Быстродействующее устройство для разделения отсеков Российский патент 2024 года по МПК B64G1/64 

Область техники

Изобретение относится к области авиационной, ракетной и подводной техники, а конкретно к устройствам соединения отсеков аппаратов, движущихся во всех средах: в космосе, в воздухе и под водой, которые обеспечивают возможность безопасного соединения и разделения отсеков аппарата в процессе эксплуатации и быстрое их разделение во время движения в момент применения по назначению. Изобретение может быть использовано в ракетостроении, авиационной, судостроительной и гражданской промышленности.

В ракетно-космической и других видах техники достаточно широко применяются стыковочно-разделительные устройства, в которых в качестве исполнительных элементов используются различного рода силовые элементы, включая пиротехнические. Такие элементы используются для присоединения сбрасываемых агрегатов и отсеков, стыковка которых производится при наземной сборке, а разделение в процессе движения.

Предшествующий уровень техники

Движущиеся аппараты (ракета, беспилотный летательный аппарат, подводный аппарат и т.п.) содержат несколько отсеков. В процессе наземной эксплуатации аппарата необходим доступ внутрь указанных отсеков для проведения регламентных работ, для чего стыки отсеков выполняются разъемными, при этом выполнение монтажных работ должно быть безопасным. В то же время, в процессе движения аппарата в момент применения по назначению требуется быстрое разделение отсеков, например, при разделении ступеней ракеты или при отделении парашютного отсека. Указанные аппараты имеют несколько типовых схем соединения отсеков.

Известны соединения отсеков с помощью крепежных элементов, расположенных по оси отсеков, либо в радиальном направлении. Например, известно «Гидравлическое устройство для разделения ступеней реактивного снаряда в полете» по патенту US 3863570, МПК: F42B 15/10, заявка №442993, приоритет15.02.1974 г., опубликовано 04.02.1975 г., патентообладатель: The United States of America, as represented by the Secretary of the Navy, Washington, D. С, содержащее первую и вторую раму, крепящиеся к ступеням ракеты. В первой раме выполнена полость с входным гидравлическим каналом. В полости размещена разрезная гайка, в которую ввернут болт, соединяющий первую и вторую рамы. При срабатывании гидравлического устройства гайка смещается в полости и распадается на составляющие ее части. Одновременно гидравлическое устройство посредством болта сообщает второй раме импульс, разделяющий ступени.

Существенные признаки аналога, общие с признаками заявляемого технического решения: устройство для разделения, содержащее разъединяемые элементы конструкции, соединительный болт.

К недостаткам устройства следует отнести то, что после разделения отсеков в процессе эксплуатации, при последующей стыковке отсеков устройства при наземной сборке, потребуется доступ к крепежным элементам, а также необходимость обеспечения многократного срабатывания источника гидравлического давления.

В устройствах разделения широко применяются соединительные элементы, например, винт-гайка с механизмом их разрушения. Например, известно «Устройство для разделения элементов конструкции» по патенту RU 2726471 С1, МПК: B64G 1/64, заявка №2019141185, приоритет 11.12.2019 г., опубликовано 14.07.2020 г., патентообладатель: Публичное акционерное общество «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени СП. Королева» (RU), содержащее пироболты, болты и разрезные гайки, размещенные в обоймах, и кольцо, жестко связывающее обоймы между собой. Кольцо закреплено на первом разделяемом элементе конструкции. Гайки большим основанием установлены на прокладку, расположенную между первым разделяемым элементом конструкции и гайками, с возможностью перемещения гайки в осевом направлении. На втором разделяемом элементе конструкции через прокладку неподвижно закреплены элементы ограничения перемещения обоймы гайки относительно прокладки в осевом направлении.

Существенные признаки аналога, общие с признаками заявляемого технического решения: устройство для разделения элементов конструкции, содержащее разделяемые элементы конструкции, пироболты.

К недостаткам аналога относятся высокая опасность механизма разделения, так как разрушающее устройство расположено практически на внешней поверхности корпуса аппарата, а также высокие ударные нагрузки при срабатывании разрушающего устройства. Демпфирование ударных нагрузок обеспечивается только прокладками, что может существенно снизить надежность функционирования аппарата.

