Ступень ракеты-носителя для выведения космического аппарата

 

Изобретение относится к космической технике, в частности к конструкциям ступеней ракет носителей для выведения космических аппаратов. Технической задачей изобретения является повышение точности выведения космического аппарата на заданную орбиту путем снижения величин виброударных нагрузок на приборы системы управления при одновременном упрощении конструкции и расширении области применения. В ступени ракеты носителя для выведения космического аппарата приборы системы управления 17 размещены в герметичном корпусе 14, выполненном в виде силовой оболочки с торцевыми шпангоутами, помещенном внутри ступени и соединенном с платформой 1 через промежуточный элемент 18 при помощи узлов крепления, размещенных на локальных приливах, жестко скрепленных с одним из шпангоутов герметичного корпуса по его периметру и смещенных относительно узлов крепления 10 носового обтекателя 11 и узлов крепления для соединения 12 с двигателем ракеты носителя 13 по ее периметру. Промежуточный элемент для крепления герметичного корпуса 14 выполнен в виде кронштейнов, каждый из которых соединен двумя параллельными стержнями с передним и двумя стержнями, образующими угол с вершиной на кронштейне с задними торцевыми шпангоутами 3 платформы 1. Ступень снабжена газогенератором 19 на твердом топливе с узлами крепления, размещенными в агрегатном отсеке 6 по хорде его поперечного сечения, при этом узлы крепления газогенератора, располагаются по периметру поперечного сечения агрегатного отсека 6 и смещены по периметру относительно узлов крепления герметичного корпуса 14. Узлы крепления газогенератора 19 выполнены в виде кронштейнов, с одной стороны скрепленных с агрегатным отсеком 6, а с другой - с переходными элементами, скрепленными с фланцами газогенератора 19, а узлы крепления герметичного корпуса 14 смещены по периметру относительно мест крепления кронштейнов с агрегатным отсеком. Ступень снабжена проставкой, скрепленной с передним торцевым шпангоутом платформы 1 по внешнему контуру по отношению к узлам крепления космического аппарата, а узлы крепления 10 носового обтекателя 11 размещены на свободном торце проставки. 11 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при проектировании ступени ракеты носителя (СРН) для выведения космических аппаратов (КА) на околоземную орбиту.

На практике широкое распространение получила СРН для выведения КА, содержащая КА, приборный отсек и агрегатный отсек, соединенные последовательно друг с другом. В литературе СРН для выведения КА иногда определяется как доводочная ступень, а агрегатный отсек как двигательный либо как отсек оборудования, что равнозначно. КА к приборному отсеку и СРН к двигателю носителя, так как к двигателю предыдущей ступени ракеты, как правило, крепятся при помощи разрывных болтов. В приборном отсеке размещаются приборы и аппаратура системы управления.

Известна СРН для выведения КА [1] содержащая КА, приборный и агрегатный отсеки, соединенные последовательно друг с другом, и крепящиеся к двигателю носителя посредством разрывных болтов. Недостатком известных СРН для выведения КА является наличие погрешностей в точности выведения КА на заданную околоземную орбиту, обусловленных тем, что от срабатывания разрывных болтов при отделении СРН для выведения КА от предыдущей ступени ракеты создается виброударная нагрузка, воздействующая на корпус приборного отсека и размещенную в нем аппаратуру и приборы системы управления, что и приводит к погрешности в точности выведения КА на заданную орбиту. Аналогичное действие, ухудшающее работу системы управления, и тем самым снижающее точность выведения КА, оказывает вибрационная нагрузка от работающего двигателя.

Известна СРН "Трайдент" [2] принятая за прототип, содержащая платформу с торцевыми шпангоутами (в технической литературе вместо названия "платформы" может быть использовано название "переходник", что равноценно), агрегатный отсек с торцевыми шпангоутами, космический аппарат, приборы системы управления, размещенные внутри ступени, узлы крепления носового обтекателя и узлы крепления ступени, размещенные по периметру поперечного сечения ступени. Здесь следует отметить, что в упомянутых СРН [1,2] для выведения КА используются двигательные установки на жидком топливе. К недостаткам [2] следует отнести увеличенный уровень возмущений на аппаратуру системы управления, обусловленный более высоким уровнем вибраций твердотопливных двигательных установок, что существенно снижает точность выведения КА, хотя использование твердотопливных двигателей целесообразно с точки зрения упрощения эксплуатации по сравнению с жидкостными.

Таким образом, снижение уровня вибровозмущений, действующих на аппаратуру и приборы системы управления, особенно актуально для СРН для выведения КА, оснащенных твердотопливными двигательными установками.

