способ управления траекторией полета тела

Классы МПК:F42B15/01 средства наведения или управления для них
B64C15/00 Управление положением летательных аппаратов в воздухе, управление высотой и направлением полета с использованием реактивной силы
Автор(ы):,
Патентообладатель(и):Доля Сергей Николаевич (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2012-12-04
публикация патента:

Изобретение относится к управлению траекторией полета тел, движущихся с высокими, в т. ч. космическими, скоростями. Система, согласно предлагаемому способу, м. б. использована в качестве вспомогательной (резервной) для коррекции траектории ракет, штатная система наведения которых вышла из строя. Возможно также ее использование на малых телах, на которых размещение обычных систем самонаведения затруднительно. Способ предусматривает нанесение на боковую поверхность тела (4) полос (5, 6, 7, 8) из кремния, легированного с разной степенью (дающей разную резонансную частоту лазерного поглощения). Излучение (3) лазера (2), попадая на полосу с резонансной частотой его поглощения, вызывает ее испарение и появление соответствующей корректирующей реактивной силы. Меняя частоту излучения (3), получают импульсы коррекции в требуемых направлениях. Техническим результатом изобретения является возможность управления траекторией полета тела в двух направлениях, поперечных по отношению к вектору его текущей скорости. 1 ил. способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503

способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503

Формула изобретения

Способ управления траекторией полета тела, включающий облучение тела лазером и испарение части его массы в этом процессе, отличающийся тем, что на боковую поверхность тела предварительно наносят четыре полосы из кремния, легированного с разной степенью, так что каждая полоса имеет свою резонансную частоту лазерного поглощения, при этом облучение тела ведут лазерным излучением с резонансной частотой поглощения для данной полосы и испарением соответствующей полосы регулируют угол отклонения скорости тела от первоначального направления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области управления траекториями полета тел, движущихся с космическими скоростями, и может быть использовано для коррекции траектории полета ракет и противоракет в случае, если с ними потеряна связь или если их система самонаведения по каким-либо причинам не работает. Изобретение также может быть использовано для наведения на цель малых тел, движущихся с космическими скоростями, поскольку на них, в силу их малости [1], размещение систем самонаведения затруднительно.

Для управления телом на его боковую поверхность наносят четыре полосы из вещества, имеющего различные области резонансного поглощения лазерного излучения. Управление осуществляют за счет отклонения тела «вправо-влево» и «вверх-вниз» при испарении соответствующей полосы путем ее облучения лазерным излучением с резонансной частотой.

Область техники

Известен [2] способ управления траекторией полета, основанный на создании перпендикулярно к боковой поверхности руля управляющей реактивной силы, которая дает телу поперечный импульс.

Фактически этот способ может быть реализован в случае, если с управляемым телом существует связь и все маневры осуществляются по командам с Земли.

Известен [3] способ управления движением тел ускорением тел при облучении их лазерным излучением. При поглощении лазерного излучения происходит интенсивное испарение вещества, и за счет реакции на истечение струи тело ускоряется в направлении, противоположном к струе.

Этот способ управления траекторией является наиболее близким к заявляемому способу и может быть выбран за прототип.

Недостатки прототипа

Поскольку лазерное испарение вещества идет только с одной стороны, сзади, то управление в этом случае сводится к сообщению телу большей или меньшей продольной скорости, а сообщить телу поперечную скорость таким образом невозможно.

Техническая задача, которую решает данный способ, состоит в устранении указанных недостатков, то есть в реализации возможности управления траекторией полета тела в двух направлениях, поперечных по отношению к направлению скорости тела.

Сущность настоящего изобретения заключается в том, что в способе управления траекторией полета тела, включающем облучение тела лазером и испарение части его массы в этом процессе, на боковую поверхность тела предварительно наносят четыре полосы из кремния, легированного с разной степенью, так что каждая полоса имеет свою резонансную частоту лазерного поглощения, при этом облучение тела ведут лазерным излучением с резонансной частотой поглощения для данной полосы и испарением соответствующей полосы регулируют угол отклонения скорости тела от первоначального направления.

Связь отличительных признаков с положительным эффектом

Для управления траекторией полета тела на его боковую поверхность наносят четыре полосы, например, из кремния, имеющего различные степени легирования, так что их ленгмюровские частоты способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 p1 будут отличаться и, соответственно, эти четыре полосы будут иметь различные частоты резонансного поглощения, [4].

