Замковое устройство для трансформируемых элементов конструкций космического аппарата Российский патент 2024 года по МПК B64G1/64 F16B1/00 

Изобретение относится к области ракетной и космической техники, а более конкретно к механизмам и узлам для удержания в сложенном транспортном положении и дистанционного развертывания трансформируемых механических крупногабаритных систем, капотируемых или отделяемых элементов от несущей конструкции космических аппаратов (КА).

КА, как известно, в процессе вывода находится в транспортном состоянии, т.е. пространственные элементы его - панели фотопреобразователей (солнечных батарей), штанги антенн, магнетометров, солнечных датчиков и др. - уложены и зачекованы в компактной «упаковке», чтобы разместить КА под головным обтекателем, имеющим ограниченные размеры. После отделения от ракеты-носителя либо от разгонного блока К А должен быть переведен в рабочее состояние, т.е. необходимо произвести расчековку сложенных элементов (освобождение от жесткой связи). Иногда эту функцию на борту объединяют с задачами разделения или отделения. Основным элементом узла зачековки является чека, которая в зависимости от вида используемой для ее задействования энергии может быть чисто механической, электромеханической, пневматической, гидравлической или пиромеханической. В специальной технической литературе чеки могут называться фиксаторами, замками, спусковыми, активирующими устройствами.

Из существующего уровня техники известен «Держатель» (патент RU 2558960,опубл. 09.07.2015) на основе болтового соединения, содержащий в себе корпус, штырь, удерживаемый рычажным редуцирующим механизмом, который освобождается поворотным основанием. Недостатками данного изобретения являются большие габаритные размеры, масса, высокая трудоемкость, обусловленная большим количеством деталей.

Известен «Замок» (патент AT 510026 А4, опубл. 15.01.2012), для активации которого используется устройство на основе пережигания проволоки, нагреваемой электрическим током. Недостатками данного устройства являются невозможность применения активирующего устройства отдельно от данного замка для других подобных устройств без изменения конструкции, отсутствие возможности технологического срабатывания без пережигания проволоки, достаточно большие энергозатраты, времена срабатывания и разброс времен срабатывания (главным образом за счет пережигания проволоки). При использовании большого количества таких устройств трудно обеспечить единообразие (одновременность) их срабатывания, что может привести к значительным угловым возмущениям, сообщаемым КА.

Известно «Устройство удержания подвижных элементов конструкции космического аппарата» (патент RU 2686804, опубл. 30.04.2019), основным элементом которого является механизм удержания и освобождения, выполненный в виде гайки, установленный на упорный подшипник, и штыря с выполненной на одном конце резьбой, обеспечивающей свинчивание гайки со штыря под действием осевой нагрузки. Недостатками устройства являются громоздкость, большая масса из-за наличия электродвигателя и редуктора, большое потребление электроэнергии, большие времена срабатывания, плохая компонуемость на изделии.

Известно «Замковое устройство» (патент RU 2307772, опубл. 10.10.2007), где в качестве разрушаемого элемента использована нить, плотно прилегающая с помощью натяжного устройства к спирали накаливания. При подаче напряжения на спираль происходит пережигание нити, в результате чего подпружиненный шток (удерживающий элемент устройства), сам удерживаемый предварительно натянутой нитью, перемещается в корпусе устройства и снимает силовую связь с трансформируемым или отделяемым элементом конструкции. Недостатками данного устройства, как и предыдущего аналога, являются большое энергопотребление, связанное с пережиганием нити, большие времена и разбросы времен срабатывания в группе устройств, необходимость селективного подбора как нити, так и электрической спирали, недостаточно высокая надежность из-за возможного ухудшения натяжения нити в процессе длительного времени нахождения в натянутом состоянии, необходимость в обеспечении плотного контакта между нитью и цилиндрической спиралью, большие габариты устройства, интегрированные в корпус устройства электрические разъемы, не позволяющие обеспечивать возможность подхода кабелей питания с любой стороны, ухудшающие эргономичность и увеличивающие габариты устройства.

