Устройство отделения наноспутников в качестве попутной нагрузки

 

Полезная модель относится к космической технике и может быть использовано для отделения от верхней ступени ракеты-носителя малых спутников: пико- и наноспутников массой от 0,1 до 10 кг, запускаемых преимущественно попутно. Предлагаемое устройство включает размещение попутных наноспутников, установленных на адаптере на верхней ступени ракеты-носителя вместе с основной полезной нагрузкой. Отделение наноспутников с необходимой скорость происходит при помощи импульсного магнитного поля, формирующего импульс давления на волноводе, который воздействует на нанос-путник. Устройство отделения содержит зарядный блок, подключенный к бортовому питанию, емкостный накопитель, управляемые разрядники, индукторы по числу наноспутников, с жестко закрепленными на них волноводами, на которых размещаются наноспутники.. Технический результат заключается в повышении помехозащищенности электронной аппаратуры НС от электромагнитных наводок, расширении вариантов исполнения устройства отделения для различных конструкций НС, а также возможности изменения направления приложения силы к НС и упрощении конструкции. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Полезная модель относится к космической технике и может быть использовано для отделения от верхней ступени ракеты-носителя малых спутников: пико- и наноспутников массой от 0,1 до 10 кг, запускаемых преимущественно попутно.

Для отделения малых спутников от ракеты-носителя чаще всего используют энергию сжатого газа, механические (пружинные) или пиротехнические устройства.

Известно устройство, содержащее адаптер для соединения малого космического аппарата со средством выведения его на орбиту (патент RU 2442728, МПК B64G 1/64, опубл. 20.02.2012 г.). На платформе адаптера расположены посадочные места для малых космических аппаратов (МКА), элементы удерживающего устройства и пружинного толкателя отделения МКА. При подаче команды на электроспусковой механизм, через систему рычагов и троса пружинный толкатель отделяет МКА от платформы.

Известно устройство, содержащее адаптируемые к ракете-носителю идентичные органы стыковки нескольких спутников: (Патент 2156212, МПК B64G 1/22, опубл. 20.09.2000 г.). На каждом органе расположена система крепления и отделения спутника, а также электроразъемы, которые служат для электрической связи с ракетой-носителем органов стыковки. Отделение спутников происходит после подрыва пиротехнических болтов и последующего отталкивания спутника пружинным механизмом отделения.

Известен адаптер "ISIPOD CubeSat Deployer", предназначенный для запуска от 1 до 3 наноспутников (НС) стандарта "CubeSat" с размерами 100×100×100 мм, массой от 1 до 3 кг. (www.isispace.nl). НС устанавливается внутрь контейнера на платформу и прижимается пружинами к крышке. Электрический импульс от ракеты-носителя активирует механизм выпуска крышки, которая поворачивается на угол 170°. НС отделяются по направляющим рельсам пружинным механизмом, который сообщает ему заданную скорость. Скорость отделения НС определяется жесткостью используемой пружиной и массой спутника. При групповом запуске НС размещаются в отдельных адаптерах.

В перечисленных устройствах НС отделяются от средства выведения с помощью автономных устройств однократного действия - пружинных механизмов и пиротехнических элементов, которые размещаются на местах установки при проведении наземных сборочно-монтажных работ. Повторное использование их в космосе не предусмотрено.

Недостатки перечисленных адаптеров:

- наличие вибрации НС на стадии вывода ракеты-носителя на заданную орбиту, обусловленную собственными частотами системы прижимных и выпускных пружин, рычагов и т.п. устройства отделения НС;

- относительно большая масса адаптера по отношению к НС, на каждое место установки;

- относительно малая скорость отделения НС;

- невозможность гибкого регулирования скорости отделения с помощью простых команд (электрических сигналов) в программном блоке управления или дистанционно по командам с наземных служб;

- потеря миссии запуска НС при сбое системы отделения - невозможность повторного взвода пружины или подрыва пиротехнических элементов.

Анализ различных устройств отделения НС с использованием пиротехнические средств, механических пружинных и других систем показал, что может быть достигнуто повышение эффективности средств выведения за счет использования магнитно-импульсного привода с емкостным накопителем энергии.

