смоленцев
Игорь Петрович Терентьев
Original Assignee
Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" filed Critical Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority to RU2020125750A priority Critical patent/RU2759358C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2759358C1 publication Critical patent/RU2759358C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64GCOSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00Cosmonautic vehicles
    • B64G1/002Launch systems

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Tires In General (AREA)

Abstract

FIELD: space technology.
SUBSTANCE: group of inventions relates to the management and design of multiple-use spacecraft with vertical take-off and landing, which can be used for space tourism, high-altitude parachute jumps, etc. The suborbital SC contains a frame, landing supports, propulsion system, control system, crew seats and two groups of flaps with actuators pivotally connected to the frame. When folded, one group of flaps forms the head fairing, and the other forms the side surface of the SC. The number of flaps in the groups is the same, and in the open state, the flaps of one group are located between the flaps of the other group in the projection on the direction of flight. The crew seats are ejection seats, and a group of flaps forming the head fairing is installed above them with a gap. When the SC is decelerated, before entering the atmosphere, the flaps are opened at maximum angles, then, with an increase in overload, the flaps are smoothly folded to the minimum opening angle, paused and then smoothly opened again at maximum angles. The control program is obtained as a result of pre-flight mathematical modeling of the descent process.
EFFECT: decrease in the peak overload value during the descent of the SC in the atmosphere.
3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к ракетно-космической технике, точнее к суборбитальным космическим транспортным кораблям многократного применения с вертикальным взлетом и посадкой, и может быть использовано для космического туризма, высотных парашютных прыжков и иных целей.The invention relates to rocket and space technology, more precisely to reusable suborbital space transport vehicles with vertical takeoff and landing, and can be used for space tourism, high-altitude parachute jumps and other purposes.

Известны корабли и ракетные ступени многократного применения, отличающиеся способом посадки - с помощью крыльев или парашютов (например, патенты РФ № 2442727, 20.02.2012, МПК: B64G 1/14 (2006.01); № 2441815, 10.02.2012, МПК: B64G 1/14 (2006.01); №2333868, 20.09.2008, МПК: B64G 1/16 (2006.01). В этих кораблях для взлета используются одни устройства - ракетные двигатели, а для посадки - другие устройства - крылья или парашюты.Known ships and rocket stages of repeated use, differing in the method of landing - using wings or parachutes (for example, RF patents No. 2442727, 20.02.2012, IPC: B64G 1/14 (2006.01); No. 2441815, 10.02.2012, IPC: B64G 1 / 14 (2006.01); # 2333868, 20.09.2008, IPC: B64G 1/16 (2006.01) These ships use one device for take-off - rocket engines, and for landing - other devices - wings or parachutes.

Известны также многоразовые корабли и ракетные ступени, осуществляющие вертикальные взлет и посадку с помощью только ракетных двигателей (патенты РФ № 2309088, 27.10.2007, МПК: B64G 1/14 (2006.01); 2318704 С2, 10.03.2008, МПК: B64G 1/14 (2006.01). Они не имеют специальных аэродинамических поверхностей для стабилизации спуска в атмосфере, поэтому при управляемом спуске необходимо расходовать дополнительное топливо для работы двигателей ориентации.Also known are reusable ships and rocket stages that carry out vertical take-off and landing using only rocket engines (RF patents No. 2309088, 10/27/2007, IPC: B64G 1/14 (2006.01); 2318704 C2, 03/10/2008, IPC: B64G 1 / 14 (2006.01) They do not have special aerodynamic surfaces to stabilize the descent in the atmosphere, therefore, during a controlled descent, additional fuel must be consumed to operate the attitude control engines.

Известен суборбитальный космический корабль с тормозными поверхностями по патенту US 8408497 (В2), 02.04.2013, МПК: B64G 1/62 (2006.01). Этот корабль производит стабилизируемый спуск в атмосфере с помощью тормозных щитков, расположенных в верхней части цилиндрического корпуса корабля. Недостатком этого корабля является избыточность элементов конструкции, поскольку щитки не являются частью корпуса.Known suborbital spacecraft with braking surfaces according to patent US 8408497 (B2), 04/02/2013, IPC: B64G 1/62 (2006.01). This ship produces a stabilized descent in the atmosphere using brake flaps located at the top of the ship's cylindrical hull. The disadvantage of this ship is the redundancy of structural elements, since the shields are not part of the hull.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является одноступенчатый многоразовый космический корабль и способ его управления при спуске (US 5873549 (A), 23.02.1999, МПК: B64G 1/14 (2006.01); B64G 1/24 (2006.01); B64G 1/28(2006.01); B64G 1/62 (2006.01).The closest to the proposed technical solution is a single-stage reusable spacecraft and its control method during descent (US 5873549 (A), 02.23.1999, IPC: B64G 1/14 (2006.01); B64G 1/24 (2006.01); B64G 1/28 (2006.01); B64G 1/62 (2006.01).

