ПЛАТФОРМА ПОВОРОТНАЯ ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ НАГРУЗКИ Российский патент 2004 года по МПК B64G1/64 B64G1/22 

Изобретение относится к устройствам для закрепления объектов, преимущественно космических аппаратов и других полезных нагрузок (ПН), на адаптерах или приборных отсеках ракет-носителей (РН) и может быть использовано в ракетно-космической технике при групповом (одновременном) запуске нескольких полезных нагрузок одной ракетой-носителем.

При групповом запуске нескольких ПН существует проблема их размещения в зоне подобтекательного пространства и безударности отделения ПН от РН при их выводе на расчетную орбиту.

Известны стыковочные кронштейны с наклонными опорными площадками для крепления микроспутников BIRD и PROBA (см. журнал “Новости космонавтики”, №12, декабрь 2001 г.).

Стыковочные кронштейны жестко и неподвижно закреплены на опорной части приборного отсека, микроспутники установлены на них под определенным фиксированным углом к продольной оси РН и закреплены с помощью устройств разделения. Недостатком данных устройств является невозможность размещения габаритных по высоте ПН, т.к. существуют ограничения по диаметру (ширине) зоны полезного груза, а наклонное размещение “высоких” ПН может привести к выходу элементов конструкции ПН за эту зону и возможному соударению их с внутренней поверхностью головного обтекателя РН при действии на ПН нагрузок участка выведения. По этой же причине нельзя увеличить угол наклона ПН при их креплении на неподвижные стыковочные кронштейны для обеспечения безударного отделения ПН от РН.

В результате анализа патентной и научно-технической литературы в качестве прототипа заявляемого устройства принято техническое решение по патенту 2155146 от 27.08.2000 г. (регистрационный номер заявки 97103514/28 от 05.06.1996 г., номер конвенционной заявки 9506642 от 06.06,1995 г., страна приоритета Франция), в котором описано устройство “Наклонный адаптер для транспортирования нескольких полезных нагрузок на одной ракете-носителе”. Адаптер полезной нагрузки служит для одновременного удержания на одной РН двух и более находящихся рядом полезных нагрузок. Адаптер содержит опорную часть, которая может быть прикреплена к несущей конструкции, и наклонную (поворотную) часть (на ней закреплена с помощью средств отделения ПН), соединенную с опорной частью шарнирными узлами и дистанционно разделяемым удерживающим устройством, установленным между наклонной и опорной частями. Удерживающее устройство содержит пиротехническую разъединительную полосу вдоль плоской и круглой поверхности соединения. Средство управления наклоном содержит по меньшей мере один пружинный механизм, концы которого соответствующим образом шарнирно подсоединены к наклонной части и к опорной части, причем конец средств стопорения перемещений взаимосвязан с исполнительным механизмом и состоит из штырей, разжимаемых пружиной и устанавливаемых в стопорные отверстия направляющего цилиндра пружины исполнительного механизма. Пружинный исполнительный механизм со средствами стопорения перемещений установлен между наклонной (поворотной) частью и опорной частью и автоматически приводит наклонную часть в положение отделения ПН посредством поворота вокруг шарнирных узлов при расцеплении удерживающего устройства.

Недостатком известного устройства являются большие ударные нагрузки в начале разворота наклонной части за счет разъединения пиротехнической полосы, соединяющей наклонную (поворотную) часть с опорной частью, и в конце разворота наклонной части из-за отсутствия каких-либо демпфирующих устройств, уменьшающих ударные нагрузки, либо тормозных устройств, снижающих скорость разворота наклонной части. Кроме того, в известном техническом решении возможна неопределенность угла наклона поворотной части из-за недостаточно надежной фиксации поворотной части адаптера в наклонном положении при срабатывании пружин исполнительного механизма. Фиксация поворотной части в наклонном положении осуществляется за счет установки стопорных элементов штыревого типа, разжимаемых стопорной пружиной, в отверстия направляющего цилиндра, причем конструктивная связь пружины исполнительного механизма и фиксирующих элементов такова, что фиксация перемещений поворотной части может произойти при разжатии пружины исполнительного механизма на строго определенную величину.

