9.2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ПРИЗЕМЛЕНИЯ

При разработке средств приземления и методов обеспечения безопасности экипажа помимо нормальной схемы возвращения рассматривают также вопросы спасения и приземления экипажа в случаях аварийных ситуаций на стартовой позиции, на участке выведения или в случае необратимого отказа в штатной системе приземления во время возвращения на Землю. Эти вопросы оказывают влияние на общие принципы построения систем приземления.

Возвращение из космического полета, как отмечалось выше, сопровождается аэродинамическим торможением СА в атмосфере: на высоте 20 км он движется уже с дозвуковой скоростью, на высоте 10 км - со скоростью около 200 м/с, мало меняющейся в дальнейшем. Поэтому на таких СА для снижения скорости спуска применяют парашютные системы.

Использование для торможения СА атмосферы в сочетании с парашютами позволяет решить проблемы посадки при минимальных затратах массы и внутренних объемов СА, при этом в полной мере используется конструктивная особенность парашютов - размещение больших .куполообразных поверхностей в малых объемах.

Парашютные системы СА, как правило, имеют тормозные и основные парашюты. Площади основного парашюта или связки из двух-трех основных парашютов определяются заданной величиной скорости парашютирования СА определенной массы вблизи земной поверхности.

Парашютная система с одним основным куполом в большей степени отвечает этим условиям, может быть минимизирована по массе и объему применением тормозного парашюта, уменьшающего скорость полета СА перед вводом основного и создающего нагрузки, действующие на конструкцию СА и экипаж в заданных пределах. Зная режимы ввода парашютной системы, прочностные и массовые характеристики материалов, применяемых в конструкциях тормозных и основных парашютов, можно, опираясь на такой параметр, как площадь тормозного парашюта, определить массу парашютной системы минимальной величины (рис. 9.1). Интересно, что суммарная масса тормозного и основного парашютов может быть минимальной при такой площади тормозного парашюта, когда нагрузки, сопровождающие ввод тормозного и основного парашютов, становятся близкими по значениям (рис. 9.2). Это упрощает проектирование конструкции СА, в том числе узлов крепления парашютов.

Рис. 9.1. Зависимость массы парашютной системы основного и тормозного парашютов от площади тормозного парашюта

Рис. 9.2. Зависимость нагрузок на основной R и тормозной парашюты от площади тормозного парашюта

Парашютная система с одним основным куполом хорошо изучена, применяется на различных режимах полета, включая спасение на малых высотах в случае аварии РН. Размещение в СА не вызывает больших затруднений, так как ей может быть придана любая форма, соответствующая форме отсека, в котором она размещается.

Многокупольная парашютная система состоит из связки основных куполов одного типа, которые после наполнения могут располагаться на одном уровне, несколько отклоняясь друг от друга. Такие системы имеют большую устойчивость при снижении, но вследствие интерференции между куполами меньший на 5 - 10% коэффициент сопротивления, чем у одиночного купола той же площади. Исходя из опыта отработки и эксплуатации однокупольных и многокупольных систем следует, что нормальное функционирование парашютной системы с одним основным куполом практически надежно на всех режимах, тогда как примерно тот же уровень надежности многокупольной системы достигается усложнением процесса ввода системы и применением дополнительных устройств, не всегда обеспечивающих одновременность ввода и наполнения основных куполов, входящих в систему.

Минимальная масса многокупольной системы, как и одного основного парашюта достигается уменьшением скорости полета до 60 - 80 м/с с помощью тормозного парашюта. В состав многокупольной системы, как правило, входят два тормозных парашюта, чем достигается резервирование в обоих каскадах системы. Тормозные парашюты вводятся в поток одновременно или, если второй тормозной парашют - запасной, его вводят в случае отказа первого.

Резервирование парашютной системы на LA, совершающих посадку с экипажем на борту, вводится ввиду необратимости процесса посадки. Поэтому в состав системы приземления одновременно с парашютной системой с одним основным куполом включается запасная парашютная система, функционально не связанная с основной. Применение запасной парашютной системы, размещаемой в отдельном контейнере, позволяет полностью дублировать основную систему, включая устройства открытия парашютного отсека, вытяжной, тормозной и основной парашюты системы, пиротехнические узлы их крепления и т. д. В то же время идентичность многих конструктивных решений, связанных с работой основной и запасной парашютных систем, позволяет существенно сокращать сроки и стоимость экспериментальной отработки системы приземления.

В отличие от многорежимной основной парашютной системы запасная система может быть работоспособна только на одном-двух режимах, что позволяет сузить требования к запасной системе.

По скорости приземления посадка на запасной системе соответствует случаю приземления СА на многокупольной,парашютной системе с вышедшим из строя одним основным парашютом. Многокупольная парашютная система имеет резервирование основных парашютов и, как правило, вытяжных и тормозных парашютов. Отказ одного из основных парашютов двухкупольной системы приводит почти к двукратному увеличению скорости приземления, поэтому применение трех основных куполов позволяет сблизить скорости парашютирования СА на нормально работающей системе и при отказе одного из куполов.

Рис. 9.3. Зависимость между относительной массой парашютной системы и скоростью приземления

При проектировании многокупольной парашютной системы особое внимание необходимо обращать на работоспособность системы открытия парашютного отсека в условиях воздействия набегающего потока на всех режимах полета перед вводом парашютной системы.