В известных конструкциях СРН для выведения КА защита приборов системы управления от вибровозмущений обеспечивается применением специальных амортизирующих устройств, что существенно усложняет конструкцию СРН для выведения КА. Кроме того, подбор и отработка этих устройств связаны с большим объемом экспериментальных работ, что ведет к значительному увеличению сроков разработки СРН для выведения КА и повышению ее стоимости за счет возрастания объемов отработки.

Технической задачей изобретения является повышение точности выведения космического аппарата на заданную орбиту путем снижения величины виброударных и вибрационных нагрузок на аппаратуру и приборы системы управления при одновременном упрощении конструкции СРН для выведения КА и расширении области применения.

Решение технической задачи заключается в том, что в известной СРН для выведения КА, содержащей платформу с передним и задним торцевыми шпангоутами и узлами крепления на них, агрегатный отсек с торцевыми шпангоутами, соединенные последовательно между собой через свои торцевые шпангоуты, космический аппарат, соединенный с свободным передним торцевым шпангоутом платформы через переходной элемент, приборы системы управления, размещенные внутри ступени, узлы крепления носового обтекателя и узлы крепления ступени, размещенные каждые по периметру поперечного сечения ступени, приборы системы управления размещены в герметичном корпусе, выполненном в виде силовой оболочки с торцевыми шпангоутами, помещенном внутри ступени ракеты носителя для выведения космического аппарата и соединенном с платформой через промежуточный элемент при помощи узлов крепления, размещенных на локальных приливах, жестко скрепленных с одним из шпангоутов герметичного корпуса по его периметру и смещенных относительно узлов крепления носового обтекателя и узлов крепления для соединения с двигателем ракеты носителя по ее периметру.

Решение технической задачи заключается также в том, что промежуточный элемент для крепления герметичного корпуса выполнен в виде кронштейнов, каждый из которых соединен двумя параллельными стержнями с передним и двумя стержнями, образующими угол с вершиной на кронштейне, с задними торцевыми шпангоутами платформы.

Решение технической задачи заключается также в том, что промежуточный элемент для крепления герметичного корпуса выполнен в виде ответных локальных приливов на заднем торцевом шпангоуте платформы.

Решение технической задачи заключается также в том, что промежуточный элемент для крепления герметичного корпуса выполнен в виде конической оболочки с торцевыми шпангоутами, соединенный своим торцевым шпангоутом с задним торцевым шпангоутом платформы.

Решение технической задачи заключается также в том, что промежуточный элемент для крепления герметичного корпуса выполнен в виде конической оболочки с торцевыми шпангоутами, соединенный торцевым шпангоутом с передним торцевым шпангоутом платформы.

Решение технической задачи заключается также в том, что СРН снабжена газогенератором на твердом топливе с узлами крепления, размещенным в агрегатном отсеке по хорде его поперечного сечения, при этом узлы крепления газогенератора располагаются по периметру поперечного сечения агрегатного отсека и смещены по периметру относительно узлов крепления герметичного корпуса.

Решение технической задачи заключается также в том, что узлы крепления газогенератора выполнены в виде кронштейнов, с одной стороны скрепленных с агрегатным отсеком, а с другой с переходными элементами, скрепленными с фланцами газогенератора, а узлы крепления герметичного корпуса смещены по периметру относительно мест крепления кронштейнов с агрегатным отсеком.

Кроме того, часть объема платформы занимает космический аппарат, а переходный элемент для крепления космического аппарата выполнен в виде оболочки с торцевыми шпангоутами и фитингов, скрепленных с передним торцевым шпангоутом платформы.

Решение технической задачи заключается также в том, что переходный элемент для крепления космического аппарата выполнен в виде фитингов, жестко скрепленных с передним торцевым шпангоутом платформы. Кроме того, СРН снабжена проставкой, скрепленной с передним торцевым шпангоутом платформы по внешнему контуру по отношению к узлам крепления космического аппарата, а узлы крепления носового обтекателя размещены на свободном торце проставки. При этом узлы крепления носового обтекателя размещены на корпусе космического аппарата.

На фиг. 1 показан общий вид СРН для выведения КА (вариант 1); на фиг. 2 вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3 общий вид СРН с кронштейном крепления герметичного корпуса (вариант 1); на фиг. 4 вид по стрелке Б на фиг. 3; на фиг. 5 общий вид СРН для выведения КА (вариант 2); на фиг. 6 вид по стрелке В на фиг. 5; на фиг. 7 общий вид СРН для выведения КА (вариант 3).

