способ моделирования переменных ускорений и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ моделирования переменных ускорений в интервале между 0 и 1g, в частности моделирования гравитационных ускорений на поверхности Марса, отличающийся тем, что помещают тестируемый объект в испытательную камеру (2), подвижно размещенную в грузовом отсеке транспортного летательного аппарата (1) таким образом, что во время его полета она может устанавливаться в направлении действующего на нее остаточного ускорения силы тяжести, совершают полет на указанном транспортном летательном аппарате (1) по параболической траектории, эквивалентной траектории падения с ускорением, разность которого с ускорением свободного падения на поверхности Земли соответствует моделируемому ускорению.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что параболическая траектория, по которой совершают полет, соответствует траектории падения с ускорением 2/3g, так что создается эффективное ускорение 1/3g в качестве остаточной силы тяжести в направлении поверхности Земли.

3. Устройство для моделирования переменных ускорений, состоящее из летящего по параболической траектории транспортного летательного аппарата, отличающееся тем, что в грузовом отсеке транспортного летательного аппарата (1) подвижно размещена испытательная камера (2) с возможностью свободного вращения относительно, по меньшей мере, одной оси, причем ее центр тяжести лежит ниже указанной оси, так что во время полета испытательная камера (2) может устанавливаться в направлении притяжения Земли.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что испытательная камера (2) содержит карданную подвеску (3).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу и устройству моделирования переменных ускорений между 0 и 1g, в частности моделирования гравитационных ускорений на поверхности Марса, посредством полета по параболической траектории.

Для тестирования приборов и оборудования, которые должны быть использованы на поверхности планеты Марс в рамках беспилотных и пилотируемых полетов, требуется как можно более точно смоделировать условия ее окружающей среды. В то время как моделирование атмосферных условий и поверхности Марса может быть относительно просто реализовано в специальных испытательных камерах, моделирование малых ускорений свободного падения на поверхности Марса всего лишь в 3,72 м/с ², то есть около 1/3g, представляет собой проблему.

Известен ряд способов моделирования ускорений, отличающихся от стандартного ускорения на поверхности Земли, g=9,81 м/с ². К ним относится, в частности использование центрифуг для создания больших ускорений произвольной продолжительности. Они, однако, не могут реализовать ускорения менее 1g и поэтому принципиально непригодны для описанного случая применения.

Кроме того, для моделирования ускорений между 0 и 1g известно использование спускаемых капсул, в которых могут быть созданы условия невесомости или уменьшенной силы тяжести в течение около 5 с. Такие капсулы могут обеспечить остаточную силу тяжести, например 1/3g, за счет того, что используемую опытную капсулу во время ее падения с ускорением 2/3g притормаживают. Такое притормаживание может происходить либо активно, либо пассивно за счет противовеса посредством ролика и каната. Возможное время падения с ускорением 1/3g составляет в этом случае около 5,5 с для участка падения в 100 м. На заключительном этапе спуска предусмотрена фаза жесткого торможения, воздействующего на капсулу и сопровождаемого перегрузками, оказывающими негативное воздействие на космонавтов.

Другая возможность создания ускорений от 0 до 1g состоит в использовании так называемых атмосферных спускаемых капсул, которые сбрасывают с большой высоты и для которых, как правило, используют активное устройство для компенсации сопротивления атмосферы. Теоретически можно оборудовать подобные спускаемые капсулы активной тормозной системой таким образом, чтобы они падали на Землю в соответствии с ускорением 2/3g. Однако такую тормозную систему еще предстоит разработать. В этом случае, при сбрасывании с высоты 8000 м можно было бы достичь в течение около 40 с нужного ускорения в 1/3g. Пилотируемые атмосферные спускаемые капсулы пока неизвестны; их реализация была бы к тому же крайне сложной из-за необходимости соблюдения требований безопасности.

Наконец, полеты по параболической траектории на соответствующим образом оборудованных летательных аппаратах представляют собой уже известную возможность достижения невесомости, так называемых условий 0g, продолжительностью около 25 с. Летательные аппараты летят при этом по так называемой баллистической параболической траектории, то есть по такой траектории, по которой брошенный бесприводной объект двигался бы при отсутствии сопротивления воздуха.

Задачей изобретения является создание способа и устройства вышеуказанного типа, обеспечивающих как можно более простое и эффективное моделирование условий на поверхности Марса.

