УСТРОЙСТВО СТЫКОВКИ РАЗВЕРТЫВАЕМЫХ МОДУЛЕЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Российский патент 2004 года по МПК B64G1/64 

Изобретение относится к области ракетно-космической техники и предназначено для использования в развертываемых на орбите космических аппаратах (КА), в том числе долговременных обитаемых станциях.

Известны разного рода устройства для осуществления стыковки КА, см. например, патенты США 4500057 от 19.02.85г. и 4588150 от 13.05.86г.

В состав каждого из этих устройств стыковки входят выдвижная штанга, размещаемая на одном из стыкуемых КА, и приемное гнездо конической формы, расположенное на другом стыкуемом объекте. Кроме того, по периферии вышеупомянутых элементов стыковки на каждом КА расположены дополнительные фиксирующие замки, которые обеспечивают окончательную стыковку аппаратов после их сближения.

Благодаря наличию в центральной зоне стыковки таких элементов как выдвижная штанга и приемное гнездо под нес, эти устройства лучше всего использовать для стыковки автономных КА. Использование подобных устройств в КА, развертываемых за счет выдвижения и стыковки составных отсеков, расположенных один в другом, нецелесообразно, так как в этом случае отсутствует возможность центрального размещения таких элементов стыковки как выдвижная штанга и приемный конус как, впрочем, и необходимость в них. Для такого типа КА можно ограничиться замками стыковки, расположенными по периферии отсеков.

Известна также стыковочная система для модулей КА по патенту США 4607815 от 26.08.86г., взятая в данном случае за прототип.

Эта стыковочная система включает в себя стыкуемые КА, размещенные на них соответственно охватываемый и охватывающий элементы взаимной ориентации аппаратов, и множество соединительных механизмов (замков), каждый из которых состоит из размещаемого на одном из стыкуемых КА приемного гнезда и размещаемого на другом КА стержня, который в свою очередь имеет головку, расширяющуюся внутри приемного гнезда. Данная система обеспечивает взаимную фиксацию стыкуемых КА за счет введения в приемные гнезда одного аппарата разжимных головок соответствующих стержней другого аппарата. Головки стержней разжимаются в своих гнездах за счет воздействия расположенных внутри стержней подвижных в осевом направлении штоков.

Основным недостатком этой системы стыковки, по мнению автора, является то, что делая возможным обеспечение взаимной фиксации КА, она не позволяет произвести последующее стягивание их по сопрягаемым поверхностям, что зачастую бывает необходимо для обеспечения совместной силовой работы несущих элементов конструкции соединяемых аппаратов или для обеспечения герметичности в зоне их стыка. Это приводит к снижению надежности совместного функционирования состыкованных КА, а также сужает круг аппаратов, в которых подобные системы могли бы быть применены.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков рассматриваемой системы стыковки, а именно - повышение надежности совместного функционирования развертываемого КА после стыковки составляющих его модулей (отсеков) путем дополнительного стягивания их по сопрягаемым поверхностям, что позволяет как создать необходимые условия для совместной силовой работы несущих элементов конструкции стыкуемых модулей, так, при необходимости, обеспечить герметичность образованного стыка.

Данная задача достигается тем, что в устройстве для стыковки развертываемых космических аппаратов, включающим элементы взаимной круговой ориентации модулей, один или несколько замков стыковки, каждый из которых состоит из приемного гнезда, установленного на одном модуле, и активного узла, размещенного соответственно на другом модуле и содержащего резьбовой стержень с головкой, обладающий возможностью перемещения в осевом направлении относительно корпуса активного узла, приемное гнездо каждого из замков стыковки выполнено в виде кольцевой обоймы с двумя или более продольными пазами и размещенными в них подпружиненными кулачками, у каждого из которых одна рабочая поверхность выполнена с возможностью опирания на торец обоймы, а другая - с возможностью контактирования с опорной поверхностью головки резьбового стержня, при этом головка резьбового стержня имеет форму конуса, у вершины которого выполнен участок под ключ, кроме того, резьбовой стержень подпружинен относительно корпуса активного узла и на нем установлена гайка, на боковых поверхностях которой выполнены выступы, взаимодействующие с продольными пазами, выполненными на внутренней поверхности корпуса активного узла, при этом каждый резьбовой стержень снабжен фиксатором, взаимодействующим своим фиксирующим концом с соответствующим гнездом в теле резьбового стержня, а другой конец выполнен с возможностью упора в боковую поверхность поворотного рычага, установленного в специальном пазу корпуса активного узла и удерживаемого от самопроизвольного поворота посредством срезной чеки. Кроме того, в кольцевую обойму приемного гнезда каждого из замков стыковки введен подпружиненный стопор, взаимодействующий с продольными пазами, выполненными на боковой поверхности головки резьбового стержня активного узла.

