СТЫКОВОЧНОЕ УСТРОЙСТВО, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2003 года по МПК B64G1/64 

Стыковочное устройство предназначено для космической техники, а более конкретно для образования/нарушения механической связи (стыковки/расстыковки) между двумя космическими объектами, например отсеком космической станции и полезным грузом, используя энергию от манипулятора и/или от космонавта. Другой областью применения могут быть подводные работы, сходные с космическими невесомостью операторов, использованием скафандров и манипуляторов, повышенными требованиями к безопасности и надежности операций.

Известно стыковочное устройство, состоящее из пассивной части, имеющей три штыря, и активной части, имеющей три конусообразных гнезда (патент США 4431333, 1984 г, МПК B 25 G 3/18). Стыковочное устройство (СТУ) предназначено для стыковки к "Шаттлу" космического аппарата, оснащенного собственным реактивным двигателем. Недостатком являются большие габариты и масса вследствие того, что в одном аппарате фактически размещены три стыковочные устройства, содержащие каждое весь набор необходимых механизмов. По этой же причине сложность и стоимость почти утраиваются. Трудно также выдержать точное соответствие межосевых расстояний между гнездами на одном объекте и межосевым расстояниям между штырями на другом объекте. Несовпадение же осей приводит к заклиниванию и к нестыковке. Основным же недостатком указанного стыковочного устройства является неприспособленность к совместной работе как с космонавтом, так и с антропоморфным манипулятором. Человеку, особенно в скафандре и в невесомости, сложно одновременно совместить три гнезда с тремя штырями. Конструкция не обеспечивает приемлемый для космонавтов вариант: вначале совместить и защелкнуть один штырь при больших угловых промахах, только потом - остальные штыри (а еще лучше: одним штырем и ограничиться). Невозможна стыковка в случае, если линия действия сближающей объекты силы и/или проекция центра масс объекта на стыковочную плоскость расположены вне треугольного контура, ограниченного осями трех гнезд, в то время как для антропоморфных манипуляций на международной космической станции (МКС) как раз характерны несимметричность груза и необходимость захвата груза кистью сбоку от стыковочного устройства.

Известно стыковочное устройство космического манипулятора, состоящее из активной части, содержащей гнездо, выполненное в виде воронки, сопряженной в расширенной части с центрирующим отверстием, и механизм стягивания, и из пассивной части, выполненной в виде штыря, установленного на основании и имеющего выравнивающий конус и центрирующий поясок, сопряженный с основанием конуса и охватываемый центрирующим отверстием гнезда (патент США 4905938, 1990 г, МПК B 64 G 1/64), принятое за прототип.

Недостатком прототипа является значительное усилие стыковки в условиях загрязнения среды и при наличии деформаций стыкуемых частей. На стыковочных поверхностях, в частности в зоне сопряжения конуса с центрирующим пояском, может оказаться частица загрязнения, например выпавший при затяжке резьбового соединения заусенец, либо замерзшая капелька влаги, либо обрывок фольги, осколок покрытия либо песчинки для подводных аппаратов и т.п. Кроме того, возможны "неидеальности" самих стыковочных поверхностей:
микродеформации, царапины, забоины в результате ударов посторонних предметов либо от предыдущих неудачных стыковок;
деформации, передаваемые на штырь или гнездо с корпусов аппаратов в результате либо наддува, либо неравномерности температурных расширений;
деформации в результате неравномерной затяжки резьбовых крепежных деталей при монтаже штыря или конуса на поверхности космических объектов.

В результате этих деформаций посадочный поясок может приобрести форму, например, эллипса с невидимым глазом малым радиальным биением, превосходящем, однако, радиальный зазор в посадке.

Очевидно, что любая из указанных "неидеальностей" повышает сопротивление стыковке. При жесткой поверхности конуса и центрирующего пояска и жестком креплении их к основанию для раздавливания, расплющивания, смятия, обтекания "неидеальностей" требуются дополнительные усилия, которых у космонавта либо у манипулятора может не хватить (нормативное усилие на МКС для манипулятора - 30 Н, для космонавта - 60 Н).

Задачей изобретения является уменьшение усилия стыковки в условиях загрязненной среды и/или при наличии небольших деформаций стыкуемых частей.

