Пилотируемый космический корабль

Реферат

 

Изобретение относится к ракетно-космической технике и более конкретно - к космическим кораблям, имеющим в своем составе спускаемый аппарат с несущим корпусом для доставки экипажа в космос и его возвращения на Землю. Предлагаемый космический корабль содержит помимо спускаемого аппарата двигательный отсек и стыковочный агрегат. При этом спускаемый аппарат установлен носовой частью на двигательном отсеке, а стыковочный агрегат - на донной части спускаемого аппарата. Указанные агрегат, отсек и спускаемый аппарат расположены соосно друг другу. Кресла экипажа расположены в корпусе спускаемого аппарата, обращены к кормовой части спускаемого аппарата и имеют возможность поворота на сравнительно небольшой угол относительно поперечной плоскости аппарата в направлении к его носовой части. Изобретение позволяет улучшить компоновку корабля на носителе, повысить его эксплуатационные качества и расширить функциональные возможности. 8 ил.

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано в отраслях промышленности, занимающихся проектированием и созданием космических кораблей (КК), предназначенных для исследовательских целей, транспортных операций и монтажных работ в космосе и выводимых ракетами-носителями (РН).

Известны КК одноразового использования серий "Восток", "Восход", Союз", американские КК серий "Меркурий", "Джемини", экспедиционные КК "Аполлон" [1] .

Эти пилотируемые КК содержат спускаемый аппарат (СА) одноразового использования с малым аэродинамическим качеством, в котором размещены кресла космонавтов. КК содержат также двигательный отсек (ДО) с тормозной двигательной установкой, двигательной установкой для маневрирования и коррекции траектории полета на орбите искусственного спутника Земли (ОИСЗ) и другие элементы функционирования КК. Они позволяют проводить исследовательские работы на ОИСЗ, расстыковку на орбите с ДО и спуск с орбиты СА.

Космические корабли серий "Союз", "Аполлон", содержат также стыковочный агрегат (СтА), который размещают либо вне СА ("Союз") [2], либо на сужающейся носовой части СА ("Аполлон") [3]. Эти КК позволяют проводить операции стыковки с другими космическими объектами, например с орбитальной станцией (ОС) или лунным модулем.

Поскольку СА, входящие в состав этих КК, имеют низкое аэродинамическое качество (К=00,4) [4], они осуществляют спуск с ОИСЗ по баллистической или близкой к ней траекториям. Поэтому на космонавтов воздействуют большие перегрузки (~48 ед.) на участке спуска по штатной траектории и предельно допустимые кратковременные - на аварийных траекториях (до 25 ед.), существенно уменьшить которые для аппаратов этого класса не представляется возможным, что является недостатком этих технических решений.

Известен и принят авторами за прототип транспортный КК многоразового использования Европейского космического агентства (ЕКА) "CTV", разрабатываемый на базе корабля-спасателя NASA "CRV" (Х-38) для международной космической станции (МКС), который в настоящее время проходит летную экспериментальную отработку [5].

С целью минимизации стартовой массы этот КК состоит из двух состыкованных основных и выполняющих различные функции отсеков: спускаемого на Землю аппарата многоразового использования и двигательного отсека, который перед входом КК в атмосферу отделяют от СА.

Спускаемый аппарат представляет собой бескрылую конструкцию с несущим корпусом и относится к классу аппаратов со средним аэродинамическим качеством (К1). За счет аэродинамического качества СА совершает планирующий спуск в атмосфере, чем достигается снижение перегрузок, действующих на космонавтов. В нем размещают экипаж, служебную аппаратуру и оборудование. Стыковочный агрегат размещают в кабине экипажа и устанавливают на верхней части корпуса СА.

Спускаемый аппарат установлен кормовой частью на двигательный отсек, в котором размещают маршевую двигательную установку с запасами топлива и двигатели для орбитального маневрирования.

Двигательный отсек заканчивается торцевым шпангоутом, посредством которого КК устанавливают на ракету-носитель.

Перед спуском СА на Землю кресла экипажа отклоняют назад в сторону кормовой части на определенный угол относительно поперечной плоскости СА в зависимости от направления перегрузки, действующей на СА.

Этому техническому решению присущи следующие недостатки.

1. Известно, что оптимальный угол между направлением перегрузки и линией спины космонавта 78o [6], при котором перегрузка в направлении "грудь-спина" будет составлять 97%, а в направлении "голова-ноги "21% от действующей на СА перегрузки. Направление максимальной перегрузки, действующей на СА при спуске, составляет угол с продольной осью аппарата ~75o.