Поставленная задача решается признаками способа и устройства по пп.1, 3 формулы. Изобретение предусматривает при этом, что в обычном транспортном летательном аппарате с достаточно большим грузовым отсеком размещают испытательную камеру подвижно таким образом, что она может устанавливаться в направлении действующего на нее остаточного ускорения и что летательный аппарат с испытательной камерой летит по параболической траектории, соответствующей внешнему ускорению свободного падения 2/3g, так что сохраняется эффективное ускорение 1/3g в качестве остаточной силы тяжести в направлении поверхности Земли.

Согласно изобретению, шарнирная подвеска испытательной камеры предусмотрена для того, чтобы вектор остаточной силы тяжести в испытательной камере всегда был направлен к центру Земли независимо от реального положения летательного аппарата во время его полета по параболической траектории.

Продолжительность фазы ускорения 1/3g зависит от высоты полета по параболической траектории: при разности по высоте 3000 м между вершиной параболы и исходной или конечной высотой эта продолжительность составляет около 55 с, вертикальная скорость в начале и в конце параболы составляет соответственно около 180 м/с. Фаза торможения или начальная фаза протекает аналогично известным полетам по параболической траектории с ускорением 0g и легко переносится находящимися в испытательной камере космонавтами.

Изобретения позволяют получить ускорения в 1/3g, и другие значения ускорений в интервале от 0g до 1g. Указанные условия могут быть реализованы в качестве испытательного ускорения продолжительностью около 60 с таким образом, что для предусмотренных экспериментов могут применяться традиционно используемые приборы и способы, что в соответственно оборудованной испытательной камере могут находиться космонавты и что ускорение при торможении в конце фазы полета с меньшим ускорением остается ниже значения около 2g. Кроме того, фаза с малым ускорением может быть продублирована.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием примера его осуществления со ссылками на фигуры прилагаемых чертежей, в числе которых:

- фиг.1-3 изображают летательный аппарат для осуществления пробных полетов в условиях Марса в трех различных видах, частично в разрезе;

- фиг.4 - траекторию полета в условиях уменьшенной силы тяжести.

В тяжелом транспортном летательном аппарате 1 установлена испытательная камера 2 в форме шара диаметром около трех-четырех метров. Могут быть выбраны также другие геометрические формы испытательной камеры. В камере 2 может быть с высокой достоверностью смоделирована окружающая Марс атмосфера, в частности ее состав, температура, давление и рельеф поверхности. Камера 2 подвешена на опоре 3 с возможностью свободного вращения вокруг, по меньшей мере, одной оси. В случае приведенного примера осуществления предусмотрена простая подвеска на одной оси, обеспечивающей одну степень свободы. Эта ось соответствует одновременно поперечной оси самолета, так что таким образом можно компенсировать возникающий в полете переменный наклон продольной оси летательного аппарата к направлению притяжения Земли. В рамках изобретения можно также предусмотреть карданную подвеску для исключения возникновения мешающих поперечных ускорений.

Центр тяжести камеры 2 лежит ниже указанной оси вращения, так что она во время полета с остаточной силой тяжести 1/3g всегда может ориентироваться в том же направлении к центру Земли. Это достигается за счет того, что в дне 4 камеры 2 установлены необходимые подсистемы, такие как системы охлаждения, отопления, регистрации и передачи данных наружу.

Камера 2 дополнительно снабжена шлюзом, через который могут доставляться и извлекаться приборы и, в случае необходимости, может быть обеспечен доступ соответствующим образом экипированных космонавтов.

Как только летательный аппарат 1 и испытательная камера 2 подготовлены, летательный аппарат 1 стартует и набирает предусмотренную для эксперимента номинальную исходную высоту. Затем он начинает ускоренное снижение для достижения искомой скорости. По достижении искомой скорости начинается полет по параболической траектории с ускорением в 1/3g. С этой целью летательный аппарат 1 вначале, как это изображено в правой части фиг.4, доводят до восходящего участка траектории, при этом на последующей фазе полета горизонтальную скорость поддерживают постоянной, а вектор вертикальной составляющей скорости непрерывно уменьшается и меняет лишь направление на противоположное, сохраняющееся до конца параболической траектории. В начале и в конце параболической траектории, таким образом, значение вертикальной скорости идентично, изменяется лишь знак.

Уменьшение вертикальной скорости достигается за счет того, что во время всего полета по параболической траектории вертикально направленную подъемную силу поддерживают при значении одной трети массы летательного аппарата. Это точно соответствует достигаемому остаточному ускорению 1/3g для испытательной камеры 2.

По окончании полета по параболической траектории летательный аппарат 1 выводят из режима полета со снижением. В дальнейшем можно начинать новое моделирование, либо возвратить летательный аппарат на Землю.