КОСМИЧЕСКИЙ МОЛОТОК Российский патент 2015 года по МПК B25D1/12 

Изобретение относится к космической технике, в частности к инструментам для выполнения технологических операций космонавтом в скафандре вне гермоотсеков, в условиях невесомости, вакуума и знакопеременных температур.

В процессе выполнения слесарно-монтажных и ремонтно-восстановительных работ космонавты используют широкий спектр ручных инструментов, адаптированных к функциональным возможностям космонавта, облаченного в скафандр, и факторам окружающей среды. Наряду с другими инструментами используются молотки - ручной инструмент ударного действия с поступательным движением рабочей части - бойка.

Обязательным условием жизни и работы в невесомости является фиксация всех предметов или управление их перемещением, во избежание бесконтрольного дрейфа как внутри отсеков, так и за бортом космического объекта.

В 1970 г. была развернута программа по экспериментальному исследованию возможностей космонавта в скафандре выполнять технологические операции с использованием инструментов. В условиях моделированной невесомости при полете самолета по параболической траектории оценивался широкий спектр инструментов, в том числе и молоток. На режиме невесомости, при нанесении удара по металлической конструкции был зафиксирован отскок молотка от конструкции вместе с рукой испытателя по направлению к остеклению гермошлема скафандра, что представляло угрозу целостности остекления. Удерживание молотка в момент отскока при редукции усилия сжатия кисти в наддутой перчатке скафандра требует от космонавта большого напряжения с риском утери молотка. После многократного повторения данного эксперимента однозначно сформировалась необходимость исключить явление отскока молотка после удара. Безреактивность определена как обязательное свойство молотка для использования его в условиях невесомости.

В статье авторов Ц. Олегова¹, (¹Псевдоним автора данной заявки) Г. Сергеева "Инструменты для космонавта", опубликованной в 1976 г. [1], показан "неотскакивающий при ударе молоток, в полый корпус которого помещены металлические шарики, принимающие на себя энергию отдачи". В описании отсутствует указание о соотношении геометрических величин полости и той ее части, которая заполнена помещенным в нее сыпучим материалом. Однако произвольно назначенное соотношение этих величин не может обеспечить парирование отскока в условиях невесомости.

Известен молоток, отличающийся тем, что он имеет съемную головку в виде пустотелой каплевидной гальки [2], внутрь которой засыпается дробь. В конструкции отсутствуют признаки, которые могли бы способствовать устранению отскока, не указаны соотношения между геометрическими параметрами частей молотка. Кроме того, нанесение ударов молотком каплевидной формы по таким инструментам, как зубило, бородок, пробойник и др., является непродуктивным и опасным для исполнителя в скафандре в условиях невесомости при сниженной координации движений космонавта.

Известен молоток (полезная модель) [3], состоящий из ручки и бойка, имеющего полость, заполненную чугунными частицами полусферической формы и смазывающим веществом, отличающийся тем, что полость имеет форму цилиндра со сферическими поверхностями по концам при соотношении диаметр: длина цилиндра = 1:3-5, и которая заполнена чугунными частицами полусферической формы размером 1-3 мм и силиконовой смазкой, взятой в соотношении объемов чугунные частицы: силиконовое масло = 1:0,8-1,5.

В представленной конструкции нет данных о степени заполнения полости вязким силиконовым маслом и чугунными частицами. Кроме того, сопротивление вязкого силикона препятствует быстрому перемещению частиц, вызывает запаздывание воздействия наполнителя на боек и не исключает его отскока в условиях невесомости.

Известна деревянная киянка [4] с полостью 100×32×3 5 мм, в которую помещена свинцовая дробь №7 в объеме 40 мл и весом 300 г по общности признаков, принятая в качестве прототипа. Отскок при ударе деревянным бойком киянки поглощается нежестким материалом бойка, наполнителем и силой земного притяжения.

Удар металлом по металлу в условиях невесомости носит мгновенный упругий характер, воздействие сил, парирующих отскок, должно наступать в момент отскока. При указанных размерах полости и объеме дроби, последняя занимает 3,57 см по длине полости. Перемещение дроби на 2/3 длины полости вызовет в условиях невесомости запаздывание воздействия дроби на ударную часть бойка к моменту отскока, в результате чего отскок не парируется.

Задачей изобретения является обеспечение безопасности эксплуатации космического молотка в условиях невесомости космонавтом в скафандре.

Задача решается следующим образом.

Космический молоток, в бойке которого образована полость, заполненная сыпучим наполнителем, отличается тем, что длина полости определяется по следующему соотношению величин:

$$L=\frac{4\left(\mathrm{0,4}÷\mathrm{0,5}\right)M}{\pi d^2\rho }\left(\mathrm{1,1}÷\mathrm{1,2}\right)$$ , где:

M - заданная масса молотка, d - диаметр окружности, вписанной в поперечное сечение бойка, ρ - удельная плотность сыпучего наполнителя, при этом масса сыпучего наполнителя m=(0,4÷0,5)M, степень заполнения полости сыпучим наполнителем l=L/(1,1÷1,2).

На фигурах:

На фиг.1 - космический молоток.

На фиг.2 - окружность, вписанная в поперечное сечение бойка.

На фиг.3 - прозрачная модель бойка.

На фиг.4 - сравнение отскока космического и обычного молотка.

На фигурах:

1 - боек.

2 - сыпучий наполнитель.

По наблюдениям на режиме невесомости в полете самолета по параболической траектории, в экспериментах с использованием прозрачной модели бойка 1 (фиг.3) установлено, что оптимальная длина полости L (фиг.1) должна превышать длину части полости l, заполненную сыпучим наполнителем 2, в соотношении

$$L=\left(\mathrm{1,1}÷\mathrm{1,2}\right)l\left(1\right)$$

Данное соотношение, полученное экспериментально, обеспечивает необходимый свободный пробег сыпучего наполнителя и своевременный контакт сыпучего наполнителя с ударной частью бойка для парирования отскока космического молотка.