Корабль включает раму, посадочные опоры, двигательную установку, систему управления, полезную нагрузку, внешнюю неподвижную обшивку и две группы щитков, каждый из которых шарнирно соединен с рамой и снабжен приводом, подключенным к системе управления. Неподвижная обшивка вместе со щитками образует аэродинамическую поверхность корабля. Каждый щиток своей верхней или нижней кромкой шарнирно соединен с рамой и имеет привод для отклонения щитка на некоторый угол. Щитки предназначены для управления ориентацией, и частично для торможения корабля при его спуске в атмосфере. При движении корабля вверх носом вперед используются задние щитки, а при движении вниз кормой вперед - передние щитки. Суммарная площадь щитков существенно меньше общей поверхности корабля.The ship includes a frame, landing supports, a propulsion system, a control system, a payload, an external fixed skin and two groups of flaps, each of which is pivotally connected to the frame and equipped with a drive connected to the control system. The fixed skin, together with the shields, forms the aerodynamic surface of the ship. Each flap with its upper or lower edge is pivotally connected to the frame and has a drive for deflecting the flap at a certain angle. Shields are intended for attitude control, and partly for braking the ship during its descent into the atmosphere. When the ship moves upwards with its bow forward, the rear flaps are used, and when moving downward astern forward, the front flaps are used. The total area of the shields is significantly less than the total surface of the ship.

Прототип способа торможения этого корабля в атмосфере состоит в раскрытии щитков во время спуска, что приводит к увеличению аэродинамической силы сопротивления, а также в контроле величины перегрузки и времени.The prototype of the method for braking this ship in the atmosphere consists in opening the flaps during descent, which leads to an increase in the aerodynamic drag force, as well as in controlling the magnitude of the g-force and time.

Недостатком конструкции является то, что в качестве тормозных щитков используется малая часть внешней аэродинамической поверхности корабля, а также то, что щитки двух групп раскрываются попеременно. Вследствие этого, суммарной площади раскрытых щитков достаточно для стабилизации корабля, но недостаточно для влияния на величину перегрузки при торможении в атмосфере.The disadvantage of the design is that a small part of the outer aerodynamic surface of the ship is used as brake flaps, and also that the flaps of the two groups are opened alternately. As a result, the total area of the open flaps is sufficient to stabilize the spacecraft, but not enough to influence the magnitude of the overload during braking in the atmosphere.

Недостатком способа торможения корабля является то, что положение щитков после их раскрытия не меняется. Поэтому при прохождении зоны максимальной перегрузки значение этой перегрузки снизить невозможно.The disadvantage of the method of braking the ship is that the position of the flaps does not change after their deployment. Therefore, when passing the maximum overload zone, the value of this overload cannot be reduced.

Задача изобретения состоит в устранении указанных недостатков.The objective of the invention is to eliminate these disadvantages.

Техническим результатом изобретения является снижение пикового значения перегрузки при спуске корабля в атмосфере за счет большой относительной площади тормозных щитков и активного управления этой площадью.The technical result of the invention is to reduce the peak value of the overload during the descent of the ship in the atmosphere due to the large relative area of the brake flaps and active control of this area.

Технический результат достигается тем, что в суборбитальном космическом корабле, включающем раму, посадочные опоры, двигательную установку, систему управления, кресла экипажа и хотя бы одну из двух групп тормозных щитков, каждый из которых шарнирно соединен с рамой и снабжен приводом, в сложенном состоянии одна группа щитков образует головной обтекатель, а другая группа - боковую поверхность корабля, при этом все щитки соединены с рамой своей нижней кромкой, количество щитков в обеих группах одинаково, а в раскрытом состоянии щитки одной группы располагаются между щитками другой группы в проекции на направление полета.The technical result is achieved by the fact that in a suborbital spacecraft, which includes a frame, landing supports, a propulsion system, a control system, a crew seat and at least one of two groups of brake flaps, each of which is pivotally connected to the frame and equipped with a drive, in the folded state one a group of flaps forms the head fairing, and the other group forms the side surface of the ship, while all the flaps are connected to the frame by their lower edge, the number of flaps in both groups is the same, and in the open state the flaps of one group are located between the flaps of the other group in projection to the direction of flight.

Кроме того, кресла экипажа выполнены катапультными, а группа щитков, образующих головной обтекатель, установлена над ними с зазором, обеспечивающим возможность катапультирования во всем диапазоне углов раскрытия упомянутых щитков.In addition, the crew seats are made of ejection, and a group of flaps forming the head fairing is installed above them with a gap that provides the possibility of ejection in the entire range of opening angles of the said flaps.

Технический результат достигается также за счет того, что в способе торможения суборбитального космического корабля в атмосфере, состоящем в раскрытии тормозных щитков во время спуска и контроле величины перегрузки по акселерометру и времени по таймеру, перед входом в атмосферу щитки раскрывают на максимальные углы, затем, при нарастании перегрузки до величины А, щитки плавно складывают в течение времени Т1 до минимального угла раскрытия, выдерживают паузу в течение времени Т2, а затем вновь плавно раскрывают в течение времени Т3 до максимального угла раскрытия, при этом величины A, T1, Т2 и Т3 получают перед полетом по результатам математического моделирования процесса спуска, а углы максимального раскрытия щитков выбирают из условия обеспечения одновременно максимального значения площади их проекции на направление полета и стабилизации спуска корабля.The technical result is also achieved due to the fact that in the method of braking a suborbital spacecraft in the atmosphere, which consists in opening the brake flaps during descent and controlling the magnitude of the accelerometer overload and timer time, before entering the atmosphere, the flaps are opened to maximum angles, then, at increasing overload to value A, the flaps are smoothly folded over time T1 to the minimum opening angle, pause for time T2, and then smoothly open again during time T3 to the maximum opening angle, while the values of A, T1, T2 and T3 are obtained before the flight, according to the results of mathematical modeling of the descent process, and the angles of the maximum opening of the flaps are selected from the condition of simultaneously ensuring the maximum value of the area of their projection onto the direction of flight and stabilizing the descent of the ship.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами (фиг. 1-3).The essence of the invention is illustrated by graphic materials (Fig. 1-3).