Техническим результатом такого конструктивного решения устройства стыковки развертываемых модулей КА является возможность плотного стягивания стыкуемых модулей между собой по сопрягаемым поверхностям после их предварительной стыковки. Это открывает возможность использования предлагаемого устройства стыковки в космических аппаратах, которые могут развертываться как путем последовательной стыковки автономно доставляемых на орбиту отдельных модулей, так и путем выдвижения и стыковки друг с другом модулей, доставляемых на орбиту одновременно, например один внутри другого.

Изобретение поясняется чертежами, при этом
на фиг.1 представлен общий вид заявляемого устройства стыковки в исходном положении;
на фиг. 2 изображен вид по стрелке А на стыковочный шпангоут наружного модуля КА в исходном положении устройства стыковки;
на фиг.3 изображен вид в сечении Б-Б на стыковочный шпангоут внутреннего модуля КА в исходном положении устройства стыковки;
на фиг.4 изображен вид в сечении В-В на замки стыковки и расположенные в зоне их установки элементы угловой ориентации;
на фиг. 5 изображен общий вид развертываемого КА с полностью выдвинутым внутренним модулем;
на фиг.6 изображен вид по стрелке Г на стыковочные шпангоуты наружного и внутреннего модулей КА при выдвинутом положении внутреннего модуля;
на фиг.7 изображен вид в сечении Д-Д на замки, подготовленные к стыковке;
на фиг. 8 изображен вид в сечении Д-Д на замки после их стыковки и стяжки;
на фиг. 9 представлен вид по стрелке Е на рычаг фиксации резьбового стержня замка;
на фиг. 10 представлен вид в сечении Ж-Ж на специальные пазы головки резьбового стержня и взаимодействующий с ними стопор, предотвращающие самопроизвольное отвинчивание стержня.

Предлагаемое устройство стыковки развертываемых модулей КА включает в себя наружный модуль 1, выполненный, например, в виде корпусного отсека с опорным 2 и стыковочным 3 шпангоутами, и внутренний модуль 4, также выполненный в виде корпусного отсека со стыковочным шпангоутом 5. В исходном положении внутренний модуль 4 крепится к опорному шпангоуту 2 наружного модуля 1 посредством специальных фиксирующих устройств 6. Для организованного перемещения внутреннего модуля 4 относительно наружного 1 в процессе выдвижения первого из второго на наружном модуле предусмотрены продольные направляющие 7 и 8, с которыми взаимодействуют закрепленные на внутреннем модуле 4 ролики 9. Перемещение внутреннего модуля 4 осуществляется посредством специального привода 10. Стыковка модулей 1 и 4 осуществляется по сопрягаемым поверхностям 11 и 12 стыковочных шпангоутов 3 и 5 посредством специальных замков 13, каждый из которых состоит из приемного гнезда 14, установленного на стыковочном шпангоуте 3 наружного модуля, 1 и активного узла 15, установленного соответственно на стыковочном шпангоуте 5 внутреннего модуля 4.