Из-за допусков и разброса геометрических характеристик конструкции пружины и ее упругих свойств (например, изменение модуля упругости материала пружины из-за колебаний температуры в условиях космического пространства) ход пружины может меняться и быть неопределенным. При некоторых условиях ход пружины исполнительного механизма может оказаться меньше перемещения, необходимого для попадания фиксирующих штырей в стопорные отверстия направляющего цилиндра. В этом случае поворотная часть окажется незафиксированной относительно опорной части, что приведет к нежелательным колебаниям (“раскачиванию”) поворотной части с установленной на ней ПН на пружине исполнительного механизма и отрицательно скажется на последующем отделении ПН. Если для обеспечения гарантированного попадания стопорных элементов в отверстия направляющего цилиндра выполнить эти отверстия с большим зазором по отношению к диаметру стопорных штырей, то в пределах этих зазоров также возможны колебания поворотной части с ПН и возникновение значительных ударных нагрузок в наклонном положении поворотной части перед отделением ПН. С другой стороны, если для обеспечения гарантированного стопорения наклонной части с помощью стопорных штырей увеличить усилие пружины исполнительного механизма, то это также приведет к нежелательному увеличению нагрузок на ПН при развороте наклонной части.

Задачами (целями) предлагаемого устройства поворотной платформы для крепления ПН являются:

- уменьшение нагрузок ударного характера, возникающих при установке платформы в наклонное положение для последующего отделения ПН, причем как в начале разворота поворотной части платформы, так и в конечный момент ее разворота при обеспечении необходимой жесткости установки платформы на адаптер (или другую несущую конструкцию) в исходном (неразвернутом) положении;

- повышение надежности фиксации поворотной части платформы в наклонном положении, причем при точно заданном угле наклона (в пределах допусков), необходимом для отделения ПН.

Для достижения поставленных задач (целей) известная платформа наклонного адаптера снабжена:

- разъединяемым удерживающим устройством, состоящим из пиромеханического замка и резьбовых упоров, размещенных на противоположном от шарнирных узлов конце поворотной части платформы;

- средствами стопорения перемещений наклонного положения платформы, выполненными в виде двух пар рычагов, шарнирно соединенных между собой и с поворотной и опорной частями платформы;

- противоударными демпферами, установленными на концах крепления рычагов к поворотной части платформы.

Пиромеханический замок обеспечивает механическую связь и удерживает в контакте поворотную и опорную части платформы в исходном положении. При срабатывании замка освобождается силовой удерживающий элемент (при этом сам он не разрушается), что с точки зрения действующих на ПН нагрузок лучше (т.к. нагрузки значительно меньше) по сравнению с прототипом.

Резьбовые упоры (минимальное количество - 2 штуки) расположены симметрично по обе стороны пирозамка. Величина усилия затяжки резьбовых упоров варьируется (настраивается) в зависимости от массо-инерционных характеристик ПН и для обеспечения требуемой жесткости установки платформы с ПН. При этом в силовом элементе, например болте пирозамка, возникает начальное растягивающее усилие.

Рычаги средств стопорения обеспечивают фиксацию наклонного положения поворотной части платформы в конечный момент ее разворота, т.е. при установке ее в рабочее наклонное положение для последующего отделения ПН.

Противоударные демпферы обеспечивают уменьшение ударных нагрузок в конце разворота поворотной части платформы.