На фигуре 1 схематически показана конструкция предлагаемого корабля.Figure 1 schematically shows the design of the proposed ship.

На фигуре 2 приведены графики зависимости величины перегрузки от времени спуска с высоты 110 км со сложенными щитками (кривая 11), с полностью раскрытыми щитками (кривая 12), и с переменной площадью проекции щитков (кривая 13).Figure 2 shows graphs of the dependence of the magnitude of the overload on the descent time from an altitude of 110 km with folded flaps (curve 11), with flaps fully open (curve 12), and with a variable projection area of the flaps (curve 13).

В таблице (фиг. 3) приведены значения параметров полета, которые соответствуют графику 13 на фиг. 2.The table (Fig. 3) shows the values of the flight parameters, which correspond to the graph 13 in Fig. 2.

Корабль включает в себя раму 1, посадочные опоры 2, двигательную установку, состоящую из маршевого двигателя 3 и двигателей ориентации 4, систему управления (на фигурах не показана), кресла экипажа 5, тормозные щитки одной (далее - верхней) группы в сложенном бив раскрытом 7 состоянии, тормозные щитки другой (далее - нижней) группы в сложенном 8 и в раскрытом 9 состоянии, а также приводы 10 щитков. Верхняя группа щитков в положении 6 образует головной обтекатель. Нижняя группа щитков в положении 8 образует боковую поверхность корабля. Все щитки соединены с рамой 1 своей нижней кромкой, количество щитков в обеих группах одинаково, а в раскрытом состоянии щитки 7 одной группы располагаются между щитками 9 другой группы в проекции на направление полета.The ship includes a frame 1, landing supports 2, a propulsion system consisting of a propulsion engine 3 and orientation engines 4, a control system (not shown in the figures), crew seats 5, brake flaps of one (hereinafter - upper) group in a folded biv open 7 state, brake flaps of another (hereinafter - lower) group in folded 8 and in open 9 state, as well as drives 10 of flaps. The upper group of flaps in position 6 forms the head fairing. The lower group of flaps in position 8 forms the side surface of the ship. All the flaps are connected to the frame 1 by their lower edge, the number of flaps in both groups is the same, and in the open state the flaps 7 of one group are located between the flaps 9 of the other group in projection to the direction of flight.

В составе корабля отсутствует герметичная капсула для экипажа, кресла экипажа 5 выполнены катапультными, а группа щитков 6, образующих головной обтекатель, установлена над ними с зазором, обеспечивающим возможность катапультирования во всем диапазоне углов раскрытия этих щитков.The ship does not have a sealed capsule for the crew, the crew seats 5 are made ejection, and the group of flaps 6, forming the head fairing, is installed above them with a gap that provides the possibility of ejection in the entire range of opening angles of these flaps.

Предложенный корабль работает следующим образом.The proposed ship works as follows.

Перед взлетом члены экипажа находятся в катапультных креслах 5 в защитных скафандрах с индивидуальными парашютами. Все щитки находятся в сложенном состоянии. При взлете и подъеме корабль движется с ускорением под действием маршевого двигателя 3 по траектории, близкой к вертикальной. Ориентация корабля относительно центра масс осуществляется двигателями ориентации 4. Система управления корабля в течение всего полета осуществляет контроль параметров движения и управление исполнительными органами по заданной программе. В состав системы управления входят датчики позиционирования, например, GPS-ГЛОНАСС, ориентации, например, гироскопического типа, акселерометр инерционного типа, радиовысотомер и контроллер с заложенной в него программой полета и встроенным таймером. Щитки в положении 6 осуществляют функцию головного обтекателя, обеспечивая снижение силы сопротивления воздуха и защиту экипажа от скоростного напора. После набора скорости и отключения маршевого двигателя 3 (на высоте ориентировочно 40-50 км при скорости 1-1,5 км/с) корабль совершает баллистический полет до высоты порядка 100 км. На этом участке ориентация корабля также производится двигателями ориентации 4. Остаточное количество топлива в баках корабля должно быть достаточно для выполнения посадки.Before takeoff, the crew members are in ejection seats 5 in protective suits with individual parachutes. All shields are folded. During takeoff and ascent, the ship moves with acceleration under the action of the propulsion engine 3 along a trajectory close to vertical. The orientation of the spacecraft relative to the center of mass is carried out by orientation engines 4. The control system of the spacecraft during the entire flight monitors the movement parameters and controls the executive bodies according to a given program. The control system includes positioning sensors, for example, GPS-GLONASS, orientation, for example, a gyroscopic type, an inertial-type accelerometer, a radio altimeter and a controller with a flight program and a built-in timer. Shields in position 6 perform the function of a head fairing, providing a decrease in air resistance and protection of the crew from high-speed pressure. After gaining speed and turning off the main engine 3 (at an altitude of approximately 40-50 km at a speed of 1-1.5 km / s), the ship performs a ballistic flight to an altitude of about 100 km. In this section, the orientation of the ship is also performed by the orientation engines 4. The residual amount of fuel in the tanks of the ship must be sufficient to complete the landing.

