[1]
Изобретение относится к
космической области техники, а именно к многоразовым космическим аппаратам (КА).
[2]
Известны космические аппараты (КА), имеющие форму усеченного конуса.
Примером такого КА может служить
первый американский космический корабль (КК) «Меркурий» (фиг.1) [1]. С тех пор принято называть подобные конструкции капсульного типа. После схода с орбиты эта
капсула, выполненная в форме усеченного
конуса, летит широкой частью вперед, при этом круглый лобовой теплозащитный экран сферической формы, закрывающий широкую часть КА, может отстреливаться после
торможения в атмосфере. У КК «Меркурий»
лобовой теплозащитный экран отстреливался, но полностью не отделялся, а вытягивал сотовый амортизатор, смягчавший удар при приводнении. У космического корабля
(КК) «Союз» лобовой экран отстреливается
полностью, у КК «Джемини» и «Аполлон» лобовой экран не отделялся совсем [2].
[3]
Форма и конфигурация КА (капсулы) в виде усеченного конуса,
летящего широкой частью вперед и закрытой лобовым
теплозащитным экраном, является рациональной по ряду факторов, в частности:
[4]
- отличается благоприятным распределением тепловых потоков
по сравнению, например, со сферой или с конусом,
летящим заостренной частью вперед; фактически, лобовой экран играет роль рассекателя атмосферы (wake shield), образуя ударную волну (фиг.2);
[5]
- при определенных условиях (при полете с
углом атаки) КА (капсула) обладает аэродинамическим качеством;
[6]
- при наличии угла атаки капсула управляется при спуске в атмосфере при
сверхзвуковых скоростях за счет разворотов по крену,
требующих небольших управляющих моментов;
[7]
- имеет хорошее объемное заполнение и внутреннюю компоновку;
[8]
- хорошо
компонуется на ракете-носителе (РН), вписываясь в
обтекаемую головную часть;
[9]
- направление перегрузок благоприятно для экипажа как на участке выведения на орбиту (на РН), так и при
торможении в атмосфере, а также при приземлении.
[10]
Опыт создания американских космических кораблей «Меркурий» и «Джемини» [3] показал, что наружная оболочка корпуса капсулы может быть
выполнена из теплостойких металлических сплавов; капсула
после возвращения с орбиты остается пригодной для повторного использования. Это было подтверждено на практике в полете «Джемини-2»; его
капсулу успешно использовали второй раз в 1966 г по программе
MOL (проект орбитальной станции, позднее закрытой) [4].
[11]
Недостатком КА капсульного типа является небольшая величина
подъемной силы, так называемое малое аэродинамическое качество
(отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению). Этот недостаток проявляется при возвращении с орбиты на обоих основных участках
полета: при торможении в атмосфере и, особенно, при приземлении. В
первом случае это приводит к ограниченным возможностям в части бокового маневра, во втором - к невозможности посадки
«по-самолетному», на взлетно-посадочную полосу (ВПП). В результате, все КА
капсульного типа приземлялись на парашютах.
[12]
Для посадки на ВПП необходимо обеспечить достаточно большое
аэродинамическое качество.
[13]
Именно по этой причине при создании
многоразового КК «Спейс Шаттл» (фиг.3) была выбрана крылатая конфигурация с дельтовидным крылом, обеспечивающая большую
устойчивость и большой боковой маневр по сравнению с другими формами крыльев
[5]. Основной задачей было обеспечить посадку «орбитера» (возвращаемого на Землю элемента космической транспортной системы
«Спейс Шаттл») на ВПП за счет большого аэродинамического качества как при
сверхзвуковых скоростях (для возможности большого бокового маневра), так и при дозвуковых скоростях (при заходе на посадку и
при приземлении).
[14]
Имеется существенное противоречие между
желательными формами КК на различных участках полета: при выводе на орбиту на ракете-носителе (РН), при спуске в атмосфере и
при приземлении. При гиперзвуковых скоростях (особенно при больших числах
Маха) крылатая форма, хотя и обеспечивает большой боковой маневр, в целом, не рациональна, в частности, очень большие
поверхности КА нуждаются в специальной теплозащите. Дополнительное требование по
многоразовому использованию приводит к утяжелению теплозащиты (ее суммарная масса у «орбитера» «Спейс Шаттл»
составляет около 9 тонн) и усложнению ее конфигурации, конструкции и технологии. Компоновка
такого корабля на РН также затруднена.
[15]
Основные недостатки крыльев для космического корабля
проявляются также в следующем.
[16]
При выводе на орбиту крылья создают серьезные
проблемы, связанные с безопасностью. Так крылья «орбитера» «Спейс Шаттл» подвержены опасности повреждения
при взлете и при спуске, что, в конце концов, привело к гибели «Колумбии» в результате
повреждения кромки крыла обломком теплозащиты, отвалившимся от навесного бака РН.
[17]
После схода с
орбиты, при торможении в атмосфере крылатый «орбитер» «вынужден» лететь нижней частью
фюзеляжа («брюхом») вперед с тем, чтобы избежать, прежде всего, перегрева носка, кромок крыльев и
стабилизатора.
[18]
Кроме того, в такой конфигурации при торможении в атмосфере «орбитер»
является плохо управляемым летательным аппаратом, имеющим небольшой запас устойчивости, в
результате чего он очень чувствителен к повреждениям. Это тоже проявилось, в частности, при последнем полете
«Колумбии».
[19]
Теплозащита «орбитера» реализована в виде специальных матов и
плиток, закрывающих весь корпус и защищающих его от перегрева. Эти плитки, общее число которых превышает 27000,
и большая часть которых приклеиваются к корпусу, в целом имеют большую массу, дороги,
нетехнологичны, и, кроме того, их контроль в полете и при межполетном обслуживании затруднителен и длителен.
[20]
Направление перегрузок, действующих на экипаж «Спейс Шаттла» при взлете на
РН и спуске, различно, что вызывает дополнительные осложнения.
[21]
Известны также КА в виде несущего
корпуса с наклонными стабилизаторами (фиг.4). Такая форма аппарата рассматривалась в
качестве варианта на ранней стадии разработки «Спейс Шаттла» [5]. КА с несущим корпусом имеют меньшие габариты,
обладают неплохой устойчивостью и средним аэродинамическим качеством, также
обеспечивающим маневрирование в атмосфере и посадку на ВПП.
[22]
Однако и этим конструкциям также присущи те же
основные недостатки, которые отмечены для «Спейс Шаттла».
[23]
Для
уменьшения габаритов палубных самолетов для авианосцев широко применятся складывающиеся крылья. С целью облегчения
теплозащиты КА при возвращении с орбиты (при торможении в атмосфере) было также
предложено применить складывающиеся крылья [5]. Такой подход, в частности, превращал аппарат с несущим корпусом и
наклонными стабилизаторами в крылатую конструкцию (фиг.5).
[24]
Однако
практического применения идеи со складыванием крыльев и стабилизаторов для возвращаемых на Землю КА не получили ввиду
их недостаточной эффективности без дополнительных мероприятий.
[25]
Задачей изобретения является одновременное обеспечение как достаточно большого аэродинамического качества, так и
защищенности КА от аэродинамических и тепловых нагрузок при торможении в атмо…