Известно замковое устройство-пирочека (Расчет и проектирование систем разделения ступеней ракет: Учеб. Пособие / К.С. Колесников, В.В. Кокушкин, С.В. Борзых, Н.В. Панкова.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - с. 39-40, фиг.1.22. ISBN5-7038-2889-9), состоящая из корпуса, штока с поршнем, срезного элемента, витой пружины сжатия и пиропатронов, срабатывающих от электрических сигналов, вызываемых бортовой системой управления. Шток пирочеки входит в отверстие отделяющегося объекта. При срабатывании пиропатронов образующиеся сильно разогретые газообразные продукты сгорания пиротехнического состава (снаряжения пиропатронов) давят на поршень, срезной элемент разрушается, и поршень со штоком перемещается, освобождая отделяющийся объект или элемент конструкции. Недостатками данного устройства являются большие ударные нагрузки как за счет срабатывания пиропатронов, так и за счет разрушения основного силового элемента, работающего на срез (срезного элемента), большие масса и габариты, существенное энергопотребление, трудности компоновки и монтажа на КА, специфические требования к персоналу, работающему с пиропатронами.

Времена срабатывания и их разброс для одной партии пиропатронов составляют от нескольких единиц до десятков миллисекунд. Для уменьшения разброса наряду с селективным отбором пиропатронов по сопротивлению мостиков накаливания (МН) на практике часто прибегают к увеличению значений рабочего электрического тока, подаваемого на каждый МН, от 2-х до 9-ти ампер (все современные пиропатроны и электровоспламенители содержат два мостика накаливания).

Кроме того, по паспортным требованиям, все пиропатроны имеют значительный разброс (от 20 до 35%) по давлению срабатывания в стандартный объем, являющемуся основной их рабочей характеристикой. В дополнение к этому, вследствие применения в пиропатронах пиротехнических составов, для которых основной формой взрывчатого превращения является горение, скорость, время горения заряда, состав конечных продуктов сгорания, объем газообразных продуктов, а следовательно, и давление продуктов сгорания сильно зависят от параметров окружающей среды. Главным образом, от температуры заряда и атмосферного давления.

Помимо всего перечисленного выше в составе продуктов сгорания пиротехнических составов, применяемых для снаряжения пиропатронов, содержится значительное количество конденсированной фазы (к-фазы), не вносящей вклада в работу устройства.

Известны пиромеханические фиксаторы (Многофункциональная космическая платформа «Навигатор»/Автор-составитель В.В. Ефанов; Под ред. С.А. Лемешевского. - Химки. Издатель ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина», 2017. - с. 303-308, фиг.2.10.3.1-2.10.3.2. ISBN978-5-905646-09-6), выполняющие на борту ту же роль, что и чеки. Все восемь вариантов описанных в аналоге устройств, отличающиеся друг от друга лишь способом установки на изделии, конфигурацией корпуса, длиной выступающей части штока и длиной его хода, содержат прочный не разрушаемый при срабатывании корпус из конструкционного материала с узлами крепления к элементам конструкции КА и с двумя внутренними полостями цилиндрической формы, в одной из которых размещен поршень с жестко скрепленным с ним с одной стороны штоком, а с другой стороны со стержнем, фиксируемым в рабочем положении (шток выдвинут за пределы корпуса и входит в «серьгу» удерживаемого элемента конструкции), предохранительной чекой (срезным элементом). Со стороны стержня полость закрыта торцевой ограничительной гайкой (для осуществления технологических срабатываний, а именно перемещения поршня и штока в рабочее положение вручную). Поршень и шток снабжены уплотнительными кольцами. Во второй полости корпуса размещено устройство, объединяющее в одном корпусе инициатор и энергодатчик, генерирующий рабочий газ высокого давления,- пиропатрон (в источнике - электровоспламенитель). В донной части полости с пиропатроном выполнен канал, соединяющий эту полость с запоршневым объемом (донной частью поршневой полости со стороны штока). Достоинством данного устройства являются простота конструкции, компактность, удобство монтажа на изделии, возможность производить технологические срабатывания на всех стадиях испытаний и отработки без задействования пиропатронов, чуть меньше энергопотребление, чем у выше описанного аналога, за счет применения в конструкции одного пиропатрона. Однако, по этой же причине надежность данного устройства должна быть ниже, чем у выше описанного устройства. Помимо этого, сохраняются и все другие присущие ему недостатки, за исключением больших масс и габаритов, трудностей компоновки и монтажа на борту КА.