На высоте, близкой к максимальной, с помощью приводов 10 производится раскрытие всех щитков из положения 6 в положение 7, и из положения 8 в положение 9, что соответствует максимальной площади поверхности торможения. Корабль под действием силы гравитации прекращает подъем и начинает спуск к земле с нарастающей скоростью. На высоте порядка 50-60 километров, когда скоростной напор воздуха становится достаточным для воздействия на корабль, щитки в положении 7 и 9 начинают выполнять функцию стабилизации полета, разворачивают корабль в положение двигателем 3 к земле и в дальнейшем поддерживают это положение. Стабилизация обеспечивается тем, что в раскрытом положении щитков, во всем диапазоне углов их раскрытия центр аэродинамического давления воздуха находится выше центра масс корабля.At a height close to the maximum, with the help of actuators 10, all flaps are opened from position 6 to position 7, and from position 8 to position 9, which corresponds to the maximum braking surface area. The ship, under the influence of gravity, stops lifting and begins to descend to the ground with increasing speed. At an altitude of about 50-60 kilometers, when the high-speed air pressure becomes sufficient to influence the ship, the flaps in positions 7 and 9 begin to perform the function of stabilizing the flight, turn the ship into position with the engine 3 to the ground and further maintain this position. Stabilization is ensured by the fact that in the open position of the flaps, in the entire range of their opening angles, the center of aerodynamic air pressure is above the ship's center of mass.

Щитки производят также торможение корабля в атмосфере, причем сила торможения может меняться от минимальной, когда щитки сложены и находятся в положении 6 и 8, до максимальной, когда они полностью раскрыты и находятся в положении 7 и 9. Это свойство позволяет уменьшать величину максимальной перегрузки, действующей на корабль и экипаж, следующим образом. Перед входом в атмосферу щитки раскрывают на максимальный допустимый угол, в положение 7 и 9, т.е. угол, соответствующий максимальной площади поверхности торможения, при котором устойчивая стабилизация корабля еще сохраняется. При снижении система управления измеряет текущую величину перегрузки с помощью акселерометра. При нарастании перегрузки и достижении ею заданного значения А щитки плавно складывают, отклоняя вверх в положение 6 и 8 до достижения минимальной площади миделя корабля. Время сложения равно заранее заданной величине Т1. Далее выдерживают паузу в течение времени Т2, а затем вновь плавно раскрывают щитки до максимальной площади, в положение 7 и 9 в течение времени Т3. Величины A, T1, Т2, Т3 заранее, до полета, выбирают, моделируя процесс снижения на математической модели. Меняя эти параметры на модели, добиваются минимально возможного значения перегрузки. Эффект снижения перегрузки достигается из-за того, что в течение действия максимального скоростного напора воздуха площадь осевой проекции корабля, т.е. проекции, перпендикулярной направлению полета корабля, является наименьшей, и сила сопротивления, а с ней и пиковое значение перегрузки снижаются, хотя длительность действия этой сниженной перегрузки увеличивается, как показано на фиг. 2, график 13. Величины A, T1, Т2 и Т3 вводятся в программу контроллера и используются им в полете для выдачи команд на приводы щитков. Текущие значения перегрузки измеряются акселерометром, а времени - таймером.The shields also decelerate the ship in the atmosphere, and the braking force can vary from the minimum when the shields are folded and are in positions 6 and 8, to the maximum when they are fully open and in positions 7 and 9. This property makes it possible to reduce the maximum overload value. acting on the ship and crew, as follows. Before entering the atmosphere, the flaps are opened to the maximum permissible angle, to positions 7 and 9, i.e. the angle corresponding to the maximum braking surface area at which the stable stabilization of the ship is still maintained. During descent, the control system measures the current overload value using an accelerometer. With an increase in the overload and its achievement of a given value A, the flaps are smoothly folded, deflecting upward to positions 6 and 8 until the minimum area of the ship's midship is reached. The addition time is equal to the predetermined value T1. Then they pause for time T2, and then smoothly open the flaps again to the maximum area, in positions 7 and 9 during time T3. The values A, T1, T2, T3 are selected in advance, before the flight, by simulating the descent process on a mathematical model. By changing these parameters on the model, the minimum possible overload value is achieved. The effect of reducing the overload is achieved due to the fact that during the action of the maximum velocity air pressure, the area of the axial projection of the ship, i.e. the projection perpendicular to the direction of flight of the ship is the smallest, and the drag force, and with it the peak value of the overload, is reduced, although the duration of the action of this reduced overload increases, as shown in FIG. 2, graph 13. Values A, T1, T2 and T3 are entered into the controller program and used by it in flight to issue commands to the dashboard drives. The current values of the overload are measured by an accelerometer, and the time by a timer.

