Пиротехническое устройство для создания ударных воздействий Российский патент 2023 года по МПК G01M7/00 

Данное изобретение относится к оборудованию для испытаний на ударные воздействия и может быть использовано при испытаниях на высокоинтенсивные ударные воздействия различных сложных систем (например, космических аппаратов и их подсистем), а также различных приборов и оборудования, входящих в эти системы.

Существует достаточно много различных стендов для испытаний на ударные воздействия, которые включают в себя устройства для создания ударных воздействий. С помощью вибрационных электродинамических стендов, стендов с падающими столами и т.п. (Вибрации в технике: Справочник в 6 томах. М.: Машиностроение т.5. Измерения и испытания. под ред. М.Д. Генкина 1981г., стр. 476-477). В настоящее время наибольшее применение находят системы на базе вибростендов. Требования к стендам, обеспечивающим необходимое ударное воздействие, достаточно высоки, особенно при воспроизведении воздействий большой интенсивности, малой длительности и сложной формы. Иногда для создания ударных воздействий в стендах используются пиротехнические устройства. Например, патент RU № 2244909, где источником ударного воздействия служит разрывной болт 8Х54. Помимо разрывных болтов, например, как в патенте US 2653504 (A), существует достаточно большой класс пиротехнических устройств, использующих для создания давления газы от сгорания порохов, с помощью которых перемещаются и/или разрушаются различные соединительные элементы. Например, патенты США: US 2575071, 3530759, 3111808 и ряд других. Каждое из этих устройств при срабатывании создает ударное воздействие определенного вида (со своей амплитудой воздействия и длительностью), и может быть использовано в качестве источника ударных воздействий для испытаний.

Имеются также специальные пиротехнические устройства для создания ударных воздействий, например, патент EP 0993598 B1, где ударные воздействия создаются в устройстве, перемещающимся по рельсам. Или устройство по патенту WO 2009000897 A1, 31.12.2015, где для создания ударных воздействий используются плиты с различными накладными зарядами, что не позволяет их использовать для испытаний сложных систем с локальным приложением ударных воздействий.

Наиболее близким является решение по патенту RU 2781094. Пиротехническое устройство для создания ударных воздействий, состоящее из полого корпуса с резьбой на внешней поверхности, газогенератора, поршня с уплотнениями, на который с помощью резьбы установлен съемный боек. Контрящий элемент фиксирует поршень в корпусе, а сам корпус с поршнем, вкладышем и газогенератором установлен на резьбе в днище стакана и зафиксирован с помощью контрящей гайки. При этом на противоположной торцевой стороне стакана, на внешней его части, выполнен фланец с отверстиями.

Существенным недостатком этого устройства при использовании в качестве источника ударных воздействий является то, что данное устройство может быть использовано только для испытаний относительно небольших сборок в специализированной оснастке, т.к. требуется закрепление пиротехнического устройства, либо вывеска объекта испытаний над установленными пиротехническими устройствами (например, ударные испытания по плоскости крепления космического аппарата).

Для заявленного устройства выявлены следующие общие с прототипом существенные признаки: пиротехническое устройство для создания ударных воздействий в пространственных конструкциях, состоящее из полого корпуса с резьбой на внешней поверхности, газогенератора, поршня с уплотнениями, на который с помощью резьбы установлен съемный боек, контрящего элемента, фиксирующего поршень в корпусе, а сам корпус с поршнем, вкладышем и газогенератором установлен на резьбе в днище стакана и зафиксирован с помощью контрящей гайки, при этом на противоположной торцевой стороне стакана, на внешней его части, выполнен фланец с отверстиями.

Техническими задачами данного изобретения является расширение возможностей использования заявленного устройства для испытания на ударные воздействия сложных систем и объектов; повышение качества проводимых испытаний, как силовой конструкции объекта испытаний, так и приборов и оборудования на ударные воздействия, при соблюдении граничных условий для чувствительных приборов и оборудования.

Решение поставленных задач достигается тем, что в корпусе стакана в днище и во фланце выполнены отверстия с резьбой, лежащие в одной плоскости, проходящей через ось симметрии пиротехнического устройства перпендикулярно этой оси. Причем в отверстия с резьбой устанавливают рымболты, к которым крепят регулируемую тросовую систему. К фланцу с помощью болтов крепят грузы различной массы, выполненные в виде плоских цилиндров с отверстиями, при этом отверстия в плоских цилиндрах имеют одинаковые диаметры и совпадают с диаметрами отверстий фланца стакана.

Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид устройства в разрезе. Устройство (фиг.1) состоит из полого корпуса 2 с резьбой на внешней поверхности, на который устанавливают гайку в виде стакана с отверстием в днище 1. Профилированный поршень с уплотнением 3 со сменным бойком устанавливают в корпус 2 и фиксируют с помощью контрящего элемента 22. Сам корпус 2 с поршнем, вкладышем 11 и газогенератором 18 устанавливают на резьбе 10 в днище стакана 5. Фиксируют корпус 2 в днище стакана 5 с помощью контрящей гайки 4. На противоположной торцевой стороне стакана 5 на внешней его части выполнен фланец 12 с отверстиями 16. В днище стакана 5 и во фланце 12 выполнены отверстия с резьбой 9,13, лежащие в одной плоскости, проходящей через ось симметрии пиротехнического устройства перпендикулярно этой оси. В отверстия с резьбой 9,13 устанавливают рымболты 8, к которым крепят регулируемую тросовую систему 6 с регулирующим устройством 7, например, талрепом. К фланцу 12 с помощью болтов 17 крепят грузы 14 различной массы, выполненные в виде плоских цилиндров с отверстиями 15. При этом отверстия в плоских цилиндрах 15 имеют одинаковые диаметры и совпадают с диаметрами отверстий фланца стакана 16.

На фиг.2 показан вид устройства со стороны фланца 12 при креплении одним болтом 17 (когда крепится небольшая масса дисков 14), а на фиг.3 крепление выполняется уже двумя болтами 17 для фиксации на фланце 12 уже больших масс.

На фиг.4 показано рассматриваемое устройство в сборе 19 при его использовании для создания ударных воздействий на основании крепления антенны 20 динамического макета КА 21.

Сущность заявляемого изобретения поясняется следующим образом.

Для создания локальных ударных воздействий на объекте испытаний (например, динамический макет космического аппарата) в днище 5 (фиг.1) и во фланце 12 выполняют отверстия с резьбой 9, 13, в которые устанавливают рымболты 8. Расположение отверстий (и соответственно рымболтов) в одной плоскости, проходящей через ось симметрии пиротехнического устройства перпендикулярно этой оси, позволяет создавать ударные воздействия, лежащие в этой плоскости, перпендикулярно необходимой поверхности без возникновения вращающих моментов. Кроме того, использование тросовой регулируемой системы 6 обеспечивает установку пиротехнического устройства в необходимую точку на объекте испытаний (регулировка по высоте). А наличие двух регулируемых подвесов обеспечивает более тонкую регулировку точки приложения ударного воздействия. Одинаковые отверстия 16 во фланце 12 и в грузах 14 обеспечивает их легкий монтаж (исключаются люфты, нестыковки и т.д.).

Работа устройства проводится следующим образом. Пиротехническое устройство с помощью тросовой системы 6, регулируя положение устройства по высоте и углу поворота, подводят к точке конструкции, в которой создают ударное воздействие. При подаче напряжения на газогенератор происходит его срабатывание. При этом образуются газы, растет давление внутри полости между поршнем 3 и вкладышем 11. При достижении критического давления срезается контрящий элемент 22, происходит движение поршня с бойком 3 до соударения бойка с объектом испытаний.

Согласно закону о движении центра масс механической системы при отсутствии внешних сил: движение составных частей системы не приводит к изменению положения центра масс, если система находилась в покое. То есть при срабатывании газогенератора 18 и начале движения поршня 3 в противоположную сторону начнет двигаться стакан 5 с жестко закрепленными на нем корпусом 2, вкладышем 11 и цилиндрическими грузами 14.

При этом центр масс системы останется на месте, т.к. вызывающие движение элементов устройства газы от сработавшего газогенератора 18 являются внутренними силами системы. Таким образом, зная необходимое расстояние, которое нужно пройти бойку до соударения с объектом испытаний, массу бойка, и всего пиротехнического устройства, допустимое перемещение фланца 12, подбирают массу грузов. А зная необходимую скорость соударения бойка с объектом испытаний, определяют давление и, соответственно, массу пиросостава газогенератора.

То есть, используя предложенное пиротехническое устройство, можно создавать ударные воздействия в различных точках сложных, в том числе пространственных конструкций. Это позволит качественней проводить испытания, как силовой конструкции объекта испытаний, так и приборов и оборудования на ударные воздействия. При проведении испытаний на макете КА соблюдаются граничные условия для чувствительных приборов и оборудования. Кроме того, при ударных испытаниях пиротехническое устройство позволяет создавать как эксплуатационные, так и квалификационные (повышенные) воздействия, включающие в себя коэффициенты безопасности.

