RU232938U1 - Демонстратор системы вертикального взлета и посадки - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к испытательным стендам изделий ракетно-космической техники. Технический результат заявляемой полезной модели заключается в безопасной отработке различных систем исследуемого объекта при его одновременном вертикальном и горизонтальном управляемом движении, при минимизации влияния массы конструкции демонстратора системы вертикального взлета и посадки на исследуемый объект при относительно небольшой занимаемой площади. Демонстратор системы вертикального взлета и посадки, включающий опорную мачту с поворотным механизмом и подвижную стрелу с расположенной по всей ее длине системой трубопроводов, отличающийся тем, что демонстратор системы вертикального взлета и посадки выполнен с системой экстренного торможения, свободная часть которой размещена на нижней части подвижной стрелы, установленной на расположенном на опорной мачте поворотном механизме с ограничительными пластинами, с расположенным на одном конце подвижной стрелы угловым кронштейном для закрепления объекта испытаний, а на другом конце противовесом для компенсации массы элементов, не входящих в объект испытаний, а неподвижная часть размещена на поворотном механизме с ограничительными пластинами.

Description

Полезная модель относится к испытательным стендам изделий ракетно-космической техники.

В процессе разработки новых перспективных ракетно-космических систем для отработки отдельных технологий возникает необходимость экспериментально проверить работоспособность выбранного решения и подтвердить или опровергнуть данные, полученные в ходе расчётно-теоретических работ. Одним из основных вопросов является отработка алгоритмов системы управления и способов создания управляющих усилий для летательного аппарата на этапе вертикально взлета, посадки и перемещения, оснащенного различными типами двигательной установки.

Известны технические решения, связанные с устройствами стендов для исследований на этапах вертикального взлета и посадки (см., например, Крючков Б. И., Бурдин Б. В., Солодников А. В. Опыт СССР и США в подготовке космонавтов и астронавтов к осуществлению посадки на луну, изд. Пилотируемые полеты в космос, 2020, №. 1, С. 86-103, рис. 1). Эти технические решения включают использование портальной мостовой схемы для каркаса, тросовой подвески с системами сервоприводов, которая крепится к ферменной конструкции и летному демонстратору, чем обеспечивается мягкая посадка аппарата в случае нештатной ситуаций во время испытаний. Такие технические решения имеют схожую конструкцию с подъёмными кранами.

Недостатками таких решений являются габариты конструкции и возможные трудности при прокладывании каких-либо дополнительных систем.

Известен испытательный стенд изделий ракетно-космической техники, например SU 204 640 A1, содержащий подвижную шарнирную часть, к которой также шарнирно прикреплена качающаяся платформа и магистрали, жестко прикрепленные к ней. Принцип работы такого стенда заключается в том, что аэродинамической установкой создается поток рабочего газа, в котором к подвижной опоре, смонтированной на шарнире, с электроприводом так же шарнирно прикреплена качающаяся платформа с объектом испытаний.

Известна система отработки движения летательного аппарата (патент РФ на полезную модель RU 176828 U1 от 26.12.2016), содержащая систему обезвешивания.

Недостатком является достаточно сложная конструкция стенда, ограниченный круг систем летательного аппарат, подлежащих отработке на стенде.

Недостатком такой системы является небольшая площадь отработки взлета и посадки, ограниченная размерами аэродинамической установки, а также наличие значительного влияния массы конструкции стенда на объект испытаний.

Ближайшим прототипом системы является стенд (RU, патент на изобретение, 187871 U1, 12.11.2018). Схожими чертами является наличие неподвижной опоры в виде массивной сварной конструкции, к которой крепится подвижная часть, позволяющая имитировать процесс взлета и висения. Испытательный объект помещается в люльку стенда, которая установлена на основном валу. Движение испытательного объекта имитируется вдоль вала, угол крена обеспечивается с помощью рельсов.

Отличительными чертами прототипа является наличие двух подвижных дугообразных рельса для наклона беспилотного аппарата по углу крена, а также обеспечение движения испытательного объекта вдоль оси, жестко соединенной с основанием.

Недостатком прототипа является отсутствие возможности проведения испытаний при одновременном вертикальном и горизонтальном движении объекта.