Для оценки величины перегрузок при разных углах раскрытия щитков было проведено математическое моделирование процесса спуска при следующих исходных данных:To assess the magnitude of overloads at different angles of flaps opening, mathematical modeling of the descent process was carried out with the following initial data:

- траектория спуска - вертикальная;- descent trajectory - vertical;

- высота начала спуска - 110 км;- the height of the beginning of the descent - 110 km;

- площадь миделя корабля при сложенных щитках - 5 м2;- the area of the ship midship with folded flaps - 5 m 2 ;

- площадь осевой проекции полностью раскрытых щитков - 20 м2;- the area of the axial projection of the fully open flaps - 20 m 2 ;

- площадь миделя корабля при полностью раскрытых щитках - 25 м2;- the area of the ship midship with fully open flaps - 25 m 2 ;

- масса корабля при снижении - 2500 кг;- ship weight during descent - 2500 kg;

- зависимость плотности воздуха от высоты соответствует стандартной атмосфере;- the dependence of the air density on the altitude corresponds to the standard atmosphere;

- коэффициент сопротивления Сх=0,8.- resistance coefficient Cx = 0.8.

Для оценки площади щитков принято, что корабль имеет диаметр 2,5 м, высота боковой поверхности - 2,5 м, длина образующей конуса головного обтекателя - 3 м. При этом суммарная площадь щитков равна 30 м2, а с учетом их наклона и частичного взаимного затенения - 20 м2.To estimate the area of the flaps, it is assumed that the ship has a diameter of 2.5 m, the height of the lateral surface is 2.5 m, the length of the generatrix of the cone of the head fairing is 3 m. The total area of the flaps is 30 m 2 , and taking into account their inclination and partial mutual shading - 20 m 2 .

Для уменьшения взаимного затенения щитков в раскрытом состоянии, количество щитков в обеих группах одинаково, а щитки одной группы располагаются между щитками другой группы в проекции на направление полета.To reduce the mutual shading of the flaps in the open state, the number of flaps in both groups is the same, and the flaps of one group are located between the flaps of the other group in projection to the direction of flight.

Результаты расчетов приведены на фигуре 2, на которой показаны графики величины перегрузки, действующей на корабль в зависимости от времени спуска при трех положениях щитков. Кривая 11 (вариант 1) соответствует полностью закрытым щиткам (площадь миделя корабля 5 м2), кривая 12 (вариант 2) - полностью раскрытым и зафиксированным щиткам (площадь миделя корабля 25 м2), кривая 13 (вариант 3) - переменной площади щитков (площадь миделя уменьшается от 25 до 5 м2, а затем опять увеличивается до 25 м2).The calculation results are shown in figure 2, which shows the graphs of the magnitude of the overload acting on the ship depending on the descent time at three positions of the flaps. Curve 11 (option 1) corresponds to fully closed flaps (ship midship area 5 m 2 ), curve 12 (option 2) - to fully open and fixed flaps (ship midship area 25 m 2 ), curve 13 (option 3) - variable flap area (the area of the midsection decreases from 25 to 5 m 2 , and then increases again to 25 m 2 ).

Из графиков (фиг. 2) видно, что максимальная перегрузка в первом варианте равна 3,9 g, во втором варианте 3,3 g, в третьем - 2,3 g. Таким образом, предлагаемый способ позволяет снизить максимальное значение перегрузки более чем в два раза (если считать от «земного» уровня 1 g) в сравнении с вариантом неуправляемых при спуске щитков малой площади, т.е. с прототипом.From the graphs (Fig. 2) it can be seen that the maximum overload in the first version is 3.9 g, in the second version 3.3 g, in the third - 2.3 g. Thus, the proposed method allows to reduce the maximum overload value by more than two times (if we count from the "ground" level 1 g) in comparison with the option of uncontrollable flaps of a small area when descending, i.e. with a prototype.

По результатам моделирования выяснилось, что в случае с приведенными выше исходными данными щитки следует начинать складывать при перегрузке А=1,7 g, время сложения Т1=28 секунд. Вновь раскладывать щитки следует после паузы в течение времени Т2=13 секунд, время раскрытия щитков Т3=25 секунд. Максимальная перегрузка при этом составляет 2,3 g. В таблице на фиг. 3 приведены значения высоты, скорости, площади миделя и перегрузки в зависимости от времени от начала спуска.Based on the simulation results, it turned out that in the case of the above initial data, the flaps should begin to fold at overload A = 1.7 g, the addition time is T1 = 28 seconds. The flaps should be folded out again after a pause during the time T2 = 13 seconds, the opening time of the flaps is T3 = 25 seconds. The maximum overload is 2.3 g. In the table in FIG. 3 shows the values of altitude, speed, midship area and overload depending on the time from the start of the descent.