В результате экспериментов в условиях невесомости установлено, что масса сыпучего наполнителя m обеспечивает оптимальное парирование отскока космического молотка массой M при соотношении

$$m=\left(\mathrm{0,4}÷\mathrm{0,5}\right)M\left(2\right)$$

Тогда объем сыпучего наполнителя v при удельной плотности сыпучего наполнителя ρ определится

$$v=\frac{m}{\rho }\left(3\right)$$

В свою очередь, объем заполненной части полости v, равен

$$v=\frac{\pi d^2}{4}l\left(4\right)$$ ,

где d - диаметр окружности, вписанной в поперечное сечение бойка.

Из выражений (3) и (4) получаем равенство

$$\frac{\pi d^2}{4}l=\frac{\left(\mathrm{0,4}÷\mathrm{0,5}\right)M}{\rho },\left(5\right)$$

откуда длина части полости l, заполненная сыпучим наполнителем, равна

$$l=\frac{4\left(\mathrm{0,4}÷\mathrm{0,5}\right)M}{\pi d^2\rho }\left(6\right)$$

Согласно полученной экспериментально зависимости (1)

$$L=\frac{4\left(\mathrm{0,4}÷\mathrm{0,5}\right)M}{\pi d^2\rho }\left(\mathrm{1,1}÷\mathrm{1,2}\right)\left(7\right)$$

Разработка космического молотка осуществляется в следующем порядке.

Исходя из технологических задач, назначается масса космического молотка M, форма и размеры ударной части бойка, например, круг диаметром D. В поперечное сечение бойка вписывается, из конструктивных соображений, окружность диаметра d для цилиндрической полости (фиг.2).

Критериями выбора сыпучего наполнителя являются:

- фрагментированный материал, сохраняющий форму частиц;

- отсутствие адгезии между частицами;

- приемлемая удельная плотность материала; рационально использовать материал с удельной плотностью ρ, близкой к удельной плотности материала бойка, например, стальные шары диаметром 2 мм.

Определяют длину полости L (фиг.1) при заданных массе молотка M, удельной плотности сыпучего наполнителя ρ и диаметре полости d по полученной зависимости (7).

Ниже приведен численный пример.

Дано:

М=1000 г

d=3 см

ρ=7,8 г/см³

$$L=\frac{\left(\mathrm{0,4}÷\mathrm{0,5}\right)1000}{\mathrm{3,14}\cdot 3^2\cdot \mathrm{7,8}}\left(\mathrm{1,1}÷\mathrm{1,2}\right)=\left(8÷11\right)см$$

Степень заполнения полости сыпучим наполнителем по ее длине определяется из соотношений (1) или (6)

l=1/(1,1÷1,2)=(7,2÷9) см

Парирование отскока при данной конструкции космического молотка в условиях невесомости реализуется следующим образом:

- при движении бойка на стадии замаха сыпучий наполнитель частично смещается в полости к задней части бойка, при этом образуются бесконтактные зазоры между частицами и разрежение в среде сыпучего наполнителя;

- при обратном движении - в направлении нанесения удара, корпус бойка опережает сыпучий наполнитель ввиду инерционного отставания последнего;

- в момент отскока бойка частицы сыпучего наполнителя вступают в контакт с ударной частью бойка, при этом кинетическая энергия сыпучего наполнителя, уплотнение частиц и трение между частицами обеспечивают парирование отскока.

Свойство безреактивности космического молотка наглядно проявляется в сравнении с обычным молотком при одновременном нанесении ударов (фиг.4).

Космические молотки описанной конструкции подтвердили соответствие назначению и свою эффективность при применении в реальных космических полетах, обеспечено безопасное применение молотка: исключен отскок и контактирование молотка с элементами скафандра при этом, облегчено удерживание космонавтом рукоятки молотка рукой в наддутой перчатке скафандра.

Литература

1. Ц. Олегов, Г. Сергеев. Инструменты для космонавта. Наука и жизнь, №9, 1976 г., с.27-32, цв. вкладка.

2. Патент RU 2418674 С2.

3. Патент RU 18508 U1.

4. http://www.master-forum.ru/hand-tools-master-classId=1192.

Изобретение относится к космической технике, в частности к инструментам, предназначенным для выполнения технологических операций космонавтом в скафандре вне гермоотсеков, в условиях невесомости. Молоток содержит боек, в котором образована полость, заполненная сыпучим наполнителем. Длина полости определена по следующему соотношению:

$$L=\frac{4\left(\mathrm{0,4}÷\mathrm{0,5}\right)M}{\pi d^2\rho }\left(\mathrm{1,1}÷\mathrm{1,2}\right)$$ , где M - заданная масса молотка, d - диаметр окружности, вписанной в поперечное сечение бойка, ρ - удельная плотность сыпучего наполнителя. При этом масса сыпучего наполнителя составляет m=(0,4÷0,5)M, а степень заполнения полости сыпучим наполнителем - l=L/(1,1÷1,2). В результате исключается отскок молотка после удара. 4 ил.

Молоток, используемый в условиях невесомости, в бойке которого образована полость, заполненная сыпучим наполнителем, отличающийся тем, что длина полости определена по следующему соотношению:
,
где: M - заданная масса молотка, d - диаметр окружности, вписанной в поперечное сечение бойка, ρ - удельная плотность сыпучего наполнителя, при этом масса сыпучего наполнителя составляет m=(0,4÷0,5)M, а степень заполнения полости сыпучим наполнителем - l=L/(1,1÷1,2).