Интегрированное решение для захвата и удержания возвращаемых ступеней космических аппаратов.

Возможность повторного использования разгонных ступеней космических аппаратов позволяет существенно снизить стоимость их запусков. При этом желательно минимизировать издержки и связанные с этим изменения в их конструкции, поскольку основной функцией ступени по прежнему остается — вывод полезной нагрузки в космос. Предлагаемое решение явилось результатом поиска в указанном направлении.
Комплекс представляет из себя, посадочную площадку (2) базирующихся на земле, либо на барже, с размерами достаточными для гарантированного приёма, с учетом погрешности точности приземления, возвращаемых ступеней.
Посадочная площадка рассчитана выдержать вес возвращаемой ступени (1) и в основании имеет ячеистую структуру (2), пропускающую через себя реактивные газы.
Непосредственно под посадочной площадкой находится система отвода и гашения реактивных газов при торможении ступени, в простейшем случае это может быть бассейн с водой.

По периметру стоят четыре высотные опоры (3). На необходимой высоте и на одном уровне из каждой опоры выходят удерживающие стропы (4), образующие четыре петли, которые формируют один уровень петли захвата (6).
При использовании многоуровневой (5) петли захвата, появляется возможность полного удержания ступени (1) в образуемой многоуровневой сети. В таком случае необходимость в посадочной площадке (2) отпадает совсем.

В целом конструкция выглядит и функционирует следующим образом:
В начальный момент, на площадке, готовой к приёму ступени, петля захвата (6) максимально распахнута, формируя периметр области захвата.

С момента, когда станет достаточно точно известной точка приземления ступени, наступает второй этап: Позиционирование и формирование петли захвата (6) вокруг спускающейся ступени (1).

Автоматизированная система, отслеживая положение петли (6) вокруг ступени (1) и с помощью лебёдок (7), оперативно сужает петлю захвата (6), не касаясь поверхности ступени до полной её посадки. Но, при необходимости, петля (6) может быть активно задействована и во время посадки для стабилизации положения ступени, ограничивая возможность отклонений.

В момент устойчивого касания ступенью (1) посадочной площадки происходит затягивание петли (6). Таким образом, обеспечивается надежная фиксация ступени (1) в вертикальном положении. Расположение петли на самом верху позволяет лёгкими усилиями надежно удерживать ступени в вертикальном положении.

Выше был рассмотрен вариант посадки на платформу. В этом случае петля способна только поддерживать ступень (1) в вертикальном положении, но, с увеличением у петли числа уровней, появляется возможность полного захвата и удержания возвращаемой ступени на весу в образуемой петлёю сети.

Пример трехуровневой петли захвата в морском варианте базирования, на барже (8). Полное удержание ступени (1) в петле позволяет отказаться от конструирования посадочной площадки.

Была описана общая схема работы комплекса. Теперь необходимо пояснить устройство значимых деталей и узлов системы.


Если ступень (1) приземляется на посадочную площадку, а петля захвата выполняет только функцию удержание ступени (1) в вертикальном положении, то для предохранения сопла (11) от повреждения, ступень дорабатывается следующим образом. У основания ступени (1) монтируется опорное посадочное кольцо (9), на которое через стержни (10) будет передаваться нагрузка веса ступени (1).

При одноуровневой петле (5) этот вариант позволяет ограничится лишь незначительным усилением корпуса ступени (1) в области контакта с петлёй захвата (6).  Поскольку усилия для поддержания ступени в вертикальном положении, крайне малы.

При многоуровневой петле (5) нагрузка на корпус дополнительно распределяется по высоте ступени и это может позволить совсем отказаться от необходимости усиления корпуса.

Если многоуровневая петля (5) используется для полного захвата и удерживания ступени в своей сети, на весу, необходимость в кольце (9)  отпадает, но в местах контакта с петлёй захвата потребуется усиление корпуса ступени, особенно в её основании. Система контроля натяжения тросов настраивается так, чтобы вся нагрузка веса ступени приходилась на нижние уровни многоуровневой петли захвата. При этом, верхние уровни остаются максимально разгруженными и используются только для стабилизации вертикального положения. Такое распределение натяжений,  оптимально нагружает высотные опоры (3) .

Очевидно, что место приложения сил от петли захвата должно совпадать с местом расположения шпангоута — поперечного силового элемента каркаса ступени.

Кинематика петель захвата пояснена на следующей упрощённой схеме. Один уровень петли захвата фактически состоит из четырёх петель, тянущих в разные стороны в направлении высотных опор (3).
Ниже изображена одна из петель (12). Остальные три скрыты.
Свободно вращающиеся колеса (13) двух блоков и вспомогательный натяжитель (14) позволяют сформировать петлю (12) с максимальной площадью охвата. Основная нагрузка (15) с данной петли после захвата ступени, будет передана крайней правой колонне (3).

 

На этом рисунке добавлены изображения колёсиков (13) блоков, натяжителя (14) и самой петли, передающей свою основную нагрузку (15) противоположной, крайне левой колоне (3).

На этой схеме отображены две петли работающие в перпендикулярном направлении.

 

 

 

Полностью схема выглядит так.