В случае, если для торможения использовать щитки только верхней группы, их следует начинать складывать при перегрузке А=2 g, время сложения Т1=20 секунд, пауза Т2=10 секунд, время раскрытия Т3=20 секунд. Максимальная перегрузка при этом составляет 2,7 g.If only the upper group flaps are used for braking, they should be folded at overload A = 2 g, the addition time is T1 = 20 seconds, the pause is T2 = 10 seconds, the opening time is T3 = 20 seconds. The maximum overload is 2.7 g.

Приведенные выше параметры управления щитками зависят от высоты начальной точки спуска, массы корабля, плотности воздуха по высотам. Эти параметры, выбранные на этапе математического моделирования, перед полетом должны быть введены в программу контроллера корабля.The above parameters for flap control depend on the altitude of the initial descent point, the mass of the ship, and the air density in altitude. These parameters, selected at the stage of mathematical modeling, must be entered into the program of the spacecraft controller before the flight.

Щитки в положении 7 и 9 производят также аэродинамическое управление кораблем при его движении по нисходящей траектории с целью приведения его в точку старта, или другую заданную точку посадки. Для этого по командам системы управления производится отклонение одного или нескольких щитков вверх на заданный угол с помощью привода. При этом обтекание корабля становится несимметричным, полная аэродинамическая сила отклоняется от вертикали в нужную сторону, что приводит к изменению траектории спуска в этом же направлении. Поскольку траектория подъема и спуска изначально выбирается близкой к вертикальной, кораблю для возврата к точке старта требуется сравнительно небольшая величина аэродинамического качества (0,1-0,3) для компенсации ветрового смещения и неточностей управления.Shields in positions 7 and 9 also perform aerodynamic control of the ship when it moves along a downward trajectory in order to bring it to the starting point, or another predetermined landing point. To do this, by the commands of the control system, one or more flaps are deflected upward by a given angle using the drive. In this case, the flow around the ship becomes asymmetric, the total aerodynamic force deviates from the vertical in the desired direction, which leads to a change in the descent trajectory in the same direction. Since the ascent and descent trajectory is initially chosen close to vertical, the ship needs a relatively low aerodynamic quality (0.1-0.3) to return to the launch point to compensate for wind displacement and control inaccuracies.

Описанным выше образом осуществляется аэродинамическое управление кораблем по осям тангажа и рыскания. Поскольку корабль является осесимметричным объектом, такого управления достаточно для приведения корабля в точку посадки.The aerodynamic control of the ship along the pitch and yaw axes is carried out in the manner described above. Since the ship is an axisymmetric object, this control is sufficient to bring the ship to the landing point.

На заключительном этапе посадки включается маршевый двигатель 3 и производится торможение корабля. При снижении скорости перед землей до практически нулевой, производится приземление на посадочные опоры 2. Ориентация корабля при этом осуществляется двигателями ориентации 4.At the final stage of landing, the main engine 3 is switched on and the ship is braked. When the speed in front of the ground is reduced to practically zero, the landing is made on the landing supports 2. The orientation of the ship is carried out by the orientation engines 4.

Поскольку в предлагаемом корабле щитки занимают всю площадь головного обтекателя и боковой поверхности, их суммарная площадь гораздо больше, чем в прототипе, что позволяет эффективно использовать их для управления перегрузкой.Since the flaps in the proposed ship occupy the entire area of the nose fairing and side surface, their total area is much larger than in the prototype, which makes it possible to effectively use them for congestion control.

Предлагаемый способ торможения суборбитального корабля позволяет существенно, более чем в 2 раза в сравнении с прототипом, снизить максимальную перегрузку при спуске.The proposed method of braking a suborbital vehicle allows significantly, more than 2 times in comparison with the prototype, to reduce the maximum overload during descent.

Основным назначением предлагаемого корабля является суборбитальный космический туризм. В процессе полета члены экипажа должны физически почувствовать особенности космического пространства, поэтому экипаж находится вне герметичной капсулы, непосредственно в открытом космическом пространстве, в скафандрах. Это позволяет дополнить восприятие полета ощущением космического вакуума, который проявляется в повышении жесткости и упругости скафандра, яркого солнечного света и перепадов температур на освещенной и теневой стороне скафандра. Состояние невесомости продолжается около 3 минут, за это время члены экипажа могут отстегнуться от кресла и плавать не только над креслом, но и на некотором расстоянии от корабля при условии, что они подготовлены к этому и соединены с кораблем с помощью фала.The main purpose of the proposed spacecraft is suborbital space tourism. During the flight, the crew members must physically feel the features of outer space, so the crew is outside the sealed capsule, directly in open space, in spacesuits. This makes it possible to supplement the perception of flight with the sensation of a space vacuum, which manifests itself in an increase in the rigidity and elasticity of the spacesuit, bright sunlight and temperature changes on the illuminated and shaded sides of the spacesuit. The state of weightlessness lasts about 3 minutes, during which time the crew members can unfasten from the seat and swim not only above the seat, but also at a certain distance from the ship, provided that they are prepared for this and connected to the ship with a halyard.