Поставленная задача решается тем, что в стыковочном устройстве, содержащем гнездо, имеющее центрирующее отверстие, и штырь, установленный на основании и имеющий выравнивающий конус и центрирующий поясок, сопряженный с основанием конуса и охватываемый центрирующим отверстием гнезда в отличие от известного, выравнивающий конус и центрирующий поясок штыря выполнены в виде оболочки, снабженной со стороны центрирующего пояска посадочной поверхностью, и в основании выполнено отверстие, охватывающее посадочную поверхность оболочки.

Предлагается посадочную поверхность оболочки выполнить в виде тела вращения с образующей, выпуклой в сторону, противоположную оси штыря, либо совпадающей по диаметру с центрирующим пояском оболочки и установленной в основании по посадке с гарантированным зазором.

Введенные в штырь оболочка с посадочной поверхностью и охватывающее ее отверстие в основании конуса дают возможность уменьшить усилие стыковки за счет деформации нежесткой оболочки при попадании частиц или незначительной деформации стыкуемых частей.

Использование предлагаемого изобретения в СТУ обеспечивает как возможность снижения требуемых усилий механизмов стыковки и, следовательно, снижение массы, так и увеличение надежности стыковки в условиях реальной эксплуатации на космических или подводных объектах.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:
Фиг.1 - стыковочное устройство в состыкованном состоянии.

Фиг.2 - стыковочное устройство перед стыковкой.

Фиг. 3 - стыковочное устройство в состыкованном состоянии, вариант исполнения со сферической посадочной поверхностью.

Фиг. 4 - стыковочное устройство в состыкованном состоянии при попадании частицы, разрез А-А.

Фиг.5 - стыковочное устройство в момент стыковки при попадании частицы.

Подобно прототипу СТУ состоит из гнезда 1 и штыря 2 (фиг.1). Гнездо устанавливается на одних космических объектах (КО), например на ПРМ, перемещаемом и монтируемом в различные зоны манипулятором либо космонавтом. Штырь 2 - на других КО, например на внешней поверхности КС.

На фиг.1 изображено СТУ в состыкованном положении. Гнездо содержит воронку 3, сопряженную в расширенной части с центрирующим отверстием 4.

Штырь установлен на основании 5 и выполнен в виде выравнивающего конуса 6 с центрирующим пояском 7, сопряженным с основанием конуса.

Для крепления к корпусу космических объектов имеются фланцы 8 и 9 на гнезде и штыре соответственно.

В соответствии с предлагаемым изобретением в штыре:
выравнивающий конус выполнен в виде оболочки, снабженной со стороны центрирующего пояска посадочной поверхностью 10;
в основании штыря выполнено отверстие 11, охватывающее посадочную поверхность оболочки.

Посадочная поверхность выполнена в виде поверхности вращения, образующие которой не лежат в плоскости, перпендикулярной оси вращения.

Для упрощения технологии изготовления посадочная поверхность оболочки d₁ выполнена равной по диаметру с центрирующим пояском штыря d (фиг.2), т.к. сокращается количество выполняемых и контролируемых операций.

Как известно, тело, ограниченное двумя криволинейными поверхностями, расстояние между которыми мало по сравнению с другими характерными размерами, является оболочкой. Например, в нашем случае толщина оболочки s=2 мм во много раз меньше диаметра пояска штыря d=150 мм (фиг.3).

Требования к материалу оболочки - высокое отношение предела прочности к модулю упругости. Наиболее предпочтительным из известных материалов является сплав титана, что подтверждает расчет, проведенный методом конечного элемента.

В состыкованном состоянии функцией устройства является передача усилий и моментов с одного объекта на другой и их взаимная фиксация. Центрирующий поясок штыря и центрирующее отверстие гнезда 4 совместно с головкой штыря как раз и выполняют эти функции по углам рыскания и тангажу и в направлении, поперечном оси. Центрирующий поясок штыря 7, расположенный одним концом в посадочном отверстии основания 11, а другим - в центрирующем отверстии гнезда 4, является по сути работающим на срез штифтом с кольцевым сечением. Прочность и жесткость его на срез вполне достаточна и сравнима с прочностью остальных элементов конструкции, тогда как в прототипе прочность штыря явно избыточна т. к. диаметр посадочного пояска выбирался не из соображений прочности, а из равенства диаметру центрирующего отверстия гнезда, определяемого допустимыми промахами.