Для повышения безопасности устройств разделения и уменьшения ударных нагрузок пиротехнические элементы разрушающих устройств размещают в замкнутом пространстве, амортизируют и закрывают доступ к ним с помощью защитных элементов. Известно устройство, на которое получен патент RU 2426676 С1 «Устройство для соединения и последующего разделения элементов конструкции», МПК: B64G 1/64, F42B 15/36 заявка №2010117260/11, приоритет 23.04.2010 г., опубликовано 20.08.2011 г., патентообладатель: Федеральное государственное унитарное предприятие «Конструкторское бюро «Арсенал» имени М.В. Фрунзе» (RU).

Устройство содержит корпус, состоящий из двух частей с элементами крепления к соединяемым элементам конструкции, разрывной болт, соединенный концом и головкой соответственно с одной и второй частями корпуса и выполненный полым со стороны головки, поршень со штоком, установленным в полости разрывного болта, и рабочий заряд со средством приведения его в действие, установленный со стороны расположения поршня. Устройство снабжено, по меньшей мере, одним амортизатором, установленным на посадочной поверхности, по меньшей мере, одного элемента крепления к соединяемым элементам конструкции и содержащим амортизирующий элемент из эластомерного материала.

Существенные признаки аналога, общие с признаками заявляемого изобретения: устройство для соединения и последующего разделения элементов конструкций, содержащее корпус, состоящий из двух частей с элементами крепления к соединяемым элементам конструкции, разрывной болт, соединенный концом и головкой соответственно с одной и второй частями корпуса, рабочий заряд со средством приведения в действие разрывного болта и амортизирующий элемент.

К недостаткам устройства следует указать его практически одноразовое применение, для расстыковки элементов конструкции в процессе эксплуатации потребуетсядоступ к крепежным элементам изнутри соединяемых отсеков, что исключает возможность доступа к аппаратуре, размещенной в отсеках, с использованием данного стыка, что практически исключает возможность его применения для осуществления целей изобретения.

В качестве прототипа к предлагаемому устройству был выбран патент RU 2378608 С1 «Устройство для соединения и последующего разделения элементов конструкций», МПК: F42B 3/02, F42B 15/38, B64G 1/64, заявка №2008118964/11, приоритет 13.05.2008 г., опубликовано 10.01.2010 г., патентообладатель: открытое акционерное общество «Информационные Спутниковые Системы» имени академика М.Ф. Решетнева» (RU).

Устройство для соединения и последующего разделения элементов конструкции, состоящее из внешнего и охватываемого корпусов, разрывного пироболта с электрозапалом и элементов крепления. Цилиндрические поверхности внешнего и охватываемого корпусов, содержащие поперечные фланцы, состыкованы в виде телескопического соединения, при этом фланцы соединены между собой болтами, установленными параллельно оси устройства. В сквозном ступенчатом отверстии, выполненном в утолщении фланца внешнего корпуса, установлен разрушаемый крепежный элемент, отверстие со стороны гайки закрыто набором пластин, выполненных из материала с пределом текучести ниже, чем предел текучести материала корпуса. Внутри охватываемого корпуса установлен тонкостенный цилиндр, выполненный разъемным в виде двух цилиндров меньшей высоты, с чередующимися вырезами и опорными поверхностями, выполненными в их торцах, причем каждому вырезу одного торца на обоих цилиндрах соответствует опорная поверхность другого торца, выполненная в их торцах, при этом каждому вырезу одного торца первого цилиндра, установленного со стороны разрывного болта, соответствует опорная поверхность второго цилиндра, а соединение цилиндров выполнено с помощью профилированного кольца с пазами по верхней и нижней его поверхности, причем ударная жесткость кольца меньше ударной жесткости первого цилиндра, установленного со стороны разрывного болта и больше ударной жесткости второго цилиндра.

Существенные признаки прототипа, общие с признаками заявляемого изобретения: устройство для соединения и последующего разделения элементов конструкции,содержащее внешний и охватываемый корпуса, состыкованные по цилиндрической поверхности в виде телескопического соединения, снабженных соответствующими поперечными фланцами, скрепленными между собой в осевом направлении болтами, установленными параллельно оси устройства, разрывного пироболта с электрозапалом, фиксирующего элементы соединительного устройства в осевом направлении.

К недостаткам следует отнести слишком большие габаритно-массовые характеристики и низкую несущую способность устройства, обусловленную тем, что механическое взаимодействие охватываемого и внешнего корпусов обеспечивается посредством элементов ограниченной жесткости. При повышенных эксплуатационных нагрузках это может привести к их преждевременной пластической деформации, что приведет к ослаблению затяжки болтов, соединяющих фланцы корпусов и к нарушению целостности всей конструкции.