Для обеспечения гарантированного срабатывания замков 13 в состав устройства стыковки введены элементы взаимной угловой ориентации стыковочных шпангоутов 3 и 5. Эти элементы представляют собой направляющие шпильки 16 и 17, устанавливаемые попарно, например, на стыковочном шпангоуте 3 наружного модуля 1 по противоположным сторонам каждого приемного гнезда 14, и соответствующие отверстия 18 и 19, выполненные в стыковочном шпангоуте 5 внутреннего модуля 4. В свою очередь приемное гнездо 14 каждого из замков стыковки 13 выполнено в виде корпуса 2, размещенной внутри него кольцевой обоймы 21 с двумя или более продольными пазами 22, в которых шарнирно установлены на осях 23 кулачки 24, удерживаемые в рабочем положении пружинами 25. Каждый из кулачков 24 имеет две рабочие поверхности 26 и 27, из которых первая рабочая поверхность 26 может опираться на торец 28 обоймы 21, для чего отверстие 29 под ось 23 в кулачке 24 выполнено в виде паза, а вторая рабочая поверхность 27 кулачка 24 имеет возможность контактировать с опорной поверхностью 30 головки 31 резьбового стержня 32 после его затяжки.

Активный узел 15 каждого из замков стыковки 13 включает в себя корпус 33, внутри которого с возможностью продольного перемещения установлен резьбовой стержень 32 с головкой 31, выполненной в виде усеченного конуса 34, вершина которого обращена в сторону соответствующего приемного гнезда 14, при этом к вершине примыкает участок 35 под ключ. Кроме того, на резьбовом участке 36 стержня 32 установлена гайка 37, на наружной поверхности 38 которой, контактирующей с внутренней поверхностью 39 корпуса 33 активного узла 15, выполнены два выступа 40 и 41, взаимодействующих с соответствующими пазами 42 и 43 на внутренней поверхности 39 корпуса 33. Внутри активного узла 15 в зоне хвостовика 44 резьбового стержня 32 между дном 45 корпуса 33 активного узла 15 и гайкой 37 расположена пружина сжатия 46.

В исходном положении замка стыковки 13 резьбовой стержень 32 активного узла 15 с установленной на нем гайкой 37 утоплен в корпусе 33, в результате чего пружина 46 находится в сжатом положении, а резьбовой стержень 32 удерживается посредством подпружиненного фиксатора 47, для чего последний одним своим концом 48 входит в соответствующее гнездо 49 хвостовика 44 резьбового стержня 32, а другим 50 - упирается в боковую поверхность 51 поворотного рычага 52. От самопроизвольного поворота рычаг 52 удерживается срезной чекой 53. Рычаг 52 связан тягой 54 и установлен на оси 55. Фиксатор 47 подпружинен пружиной 56. Кроме того, в состав приемного гнезда 14 каждого замка введен подпружиненный стопор 58, который размещен в специальном отверстии 59 корпуса 20 и имеет пологий 60 и упорный 61 рабочие участки. На головке 31 резьбового стержня 32 выполнены продольные пазы 62, имеющие пологую 63 упорную 64 поверхности. Стопор 58 подпружинен пружиной 65.

Работа заявляемого устройства по стыковке и стягиванию развертываемых модулей КА осуществляется после выведения КА в космическое пространство и выдвижения внутреннего модуля 4 из наружного 1.

Перед выдвижением внутреннего модуля 4 должно быть проведено его отсоединение от наружного модуля 1 путем срабатывания связывающих их в транспортном положении фиксирующих устройств 6. Выдвижение внутреннего модуля 4 из наружного 1 осуществляется посредством привода 10 путем выкатывания внутреннего модуля 4, на котором закреплены ролики 9, из наружного модуля 1, имеющего соответствующие направляющие 7 и 8, по которым и перемещаются вышеупомянутые ролики 9.

На заключительном этапе выдвижения внутреннего модуля 4 необходимо обеспечить следующие условия для срабатывания замков стыковки:
совместить направляющие шпильки 16 и 17, закрепленные на стыковочном шпангоуте 3 наружного модуля 1 с соответствующими отверстиями 18 и 19 на стыковочном шпангоуте 5 внутреннего модуля 4;
сблизить сопрягаемые поверхности 11 и 12 стыковочных шпангоутов 3 и 5, обеспечив в зоне расположения замков зазор И (см. фиг.7), гарантирующий надежное срабатывание замков 13.