Поскольку в СА корабля "CTV" космонавты обращены лицом к носовой части СА, для обеспечения их оптимального положения при спуске, кресла космонавтов отклоняют в сторону кормовой части относительно поперечной плоскости СА на угол ~93o. Обеспечение оптимального положения космонавтов на спуске особенно необходимо на нештатных траекториях спуска или при возвращении заболевшего космонавта. Выполнение этого требования (т.е. поворота кресла на 93o) для многоместного корабля связано со значительным увеличением объема кабины экипажа, с усложнением компоновки оборудования и механизма поворота кресел и, как следствие, приводит к увеличению размеров и массы корабля.

2. В связи с тем что на корабле "CTV" стыковочный агрегат установлен в верхней части корпуса СА и на участке выведения и при спуске не должен выступать за обводы корпуса, СтА размещается в кабине экипажа. Это требует дополнительного объема кабины и приводит к усложнению процесса стыковки. Для исключения соударения корабля с элементами конструкции космического объекта в процессе причаливания СтА устанавливают непосредственно на выдвижном тоннеле с элементами герметизации и перед стыковкой выдвигают за срез килей СА. Это усложняет и утяжеляет конструкцию СА.

3. Ограничиваются функциональные возможности КК вследствие того что СтА расположен перпендикулярно продольной оси КК, по которой установлен маршевый двигатель, в связи с чем невозможна коррекция орбиты космических объектов, с которыми состыкован КК, его маршевым двигателем.

Задачей изобретения является улучшение конструктивно-компоновочного решения, повышение эксплуатационных качеств и расширение функциональных возможностей пилотируемого КК. Техническим результатом изобретения являются: - минимизация объема, массы и упрощения конструкции КК при сохранении возможности обеспечения оптимального положения экипажа на всех участках полета КК; - обеспечение удобства визуального наблюдения и управления процессом сближения и стыковки КК с другими объектами за счет переноса СтА на донную часть, упрощение доступа к СтА; - обеспечение возможности коррекции орбиты состыкованных объектов маршевой двигательной установкой, что предопределяет универсальность использования КК; - повышение безопасности проведения операций сближения и стыковки с другими космическими объектами за счет расположения двигательного отсека КК с противоположной стороны от СтА.

Задача решается таким образом, что в предлагаемом пилотируемом КК, содержащем СА с несущим корпусом, установленным на ДО и содержащем СтА, кресла космонавтов, размещенные в корпусе СА, а СА установлен носовой частью на ДО и соосно с ним, а СтА установлен на донной части СА соосно с последним, при этом кресла космонавтов обращены к кормовой части с возможностью поворота относительно поперечной плоскости СА в направлении к носовой части.

Сущность изобретения иллюстрируется схемами компоновки КК и схемами установки в нем кресел космонавтов.

На фиг. 1 представлена схема компоновки КК и основные его элементы. На фиг. 2 показаны положения кресел космонавтов КК при выведении его на ОИСЗ и для орбитального полета. На фиг.3 показано положение кресел космонавтов на участке спуска СА. На фиг.4 представлена схема компоновки КК в составе РН.

На этих иллюстрациях указаны: 1 - спускаемый аппарат, 2 - двигательный отсек корабля, 3 - стыковочный агрегат корабля, 4 - кресла космонавтов, 5 - носовая часть спускаемого аппарата, 6 - кормовая часть спускаемого аппарата, 7 - донная часть спускаемого аппарата, 8 - торцевой шпангоут двигательного отсека, 9 - кабина космонавтов, 10 - аэродинамический обтекатель, 11 - иллюминатор, 12 - ракета-носитель, 13 - механизм поворота кресел, 14 - маршевый двигатель, 15 - двигательная установка.

На фиг.5, 6, 7, 8 (см. также [5] и [7]) иллюстрируются аналогичные схемы для КК "CTV", выбранного в качестве прототипа, с указанием идентичных позиций.

Пилотируемый КК (фиг. 1) содержит СА 1 с несущим корпусом. СА 1 установлен на ДО корабля 2 с возможностью отделения от СА 1 на орбите, например, с помощью пиросредств. ДО корабля 2 содержит двигательную установку 15 для изменения скорости и траектории полета КК на ОИСЗ. КК содержит СтА 3, установленный на СА 1, с возможностью проведения операций стыковки с другими объектами на ОИЗС. В СА 1 корабля установлены кресла космонавтов 4.