При срабатывании устройства реализуются регламентированные пластические деформации указанных выше элементов. Учитывая, что практически все элементы соединительного устройства присоединены к отделяемому объекту, это может привести к нарушению его функционирования в процессе автономного движения, ввиду снижения жесткости соединительного устройства после его срабатывания и изменения динамических характеристик объекта. Кроме того, устройство практически обеспечивает только процесс устранения механической связи между разделяемыми элементами, для их отталкивания друг от друга требуется дополнительный механизм.

Существенным недостатком устройства также является повышенная опасность разрушаемого крепежного элемента, выполненного в виде пироболта с электрозапалом, при проведении монтажных работ по стыковке отделяемого и основного объектов требуется доступ к элементам пироболта, расположенным над опорной поверхностью основного объекта.

Раскрытие изобретения.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение быстрого разделения отсеков в процессе движения при повышении надежности функционирования устройства и увеличении несущей способности, при одновременном уменьшении габаритно-массовых характеристик, а также повышениибезопасности эксплуатации устройства при осуществлении регламентных работ, связанных с соединением и разделением отсеков.

Технический результат, достигаемый при решении этой задачи, заключается:

- в использовании быстродействующих исполнительных механизмов для срабатывания пироболта, при этом силовые элементы, размещенные в полостях фланцев, обеспечивают принудительное раздвижение отсеков. При необходимости увеличения скорости раздвижения отсеков, в полость между фланцами может дополнительно подаваться под давлением рабочее тело, например, сжатый газ в момент расстыковки пневматической магистрали, размещенной в полости фланцев;

- в высокой прочности и жесткости соединительного устройства, исключающих ослабление затяжки болтов, соединяющих фланцы корпусов при воздействии внешних нагрузок, что сохраняет целостность всей конструкции;

- в совмещении функций соединительных элементов в виде поперечных фланцев с герметичными днищами отсеков, причем после разделения отсеки остаются герметичными, что существенно повышает надежность функционирования расположенной в них аппаратуры;

- в исключении доступа к пироболту при регламентных работах. Технический результат достигается тем, что быстродействующее устройство

для разделения отсеков, содержащее охватываемый корпус переднего отсека и внешний корпус заднего отсека, состыкованные по цилиндрической поверхности в виде телескопического соединения, снабженные соответствующими фланцами, скрепленными между собой в осевом направлении болтами, установленными параллельно оси устройства, пироболт, фиксирующий элементы соединительного устройства в осевом направлении, согласно изобретению, фланцы установлены в соответствующие корпуса по цилиндрическим посадкам, между ними на их внешней поверхности выполнена цилиндрическая проточка, в которую установлено поворотное кольцо, на внешней поверхности которого выполнена резьба, взаимодействующая с сопрягаемой резьбой, выполненной на внутренней цилиндрической поверхности охватываемого корпуса переднего отсека. Фланец заднего отсека прикреплен к внешнему корпусу заднего отсека винтами. При этом на торцевых поверхностях фланцев переднего и заднего отсеков соответственно, обращенных другк другу, выполнены полости, в которых размещены силовые элементы, усилие которых направлено на взаимное смещение фланцев в осевом направлении. Причем их суммарное усилие по величине меньше несущей способности болтов и пироболта.

Совокупность перечисленных существенных признаков обеспечивает получение технического результата использование быстродействующих исполнительных механизмов для срабатывания пироболта; исключение ослабления затяжки болтов, соединяющих фланцы корпусов при воздействии внешних нагрузок, что сохраняет целостность всей конструкции; совмещение функций соединительных элементов в виде поперечных фланцев с герметичными днищами отсеков; исключение доступа к пироболту при регламентных работах.

Это позволяет решить задачу обеспечения быстрого разделения отсеков в процессе движения, повышения надежности функционирования устройства, увеличения несущей способности при одновременном уменьшении габаритно-массовых характеристик, а также повышения безопасности эксплуатации устройства при осуществлении регламентных работ, связанных с соединением и разделением отсеков.

Достигаемый результат обеспечивается не только наличием отличительных признаков, но и зависит от взаимодействия их с другими существенными признаками заявляемого устройства. Это позволяет создать объект, характеристики которого удовлетворяют заданным требованиям.

Краткое описание фигур чертежа

На фиг. 1 представлено продольное сечение устройства в исходном состоянии со состыкованными отсеками.

