УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Российский патент 2017 года по МПК B64G1/64 B64G99/00 E05B47/00 

Раздел техники

Настоящее изобретение - устройство для разделения элементов конструкций летательных аппаратов относится к устройствам, предназначенным для управляемого разделения конструктивных элементов летательных аппаратов и управляемого отделения от основного корпуса летательного аппарата отработавших модулей: ступеней ракет, аппаратуры, балласта и т.д.

Промышленная применимость

Изобретение может применяться в космической и авиационной технике.

Уровень техники

В подавляющем большинстве устройств, служащих для разделения элементов конструкций летательных аппаратов и использующихся в настоящее время, основным элементом является пиротехнический замок (пиротехническое устройство) - пироболт, или пиропатрон - крепежный болт, в стержне которого рядом с головкой создается полость, заполняемая бризантным взрывчатым веществом с электродетонатором. При подаче импульса тока на электродетонатор происходит взрыв, разрушающий стержень болта, в результате чего его головка отрывается, и происходит разделение элементов конструкции летательного аппарата, которые до этого пироболт соединял. Количество взрывчатки в пироболте тщательно дозируется, чтобы гарантированно оторвать головку болта, и при этом не повредить летательный аппарат.

Основным недостатком такого устройства является большая ударная нагрузка (ударная волна), возникающая в результате подрыва пироболта, и другие "стрессовые" последствия взрыва для летательного аппарата, что в совокупности является источником повышенного риска аварии. Еще большая опасность возникает, если взрыв оказывается недостаточно сильным, чтобы оторвать головку болта. В этом случае нормального разделения элементов конструкции летательного аппарата не происходит, что, как правило, приводит к разрушению летательного аппарата. Есть и другие недостатки: увеличение массы и габаритов летательного аппарата; время срабатывания пиротехнического устройства хоть и составляет несколько микросекунд, но все равно не мгновенно.

Раскрытие изобретения

Известно устройство блокировки и фиксации элементов различных механизмов - замок электростатический (ЗЭС), силой удержания которого в закрытом состоянии является электростатическая (кулоновская) сила притяжения между электрическими зарядами противоположных знаков. Основным элементом ЗЭС является контактная пара электродов, разделенных достаточно узким слоем диэлектрика. При подаче разности потенциалов (напряжения) на электроды, приведенные в состояние плотного примыкания друг к другу через разделяющий их диэлектрик, на электродах образуются электрические заряды противоположных знаков и между ними возникает сила электростатического притяжения, а ЗЭС переходит в закрытое состояние. Для открытия ЗЭС нужно снять напряжение с электродов, для чего достаточно их замкнуть накоротко. Известен ряд дополнительных технических решений, служащих для повышения эффективности и надежности ЗЭС: патенты РФ на изобретение №2519877 и №2542794. Также применение в ЗЭС в качестве диэлектрика сегнетокерамических материалов, широко применяемых в настоящее время при производстве керамических конденсаторов, позволяет получить аномально высокие показатели удельной силы удержания для данных устройств - порядка тонны на кв.см, контактной поверхности электродов. Это открывает широкие возможности для применения ЗЭС в устройствах для разделения элементов конструкций летательных аппаратов.

Однако большую силу удержания могут создавать многие типы запорных устройств, которые совершенно очевидно для этого и предназначены, например обычные механические защелки. Поэтому необходимо подчеркнуть, что главным и решающим преимуществом ЗЭС над пирозамками и другими типами запорных устройств - преимуществом, которое делает ЗЭС идеальным устройством для управляемого соединения и разъединения элементов конструкций летательных аппаратов, является то, что для перехода в открытое состояние в ЗЭС вообще не используются какие-либо типы механических усилий или воздействий на части запорного устройства, в отличие от других устройств: открытие пироболта происходит путем разрушение его стержня и последующего отрыва головки болта, что, как это уже было описано выше, создает повышенную опасность аварии; для открытия механической защелки нужно с достаточным усилием сдвинуть ригель замка, который удерживает защелку в закрытом состоянии, что создает высокий риск заклинивания замка при больших тангенсальных нагрузках, что как раз имеет место в летательных аппаратах, масса которых может достигать десятков тонн и более. В ЗЭС же закрытие и открытие управляется только электрическим напряжением, отключение которого приводит к полному открытию замка, но при этом не вызывает никаких других механических напряжений или движений, что является идеальным для летательного аппарата, эксплуатируемого в условиях высоких перегрузок и турбулентных воздушных потоков и чувствительного к воздействию внешних и внутренних неравновесных процессов, просчитать последствия которых часто невозможно.

Осуществление изобретения

На основе вышеизложенного можно составить и описать следующую простейшую конструкцию Устройства для разделения элементов конструкций летательных аппаратов: Замок электростатический (ЗЭС), который содержит контактную пару электродов ЗЭС, разделенную узким слоем диэлектрика.