Технический результат заявляемой полезной модели заключается в безопасной отработке различных систем исследуемого объекта при его одновременном вертикальном и горизонтальном управляемом движении, при минимизации влияния массы конструкции демонстратора системы вертикального взлета и посадки на исследуемый объект при относительно небольшой занимаемой площади.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в демонстраторе системы вертикального взлета и посадки, включающем опорную мачту с поворотным механизмом и подвижную стрелу с расположенной по всей ее длине системой трубопроводов, согласно полезной модели, демонстратор системы вертикального взлета и посадки выполнен с системой экстренного торможения, свободная часть которой размещена на нижней части подвижной стрелы, установленной на расположенный на опорной мачте поворотный механизм с ограничительными пластинами, с расположенным на одном конце подвижной стрелы угловым кронштейном для закрепления объекта испытаний, а на другом конце противовесом для компенсации массы элементов, не входящих в объект испытаний, а неподвижная часть размещена на поворотном механизме ограничительными пластинами.

Мачта, поворотный механизм и стрела обеспечивают безопасный и контролируемый одновременный вертикальный взлет, перемещение и посадку объекта испытаний с минимальным сопротивлением на этапе отработки алгоритмов системы управления при относительно небольшой занимаемой площади. Противовес обеспечивает компенсацию массы, не относящейся к исследуемому объекту (стрелы, поворотного механизма, системы трубопроводов и системы экстренного торможения). Для компенсации массы стрелы в структуру демонстратора добавлен противовес, установленный на противоположном от объекта испытаний конце стрелы. Угловое перемещение вокруг вертикальной оси демонстратора обеспечивается поворотным механизмом, установленным на верхнем торце мачты. Поворотный механизм обеспечивает возможность вращения демонстратора относительно вертикальной оси. Система экстренного торможения предназначена для ограничения скорости вертикального движения демонстраторов около критических углов. Система трубопроводов предназначена для подвода компонентов топлива и охлаждающей жидкости к демонстратору.

Опорная мачта установлена на предварительно подготовленную площадку. К корпусу поворотного механизма приварены две ограничительные пластины и фланец, предназначенный для крепления на мачту через резьбовое соединение. Ось поворотного механизма посажена в подшипники, расположенные внутри корпуса поворотного механизма. К оси приварено восемь косынок для усиления. На поворотный механизм сверху установлена стрела при помощи соединения «Болт-Гайка» через крепежные отверстия. Кронштейн угловой установлен на стрелу посредством двух осей и зафиксирован стопорными винтами на втулках и в подшипниковых опорах. Подшипниковые опоры прикреплены к кронштейну четырьмя винтами, причем кронштейн имеет соответствующие отверстия-пазы для возможности выставления вектора тяги объекта испытаний вертикально вверх. В плите противовеса выполнено четыре отверстия, через которые противовес прикреплен к стреле. На стреле приварены специальные пластины с отверстиями для установки противовеса при помощи болтов. По всей длине стрелы с равным шагом приварены кронштейны, к которым через металлические хомуты посредством болтового соединения прикреплены трубы системы трубопроводов. Соединение труб и металлорукава осуществляется с помощью разъёмного резьбового соединения со штуцером с накидной гайкой, имеющим сферический наконечник. На мачте трубопроводная система фиксируется с помощью кронштейна, который приварен к основной трубе мачты. В нижней части стрелы приварен кронштейн, к которому болтовым соединением прикреплен кронштейн свободного конца пневмоцилиндра системы экстренного торможения. В поворотном механизме предусмотрены отверстия-пазы, к которым болтовым соединением фиксируется неподвижная часть пневмоцилиндра системы экстренного торможения.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид демонстратора системы вертикального взлета и посадки, на фиг. 2 - общий вид мачты, на фиг. 3 - общий вид поворотного механизма, на фиг. 4 - общий вид стрелы, на фиг. 5 - общий вид противовеса, на фиг. 6 - общая схема работы демонстратора системы вертикального взлета и посадки.

В предлагаемой полезной модели демонстратор системы вертикального взлета и посадки (фиг. 1) содержит неподвижную цилиндрическую мачту 1 с поворотным механизмом 2, подвижную стрелу 3 с расположенным на её конце угловым кронштейном 4 для закрепления объекта испытаний 5, а на другом конце противовесом 6 для компенсации массы элементов, не входящих в объект испытаний 5, систему экстренного торможения 7, систему трубопроводов 8.