Для приведения в действие каждого из замков стыковки 13 необходимо потянув за тягу 54 повернуть рычаг 52 относительно его оси 55, при этом чека 53 будет срезана, а упиравшийся в боковую поверхность 51 рычага 52 фиксатор 47 освобождается. Под действием пружины 56 конец 48 фиксатора 47 выходит из гнезда 49 хвостовика 44 резьбового стержня 32, освобождая его. Резьбовой стержень 32, в свою очередь, под действием размещенной внутри активного узла 15 пружины 46 перемещается в направлении приемного гнезда 14 до упора навинченной на резьбовой стержень 32 гайки 37 в переднюю стенку 57 корпуса 33 активного узла 15. При этом головка 31 резьбового стержня 32, разжав своим коническим 34 участком кулачки 24 приемного гнезда 14, проскакивает через зону их расположения. После прохождения головки 31 кулачки 24 под действием своих пружин 25 возвращаются в исходное положение.

Тем самым после аналогичного срабатывания всех замков происходит предварительная стыковка модулей 1 и 4 КА и создаются условия для стягивания их по сопрягаемым поверхностям 11 и 12. Стягивание модулей выполняется путем затяжки резьбовых стержней 32 замков стыковки 13 в определенной последовательности, для чего на специальные участки 35 головок 31 резьбовых стержней 32 поочередно устанавливается ключ, которым и осуществляется затяжка каждого из резьбовых стержней относительно соответствующей гайки 37. При этом каждая из гаек 37 удерживаются от проворота выступами 40 и 41, находящимися в соответствующих пазах 42 и 43 корпуса 33 активного узла 15.

В процессе вращения резьбового стержня 32 его головка 31 своей опорной поверхностью 30 оседает на соответствующие рабочие поверхности 27 кулачков 24 приемного гнезда 14. Под действием головки 31 кулачки 24 могут перемещаться относительно пазов 22 кольцевой обоймы 21 и осей 23 до соприкосновения своими рабочими поверхностями 27 с торцом 28 обоймы 21. Опорная поверхность 30 головки 31 резьбового стержня 32 выполнена вогнутой, а контактирующие с ней поверхности 27 кулачков 24 - соответственно выпуклыми, в результате чего после соприкосновения поверхностей 27 и 30 кулачки 24 самой формой этих поверхностей, а также пазами 22, в которых кулачки находятся, и осями 23 удерживаются от выскальзывания из-под головки 31 резьбового стержня 32.

Для предотвращения самопроизвольного отвинчивания резьбовых стержней 32, которое может возникнуть в процессе штатной эксплуатации КА, в состав приемного гнезда 14 каждого из замков стыковки введен подпружиненный стопор 58, который размещается в специальном отверстии 59 корпуса 20 приемного гнезда 14 и имеет пологий 60 и упороный 61 рабочие участки. Продольная ось стопора 58 перпендикулярна продольной оси резьбового стержня 32, а рабочие участки стопора 58 расположены таким образом, что после срабатывания активного узла 15 и выхода головки 31 резьбового стержня 32 за кулачки 24 соответствующего приемного гнезда 14 они вступают во взаимодействие со специальными продольными пазами 62, выполненными на коническом участке 34 головки 31. В свою очередь, каждый из этих пазов 62 головки 31 также имеет пологую 63 и упорную 64 поверхности, расположенные таким образом, что при завинчивании резьбового стержня 32 пологие поверхности 63 пазов 62 головки 31 стержня поочередно взаимодействуют с пологим участком 60 стопора 58. В результате каждого взаимодействия с пологими поверхностями 63 пазов 62 резьбового стержня 32 стопор 58 утапливается в своем отверстии 59 за счет сжатия пружины 65, а после прохождения очередного пологого участка 63 стопор 58 под действием пружины 65 возвращается в исходное положение. В этом положении стопор 58 способен предотвратить отвинчивание, в том числе самопроизвольное, резьбового стержня 32, так как при попытке сделать это упорная поверхность 64 ближайшего из пазов 62 головки 31 резьбового стержня 32 упирается в упорный участок 61 стопора 58, что и удерживает резьбовой стержень от отвинчивания. В случае необходимости произвести отвинчивание резьбового стержня 32, следует утопить стопор 58 в его отверстии 59 и удерживать его в таком положении до завершения операции.