Пример практического исполнения

На предприятии в настоящее время для проведения ударных испытаний инженерных макетов космических аппаратов и приборов применяется специальное пиротехническое устройство (СПУ) 7670-5911, показанное на фиг.1. Используются газогенераторы с массой заряда 0,4г, 0,7г, 1г. Максимальный ход поршня составляет около 60 мм, диаметр фланца стакана 150мм, толщина днища стакана и фланца 20мм, максимальный размер 302мм, масса СПУ около 3700г, масса поршня с бойком 1480г. Основной применяемый боек выполнен из бронзы АЖ9, остальные силовые элементы устройства выполнены из стали 30ХГСА, уплотнительное кольцо из алюминиевого сплава АМг6. На фиг.4 показана схема испытаний на ударное воздействие с помощью СПУ 19 по имитации ударных воздействий на узел крепления рефлектора 20 к силовой конструкции КА. СПУ через рымболты 8 вывешено на регулируемых тросах 6. Дополнительная регулировка выполнялась с помощью талрепов 7. Требуемый ударный спектр ускорений (УСУ) приведен в таблице 1 (фиг.5).

Для создания необходимого УСУ перпендикулярно плоскости крепления рефлектора (по оси Z) СПУ подводилось к узлу крепления рефлектора. Зазор между бойком СПУ и панелью составлял 10мм. Для создания ударного воздействия применялся газогенератор с массой пиросостава 0.4г. На фиг.6 показаны график “а” - требуемый УСУ и график “b” полученный при ударном воздействии с помощью рассматриваемого пироустройства.

Режим ударного нагружения (расстояние между бойком и объектом испытаний, перемещение фланца 12, масса пиросостава газогенератора) отрабатывался на специальном стенде. Процедура подбора режима нагружения относится к ноу-хау изобретения и в данной заявке не рассматривается.

Как видно из рисунка (фиг.6) с помощью разработанного СПУ получен требуемый УСУ с погрешностью по амплитуде ускорений не превышающей 50% (около ±3дБ). Это позволило создать требуемое ударное воздействия без использования дорогостоящих одноразовых пирозамков, получить уровни нагружения на приборы КА, снизить требуемую величину ударных воздействий для автономной отработки ряда чувствительных к ударным воздействиям приборов, упростить схему проведения ударных испытаний, т.е. повысить качество отработки КА и приборов.

Таким образом, техническим результатом настоящего изобретения является возможность более точного воспроизведения ударной нагрузки, созданием регулируемого в широком амплитудном и частотном диапазонах пиротехнического устройства для формирования ударных воздействий необходимого вида в различных точках сложных систем.

Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленных объектов.

Данное изобретение относится к области испытаний на ударные воздействия и может быть использовано в первую очередь при проведении испытаний на высокоинтенсивные ударные воздействия различных устройств, приборов и оборудования. В способе для создания ударных воздействий используется пиротехническое устройство, состоящее из полого корпуса с резьбой на внешней поверхности, газогенератора, поршня с уплотнениями, на который с помощью резьбы установлен съемный боек, контрящего элемента фиксирующего поршень в корпусе, а сам корпус с поршнем, вкладышем и газогенератором установлен на резьбе в днище стакана и зафиксирован с помощью контрящей гайки, при этом на противоположной торцевой стороне стакана на внешней его части выполнен фланец с отверстиями. В корпусе стакана в днище и во фланце выполнены отверстия с резьбой, лежащие в одной плоскости, проходящей через ось симметрии пиротехнического устройства перпендикулярно этой оси. Причем в отверстия с резьбой устанавливают рымболты, к которым крепят регулируемую тросовую систему, а к фланцу с помощью болтов крепят грузы различной массы, выполненные в виде плоских цилиндров с отверстиями, при этом отверстия в плоских цилиндрах имеют одинаковые диаметры и совпадают с диаметрами отверстий фланца стакана. 6 ил.

Пиротехническое устройство для создания ударных воздействий в пространственных конструкциях, состоящее из полого корпуса с резьбой на внешней поверхности, газогенератора, поршня с уплотнениями, на который с помощью резьбы установлен съемный боек, контрящего элемента, фиксирующего поршень в корпусе, а сам корпус с поршнем, вкладышем и газогенератором установлен на резьбе в днище стакана и зафиксирован с помощью контрящей гайки, при этом на противоположной торцевой стороне стакана на внешней его части выполнен фланец с отверстиями, отличающееся тем, что в корпусе стакана в днище и во фланце выполнены отверстия с резьбой, лежащие в одной плоскости, проходящей через ось симметрии пиротехнического устройства перпендикулярно этой оси, причем в отверстия с резьбой устанавливают рымболты, к которым крепят регулируемую тросовую систему, а к фланцу с помощью болтов крепят грузы различной массы, выполненные в виде плоских цилиндров с отверстиями, при этом отверстия в плоских цилиндрах имеют одинаковые диаметры и совпадают с диаметрами отверстий фланца стакана.