Обеспечение контакта поворотной части и опорной части платформы с помощью механической связи в пирозамке приводит к значительно меньшим ударным нагрузкам на ПН при разрыве такой одиночной (точечной) удерживающей связи по сравнению с прототипом, в котором задействуется для разворота наклонной части пиротехническая система (полоса), разъединяющая плоскую и круглую поверхности соединения частей платформы (что подтверждается результатами проведенных стендовых отработочных испытаний пиротехнических систем типа пирошнуров или пирополос и одиночных пирозамков). Плавность и безударность разворота поворотной части платформы в начальный момент обеспечивается и за счет незначительного усилия разрыва механической связи в пирозамке. Т.к. силовой удерживающий элемент замка - болт нагружен предварительной растягивающей силой за счет соответствующей затяжки резьбовых упоров, то для его срабатывания (освобождения предварительно нагруженного болта) достаточно небольшого силового воздействия, например, при срабатывании пирочеки или пиропатрона. Поэтому разрыв точечной механической удерживающей связи в пирозамке предложенного устройства приводит к значительно меньшим действующим нагрузкам на ПН, установленную па поворотной части платформы, по сравнению с прототипом.

Наличие резьбовых упоров, расположенных на концах поворотной части платформы по обе стороны от пирозамка, а также величина усилия их предварительной затяжки (которая определяется расчетным путем и может корректироваться по результатам испытаний) обеспечивает требуемую жесткость установки поворотной части платформы на опорную часть при действии на ПН поперечных (боковых) нагрузок. Резьбовые упоры разнесены по концам поворотной части (их минимальное количество - 2 штуки) и за счет этого эффективно воспринимают моментные составляющие поперечных (боковых) нагрузок. Кроме того, предварительная затяжка упоров создает дополнительное усилие отталкивания (“расталкивания”) поворотной части платформы от опорной части в начальный момент ее разворота при разъединении механической связи пирозамка удерживающего устройства. Т.е. упоры играют роль толкателей, которые обычно устанавливают для создания усилия отталкивания в начальный момент разворота платформы при разрыве удерживающей связи. Поэтому в предложенном устройстве платформы можно уменьшить усилие толкателей или вообще их не устанавливать, а также возможно уменьшение усилия пружин исполнительного механизма, что приведет к уменьшению нагрузок на ПН в процессе ее разворота с помощью предложенной платформы.

Конструкция средств стопорения перемещений, состоящая из двух пар шарнирно соединенных между собой рычагов, обеспечивает более надежную взаимную фиксацию поворотной и опорной частей платформы при определенном угле наклона поворотной части, необходимом для отделения ПН. Конструкция рычагов предложенного фиксирующего устройства более жесткая по сравнению со стопорными элементами прототипа, а также отсутствуют какие-либо зазоры и люфты, характерные для конструкции средств стопорения известного технического решения. Поворот фиксирующих рычагов происходит за счет усилий пружин исполнительного механизма, соединенных с концами крепления рычагов на опорной части платформы, поэтому их разворот и установка в рабочее положение произойдет и в случае возможного уменьшения упругих свойств пружин исполнительного механизма (например, при изменении температуры), т.к. фиксация рычагов конструктивно непосредственно не зависит от хода пружин исполнительного механизма, что характерно для прототипа. Угол наклона поворотной части платформы однозначно определяется суммарной длиной пар рычагов и местами их крепления на поворотной и опорной частях платформы. Таким образом, предложенная конструкция фиксирующего устройства позволяет надежно зафиксировать поворотную часть платформы в наклонном положении, необходимом для последующего отделения ПН.

Демпферы для уменьшения ударных нагрузок на ПН могут быть различной конструкции с возможностью настройки (регулировки) на определенное усилие и энергию удара, например, снижение ударных воздействий и поглощение энергии удара может осуществляться за счет деформации набора упругих тарельчатых шайб определенной жесткости или за счет пластического среза зубьями ножевой головки кольцевого буртика втулки, выполненной из пластичного материала, при их взаимодействии в момент удара (в конце разворота поворотной части в рабочее положение).

На фигуре 1 изображена платформа поворотная для крепления ПН в исходном положении.

На фигуре 2 изображена платформа поворотная для крепления ПН в рабочем (наклонном) положении.