Таким образом, добиваются того, чтобы при резонансном поглощении лазерного излучения испарялась и, соответственно, давала реактивную струю только одна из четырех полос, а именно та, в противоположном направлении от которой надо отклонить тело.

Для того чтобы испарить полосу за короткое время, такое, чтобы тепло от поглощения лазерного излучения не успело распространиться внутрь тела, длительность лазерного импульса должна быть достаточно короткой.

На Фиг.1 схематически показано взаимное расположение элементов.

На плавучей платформе 1 расположен лазер 2, излучение которого 3 попадает на тело 4, и одна из полос 5, 6, 7, 8, нанесенных на боковую поверхность тела, резонансно это излучение поглощает и испаряется, давая реактивную струю, в то время как для остальных полос коэффициент отражения лазерного излучения близок к единице и они с лазерным излучением данной частоты практически не взаимодействуют.

Выбор основных параметров

1. Параметры полета тела и изменения его траектории

Пусть тело имеет массу mТ=1 тонна и движется со скоростью порядка Vтела=10 км/с. При истечении в поперечном к скорости тела направлении массы, равной mструи=1 кг, со скоростью Vструи=1 км/с, переданный поперечный импульс будет равен: способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 и это приведет к появлению угла отклонения: способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 =pспособ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 /(mтела*Vтела)=10-4. Такой угол на расстоянии от цели: s1=1000 км, приведет к отклонению тела от невозмущенной траектории на расстояние: способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 1=s1*способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 =100 м.

2. Энергетические соотношения для истечения струи

Теплоемкость кремния равна, c Si=20 Дж/(моль*градус) [5], стр.199, температура плавления Tплав=1415°C, теплота фазового перехода твердое тело - жидкость способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 Hплав=50 кДж/моль, температура кипения: T кип=3300°C, теплота фазового перехода жидкость - пар: способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 Hкип=356 кДж/моль [5], стр.289. Сложив все необходимые для испарения энергетические затраты и учитывая, что для кремния 1 моль равен: 28 г, найдем, что для испарения 1 грамма кремния потребуется затратить энергию ~15 кДж/г.

Для того чтобы средняя направленная скорость атомов кремния была равна: Vструи=1 км/с, надо, чтобы тепловая скорость равнялась: Vтепл=2.5 км/с. Действительно после усреднения скорости в одной из поперечных плоскостей получим: способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 , где интегрирование по углам надо вести от 0 до способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 . После усреднения в двух поперечных плоскостях получим: способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 , так что, кроме того, что надо испарить кремний, надо еще сообщить его атомам тепловые скорости Vтепл - 2.5 км/с, для того, чтобы иметь их среднюю направленную скорость Vструи=1 км/с.

Найдем, чему равна энергия атома кремния, движущегося со скоростью Vтепл,из соотношения: mSi*Vтеплспособ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 2/2=способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 Si=1.5*10-19Дж.

Учитывая, что 1 г содержит 2*1022 атомов, получим, что дополнительно требуется вложение энергии порядка 3 кДж/г, и общие энергозатраты должны быть равны: Wlas ~20 кДж/г.

3. Параметры облучающего излучения

Рассмотрим возможности импульса излучения CO2 лазера, находящегося на расстоянии s2=1000 км от облучаемого тела. Для того чтобы дифракционная расходимость лазерного луча была достаточно малой, необходимо, чтобы отдельные лазерные излучатели были объединены в лазерную решетку [6] наподобие того, как отдельные излучатели синхронизированы по фазе в фазированной антенной решетке, работающей в радиодиапазоне.

Пусть суммарный диаметр такой лазерной решетки равен: dлаз=3 м. Тогда угол дифракционной расходимости составит величину: способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 диф=способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 /dлаз=3*10-6, где способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 =10 µ - длина волны лазерного излучения. Таким образом, на расстоянии s2=1000 км площадь лазерного пятна можно оценить как S=способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 (s2способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 диф)2=30 м2.