На фиг. 2 представлено продольное сечение устройства в процессе проведения регламентных работ с разделенными отсеками.

На фиг. 3 представлено продольное сечение устройства с разделенными отсеками во время применения аппарата.

На чертежах фиг. 1-3 принимаются следующие обозначения:

1 - охватываемый корпус переднего отсека;

2 - внешний корпус заднего отсека;

3 - цилиндрическая поверхность;

4 - фланец переднего отсека;

5 - цилиндрическая посадка;

6 - поворотное кольцо;

7 - резьбовая поверхность;

8 - фланец заднего отсека;

9 - посадка;

10 - винт;

11 - цилиндрическая проточка;

12 - торцевая поверхность фланца переднего отсека;

13 - торцевая поверхность фланца заднего отсека;

14 - болт;

15 - ослабленное сечение болта;

16 - пироболт;

17 - головка пироболта;

18 - электрозапал;

19 - резьбовая часть пироболта;

20 - гайка;

21 - амортизирующая прокладка;

22 - крышка;

23 - полость фланца переднего отсека для пружины сжатия;

24 - полость фланца заднего отсека для пружины сжатия;

25 - пружина сжатия;

26 - полость фланца переднего отсека для элемента связи;

27 - полость фланца заднего отсека для элемента связи;

28 - элемент связи.

Варианты осуществления изобретения.

Как показано на фиг. 1, устройство содержит охватываемый корпус 1 переднего отсека, внешний корпус 2 заднего отсека, состыкованные по цилиндрической поверхности 3 в виде телескопического соединения. Фланец 4 переднего отсека, представляющий собой герметичное днище переднего отсека, установлен в охватываемый корпус 1 переднего отсека по цилиндрической посадке 5 и закреплен поворотным кольцом 6, ввернутым в резьбовую поверхность 7, выполненную внутриохватываемого корпуса 1 переднего отсека. Фланец 8 заднего отсека, представляющий собой герметичное днище заднего отсека, установлен во внешний корпус 2 заднего отсека по посадке 9 и закреплен к нему винтами 10. Совмещением функций соединительных элементов в виде фланцев 4 и 8 переднего и заднего отсеков соответственно с герметичными днищами соответствующих отсеков увеличивает несущую способность устройства при одновременном уменьшении габаритно-массовых характеристик. Поворотное кольцо 6 размещено в цилиндрической проточке 11, выполненной во фланце 8 заднего отсека. Фланцы 4 и 8 переднего и заднего отсеков соответственно соприкасаются по их торцевым поверхностям 12, 13 и по периферии скреплены болтами 14 для обеспечения требуемой жесткости соединения фланцев и сохранения целостности всей конструкции, что повышает надежность функционирования устройства при наземной эксплуатации и в процессе применения. В болтах 14 выполнены ослабленные сечения 15 для обеспечения регламентированного усилия их разрушения. В центральной части фланцы 4 и 8 переднего и заднего отсеков соответственно зафиксированы между собой пироболтом 16, имеющим головку 17 с электрозапалом 18 и резьбовую часть 19, ввернутую в гайку 20, имеющую возможность осевого перемещения к амортизирующей прокладке 21. Головка 17 с электрозапалом 18 пироболта 16 закрыта крышкой 22. Внутри фланцев 4 и 8 переднего и заднего отсеков соответственно со стороны торцевых поверхностей 12 и 13 выполнены соответствующие полости 23 и 24, в которых размещены сжатые пружины сжатия 25, при этом их суммарное осевое усилие по величине меньше несущей способности болтов 14 и пироболта 16. Также во фланцах 4 и 8 переднего и заднего отсеков соответственно выполнены соответствующие полости 26 и 27, в которых размещены требуемые элементы связи 28 (электрические, пневматические, гидравлические и др.) переднего и заднего отсеков.

В соответствии с фиг. 2, регламентное обслуживание приборов и систем, размещенных в отсеках, проходит следующим образом: производится демонтаж винтов 10, после чего внешний корпус 2 заднего отсека расстыковывается с охватываемым корпусом 1 переднего отсека, при этом обеспечивается доступ к приборам и системам, расположенным в заднем отсеке. Далее, за счет вращения поворотного кольца 6 из охватываемого корпуса 1 переднего отсека демонтируютсяскрепленные между собой фланцы 4 и 8 переднего и заднего отсеков соответственно, при этом обеспечивается доступ к приборам и системам, расположенным в переднем отсеке. Безопасность работ обеспечивается тем, что при проведении указанных действий исключен доступ к пироболту 16 благодаря крышке 22. Стыковка отсеков после проверок приборов и систем производится в обратной последовательности.