На фигуре 3 изображен вид сбоку (вид А) платформы поворотной в исходном положении.

Устройство платформы поворотной для крепления ПН состоит из поворотной части 1, соединенной шарнирными узлами 2, пиромеханическим замком 3 и резьбовыми упорами 4 с опорной частью 5. На поворотную часть 1 посредством средств отделения (на фигурах условно не показаны) установлена полезная нагрузка (ПН) 6. Пиромеханический замок 3 с резьбовыми упорами 4 и шарнирные узлы 2 размещены на противоположных концах поворотной части 1. Резьбовые упоры 4 расположены на одной и той же стороне поворотной части 1, что и пирозамок 3, симметрично по обоим концам от него (см. фигуру 3).

Платформа снабжена пружинами 7 исполнительного механизма, один конец которых закреплен на опорной части 5, а другой - через гибкую связь, например трос 8 и ролики 9, закреплен на концы рычагов 10, установленные на опорной части 5. В исходном положении поворотной части 1 пружины 7 устанавливаются с предварительным (начальным) растяжением. С помощью их усилия осуществляется управление углом наклона поворотной части 1.

Платформа снабжена двумя парами рычагов 10 и 11, которые соответствующим образом соединены с помощью шарнирных узлов 12 и 13 с опорной частью 5 и поворотной частью 1, между собой пары рычагов соединены посредством шарнирных узлов 14. Концы крепления рычагов 10 на опорной части 5 соединены с роликами 9, взаимодействующими через тросы 8 с пружинами 7, причем ролики 9 установлены на оси шарнирных узлов 12 и неподвижно закреплены по отношению к рычагам 10. Концы крепления рычагов 11 на поворотной части 1 снабжены противоударными демпферами 15, причем шарнирные узлы 13 крепления рычагов 11 и демпферы 15 расположены по разные стороны от плоскости поворотной части 1, шарнирные узлы 13 расположены снизу поворотной части 1 со стороны опорной части 5, а демпферы 15 - сверху поворотной части 1 со стороны ПН 6. В развернутом положении пары рычагов 10 и 11 фиксируются между собой с помощью стопора 16.

В исходном (начальном) положении (см. фигуру 1) платформы (обычно плоскость стыковки ПН 6 с поворотной частью 1 платформы горизонтальна, хотя возможен и любой другой угол наклона, необходимый для оптимального размещения ПН 6 в зоне подобтекательного пространства):

- поворотная часть 1 крепится к опорной части 5 посредством шарнирных узлов 2 и удерживается в контакте с ней с помощью пиромеханического замка 3;

- резьбовые упоры 4 поворотной части 1 также контактируют со специальными опорными площадками 17 (см. фигуру 3, на фигурах 1 и 2 площадки 17 условно не показаны), жестко закрепленными на опорной части 5;

- резьбовые упоры 4 предварительно затягиваются определенным тарированным усилием (моментом затяжки);

- пружины 7 находятся в растянутом состоянии, их усилие передается через тросы 8, ролики 9, шарнирные узлы 12 на пару рычагов 10;

- пары рычагов 10 и 11 находятся в сложенном положении с помощью шарнирных узлов 14;

- противоударные демпферы 15 находятся в состоянии, подготовленном и настроенном на демпфирование ударных нагрузок, возможных при установке поворотной части 1 в наклонное положение.

Устройство поворотной платформы для крепления ПН работает следующим образом.