В то же время местная жесткость на вдавливание тонкостенной оболочки штыря на порядки меньше, чем у прототипа, к тому же образующие поверхности центрирующего пояска штыря могут поворачиваться благодаря установке в отверстии основания посредством сферического шарнира либо имитацией такого шарнира. Установка по посадке с небольшим допустимым зазором и является такой имитацией для небольших угловых отклонений так же, как и тороидальная или бочкообразная, или любая иная выпуклая кольцевая посадочная поверхность 10.

При стыковке в идеальных условиях головка штыря после соприкосновения с воронкой гнезда 3 и при наличии продольного усилия скользит по ее поверхности в направлении центра воронки. Затем при помощи выравнивающего конуса 6 штырь 2 выравнивается по рысканию и тангажу до тех пор, пока центрирующий поясок штыря 7 полностью не попадет в центрирующее отверстие гнезда 4.

При стыковке в условиях неидеальных, например при наличии забоины с выплеском металла в зоне сопряжения центрирующего пояска и конуса, поверхность оболочки прогибается под этим выплеском и этот прогиб в совокупности с имеющимся (как и в прототипе) диаметральным зазором позволяет продолжить стыковку, при этом сопротивление стыковке значительно более низкое, чем при аналогичных условиях в прототипе. Поперечное сечение центрирующего пояска деформируется относительно исходной кольцевой формы, как показано на фиг.4 (с увеличением масштаба радиальной деформации). Снижение усилия по сравнению с прототипом объясняется:
возможностью для частицы проскользнуть без раздавливания и вдавливания;
снижением радиального усилия на частицу и, следовательно, снижением силы трения;
в случае относительно крупной частицы, которая не может разместиться в зазоре без раздавливания - затягиванием ее на центрирующий поясок, где она будет раздавлена в клиновом зазоре между штырем и гнездом, угол клина которого определяется поворотом образующей центрирующего пояска и составляет единицы градусов по сравнению с примерно 15^o при жестких конусе и центрирующем пояске. Необходимое же для раздавливания усилие пропорционально углу клина ϕ и при меньшем угле естественно меньше (фиг.5).

Изобретение предназначено как для космической техники, так и для подводных работ, а именно для стыковки между собой космических или подводных объектов. Стыковочное устройство содержит гнездо с центрирующим отверстием и штырь, установленный на основании. Штырь имеет выравнивающий конус и сопряженный с основанием конуса центрирующий поясок, охватываемый центрирующим отверстием гнезда. Конус и центрирующий поясок выполнены в виде оболочки, снабженной со стороны пояска посадочной поверхностью. В основании штыря выполнено отверстие, охватывающее посадочную поверхность оболочки. Посадочная поверхность оболочки может быть выполнена в виде поверхности тела вращения с образующей, выпуклой в сторону, противоположную оси штыря, либо совпадающей по диаметру с центрирующим пояском оболочки и установленной в основании штыря по посадке с гарантированным зазором. Изобретение позволяет уменьшить усилия стыковки в условиях загрязненной среды и/или при наличии небольших деформаций стыкуемых частей. 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Стыковочное устройство, преимущественно для космических объектов, содержащее гнездо, имеющее центрирующее отверстие, и штырь, установленный на основании и имеющий выравнивающий конус и центрирующий поясок, сопряженный с основанием выравнивающего конуса и охватываемый центрирующим отверстием гнезда, отличающееся тем, что выравнивающий конус и центрирующий поясок штыря выполнены в виде оболочки, снабженной со стороны центрирующего пояска посадочной поверхностью, и в основании штыря выполнено отверстие, охватывающее посадочную поверхность оболочки.2. Стыковочное устройство по п.1, отличающееся тем, что посадочная поверхность оболочки выполнена в виде поверхности тела вращения с образующей, выпуклой в сторону, противоположную оси штыря.3. Стыковочное устройство по п.1, отличающееся тем, что посадочная поверхность оболочки выполнена совпадающей по диаметру с центрирующим пояском оболочки и установлена в основании штыря по посадке с гарантированным зазором.