В качестве прототипа выбрано устройство, с магнитно-импульсным приводом (патент 2472679, МПК B64G 1/22, опубл. 20.01.2013, бюл. 2). Устройство содержит адаптеры по числу выводимых НС, которые размещены на платформе ракеты носителя. На адаптере расположен индуктор, выполненный в виде спиральной катушки, к активной зоне которого примыкает электропроводная пластина, а на другой стороне пластины расположен НС. При этом индуктор подключен через управляемый разрядник к емкостному накопителю энергии, а накопитель соединен с выходом высоковольтного зарядного блока, входы которого соединены с бортовой сетью питания. К емкостному накопителю могут подключаться параллельно несколько цепей управляемых разрядников и индукторов, с установленными на них НС. Разрядники коммутируют запасаемую энергию накопителя на индукторы в заданной последовательности блоком управления при групповым запуском НС.

Недостатки прототипа:

- возможность проникновения импульсных электромагнитных полей в корпус НС, которые могут влиять на работоспособность электронной аппаратуры;

- зависимость импульсного давления на спутник от частоты разряда накопителя энергии и толщины электропроводной пластины;

- наличие электропроводной пластины или металлической стенки корпуса НС необходимой толщины, которая определяется толщиной скин-слоя импульсного тока, наведенного в материале пластины,

относительно большая масса пластины, которая попутно отделяется с полезной нагрузкой - наноспутником

Задачей технического решения является улучшение электромагнитной совместимости устройства отделения с электронной аппаратурой НС и расширение функциональных возможностей устройства для запуска НС с заданной скоростью и заданным направлением, а также повышение помехозащищенности электронной аппаратуры НС от электромагнитных наводок.

Задача решается за счет того, что устройство отделения наноспутников в качестве попутной нагрузки, содержащее адаптер со средствами отделения носпутников, состоящий из платформы, снабженной индуктором, выполненным в виде спиральной катушки, который подключен через управляемый разрядник к емкостному накопителю энергии, а накопитель соединен с выходом высоковольтного зарядного блока, входы которого соединены с бортовой сетью питания, причем к накопителю подключены параллельно несколько цепей управляемых разрядников и индукторов, при этом управляющие входы разрядников подключены к блоку управления групповым отделением, согласно полезной модели, дополнительно снабжено акустическим волноводом, при этом к активной зоне индуктора примыкает приемная часть акустического волновода, не создающего внутренних акустических отражений, а на противоположной стороне волновода расположен

Кроме того, волновод выполнен из электропроводного материала.

Выходная сторона волновода выполнена в виде усеченного или обратного конуса.

Плоскость выходной стороны волновода выполнена под углом не более 45° по отношению к продольной оси волновода

Волновод жестко закреплен на индукторе.

На фиг. 1 показана схема устройства,

На фиг. 2 показана схема устройства группового отделения НС,

На фиг. 3 показан вариант конструкции волновода со встроенным индуктором,

На фиг. 4 показаны варианты конструкции волновода с концентраторами импульсного давления,

На фиг. 5 показан вариант конструкции волновода с изменением направления отделяемого НС.

Устройство отделения НС содержит: емкостный накопитель 1; зарядный блок 2; разрядник 3, управляемый от программного блока 4; индуктор 5 и акустический волновод 6, на котором установлен наноспутник 7.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии накопитель энергии 1 и зарядный блок 2 отключены от бортового питания, что исключает несанкционированный запуск НС. После выведения ракеты-носителя на заданную орбиту и отделения основной ПН подается команда на зарядный блок 2, который заряжает накопитель энергии 1 до заданного уровня напряжения. Зарядный блок представляет собой преобразователь напряжения бортовой сети питания (например, источник постоянного тока 27 В) в высокое напряжение постоянного тока (например, 3 кВ).

Для отделения НС 7 на разрядник 3 подается команда запуска от блока управления 4, которая включает разрядник. Разрядник коммутирует запасенную в накопителе 1 энергию на индуктор 5, в котором возникает импульсное магнитное поле. Магнитное поле индуктора наводит на приемном конце волновода 6, выполненного из электропроводного материала (например, из сплава алюминия), вихревые токи. Наведенные вихревые токи, взаимодействуя с импульсным магнитным полем индуктора, формируют в основании волновода импульс давления. Волновод жестко закреплен на индукторе. Упругая волна давления, распространяясь по волноводу, передается на НС 7 на противоположном конце волновода. НС под действием импульса давления приобретает необходимую скорость отделения от адаптера, установленного на платформе.