При этом ЗЭС может находиться в двух состояниях: в закрытом состоянии, когда на контактную пару электродов ЗЭС, приведенных в состояние примыкания друг к другу через разделяющий их диэлектрик, подано электрическое напряжение, при этом на электродах образуются электрические заряды противоположного знака и электроды удерживаются в данном состоянии примыкания друг к другу силой электростатического притяжения между электродами, и эта сила, таким образом, является силой удержания ЗЭС в закрытом состоянии; и ЗЭС может находиться в открытом состоянии, когда с контактной пары электродов ЗЭС снято напряжение и электроды могут свободно отделяться друг от друга.

При этом ЗЭС состоит из двух частей, которые соединены и удерживаются в связанном состоянии друг с другом электростатической силой удержания ЗЭС, и ЗЭС при этом находится в закрытом состоянии, и на которые ЗЭС разделяется при переходе в открытое состояние. При этом одна из этих частей ЗЭС может соединяться с одним из разделяемых элементов конструкции летательного аппарата, а другая часть может соединяться с другим элементом конструкции летательного аппарата, так что при закрытом ЗЭС данные элементы удерживаются в связанном состоянии силой удержания ЗЭС, а при открытии ЗЭС данные элементы конструкции летательного аппарата переходят в несвязанное состояние и могут отделяться друг от друга.

Достигаемые технические результаты

С помощью ЗЭС разделение элементов конструкций летательного аппарата происходит предельно естественно и плавно, сила удержания этих элементов в единой конструкции мгновенно уменьшается практически до нуля, и при этом не возникает никаких дополнительных статических или динамических нагрузок в элементах или между элементами летательного аппарата, что и является основным техническим результатом настоящего изобретения. В результате многократно снижается риск аварии при разделении элементов конструкций летательных аппаратов.

Кроме этого ЗЭС имеет еще ряд преимуществ, актуализирующих его использование для фиксации элементов конструкции летательного аппарата: ЗЭС способен создавать силу удержания в десятки и сотни тонн, при этом он достаточно легкий и компактный, имеет очень высокую удельную мощность (силу удержания на единицу веса), легко управляется и открывается действительно мгновенно, поскольку скорость распространения потенциалов в сети равна скорости света.

Лучшими диэлектриками для использования в ЗЭС являются сегнетокерамические диэлектрики, относительная диэлектрическая проницаемость которых достигает 10³-10⁴ единиц. Однако в условиях открытого космоса могут оказаться полезными и другие виды диэлектриков: обычная керамика, стекло, слюда, полиимиды, полиамиды, полимеры, пластмассы, тефлон.

Изобретение относится к космической технике, а именно к устройствам, предназначенным для управляемого разделения конструктивных элементов летательных аппаратов. В устройстве для разделения элементов конструкций летательных аппаратов содержится замок электростатический (ЗЭС), удерживаемый в закрытом состоянии силой электростатического притяжения, возникающей между электрическими зарядами противоположного знака. Основным элементом ЗЭС является контактная пара электродов, разделенная слоем диэлектрика. С помощью ЗЭС разделение элементов конструкций летательного аппарата происходит предельно естественно и плавно. При подаче сигнала на разделение и открытии ЗЭС сила удержания элементов в единой конструкции мгновенно уменьшается. Техническим результатом изобретения является плавность разъединения конструкции и снижение возможности возникновения дополнительных статических или динамических нагрузок в элементах или между элементами летательного аппарата. 1 з.п. ф-лы.

1. Устройство для разделения элементов конструкций летательных аппаратов, состоящее как минимум из одного замка электростатического (ЗЭС);

при этом ЗЭС представляет собой устройство, которое содержит как минимум одну контактную пару электродов ЗЭС, разделенную узким слоем диэлектрика;

при этом ЗЭС может находиться в двух состояниях: в закрытом состоянии, когда на контактную пару электродов ЗЭС, приведенных в состояние примыкания друг к другу через разделяющий их диэлектрик, подано электрическое напряжение, при этом на электродах образуются электрические заряды противоположного знака и электроды удерживаются в данном состоянии примыкания друг к другу силой электростатического притяжения между электродами, и эта сила, таким образом, является силой удержания ЗЭС в закрытом состоянии; и ЗЭС может находиться в открытом состоянии, когда с контактной пары электродов ЗЭС снято напряжение и электроды могут свободно отделяться друг от друга;

при этом ЗЭС состоит как минимум из двух частей, которые соединены и удерживаются в связанном состоянии друг с другом электростатической силой удержания ЗЭС, и ЗЭС при этом находится в закрытом состоянии, и на которые ЗЭС разделяется при переходе в открытое состояние; при этом одна из этих частей ЗЭС может соединяться с одним из разделяемых элементов конструкции летательного аппарата, а другая часть может соединяться с другим элементом конструкции летательного аппарата, так что при закрытом ЗЭС данные элементы удерживаются в связанном состоянии силой удержания ЗЭС, а при открытии ЗЭС данные элементы конструкции летательного аппарата переходят в несвязанное состояние и могут отделяться друг от друга.

2. Устройство для разделения элементов конструкций летательных аппаратов по п. 1, отличающееся тем, что в ЗЭС в качестве диэлектрика, разделяющего контактную пару электродов ЗЭС, содержит любую комбинацию из следующих диэлектрических материалов: сегнетокерамический диэлектрик, керамика, стекло, слюда, полиимиды, полиамиды, полимеры, пластмассы, тефлон.