Пусть площадь одной полосы на теле, которую необходимо испарить для отклонения тела на угол способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 =pспособ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 /(mтела*Vтела)=10-4, равна: Sполосы=1 м2, геометрический фактор в этом случае равен: 1/30. Итак, для нагрева и испарения одного грамма кремния понадобится энергия лазерного излучения Wлаз1 =20 кДж. С учетом геометрического фактора энергия излучения должна быть в 30 раз больше и составлять Wлаз2=600 кДж, а чтобы нагреть и испарить 1 кг кремния, потребуется энергия излучения еще в 1000 раз большая: Wлаз3=600 МДж.

Таким образом, облучая лазером тело, находящееся от лазера на расстоянии s2=1000 км, можно при испарении одной из четырех полос, нанесенных на тело, сообщить телу поперечный импульс pспособ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 =mструи*Vструи, что приведет к появлению угла отклонения: способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 =pспособ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 (mтела*Vтела)=10-4. Такой угол на расстоянии от цели: s1=1000 км приведет к отклонению тела от невозмущенной траектории на расстояние: способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 1=s1способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 способ управления траекторией полета тела, патент № 2528503 =100 м.

Литература

1. С.Н. Доля, патенты РФ: № № : 2455800, 2456782, 2442941

2. И.И. Архангельский, С.П. Белявский, Е.Г. Болотов и др., патент РФ № 2045741.

3. Л.С. Новиков, Воздействие твердых частиц естественного и искусственного происхождения на космические аппараты, Университетская книга, Москва, 2009, стр. 50, http://window.edu.ru/library/pdf2txt/658/74658/54484/pare8

4. В.Ю. Тимошеко, Оптика наносистем, Лекция 4, Экситонное и примесное поглощение света, МГУ, Научно-Образовательный центр по нанотехнологиям, http://nano.msu.ru/files/systems/V/autumn2011 /optics/Timoshenko L04_NO C2011.pdf

5. Физические величины, Справочник под ред. И.С.Григорьева и Е.З. Мейлихова, Москва, Энергоатомиздат, 1991.

6. В.П. Кандидов, Лазерные решетки, http://www.pereplet.ru/nauka/Soros/pdf/9912_068.pdf

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2528503

patent-2528503.pdf

Класс F42B15/01 средства наведения или управления для них

боеприпас -  патент 2529236 (27.09.2014)
управляемый артиллерийский снаряд -  патент 2527609 (10.09.2014)
способ управления ракетой и система управления для его осуществления -  патент 2527391 (27.08.2014)
способ определения угла крена вращающегося по крену летательного аппарата -  патент 2527369 (27.08.2014)
устройство управления ракетой или реактивным снарядом -  патент 2526407 (20.08.2014)
способ подрыва осколочно-фугасной боевой части управляемого боеприпаса -  патент 2525348 (10.08.2014)
стелс-снаряд -  патент 2522342 (10.07.2014)
реактивный боеприпас с оптическим датчиком цели -  патент 2516938 (20.05.2014)
способ формирования команд управления на ракете, вращающейся по углу крена, система управления ракетой, способ измерения угла крена на ракете, гироскопический измеритель угла крена, способ формирования синусного и косинусного сигналов на ракете, вращающейся по углу крена, и синус-косинусный формирователь системы управления ракетой -  патент 2514606 (27.04.2014)
управляемая пуля -  патент 2512047 (10.04.2014)

Класс B64C15/00 Управление положением летательных аппаратов в воздухе, управление высотой и направлением полета с использованием реактивной силы

указатель направления движения (варианты) -  патент 2507119 (20.02.2014)
способ управления самолетом и устройство для его осуществления -  патент 2504815 (20.01.2014)
способ траекторного управления летательными аппаратами с облетом зон с неблагоприятными метеорологическими условиями -  патент 2490170 (20.08.2013)
самолет староверова (варианты) -  патент 2490169 (20.08.2013)
роторное ступенчатое устройство -  патент 2485322 (20.06.2013)
летательный аппарат "летающая тарелка" -  патент 2471676 (10.01.2013)
аэролет (варианты), части аэролета, способы использования аэролета и его частей -  патент 2466061 (10.11.2012)
маневренный самолет с газодинамической системой управления -  патент 2457151 (27.07.2012)
защищенный реактивный двигатель -  патент 2427501 (27.08.2011)
способ спуска отделяющейся части ступени ракеты космического назначения и устройство для его осуществления -  патент 2414391 (20.03.2011)
Наверх