Устройство работает следующим образом: в соответствии с фиг. 3, при применении аппарата по назначению, в требуемый момент времени подается команда на электрозапал 18 для срабатывания пироболта 16, при этом прекращается механическая связь головки 17 и резьбовой части 19 пироболта 16. Ударная волна при срабатывании пироболта 16 передается на гайку 20, которая после разрушения пироболта 16 имеет возможность осевого перемещения, упираясь в амортизирующую прокладку 21, что существенно снижает ударное воздействие на фланец 4 переднего отсека. За счет силового воздействия пружин сжатия 25 происходит разрушение болтов 14 по ослабленным сечениям 15, далее осуществляется расстыковка элементов связи 28, а затем быстрое разделение отсеков, каждый из которых реализует в дальнейшем автономное функционирование, при этом фланцы 4 и 8 переднего и заднего отсеков соответственно обеспечивают герметичность соответствующих разделенных отсеков, что существенно повышает надежность функционирования расположенной в них аппаратуры.

Промышленная применимость

Наиболее эффективно выглядит использование быстродействующего устройства для разделения отсеков в аппаратах, движущихся во всех средах: в космосе, в воздухе и под водой. Устройство обеспечивает возможность безопасного соединения и разделения отсеков аппарата в процессе эксплуатации и быстрое их разделение во время движения в момент применения по назначению.

Реализованное на практике предлагаемое быстродействующего устройства для разделения отсеков подтвердило технический результат, заключающийся в использовании быстродействующих исполнительных механизмов для срабатывания пироболта; в исключении ослабления затяжки болтов, соединяющих фланцы корпусов при воздействии внешних нагрузок, что сохраняет целостность всей конструкции; в совмещении функций соединительных элементов в виде поперечныхфланцев с герметичными днищами отсеков; в исключении доступа к пироболту при регламентных работах.

Рассмотренный вариант выполнения изобретения был реализован на существующем в настоящее время оборудовании с использованием имеющихся материалов. Это подтверждает получение технического результата, работоспособность устройства и его промышленную применимость.

Изобретение относится к средствам стыковки и разделения изделий, преимущественно ракетно-космической техники. Предлагаемое устройство содержит охватываемый корпус переднего отсека и внешний корпус заднего отсека. Отсеки состыкованы друг с другом телескопически и снабжены фланцами, скрепленными в осевом направлении болтами с ослабленными сечениями, а также пироболтом. Фланцы установлены в соответствующие корпусы по цилиндрическим посадкам, и на их внешней поверхности выполнена цилиндрическая проточка, в которую установлено поворотное кольцо. На внешней поверхности кольца выполнена резьба, взаимодействующая с резьбой на внутренней цилиндрической поверхности корпуса переднего отсека. На обращенных друг к другу поверхностях фланцев переднего и заднего отсеков выполнены полости, в которых размещены расталкивающие силовые элементы (пружины сжатия), суммарное усилие которых меньше несущей способности болтов и пироболта. Технический результат состоит в повышении надежности функционирования устройства, увеличении его несущей способности, уменьшении массы и габаритов, а также повышении безопасности эксплуатации. 3 ил.

Быстродействующее устройство для разделения отсеков, содержащее охватываемый корпус переднего отсека и внешний корпус заднего отсека, состыкованные по цилиндрической поверхности в виде телескопического соединения, снабженные соответствующими фланцами, скрепленными между собой в осевом направлении болтами, установленными параллельно оси устройства, пироболт, фиксирующий элементы соединительного устройства указанных отсеков в осевом направлении, отличающееся тем, что указанные фланцы установлены в соответствующие корпусы по цилиндрическим посадкам, между ними на их внешней поверхности выполнена цилиндрическая проточка, в которую установлено поворотное кольцо, на внешней поверхности которого выполнена резьба, взаимодействующая с сопрягаемой резьбой, выполненной на внутренней цилиндрической поверхности охватываемого корпуса переднего отсека, причем фланец заднего отсека прикреплен к внешнему корпусу заднего отсека винтами, а на торцевых поверхностях фланцев переднего и заднего отсеков, обращенных друг к другу, выполнены полости, в которых размещены силовые элементы, усилие которых направлено на взаимное смещение фланцев в осевом направлении, причем их суммарное усилие по величине меньше несущей способности болтов и пироболта.