Мачта 1 (фиг. 2) содержит опорную мачту 9, площадку для обслуживания 10 с перилами 11, лестницу 12 и трубу 13 для установки поворотного механизма 2.

Поворотный механизм 2 (фиг. 3) содержит поворотный стол 14, пружинный амортизатор 15 и его зеркальное исполнение 16, ось вращения 17, подшипники 18, шайбу 19, гайку 20, установочный винт 21 и ограничительные пластины 22.

Стрела 3 (фиг. 4) установлена на поворотный стол 14 с помощью опорного кронштейна 23, который содержит подшипниковые узлы 24, шток 25 с пружиной 26 для ограничения подъема стрелы 3. Стрела 3 состоит из шарниров 27 и 28, фермы 29 и компенсатора 30. Ферма 29 и компенсатор 30 сопряжены с шарнирами 27 и 28, неподвижно закрепленными на поворотном механизме 2 с одной стороны, и сопряжены с угловым кронштейном 4, обеспечивающей параллельность несущих стержней фермы 29 и стержня компенсатора 30. На шарнир 27 установлена ферма 29 с возможностью вращения вокруг шарнира 27. На шарнир 28 установлен компенсатор 30. Расстояние между шарнирами 27 и правыми концами фермы 29 и компенсатора 30 – одинаково. На правых концах фермы 29 и компенсатора 30 установлен шарнирный кронштейн 31, содержащий подшипниковый узел 32 и ось 33. Ферма 29 и компенсатор 30 могут вращаться вокруг шарниров 27, 28 и подшипникового узла кронштейна 31 в некотором диапазоне, обеспечивая вертикальное движение углового кронштейна 4.

Мачта 1, поворотный механизм 2 и стрела 3 обеспечивают безопасный и контролируемый одновременный вертикальный взлет, перемещение и посадку объекта испытаний 5 с минимальным сопротивлением на этапе отработки алгоритмов системы управления при относительно небольшой занимаемой площади.

Противовес 6 (фиг. 5) содержит набор грузов 34 массами 2,5 кг и 9,5 кг, сварной корпус 35 с установленными в нем шпильками 36 для крепления грузов 34, что обеспечивает компенсацию массы, не относящейся к исследуемому объекту 5 (стрелы 3, поворотного механизма 2, системы трубопроводов 8 и системы экстренного торможения 7). В корпусе 35 предусмотрены прорези для установки регулировочной 37 и прижимной 38 пластин для фиксации грузов 34. На шпильки 36 установлены грузы 34 с чередованием для удобства съема и установки, в которых для этого выполнены центральные отверстия. После сборки, грузы 34 прижаты к дну противовеса при помощи пластины 38 и гаек. Для фиксации шпилек с грузом относительно корпуса противовеса 6 используется регулировочная пластина 37, которая прикреплена к шпилькам через гайки, а к корпусу противовеса болтовым соединением через пазы корпуса противовеса 6.

Система экстренного торможения 7 (фиг. 1) содержит пневмоцилиндр 39, кронштейны 40 и 41. Кронштейн 40 соединяет корпус пневмоцилиндра 39 с поворотным механизмом 2, располагается ниже оси вращения стрелы 3. Кронштейн 41 соединяет свободный конец штока 42 пневмоцилиндра 39 со стрелой 3, в нижнем положении объекта испытаний 5 шток 42 максимально втянут в корпус пневмоцилиндра 39, а в верхнем положении – максимально выдвинут, что обеспечивает работоспособность демпферов, встроенных в пневмоцилиндр 39.

Система трубопроводов 8 (фиг. 1) содержит магистраль подачи окислителя 43, магистраль подачи горючего 44, магистраль подачи охладителя 45, кронштейн крепления 46 к мачте 1 и кронштейны крепления 47 к стреле 3. Для осуществления непрерывной подачи компонентов топлива и охладителя и обеспечения свободы вращательного движения применяются гибкие металлорукава 48, а также резиновые рукава 49, армированные нитью. Магистрали подачи компонентов 43, 44, 45 содержат жесткие металлические трубы 50, закрепленные посредством разъёмного соединения на кронштейнах 47 к нижней продольной штанге стрелы 3.

Общая схема работы демонстратора системы вертикального взлета и посадки (фиг. 6).