Другим назначением корабля является проведение высотных парашютных прыжков. В настоящее время достигнутая высота парашютного прыжка составляет 41,4 км (Алан Юстас, 25.10.2014 г.). Прыжок произведен с аэростата. Дальнейшее существенное увеличение высоты прыжка возможно только с помощью ракетных систем. Предлагаемый корабль позволяет расширить диапазон высот практически до 100 км. Спортсмен в скафандре с парашютом может покинуть корабль в любой точке траектории после окончания работы маршевого двигателя. Он может воспользоваться катапультным креслом или просто оттолкнуться от корабля ногами, и в течение действия невесомости удалиться от корабля на безопасное расстояние.Another purpose of the ship is to conduct high-altitude parachute jumps. Currently, the achieved skydiving height is 41.4 km (Alan Eustace, 10/25/2014). The jump was made from a balloon. A further significant increase in jump height is possible only with the help of rocket systems. The proposed ship allows you to expand the range of heights up to almost 100 km. An athlete in a spacesuit with a parachute can leave the ship at any point on the trajectory after the end of the propulsion engine. He can use the ejection seat or simply push off the ship with his feet, and during zero gravity move away from the ship to a safe distance.

Члены экипажа могут по своему выбору приземляться на парашюте или в корабле.Crew members may choose to land by parachute or in a ship.

При аварии корабля на старте, при посадке или в любой другой точке траектории экипаж может покинуть корабль с помощью катапультных кресел и приземлиться на индивидуальных парашютах.In the event of a ship accident at the start, during landing or at any other point of the trajectory, the crew can leave the ship using ejection seats and land on individual parachutes.

Для обеспечения перечисленных возможностей в предлагаемом корабле кресла экипажа выполнены катапультными, а щитки, образующие головной обтекатель, установлены над ними с зазором, обеспечивающим возможность катапультирования во всем диапазоне углов раскрытия этих щитков.To ensure the listed capabilities in the proposed ship, the crew seats are made ejection, and the flaps forming the head fairing are installed above them with a gap that provides the possibility of ejection in the entire range of opening angles of these flaps.

Практическая реализация предложенного корабля может основываться на применении отработанных и надежных основных агрегатов, применяемых в авиации и космонавтике: жидкостного ракетного двигателя многоразового запуска тягой 7-10 тонн, двигателей ориентации, системы управления, катапультных кресел К36 или их облегченных аналогов, скафандров «Сокол». Щитки могут быть изготовлены из дюралюминия или углепластика. Максимальная скорость корабля при снижении не превышает 1 км/с, поэтому тепловые нагрузки будут незначительными. Приводы каждой группы щитков могут быть электрическими, например, типа «винт-гайка» с вертикальным винтом на оси двигателя, и гайкой, шарнирно связанной штоками с каждым щитком. Такая конструкция обеспечивает синхронное и симметричное отклонение щитков. Для аэродинамического управления кораблем винт должен отклоняться от вертикали в двух взаимно-перпендикулярных направлениях.The practical implementation of the proposed spacecraft can be based on the use of proven and reliable main units used in aviation and astronautics: a reusable liquid rocket engine with a thrust of 7-10 tons, orientation engines, a control system, K36 ejection seats or their lightweight counterparts, Sokol spacesuits. Shields can be made of duralumin or carbon fiber. The maximum speed of the ship during descent does not exceed 1 km / s, so the heat loads will be insignificant. The drives for each group of shields can be electric, for example, of the "screw-nut" type with a vertical screw on the motor axis, and a nut pivotally connected by rods to each shield. This design provides synchronous and symmetrical deflection of the flaps. For aerodynamic control of the ship, the propeller must deviate from the vertical in two mutually perpendicular directions.

Claims (3)

1. Суборбитальный космический корабль, включающий раму, посадочные опоры, двигательную установку, систему управления, кресла экипажа и две группы щитков, каждый из которых шарнирно соединен с рамой и снабжен приводом, подключенным к системе управления, отличающийся тем, что в сложенном состоянии одна группа щитков образует головной обтекатель, а другая группа - боковую поверхность корабля, при этом все щитки соединены с рамой своей нижней кромкой, количество щитков в обеих группах одинаково, а в раскрытом состоянии щитки одной группы располагаются между щитками другой группы в проекции на направление полета.1. Suborbital spacecraft, including a frame, landing supports, propulsion system, control system, crew seats and two groups of shields, each of which is pivotally connected to the frame and equipped with a drive connected to the control system, characterized in that in the folded state one group the flaps form the head fairing, and the other group forms the side surface of the ship, while all the flaps are connected to the frame by their lower edge, the number of flaps in both groups is the same, and in the open state the flaps of one group are located between the flaps of the other group in projection to the direction of flight. 2. Суборбитальный космический корабль по п. 1, отличающийся тем, что кресла экипажа выполнены катапультными, а группа щитков, образующих головной обтекатель, установлена над ними с зазором, обеспечивающим возможность катапультирования во всем диапазоне углов раскрытия упомянутых щитков.2. The suborbital spacecraft according to claim 1, characterized in that the crew seats are ejection-like, and a group of shields forming the head fairing is installed above them with a gap allowing ejection in the entire range of opening angles of said shields. 3. Способ торможения суборбитального космического корабля в атмосфере, состоящий в раскрытии щитков во время спуска и контроле величины перегрузки и времени, отличающийся тем, что перед входом в атмосферу щитки раскрывают на максимальные углы, затем, при нарастании перегрузки до величины А, щитки плавно складывают в течение времени Т1 до минимального угла раскрытия, выдерживают паузу в течение времени Т2, а затем вновь плавно раскрывают в течение времени Т3 до максимального угла раскрытия, при этом величины A, T1, Т2 и Т3 получают перед полетом по результатам математического моделирования процесса спуска, а углы максимального раскрытия щитков выбирают из условия обеспечения одновременно максимального значения площади их проекции на направление полета и стабилизации спуска корабля.3. A method of braking a suborbital spacecraft in the atmosphere, consisting in opening the flaps during descent and controlling the magnitude of the overload and time, characterized in that before entering the atmosphere, the flaps are opened to maximum angles, then, when the overload increases to value A, the flaps are smoothly folded during the time T1 to the minimum opening angle, pause for the time T2, and then smoothly open again during the time T3 to the maximum opening angle, while the values of A, T1, T2 and T3 are obtained before the flight according to the results of mathematical modeling of the descent process, and the angles of the maximum opening of the flaps are selected from the condition of simultaneously ensuring the maximum value of the area of their projection onto the direction of flight and stabilizing the descent of the ship.
RU2020125750A 2020-07-28 2020-07-28 Suborbital spacecraft and the method for its braking in the atmosphere RU2759358C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020125750A RU2759358C1 (en) 2020-07-28 2020-07-28 Suborbital spacecraft and the method for its braking in the atmosphere