Для группового отделения второго и последующих НС производится последовательный цикл заряд-разряд от общего накопителя 1 через разрядники 3 на соответствующие индукторы 1 с НС - 7 (фиг. 2). Для последовательного отделения серии НС используется один зарядный блок и накопитель энергии, который поочередно разряжается на индукторы, с установленными на них волноводами с НС. Таким образом, система отделения НС может объединять в себе: от одного - один зарядный блок, один накопитель и один адаптер (индуктор-волновод), до нескольких адаптеров - один общий зарядный блок и накопитель и несколько последовательно подключаемых индукторов.

Скорость отделения НС зависит от запасаемой энергии накопителя.

где: C0 - емкость накопителя, U - напряжение заряда накопителя.

Изменяя напряжение заряда накопителя можно в широких пределах с высокой точностью и стабильностью задавать необходимую скорость отделения НС.

Для эффективного преобразования энергии накопителя в импульс давления необходимо соблюдать условие: толщина волновода - должна быть больше величины скин-слоя - , наведенных вихревых токов в материале волновода:

где: - удельное электрическое сопротивление материала волновода; µ - магнитная проницаемость материала; f - частота разрядного тока в индукторе.

При меньшей толщине импульсное магнитное поле просачивается сквозь материал волновода и может привести к появлению электромагнитных полей в корпусе НС и снижению эффективности передачи импульса давления на НС.

Для устранения «краевых эффектов» проникновения магнитного поля рассеяния индуктора волновод может экранировать боковую поверхность индуктора, в соответствии с фиг. 3. Основание волновода может охватывать индуктор, при этом основная составляющая импульса давления направленная нормально к плоскости приемной части волновода - F, распространяется по волноводу практически без потерь.

Форма волновода может быть выполнена в нескольких исполнениях для применения в устройствах отделения НС различной конструкции или поворота направления отделения при одинаковом способе монтажа адаптера на платформе.

Например, волновод может быть выполнен в виде усеченного или обратного конуса на выходном торце (в плоскости прилегания НС), в соответствии с фиг. 4, для концентрации импульса давления в определенной зоне или точке корпуса НС. Амплитуда импульса давления - F, в этом случае, пропорциональна отношению площадей приемного и выходного концов волновода.

Для поворота вектора импульса давления относительно оси адаптера, на которой расположен индуктор, проходящей нормально к плоскости приемного торца волновода - плоскость выходного торца может быть выполнена под углом до 45°, в соответствии с фиг. 5. При этом НС отделяется по направлению перпендикулярном плоскости выходного торца волновода, под углом а.

Пример практической реализации устройства:

Предлагаемое устройство было испытано на макете наноспутника массой 1 кг, с габаритными размерами 100×100×100 мм.

Индуктор подключался к накопителю энергии с параметрами: емкость -220 мкФ; напряжение заряда изменялось в диапазоне 23 кВ. Параметры спирального индуктора: наружный диаметр обмотки - 66 мм; внутренний диаметр обмотки - 20 мм; обмотка выполнена с числом витков - 12; индуктивность индуктора - 5,3 мкГн.

НС устанавливался на цилиндрический волновод из алюминиевого сплава толщиной 20 мм. Диаметр приемной части волновода - 100 мм, выходного торца - 60 мм.

Скорость отделения макета НС составила 12 м/с в выбранном диапазоне энергий - 400800. Затухание амплитуды электромагнитного поля индуктора встроенного в волновод толщиной 20 мм, выполненным в соответствии с фиг. 3, на поверхности корпуса НС - более 25 крат (>30 дБ), по сравнению с прототипом устройства (без волновода) с переходной пластиной толщиной 3 мм.

1. Устройство отделения наноспутников в качестве попутной нагрузки, содержащее адаптер со средствами отделения наноспутников, состоящий из платформы, снабженной индуктором, выполненным в виде спиральной катушки, который подключен через управляемый разрядник к емкостному накопителю энергии, а накопитель соединен с выходом высоковольтного зарядного блока, входы которого соединены с бортовой сетью питания, причем к накопителю подключены параллельно несколько цепей управляемых разрядников и индукторов, при этом управляющие входы разрядников подключены к блоку управления групповым отделением, отличающееся тем, что дополнительно снабжено акустическим волноводом, при этом к активной зоне индуктора примыкает приемная часть акустического волновода, не создающего внутренних акустических отражений, а на противоположной стороне волновода расположен наноспутник.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что волновод выполнен из электропроводного материала.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выходная сторона волновода выполнена в виде усеченного или обратного конуса.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что плоскость выходной стороны волновода выполнена под углом не более 45° по отношению к продольной оси волновода

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что волновод жестко закреплен на индукторе.



 

Наверх