При освобождении механической связи в замке 3 удерживающего устройства усилие пружин 7 через трос 8 передается на ролики 9, закрепленные на концах (на шарнирных узлах 12) рычагов 10, с моментом, за счет которого пары рычагов 10 и 11 начинают разворачиваться на своих шарнирных узлах 12, 13, 14. Под действием усилий рычагов, передающихся на поворотную часть 1, она начинает свой разворот на шарнирных узлах 2. Разворот поворотной части 1 продолжается до тех пор, пока пары рычагов 10 и 11 не установятся в одну линию (см. фигуру 2) и не зафиксируются в этом положении с помощью стопоров 16. При этом поворотная часть 1 займет наклонное положение, резьбовые упоры 4 отойдут вместе с поворотной частью 1 от опорной части 5, в начальный момент разворота отталкиваясь от нее с соответствующим усилием их предварительной затяжки. В конце разворота поворотной части 1 срабатывают противоударные демпферы 15, установленные на концах крепления рычагов 11 к поворотной части 1 со стороны ПН 6, уменьшая ударные нагрузки на ПН 6, закрепленную с помощью средств отделения (на фигурах условно не показаны) на поворотной части 1.

Таким образом, ПН 6 оказывается установленной и зафиксированной в соответствующем наклонном положении, необходимом для ее последующего отделения от несущей конструкции (адаптера или приборного отсека) РН (на фигурах условно не показана).

Расчеты, проведенные авторами, а также натурные испытания устройства в составе штатных изделий и стендовые испытания в составе отработочных изделий показали значительную эффективность предложенного технического решения для крепления и разворота ПН.

Заявленное устройство по сравнению с прототипом обладает существенными отличиями и позволяет уменьшить ударные нагрузки на ПН как в начале разворота поворотной части (за счет разрыва точечной механической связи в замке), так и в конце разворота поворотной части (за счет установки противоударных демпферов) при обеспечении необходимой жесткости установки поворотной части на опорную часть в исходном положении (за счет установки резьбовых регулируемых упоров на концах поворотной части), а также повышение жесткости установки и надежности фиксации поворотной части в точно заданном наклонном положении (за счет выполнения фиксирующих средств в виде двух пар рычагов, шарнирно закрепленных на поворотной и опорной частях платформы).

Изобретение относится к устройствам для крепления объектов, преимущественно космических аппаратов, на адаптерах при одновременном запуске нескольких полезных нагрузок одной ракетой-носителем и может быть использовано в ракетно-космической технике. Устройство платформы состоит из поворотной части и опорной части, соединенных между собой с помощью шарнирных узлов, пиромеханического замка и резьбовых упоров с регулируемым усилием затяжки. Управление углом наклона поворотной части осуществляется с помощью пружин и тросов исполнительного механизма. Фиксация перемещений поворотной части относительно опорной части в наклонном положении осуществляется двумя парами рычагов, шарнирно закрепленных между собой и на поворотной и опорной частях платформы. Конец крепления фиксирующих рычагов на опорной части связан с пружинами исполнительного механизма, а конец крепления рычагов на поворотной части снабжен противоударными демпферами для уменьшения ударных нагрузок в конце разворота поворотной части. При освобождении удерживающей механической связи в замке поворотная часть платформы с закрепленной на ней полезной нагрузкой под действием усилий пружин исполнительного механизма устанавливается и фиксируется в наклонном положении, необходимом для последующего отделения полезной нагрузки. Технический результат - уменьшение ударных нагрузок на объект, повышение жесткости установки и надежности фиксации объекта в наклонном положении при точно заданном угле наклона, необходимом для его последующего отделения от ракеты-носителя. 3 ил.

Платформа поворотная для крепления полезной нагрузки, содержащая поворотную часть, соединенную шарнирными узлами и разъединяемым удерживающим устройством с опорной частью, снабженная пружинным исполнительным механизмом, связанным со средствами стопорения перемещений поворотной части относительно опорной части, отличающаяся тем, что разъединяемое удерживающее устройство содержит пиромеханический замок и резьбовые упоры с регулируемым усилием затяжки, размещенные на противоположном от шарнирных узлов конце поворотной части, а средства стопорения перемещений выполнены в виде двух пар рычагов, шарнирно соединенных с поворотной частью и опорной частью и между собой, причем концы крепления рычагов на опорной части соединены с пружинным исполнительным механизмом, а концы крепления рычагов на поворотной части снабжены противоударными демпферами.