Ступень ракеты носителя для выведения космического аппарата по варианту 1 (фиг.1-4) содержит платформу 1 с передним 2 и задним 3 торцевыми шпангоутами и узлами крепления 4, 5, размещенными на шпангоутах 2 и 3, агрегатный отсек 6 с передним 7 и задним 8 торцевыми шпангоутами, космический аппарат 9, узлы крепления 10 носового обтекателя 11, узлы крепления 12 для соединения с двигателем носителя 13, размещенные на заднем торцевом шпангоуте 8 агрегатного отсека 6, герметичный корпус 14 со шпангоутами 15, 16 и размещенными в нем приборами системы управления 17, промежуточный элемент 18 для крепления герметичного корпуса 14 и газогенератор 19 на твердом топливе с переходными элементами 20 (фиг.2), скрепленными с кронштейнами 21 с агрегатным отсеком 6, причем переходные элементы 20 скреплены своими фланцами с фланцами газогенератора 19. Герметичный корпус 14 соединен с платформой 1 через промежуточный элемент 18 при помощи узлов крепления 23 (фиг.2), размещенных на локальных приливах 24, жестко скрепленных по периметру с торцевым шпангоутом 16 герметичного корпуса 14. На фиг. 3 и 4 показан промежуточный элемент (для крепления герметичного корпуса 14), выполненный в виде кронштейнов 25, каждый из которых соединен двумя стержнями 26 с передним торцевым шпангоутом 2 платформы 1 и двумя стержнями 27, образующими угол с вершиной на кронштейне 25, с задним торцевым шпангоутом 3 платформы 1. Космический аппарат 8 (фиг.1) крепится к переднему торцевому шпангоуту 2 платформы 1 через переходной элемент 28, выполненный в виде оболочки с торцевыми шпангоутами 29, 30, а фитинги 31 размещены на переднем торцевом шпангоуте 2 платформы 1. Носовой обтекатель 11 (фиг.3) соединяется с платформой 1 узлами крепления 10 через проставку 32, выполненную в виде силовой обечайки 33, с торцевыми шпангоутами 34 и 35. При этом узлы крепления 23 (фиг.2) герметичного корпуса 14 смещены по периметру относительно узлов крепления 10 (фиг.2) носового обтекателя 11, узлов крепления 20 и 21 газогенератора 19 и узлов 12 крепления ступени с двигателем носителя 13.

По варианту 2 (фиг.5 и 6) в отличие от варианта 1 в качестве промежуточного элемента для крепления герметичного корпуса 14 используется задний торцевой шпангоут 3 платформы 1 с локальными приливами 36, а узлы крепления 10 носового обтекателя 11 размещены на корпусе космического аппарата 9. Переходник для крепления КА выполнен в виде фитингов 31, размещенных на переднем шпангоуте 2 платформы 1. Узлы крепления 23 герметичного корпуса 14 смещены по периметру относительно узлов крепления 10 носового обтекателя 11, узлов крепления 20 и 21 газогенератора 19 к агрегатному отсеку 6 и узлов крепления 12 СРН к двигателю ракеты.

По варианту 3 ступень ракеты носителя для вывода космического аппарата (фиг. 7) в отличие от варианта 1 не содержит газогенератор. Свободный объем платформы 1 занят космическим аппаратом 9 и герметичным отсеком 14 с приборами управления. Герметичный отсек 14 соединен с задним торцевым шпангоутом 3 платформы 1 через промежуточный элемент, выполненный в виде конической оболочки 37 с торцевыми шпангоутами 38 и 39.

В приведенных конструкциях СРН на фиг. 1-7 обеспечивается существенное снижение возмущений в виде ударного и вибрационного нагружений по сравнению с прототипом на приборы и аппаратуру системы управления, что в итоге повышает точность выведения на околоземную орбиту КА. Это достигается за счет того, что приборы системы управления расположены в герметичном корпусе, закрепленном через промежуточный элемент на платформе, при этом узлы крепления его смещены по периметру относительно узлов крепления СРН с двигателем носителя, узлов крепления газогенератора с агрегатным отсеком и узлов крепления носового обтекателя.