Таким образом, предлагаемое устройство стыковки позволяет не только осуществить стыковку развертываемых модулей КА, но и произвести стягивание этих модулей по сопрягаемым поверхностям. Это позволяет обеспечить совместную силовую работу несущих элементов стыкуемых модулей, а также, при необходимости, обеспечить герметичность стыка этих модулей.

Первое позволяет повысить надежность функционирования несущих элементов конструкции КА, а второе дает возможность использовать подобные устройства стыковки при развертывании в том числе обитаемых КА. Причем подобные устройства стыковки могут быть использованы в космических аппаратах, развертываемых на орбите как путем последовательной стыковки автономно доставляемых на орбиту отдельных модулей, так и путем выдвижения и стыковки друг с другом модулей, доставляемых на орбиту одновременно, например один внутри другого. А так как входящие в состав заявляемого устройства замки стыковки целесообразно размещать по периферии стыкуемых модулей, то при развертывании модулей внутри них могут образовываться достаточно большие единые объемы, в том числе герметичные, что может оказаться полезным, например, при создании в космическом пространстве производственных лабораторий.

Устройство предназначено для использования в развертываемых на орбите космических аппаратах, в том числе обитаемых и работающих на орбите длительное время. Устройство содержит элементы взаимной круговой ориентации модулей, замки стыковки, каждый из которых включает приемное гнездо на одном модуле и активный узел на другом модуле. Активный узел содержит резьбовой стержень, установленный с возможностью перемещения в осевом направлении. Приемное гнездо включает корпус и размещенную внутри него кольцевую обойму с продольными пазами и установленными в них подпружиненными кулачками. У каждого кулачка одна рабочая поверхность может опирания на торец обоймы, а другая контактировать с опорной поверхностью головки резьбового стержня, имеющего форму усеченного конуса с участком под ключ. Стержень подпружинен относительно корпуса активного узла и на нем установлена гайка с выступами, взаимодействующими с продольными пазами корпуса активного узла. Резьбовые стержни снабжены фиксаторами, которые удерживают стержни как от осевого перемещения, так и от самопроизвольного поворота. В корпус приемного гнезда замков стыковки может быть введен подпружиненный стопор для взаимодействия с продольными пазами на боковой поверхности головки резьбового стержня активного узла. Изобретение позволяет повысить надежность устройства стыковки. 1 з.п.ф-лы, 10 ил.

1. Устройство стыковки развертываемых модулей космических аппаратов, включающее элементы взаимной круговой ориентации модулей, а также один или несколько замков стыковки, каждый из которых состоит из приемного гнезда, установленного на одном модуле, и активного узла, размещенного соответственно на другом модуле и содержащего резьбовой стержень с головкой, обладающей возможностью перемещения в осевом направлении относительно корпуса активного узла, отличающееся тем, что приемное гнездо каждого из замков стыковки выполнено в виде корпуса и размещенной внутри него кольцевой обоймы с двумя или более продольными пазами и размещенными в них подпружиненными кулачками, у каждого из которых одна рабочая поверхность выполнена с возможностью опирания на торец обоймы, а другая - с возможностью контактирования с опорной поверхностью головки резьбового стержня, при этом головка резьбового стержня имеет форму усеченного конуса, к вершине которого примыкает участок, выполненный под ключ, кроме того, резьбовой стержень подпружинен относительно корпуса активного узла и на нем установлена гайка, на наружной поверхности которой выполнены выступы, взаимодействующие с продольными пазами, выполненными на внутренней поверхности корпуса активного узла, при этом каждый резьбовой стержень снабжен фиксатором, взаимодействующим своим фиксирующим концом с соответствующим гнездом в теле резьбового стержня, а другой конец выполнен с возможностью упора в боковую поверхность поворотного рычага, установленного в специальном пазе корпуса активного узла и удерживаемого от самопроизвольного поворота посредством срезной чеки.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус приемного гнезда каждого из замков стыковки введен подпружиненный стопор, взаимодействующий с продольными пазами, выполненными на боковой поверхности головки резьбового стержня активного узла.