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020125750A RU2759358C1 (en) 2020-07-28 2020-07-28 Suborbital spacecraft and the method for its braking in the atmosphere

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2759358C1 true RU2759358C1 (en) 2021-11-12

Family

ID=78607290

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020125750A RU2759358C1 (en) 2020-07-28 2020-07-28 Suborbital spacecraft and the method for its braking in the atmosphere

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2759358C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3118636A (en) * 1959-01-08 1964-01-21 Avco Mfg Corp Space vehicle
US5873549A (en) * 1996-09-25 1999-02-23 Mcdonnell Douglas Corporation Vehicle rotation and control mechanism
RU2213682C2 (en) * 2001-12-29 2003-10-10 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П.Королева" Spacecraft for descent in atmosphere of planet and method of its descent (variants)
US8408497B2 (en) * 2009-02-24 2013-04-02 Blue Origin, Llc Launch vehicles with fixed and deployable deceleration surfaces, and/or shaped fuel tanks, and associated systems and methods
RU2482030C2 (en) * 2011-07-26 2013-05-20 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный научно-производственный ракетно-космический центр "ЦСКБ-Прогресс" (ФГУП "ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс") Carrier rocket

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3118636A (en) * 1959-01-08 1964-01-21 Avco Mfg Corp Space vehicle
US5873549A (en) * 1996-09-25 1999-02-23 Mcdonnell Douglas Corporation Vehicle rotation and control mechanism
RU2213682C2 (en) * 2001-12-29 2003-10-10 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П.Королева" Spacecraft for descent in atmosphere of planet and method of its descent (variants)
US8408497B2 (en) * 2009-02-24 2013-04-02 Blue Origin, Llc Launch vehicles with fixed and deployable deceleration surfaces, and/or shaped fuel tanks, and associated systems and methods
RU2482030C2 (en) * 2011-07-26 2013-05-20 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный научно-производственный ракетно-космический центр "ЦСКБ-Прогресс" (ФГУП "ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс") Carrier rocket

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9387929B2 (en) Vertical takeoff and landing (“VTOL”) aircraft
US9878257B2 (en) Aerial vehicles and methods of use
JP5508017B2 (en) Aerodynamic and space flight airplanes and related maneuvering methods
US11485477B2 (en) Flying apparatus
Anderson Historical overview of V/STOL aircraft technology
EP3532375A1 (en) Vertical take-off and landing aircraft and control method
US20190176981A1 (en) Vertical Takeoff and Landing ("VTOL") Aircraft
US20060032970A1 (en) Tall V/STOL aircraft
US5984229A (en) Extremely short takeoff and landing of aircraft using multi-axis thrust vectoring
US20170008622A1 (en) Aircraft
JP2002068095A (en) Airship-shaped space craft
US11084567B2 (en) Airplane with configuration changing in flight
CN111959824B (en) Heavy reusable aerospace vehicle system with space-based emission
US20230406549A1 (en) Uav system and method for simulation of reduced-gravity environments
WO2023155908A1 (en) Aircraft and layout and operation method thereof
RU2759358C1 (en) Suborbital spacecraft and the method for its braking in the atmosphere
Nagabhushan et al. Thrust vector control of a V/STOL airship
WO2015191747A1 (en) Aerial vehicles and methods of use
RU2730300C2 (en) Device for mass delivery of tourists to stratosphere and subsequent return to ground
Nagabhushan et al. Thrust-vectored takeoff, landing, and ground handling of an airship
WO2021118401A1 (en) Device for the high-speed intercontinental transportation of passengers
Ward et al. Control Authority of a Single-Surface Parafoil with Bleed-Air Spoilers
EP4279383A1 (en) Convertible aircraft capable of hovering
Barzda Rotors for recovery.
Zhandildinova et al. Ummanned aerial vehicle control with a wing circulation system