Как правило, узлы крепления носового обтекателя и узлы крепления СРН для выведения КА выполняются в виде разрывных болтов, являющихся одним из основных источников виброударных нагрузок при их срабатывании. Другим источником воздействий являются вибрационные нагрузки при работе газогенератора на твердом топливе и двигателя носителя. Так при срабатывании разрывных болтов возникают два типа волн, распространяющихся по конструкции. Первый из них характеризуется преобладанием изгибных нагрузок большой амплитуды, второй преобладанием тангенциальных нагрузок в оболочке. Амплитуда изгибных волн во много раз превышает амплитуду тангенциальных. Крепление герметичного корпуса с приборами и аппаратурой системы наведения внутри СРН для выведения КА через промежуточный элемент блокирует распространение изгибных волн, воздействующих в прототипе непосредственно на корпус агрегатного отсека и соответственно на приборы. Аналогично блокируются возмущения при работе газогенератора и двигателя носителя. Кроме того, известно, что интенсивность виброударной нагрузки от срабатывания разрывного болта зависит от угловой координаты, т.е. нагрузка затухает по мере удаления по периметру от разрывного болта. Выполнение узлов крепления герметичного корпуса с приборами системы управления в виде приливов позволяет путем подбора соответствующих жесткостей приливов (толщина и размеры в окружном направлении) также уменьшать уровень возмущений на приборы системы управления.

Введение промежуточного элемента для крепления герметичного корпуса с приборами также снижает уровень возмущений и одновременно расширяет область применения СРН для выведения КА, так как при неустановленных газогенераторах часть объема агрегатного отсека может быть занята КА (фиг.7), что позволяет размещать КА больших размеров без существенных доработок СРН для выведения КА.

Упрощение конструкции следует из того, что исключаются из конструкции СРН для выведения КА специальные амортизирующие устройства, требующие длительной отработки.

Формула изобретения

1. СТУПЕНЬ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ ДЛЯ ВЫВЕДЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА, содержащая платформу с передним и задним торцевыми шпангоутами и узлами крепления на них, агрегатный отсек с торцевыми шпангоутами, соединенные последовательно между собой через свои торцевые шпангоуты, космический аппарат, соединенный со свободным передним торцевым шпангоутом платформы через переходной элемент, приборы системы управления, размещенные внутри ступени, узлы крепления носового обтекателя и узлы крепления ступени, размещенные каждый по периметру поперечного сечения ступени, отличающаяся тем, что в ней приборы системы управления размещены в герметичном корпусе, выполненном в виде силовой оболочки с торцевыми шпангоутами, помещенном внутри ступени ракеты-носителя для выведения космического аппарата и соединенном с платформой через промежуточный элемент при помощи узлов крепления, размещенных на локальных приливах, жестко скрепленных с одним из шпангоутов герметичного корпуса по его периметру и смещенных относительно узлов крепления носового обтекателя и узлов крепления для соединения с двигателем ракеты-носителя по его периметру.

2. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что промежуточный элемент для крепления герметичного корпуса выполнен в виде кронштейнов, каждый из которых соединен двумя параллельными стержнями с передним и двумя стержнями, образующими угол с вершиной на кронштейне, с задними торцевыми шпангоутами платформы.

3. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что промежуточный элемент для крепления герметичного корпуса выполнен в виде ответных локальных приливов на заднем торцевом шпангоуте платформы.

4. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что промежуточный элемент для крепления герметичного корпуса выполнен в виде конической оболочки с торцевыми шпангоутами и соединен одним своим торцевым шпангоутом с задним торцевым шпангоутом платформы.

5. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что промежуточный элемент соединен одним своим торцевым шпангоутом с передним торцевым шпангоутом платформы.

6. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена газогенератором на твердом топливе с узлами крепления, размещенным в агрегатном отсеке по хорде его поперечного сечения, при этом узлы крепления газогенератора располагаются по периметру поперечного сечения агрегатного отсека и смещены по периметру относительно узлов крепления герметичного корпуса.

7. Ступень по п.6, отличающаяся тем, что узлы крепления газогенератора выполнены в виде кронштейнов, с одной стороны скрепленных с агрегатным отсеком, а с другой с переходными элементами, скрепленными с фланцами газогенератора, а узлы крепления герметичного корпуса смещены по периметру относительно мест крепления кронштейнов с агрегатным отсеком.

8. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что часть объема платформы занимает космический аппарат.

9. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что переходный элемент для крепления космического аппарата выполнен в виде оболочки с торцевыми шпангоутами и фитингов, скрепленных с передним торцевым шпангоутом платформы.

10. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что переходный элемент для крепления космического аппарата выполнен в виде фитингов, жестко скрепленных с передним торцевым шпангоутом платформы.

11. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена проставкой, скрепленной с передним торцевым шпангоутом платформы по внешнему контуру по отношению к узлам крепления космического аппарата, а узлы крепления носового обтекателя размещены на свободном торце проставки.

12. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что узлы крепления носового обтекателя размещены на корпусе космического аппарата.

РИСУНКИ

Рисунок 1