Динамические модели посадки многоразового космического летательного аппарата на поверхность небесных тел Солнечной системы

Язык труда и переводы:
УДК:
534.1
Дата публикации:
23 января 2022, 23:06
Категория:
Секция 02. Летательные аппараты. Проектирование и конструкция
Авторы
Аннотация:
Рассмотрена эквивалентная маятниковая модель для аппарата цилиндрической формы при исследовании поперечной устойчивости космического летательного аппарата с жидкостными компонентами топлива. Анализируя задачу о колебаниях жидкости, заполняющей полость цилиндрической формы, возможно получить аналитические решения в виде разложения по собственным функциям Бесселя 1-го рода для краевой задачи Неймана в цилиндрической области. Показана поперечная статическая устойчивость эквивалентной механической системы в зависимости от интенсивности гравитационных сил.
Ключевые слова:
многоразовый летательный аппарат, поперечная устойчивость, колебания, посадка
Основной текст труда

С 2010 по 2021 год возникло множество различных концепций развития и применения многоразовых космических летательных аппаратов [1]. Не будет преувеличением отметить, что в минувшем десятилетии сама концепция многоразовых транспортных космических систем претерпела революционные изменения, что, в частности, выражается не только в расширении спектра возможных технических решений по многоразовым транспортным космическим системам, но и в исследовании возможностей применения таких систем для полетов к небесным телам солнечной системы, в частности, к Луне [2]. Посадка аппарата цилиндрической формы на поверхности небесных тел солнечной системы, в условиях сниженной гравитации, топливные баки которых заполнены значительным объемом остатков жидкого топлива, является комплексной проблемой, которая взывает к жизни некоторые актуальные проблемы динамики космических летательных аппаратов.

Рассматриваются следующие проблемы конструкции и динамики космических летательных аппаратов, возникающие при посадке элементов многоразовых транспортных космических систем на небесные тела солнечной системы:

  • поперечная устойчивость космического летательного аппарата с компонентами жидкого топлива в условиях малой гравитации;
  • ударная посадка космического летательного аппарата цилиндрической формы на упругое основание;
  • конструктивные варианты исполнения внутрибаковых элементов для обеспечения многократного запуска двигательной установки в условиях невесомости и малой гравитации;
  • затухание поперечных и продольных колебаний компонент жидкого топлива космического летательного аппарата, обусловленное взаимодействием жидкостей с внутрибаковыми элементами.

При исследовании поперечной устойчивости космического летательного аппарата с жидкостными компонентами топлива была рассмотрена эквивалентная маятниковая модель для аппарата цилиндрической формы. Рассматривая задачу о колебаниях жидкости, заполняющей полость цилиндрической формы, можно получить аналитические решения в виде разложения по собственным функциям Бесселя 1-го рода для краевой задачи Неймана в цилиндрической области [3]. Исследовалась поперечная статическая устойчивость эквивалентной механической системы в зависимости от интенсивности гравитационных сил.

Задача об ударной посадке космического летательного аппарата на упругое основание рассматривалась в эквивалентной механической постановке, взаимодействие жидкости с корпусом исследовалось посредством механических аналогов — осцилляторов, удар полагался неупругим. Данная задача обусловлена механикой посадки на поверхность и конструкцией перспективных космических летательных аппаратов.

Многоразовый космический летательный аппарат, как элемент многоразовой транспортной космической системы, способный к посадке на различные небесные тела солнечной системы обладает рядом конструктивных особенностей, в частности, возможностью многократного запуска маршевой двигательной установки, в том числе и из состояния малой гравитации и невесомости. Существуют различные способы решения этой проблемы [4], но все они, так или иначе, обуславливают взаимодействие жидкого топлива с внутрибаковыми элементами конструкции. Была рассмотрено затухание колебаний, вследствие взаимодействия жидкого топлива с капиллярным фазовым экраном, аналогичным показанному, например в [5].

Литература
  1. Baiocco P. Overview of reusable space systems with a look to technology aspects // Acta Astronautica. 2021. Vol. 189. Pp. 10–25. DOI: 10.1016/j.actaastro.2021.07.039
  2. NASA’s Management of The Artemis Missions. Report no. IG-22-003. Oig.nasa.gov. URL: https://oig.nasa.gov/docs/IG-22-003.pdf (дата обращения 23.11.2021).
  3. Пожалостин А.А., Гончаров Д.А. Свободные осесимметричные колебания двухслойной жидкости с упругим разделителем между слоями // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2015. № 1. С. 31–34.
  4. Сердюк В.К. Проектирование средств выведения космических аппаратов. М.: Машиностроение, 2009. 504 с.
  5. Гончаров Д.А., Пожалостин А.А. Исследования осесимметричных колебаний жидкости в цилиндрическом сосуде с пористой перегородкой // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2021. № 1. С. 66–71.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.