Данное известное устройство наиболее близко к предлагаемому по количеству сходных признаков и решаемой задаче.

Техническое решение по предлагаемому изобретению направлено на достижение технического результата, заключающегося в устранении большинства выше названных недостатков, а именно:

- в существенном снижении вредных угловых скоростей (возмущений), возникающих вследствие разновременности срабатывания пиромеханических фиксаторов, и требующих дополнительных включений двигателей стабилизации, а также отрицательно воздействующих на чувствительные элементы конструкции и прецизионную служебную аппаратуру, научные приборы;

- в повышении надежности устройства;

- в снижении нагрузки на бортовые источники питания;

- в обеспечении многократных контрольных раскрытий сложенных узлов и панелей при наземных проверках без задействования пиросредств и в однократной и окончательной установке устройства на КА без его снятия для чистки и замены пиросредств;

- в расширении функциональных возможностей устройства.

Для достижения указанного технического результата (решения задачи настоящего изобретения) предлагаемое устройство, как и указанное выше, известное, наиболее близкое к нему, содержит прочный не разрушаемый при срабатывании корпус с узлами крепления к элементам конструкции КА и с внутренними цилиндрическими полостями, в одной из которых размещен рабочий поршень с уплотнительными кольцами и жестко скрепленными с ним штоком, снабженным как и поршень уплотнительными кольцами, с одной стороны и стержнем с другой, убирающимся в торцевую фиксирующую гайку, а во второй полости, снабженной в донной части каналом, смонтирован электрического типа инициатор с энергодатчиком, генерирующим рабочий газ высокого давления.

В отличие от наиболее близкого известного в устройстве по предполагаемому изобретению шток снабжен изготовленным с ним заедино либо прочно с ним скрепленным фиксатором конической формы с большим диаметром, равным диаметру поршня и направленным в его сторону, и меньшим диаметром, соответствующим диаметру штока. Инициатор и энергодатчик выполнены по разнесенной схеме (раздельными) в виде выстроенных в линию двух самостоятельных деталей и представляют собой, соответственно, электродетонатор и заряд высокобризантного взрывчатого вещества (ВВ), взрывчатого состава или композиции со скоростью детонации не ниже 7500 м/с и с малым, не превышающим 0,5 мм, критическим диаметром детонации, а в корпусе дополнительно выполнены две цилиндрические внутренние полости, в одной из которых, сообщающейся с полостью рабочего поршня со штоком под прямым углом, размещен механизм стопорения, а во второй полости, снабженной в донной части каналом, установлен пневмоклапан подачи сжатого воздуха от наземной магистрали. Механизм стопорения конструктивно выполнен в виде поршня с уплотнительными кольцами и жестко скрепленными с ним со стороны полости рабочего поршня стопором и стержнем с противоположной стороны. В торцевой части полости установлена торцевая ограничительная гайка с витой пружиной сжатия внутри. Стопор, имеющий возможность перемещаться вместе с поршнем и стержнем, имеет диаметр, равный зазору между рабочим поршнем и фиксатором на штоке. Каналами полости с электродетонатором и зарядом взрывчатого вещества с одной стороны, и с пневмоклапаном, с другой стороны, сообщаются с полостью механизма стопорения.

Использование в качестве электрического инициатора электродетонатора, снаряженного исключительно взрывчатыми веществами, снижает энергопотребление устройства, повышает надежность, а также стабильность рабочих характеристик его. Для низковольтных электродетонаторов, применяемых в ракетной и космической технике, времена срабатывания и их разброс составляют микросекунды, в то время, как у пиропатронов или электровоспламенителей они составляют десятки миллисекунд. Для надежной работы электродетонаторов достаточными являются токи в 1,5÷2А на мостик накаливания, а для пирпатронов - 4÷9А. Перечисленные факторы способствуют повышению надежности заявляемого устройства, снижению вредных угловых возмущений (паразитных радиальных и вращающихся моментов) на конструкцию КА, как результат -уменьшают нагрузку на систему управления, уменьшают количество включений двигателей стабилизации, а следовательно способствуют снижению расхода компонентов топлива, продлевая ресурс двигателей и, в конечном счете, срок активного существования КА.