В пилотируемом КК (фиг.1, 2, 3 и 4), в отличие от прототипа (фиг.5, 6, 7 и 8), СА 1 установлен на ДО корабля 2 носовой частью спускаемого аппарата 5 (а не кормовой частью, как на прототипе) соосно с ДО корабля 2, а СтА 3 размещают на донной части 7 СА 1 (а не на верхней части корпуса СА 1, как на прототипе) соосно с последним.

Кресла космонавтов 4 (фиг.1, 2) устанавливают для посадки космонавтов лицом к донной части спускаемого аппарата 7, а не к носовой части 5 СА 1, как в прототипе (фиг.5), с возможностью их поворота перед спуском относительно поперечной плоскости СА 1 в направлении к носовой части 5 СА 1 на угол 60o (фиг. 3). При отклонении кресел космонавтов 4 на угол 60o требуется меньший размер кабины космонавтов 9, чем при отклонении кресел на угол ~90o, как принято в прототипе (фиг.6, 7). Масса и размер СА 1 соответственно уменьшаются, упрощается компоновка оборудования СА 1 и механизм поворота кресел 13. При этом обеспечивают оптимальное положение космонавтов на спуске с орбиты относительно действующей на СА 1 перегрузки.

На двигательном отсеке корабля 2 смонтирован торцевой шпангоут 8 ДО 2, посредством которого КК устанавливают на РН 12 (фиг.1).

Перед запуском КК торцевым шпангоутом 8 ДО 2 устанавливают на РН 12, донную часть 7 СА 1 закрывают аэродинамическим обтекателем 10, который после прохождения плотных слоев атмосферы отделяют от корабля (фиг.4).

Полет КК и проведение операций осуществляют следующим образом.

В процессе выведения на орбиту космонавты обращены лицом к донной части 7 спускаемого аппарата 1 (фиг.1, 2). На космонавтов воздействуют перегрузки в благоприятном направлении "грудь-спина".

На орбитальном участке полета космонавты, находясь в креслах космонавтов 4, обращены лицом к СтА 3 (фиг.1, 2), что обеспечивает удобство управления, визуальный контроль через иллюминатор 11 процессом стыковки с другими объектами и удобство перехода космонавтов из КК в другие космические объекты, например, ОС или МКС, что является следствием установки СтА 3 на донной части 7 СА 1 с высвобождением объема кабины космонавтов 9, в отличие от прототипа, в котором управление и контроль процесса стыковки усложняется (фиг. 5).

Так как СтА 3 уставлен соосно с маршевым двигателем 14, возможна коррекция орбиты пристыкованных объектов маршевым двигателем 14 корабля.

Кроме того, поскольку двигательная установка 15 находится с противоположной стороны от СтА 3, повышается безопасность проведения операций сближения и стыковки с другими объектами.

После выполнения работ в космосе производят торможение КК маршевым двигателем 14, ДО 2 отделяют от СА 1, который затем осуществляет спуск на Землю.

В процессе спуска СА 1 совершает полет на балансировочном угле атаки. Кресла космонавтов 4 отклоняют в сторону носовой части СА 1 на угол 60o (фиг. 3), чем обеспечивают оптимальное положение экипажа при спуске относительно действующей на СА 1 перегрузки.

Таким образом, улучшают эксплуатационные качества и расширяют функциональные возможности КК.

После спуска СА 1 в заданный район и уменьшения скорости, соответствующей числу М~0,8, вводят средства обеспечения посадки аппарата.

Литература 1. Космонавтика: Энциклопедия. / Под редакцией В.П. Глушко. М.: Советская энциклопедия, 1985, с.189.

2. Там же, с.370.

3. Там же, с.26.

4. Там же, с.40.

5. Х-38, CRU and CRU Evolution - Program Overview and European Role. D. Sygylla. 51st International Astronautical Congress, 2-6 Oct. 2000/Rio de Janeiro, Brasil, page 9.

6. Космонавтика: Энциклопедия. / Под редакцией В.П.Глушко. М.: Советская энциклопедия, 1985, с.208.

7. The X-38 and Crew Return Vehicle Programmes, ESA Bulletin 101, February, 2000.

Формула изобретения

Пилотируемый космический корабль, содержащий спускаемый аппарат с несущим корпусом, установленный на двигательный отсек и содержащий стыковочный агрегат, поворотные кресла космонавтов, размещенные в корпусе спускаемого аппарата, отличающийся тем, что спускаемый аппарат установлен носовой частью на двигательный отсек соосно с ним, а стыковочный агрегат установлен на донной части спускаемого аппарата соосно с последним, при этом кресла космонавтов обращены к кормовой части с возможностью поворота относительно поперечной плоскости спускаемого аппарата в направлении к носовой части.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8