В вертикальном положении, после отрыва от Земли, движение установленного объекта испытаний 5 ограничивается угловым ходом (φ) стрелы 3, установленной на неподвижной мачте 1. Максимальная высота подъема объекта испытаний 5 (его центра масс) – не менее 10 метров. Вдоль горизонта движение объекта испытаний 5 ограничивается длиной стрелы 3, т.е. положение объекта испытаний 5 возможно в пределах между двумя окружностями. При этом траектория движения объекта испытаний 5 при его проекции на горизонтальную плоскость, будет представлять собой кривую линию дугообразной формы. Для компенсации массы стрелы 3 в структуру демонстратора добавлен противовес 6, установленный на противоположном от объекта испытаний 5 конце стрелы 3. Угловое перемещение вокруг вертикальной оси демонстратора обеспечивается поворотным механизмом 2, установленным на верхнем торце мачты 1.

Принцип работы системы экстренного торможения 7.

При подъеме объекта испытаний 5, стрела 3 поворачивается против часовой стрелки вокруг своей оси вращения. За счет того, что кронштейн 40 располагается ниже оси вращения стрелы 3, шток 42 пневмоцилиндра 39 выдвигается из корпуса. Соответственно, при опускании объекта испытаний 5 – шток 42 задвигается обратно в корпус.

Система экстренного торможения 7 работает в нескольких режимах:

- входы пневмоцилиндра 39 полностью открыты, шток 42 свободно перемещается внутри корпуса, практически без сопротивления, не оказывая тормозного воздействия на систему;

- входы пневмоцилиндра 39 частично закрыты, что создает сопротивление входящему в одну камеру, и исходящему из другой камеры воздуху, обеспечивая тем самым сопротивление движению, и соответственно торможение объекта испытаний 5. Степень торможения определяется степенью закрытия клапана;

- в сжимающуюся камеру пневмоцилиндра 39 подается воздух под давлением до 6 атм, тем самым создавая дополнительное сопротивление движению штока 42, и как следствие, объекта испытаний 5.

Система трубопроводов 8 обеспечивает подвижность в четырех шарнирных группах:

- 1-я шарнирная – поворотная степень свободы вокруг вертикальной оси поворотного механизма 2, установленного на мачте 1.

- 2-я шарнирная группа – поворотная степень свободы вокруг горизонтальной оси поворотного механизма 2 для вертикального подъема стрелы 3.

- 3-я шарнирная группа – узлы сочленения стрелы 3 и объекта испытаний 5 необходимые для обеспечения параллельности мачты 1 и плоскости симметрии объекта испытаний 5 на всех этапах движения демонстратора.

- 4-й шарнир – поворотная степень свободы объекта испытаний 5 относительно стрелы 3 для отклонения вектора тяги в плоскости перпендикулярной плоскости симметрии стрелы 3 демонстратора.

В шарнирах подвеса объекта испытаний 5 к стреле 3 степень свободы обеспечивается наличием гибкого металлорукава 48, соединяющего закреплённую на стреле 3 трубу 50. При этом обеспечивается еще одна степень свободы – отклонение объекта испытаний 5 для создания составляющей вектора тяги, обеспечивающей боковое перемещение. Металлорукава 48 изгибаются в двух плоскостях и обеспечивают по две степени свободы. В начальном положении металлорукава 48 имеют начальные изогнутые в двух – одной плоскости петли, которые меняют свою конфигурацию при движении объекта испытаний 5.

По сравнению с прототипом заявленное решение в полной мере решает проблему отсутствия возможности проведения испытаний при одновременном вертикальном и горизонтальном движении объекта.

Claims (1)

1. Демонстратор системы вертикального взлета и посадки, включающий опорную мачту с поворотным механизмом и подвижную стрелу с расположенной по всей ее длине системой трубопроводов, отличающийся тем, что демонстратор системы вертикального взлета и посадки выполнен с системой экстренного торможения, свободная часть которой размещена на нижней части подвижной стрелы, установленной на расположенном на опорной мачте поворотном механизме с ограничительными пластинами, с расположенным на одном конце подвижной стрелы угловым кронштейном для закрепления объекта испытаний, а на другом конце противовесом для компенсации массы элементов, не входящих в объект испытаний, а неподвижная часть размещена на поворотном механизме с ограничительными пластинами.