Использование в качестве источника энергии (газов высокого давления) продуктов детонации высокобризантного ВВ (кристаллического индивидуального либо смесевого, прессового состава, либо эластичной пресскомпозиции) вместо продуктов сгорания пиротехнического состава повышает также надежность заявляемого устройства, так как все пиротехнические составы, как и твердые топлива, и пороха, весьма чувствительны к давлению воспламенения и к начальной температуре заряда, в то время, как параметры взрыва детонирующих взрывчатых веществ и составов не зависят от окружающей среды и являются чрезвычайно стабильными. Использование для изготовления заряда ВВ со скоростью детонации более 7500 м/с и с критическим диаметром детонации не более 0,5 мм позволяет минимизировать размеры заряда, в результате чего ударный спектр нагрузок от суммарного срабатывания электродетонатора и заряда ВВ будет не выше, чем от срабатывания пиропатрона.

Включение в конструкцию устройства дополнительного механизма стопорения поршневого типа повышает также надежность заявленного устройства и снижает уровень ударных нагрузок и угловых возмущений при срабатывании, поскольку нет необходимости в установке дополнительно срезных элементов.

Установка пневмоклапана, соединенного с воздушной магистралью высокого давления, позволяет при наземных проверках многократно обеспечивать контрольные раскрытия предварительно сложенных устройств, платформ и панелей без задействования пиросредств и без снятия заявляемого замкового устройства с изделия, что расширяет функциональные возможности устройства.

Отмеченное выше свидетельствует о решении декларированных задач настоящего изобретения благодаря наличию у устройства для фиксации (удержания и последующего освобождения трансформируемых элементов конструкции КА) перечисленных выше отличительных признаков.

Заявляемое устройство, как и известное наиболее близкое к нему, имеет возможность технологических срабатываний вручную без демонтажа механизмов трансформируемых элементов с использованием специальных ключей для технологических срабатываний, вставляемых в резьбовые отверстия предварительно расстопоренных торцевых ограничительных гаек.

Изобретение поясняется чертежом фиг.1, на котором представлена конструкция заявляемого устройства в положении удержания сложенного узла, панели, платформы при наземных проверках, где:

1 - корпус; 2 - стержень; 3 - поршень рабочий; 4 - фиксатор; 5 - шток; 6 - стопор; 7 - поршень механизма стопорения; 8 - стержень; 9 - пружина; 10 - пневмоклапан; 11 - заряд ВВ; 12 - электродетонатор; 13 -торцевые ограничительные гайки.

Логика функционирования заявляемого устройства заключается в следующем.

При наземных проверках для обеспечения контрольных раскрытий сложенных и зачекованных узлов, панелей, платформ и т.д. сжатый воздух из наземной пневмосистемы через пневмоклапан 10 поступает в полость механизма стопорения, давит на поршень 7 и приводит его в движение вместе со стержнем 8 и стопором 6. При этом сжимается пружина 9; стопор 6 выходит из зацепления между поршнем рабочим 3 и фиксатором 4. Рабочий поршень 3 вместе со стержнем 2, фиксатором 4 и штоком 5 перемещается влево (на фиг.1). При этом шток 5 выходит из проушины (на фиг.1 не показана), убирается в корпус 1, снимая силовую связь сложенного предварительно элемента трансформируемой конструкции с корпусом КА. После спада давления в запоршневом пространстве механизма стопорения до первоначального значения пружина 9 начинает распрямляться и толкать стержень 8 с поршнем 7 и стопором 6 в обратном направлении (на фиг.1 вверх). Стопор 6 занимает положение за фиксатором 4 со стороны его конической части и препятствует самопроизвольному перемещению штока 5 в сторону проушины.