Комбинированные системы приземления включают в свой состав не только парашютные системы, но и другие средства торможения и применяются для выдерживания допустимого уровня нагрузок на экипаж во время приземления при заданной скорости парашютирования. Как известно, скорость парашютирования определяется посадочной массой СА, формой и площадью основного парашюта и плотностью атмосферы в районе посадки. Характер изменения массы парашюта от скорости приземления (рис. 9.3) показывает, что задание достаточно малой скорости парашютирования приводит к непомерному росту массы основного парашюта, поэтому для снижения нагрузки на экипаж во время посадки используют различные средства, причем потребная парашютирования, а следовательно, массовые и объемные параметры основных парашютов будут определяться энергоемкостью этих средств (например, амортизаторов).

Амортизаторы одноразового действия, работающие на принципе разрушения или пластической деформации конструкции, имеют наибольшую энергоемкость при минимальных собственных массе и объеме. Для снижения уровня нагружений сама конструкция СА также может быть рассчитана на деформацию при посадке на твердый грунт в случае превышения номинальной скорости парашютирования. Дополнительно на корпус СА может быть установлена сотовая амортизация (сотовые блоки) из металлической фольги или других материалов. Одной из особенностей сотовой амортизации при отклонении направления нагружения от продольной оси сотовой ячейки является потеря сотовым блоком устойчивости, причем его энергоемкость используется не полностью. Снижение нагрузок на экипаж также может быть достигнуто и за счет амортизации кресел: установки их на сотовые амортизаторы внутри гермокабины или на одноразовые амортизационные стойки, работающие на сжатие или растяжение.

Еще одним видом внешней амортизации является пневматический амортизатор, который изготовляется из гибкой прорезиненной ткани и легко размещается в полости между лобовым теплозащитным экраном и гермокабиной. Во время спуска на парашюте одновременно с отделением теплозащитного экрана пневматический амортизатор начинает наполняться воздухом и принимает цилиндрическую или торовидную форму. При контакте с земной поверхностью давление в нем повышается и воздух начинает стравливаться через пневмоклапаны наружу. Такой амортизатор эффективен только при небольших угловых отклонениях СА и при малой горизонтальной скорости.

Парашютно-реактивная система приземления - комбинированная система, сочетающая парашютную систему с тормозными двигателями. Существенное отличие тормозных двигателей от амортизаторов заключается в относительно большом пути торможения и, как следствие, в малых перегрузках на этом пути, что практически недостижимо при использовании амортизаторов.

Оптимальной по массовым характеристикам парашютно-реактивной системой приземлений будет такая система, в которой скорость спуска на основном парашюте не превышает 19,5 м/с с включением тормозных двигателей на высоте около 14 м. Масса этой системы будет составлять около 3% общей массы СА. В этом варианте системы безопасность экипажа при отказе тормозных двигателей по тем или иным причинам не обеспечивается, поэтому для СА целесообразно задать такую конечную скорость парашютирования, при которой с использованием резервных средств (например, кресел с амортизаторами) в случае отказа тормозных двигателей не будут превышены допустимые для человека нагрузки. Это хотя и увеличит массу парашютно-реактивной системы в целом примерно на 20% по отношению к минимизированной массе системы, но обеспечит безопасность, в том числе и в случае использования запасной парашютной системы.

Посадочные пороховые тормозные двигатели, имея относительно малый объем и устойчивые характеристики, просты по конструкции и обладают высокой надежностью. Пороховой двигатель представляет собой цилиндрический или сферический корпус, заполненный твердым топливом, на выходном отверстии которого расположен сопловой блок. Воспламенение твердого топлива сопровождается повышением давления в камере сгорания выше давления устойчивого горения, что обеспечивает работу двигателя и выброс газов через сопловой блок.

Тормозные двигатели, как и внешняя амортизация, могут быть размещены под отделяемой теплозащитой СА, в соединительных звеньях парашютной системы или па корпусе в верхней части СА, закрываемые вместе с парашютной системой общим обтекателем. Последний вариант размещения двигателей невыгоден с энергетической точки зрения, так как появляются потери из-за отклонения сопел от продольной оси СА.

Безопасность экипажа обеспечивается выбором параметров системы приземления и надежностью работы системы и конструкции СА при условии реализации допустимых нагрузок на экипаж в процессе посадки. При этом необходимо учитывать возможные разбросы посадочных скоростей, влияние вертикальной турбулентности атмосферы и ветрового сноса, величины перегрузок, возникающих при посадке на грунты различной прочности, отклонения характеристик атмосферы от стандартной и превышение над уровнем моря посадочного полигона.

При разработке системы приземления помимо внешних факторов следует учитывать и возможные отклонения в массе СА, в параметрах работы парашютной системы, посадочных двигателей, системы управления приземлением. Разнообразие внешних и внутренних факторов, влияющих на безопасность посадки, требует многосторонней экспериментальной отработки системы приземления в различных условиях с имитацией аварийных ситуаций и проверкой выхода из них применением резервных систем и элементов резервирования.

Большое значение в надежности работы системы приземления имеет качество изготовления и подготовки СА к полету.