 

 

Реальный блок (16) и стропы могут выглядеть следующем образом.

Блок (16) увеличено.
Место фиксации стропы и блока (17). Свободно вращающиеся колесики блока (13)

Для обеспечения более мягкого взаимодействия петли захвата и поверхности возвращаемой ступени могут быть использованы четыре трубы (18) из материала необходимой упругости. Длина каждой трубы равна или чуть меньше четверти длинны окружности корпуса ракеты.
Это позволит распределить удерживающие силы петли более равномерно и на большую площадь поверхности ракеты, а за счёт проворачивания труб, даст возможность вертикального проскальзывания петли относительно корпуса, улучшая условия позиционирования затягиваемой петли на корпусе ракеты.

 

В случае одноуровневой конструкции натяжение строп происходит через блоки (19) (20), находящиеся на вершине четырёх высотных колон (3).

В многоуровневой системе каждый из уровней имеет свой набор подобных блоков натяжения на соответствующих уровнях вышки.

 

Требуемое натяжение в стропах осуществляется с помощью лебёдок (7), расположенных в основании вышек (3).

После захвата и фиксации ступени функция дальнейшего удержания натяжения петли выполняется простейшими замками-блокираторами на лебёдках.

Основные преимущества данного решения.


  • Все сложности и конструктивные изменения, связанные с решением проблемы посадки возвращаемой ступени, переносятся с возвращаемой ступени на посадочную площадку. Как следствие, это минимизирует изменения в конструкции ступени сохраняя её прежний вес и надежность.
  • Канатная система позволяет надежно зафиксировать ступень в любой точке посадочной площадки достаточно большой площади.
  • Петлевая форма контакта позволяет избежать точечных нагрузок и распределить усилие удержания ступени
    • по окружности, вдоль места контакта петли с корпусом
    • по высоте ступени, при использовании многоуровневой схемы.
  • Отсутствие нагрузки в системе канатов в момент позиционирования петли вокруг корпуса ступени позволяет:
    1.  быстро и точно производить позиционирование, что особенно важно в непредсказуемо меняющихся погодных условиях — сильном порывистом ветре, качке баржи, при морском базировании.
    2. использовать высокоскоростные лебёдки достаточно простой конструкции.
  • При эксплуатации в морском базировании, на барже позволяет отказаться от необходимости дополнительных средств фиксации.
  • Совместная, а также слаженная работа
    системы позиционирования на борту возвращаемой ступени и
    системы управления петлёй захвата посадочной площадки
    позволит многократно увеличить надёжность удержания ступени даже самых сложных условиях.
  • Современный уровень развития реактивной техники не позволяет изменять динамично и в широком диапазоне величину тяги реактивного двигателя. В этом нет необходимости при взлёте, но для обеспечения «мягкой» посадки, это способность становится критически важным фактором.

При посадке, особенно в её самой последней фазе, основным способом стабилизации вертикального положения ступени является изменение вектора тяги тормозных двигателей. Поэтому до полной посадки желательно иметь достаточно сильную тягу. Если посадочная площадка представляет из себя сплошную ровную поверхность, то на малых (единицы метров) высотах из-за “Экранного эффекта” (“Ground effect”) вертикальная составляющая тяги (эффективность реактивных газов при торможении) существенно возрастает, по мере снижения ступени к поверхности посадочной площадки. При этом эффективность поперечной коррекции путем изменения вектора тяги возрастает не столь значительно, зато сильно меняются её характеристики.
Для компенсации последствий “Экранного эффекта” приходится сильно снижать тягу, одновременно это значительно ухудшает возможность поперечной стабилизации.
Снижение тяги возможно в достаточно узком диапазоне и до определенного, минимального уровня, ниже которого двигатель отключается, и, соответственно, его тяга с минимального уровня резко падает до нуля.
Для расширения диапазона изменения величины тяги приходится использовать конструкцию, состоящую из несколько двигателей. При достижении двигателями режима минимально допустимой тяги это позволяет добиться её дальнейшего снижения для ступени в целом, путём их поочерёдного отключения.

Минимизация “Экранного эффекта” позволит повысить управляемость ступени в самые последние,  критически важные моменты посадки.

Предлагаемое решение это — либо использовать посадочную площадку, основание которой имеет ячеистую структуру, либо совсем отказаться от посадочной площадки путём захвата и удержания ракеты в предлагаемой многоуровневой сети. Очевидно, что посадочная площадка, в свою очередь, должна быть расположена на достаточной высоте, во избежание негативного воздействия земли под ней. Для уменьшения этой высоты под площадкой можно расположить бассейн с водой, которая соприкасаясь с реактивными газами будет эффективно охлаждать их, уменьшая их объем, и таким образом ещё сильнее подавляя проявление “Ground effect”.

Надеюсь этот патент займет свое достойное место рядом с US8678321

Насколько разрушительны нагрузки на корпус ракеты во время захвата и удержания:

На примере Falcon 9 (штатное положение ракеты после возвращения) Load

Нагрузки, которые испытывает корпус в таком, горизонтальном положении, в предлагаемой системе захвата недостижимы.

© Чикирев Сергей Анатольевич

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*