При подготовке КА к пуску пневмоклапан 10 с устройства снимается без снятия самого замкового устройства с конструкции КА, на его место устанавливается через переходную втулку (футорку), не показанную на фиг.1, второй, идентичный первому, электродетнатор с аналогичным зарядом ВВ. На орбите заявляемое устройство надежно срабатывает от двух электродетонаторов, задействуемых одновременно по циклограмме от программно-временного устройства бортовой системы управления КА.

Расчеты, проведенные авторами, а также натурные испытания замкового устройства предлагаемой конструкции в составе штатного изделия и стендовые испытания в составе отработочных изделий показали высокую эффективность предлагаемого технического решения для крепления различных трансформируемых конструкций к несущей конструкции КА.

Изобретение относится к области ракетно-космической техники, а именно к механизмам и узлам для удержания в сложенном транспортном положении трансформируемых систем. Замковое устройство для фиксации трансформируемых элементов конструкции КА содержит прочный не разрушаемый при срабатывании корпус с узлами крепления к элементам конструкции КА и с четырьмя внутренними цилиндрической формы полостями. В одной из полостей находится рабочий поршень с коническим фиксатором. Во второй полости, перпендикулярной полости с рабочим поршнем и соединяющейся с ней каналом, размещен механизм стопорения. В его состав входят поршень со стопором и стержень, поджатый витой пружиной. В третьей полости корпуса размещены инициатор-электродетонатор и энергодатчик-заряд высокобризантного взрывчатого вещества. В четвертой полости установлен пневмоклапан для подачи дозированной порции сжатого воздуха от наземной пневмосистемы с возможностью замены на электродетонатор и заряд ВВ. Достигается повышение надежности устройства, расширение его функциональных возможностей, снижение энергозатрат. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Замковое устройство для фиксации трансформируемых элементов конструкции космического аппарата, включающее прочный не разрушаемый при срабатывании корпус с узлами крепления к элементам конструкции космического аппарата и с внутренними цилиндрическими полостями, в одной из которых размещен рабочий поршень с жестко скрепленным с ним штоком, снабженные уплотнительными кольцами, с одной стороны поршня и стержнем с другой стороны, убирающимися в торцевую гайку, а в другой полости, имеющей в донной части канал, смонтирован энергодатчик, генерирующий рабочий газ высокого давления с электрическим инициатором, отличающееся тем, что в корпусе выполнены дополнительно две внутренние цилиндрические полости, в одной из которых смонтирован механизм стопорения, а в другой установлен пневмоклапан с трубопроводом наземной системы сжатого воздуха; кроме того, шток устройства снабжен изготовленным с ним заедино либо прочно скрепленным с ним и размещенным с определенным зазором от торцевой поверхности поршня коническим фиксатором с большим диаметром, соответствующим диаметру рабочего поршня и обращенным в его сторону, и меньшим диаметром, равным соответственно диаметру штока, а электрический инициатор с энергодатчиком выполнены раздельными, по разнесенной схеме в виде выстроенных в линию двух самостоятельных деталей.

2. Замковое устройство по п. 1, отличающееся тем, что механизм стопорения состоит из поршня механизма стопорения с уплотнительными кольцами, жестко скрепленными с ним со стороны, обращенной к полости рабочего поршня стопором и стержнем с противоположной стороны, торцевой ограничительной гайки с размещенной в ней витой пружиной сжатия.

3. Замковое устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве электрического инициатора применен электродетонатор, а роль энергодатчика выполняет заряд высокобризантного индивидуального кристаллического взрывчатого вещества, либо смесевого взрывчатого состава, либо взрывчатой прессовой композиции со скоростью детонации не ниже 7500 м/с и с малым, не превышающим 0,5 мм, критическим диаметром детонации.

4. Замковое устройство по пп. 1-3, отличающееся тем, что каналы в донных частях полостей с пневмоклапаном и с электрическим инициатором и энергодатчиком сообщают их с полостью механизма стопорения, при этом оси полостей с рабочим поршнем и с механизмом стопорения пересекаются под прямым углом, а зазор между торцевой поверхностью рабочего поршня и фиксатором соответствует диаметру стопора.