Система отделения полезной нагрузки

Изобретение относится к средствам стыковки космических объектов и их отделения друг от друга. Предлагаемая система содержит разъединяемое удерживающее устройство, установленное между несущей конструкцией и полезной нагрузкой. Это устройство включает в себя дискретно расположенные на несущей конструкции механические замки и устройство их фиксации. Каждый замок содержит стержень, удерживающее и фиксирующее звенья. Стержень одним концом закреплен на полезной нагрузке, а другим концом контактирует с удерживающим звеном замка. Устройство фиксации замков содержит тросы, взаимодействующие с фиксирующими звеньями замков и удерживаемые на несущей конструкции при помощи пиросредства. При этом стержень замка выполнен с односторонним выступом, контактирующим с указанным удерживающим звеном замка. Устройство фиксации замков снабжено многолучевой центральной звездочкой, закрепленной на несущей конструкции и удерживаемой от поворота указанным пиросредством. Лучи звездочки связаны с фиксирующими звеньями соответствующих замков радиально натянутыми тросами. Концы этих тросов соединены с лучами звездочки эксцентрично оси ее вращения. При срабатывании пиросредства звездочка поворачивается, натяжение тросов исчезает, и звенья замков освобождают стержни. Под действием толкателей полезная нагрузка отделяется от несущей конструкции. Технический результат изобретения состоит в уменьшении нагрузок на полезную нагрузку при отделении, в повышении точности и надежности ее отделения от ракеты-носителя. 4 ил.

 

Изобретение относится к системам сброса или отделения объектов, преимущественно космических аппаратов (КА) и других полезных нагрузок (ПН) от несущих конструкций (адаптеров или приборных отсеков) ракет-носителей (РН) при их выводе на расчетную орбиту и может быть использовано в области ракетно-космической техники.

Известна система отделения ПН (см. патент RU №2155146 от 27.08.2000 г., регистрационный номер заявки 97103514/28 от 05.06.1996 г., номер конвенционной заявка 9506642 от 06.06.1995 г., страна приоритета Франция - FR), состоящая из дистанционного разъединяемого удерживающего устройства, установленного непосредственно между несущей конструкцией (например, адаптером или приборным отсеком) и ПН, и средств сброса ПН, например состоящих пружинных толкателей, действующих непосредственно на ПН. Причем разъединяемое удерживающее устройство представляет собой пиротехническую разъединительную полосу, удерживающую ПН вдоль фактически плоской и круглой поверхности соединения.

Недостатком данного устройства являются большие динамические нагрузки при разъединении удерживающего устройства. Для одновременного разъединения плоской и круглой поверхности соединения несущей конструкции и ПН необходима большая энергоемкость (энергия) пиротехнической системы для обеспечения одновременного разъединения сразу всей поверхности стыка, поэтому в момент отделения ПН на нее будут действовать значительные по величине нагрузки ударного характера. Кроме того, при разрыве соединительной связи с помощью пиросредств типа пирополос или пирошнуров, возможен разлет осколков и фрагментов конструкции корпуса, в котором находится пиросредство из-за которого возможно повреждение близлежащих элементов конструкции или аппаратуры ПН и приборного отсека РН.

В результате анализа патентной и научно-технической литературы в качестве прототипа заявленного устройства выбрана система отделения КА 17Ф15 (см. чертежи 17Ф15.0200-0. Система отделения. НПО ПМ, г.Железногорск, 1993 г.). Аналогичное устройство отделения было применено при запуске и отделении КА «Экспресс АМ22» (см. журнал «Новости космонавтики», февраль 2004 г., №2 (253). Том 14, стр. 26-29. Примечание: нижняя фотография на стр. 27 ошибочно перевернута).

Данная система отделения состоит из цилиндрического отсека, на верхнем шпангоуте которого дискретно размещены механические замки, устройство фиксации замков и средства сброса ПН, выполненные в виде пружинных толкателей. Каждый замок состоит из стержня и системы звеньев (рычагов), соединенных между собой осями и представляющих собой четырехзвенник. Стержень замка одним концом закреплен на ПН, а выступами (двумя выступами) на другом конце контактирует (взаимодействует) с цилиндрическим отсеком (несущей конструкцией) и с удерживающим (верхним) звеном четырехзвенника, закрепленного на отсеке (несущей конструкции). Следует отметить, что при удержании ПН выступы стержня замка контактируют (взаимодействуют) как с четырехзвенником замка (с пазом верхнего звена четырехзвенника), так и с цилиндрическим отсеком (с пазом отсека). Устройство фиксации замков состоит из закрепленного на несущей конструкции пиросредствами троса. Трос выполнен из двух частей, каждая из которых закреплена на отсеке с помощью пиросредств (двух пирочек), при срабатывании которых и происходит освобождение частей троса. Трос натянут по окружности (периметру) установки замков снаружи отсека (см. чертежи прототипа - 17Ф15.0200-0. Система отделения), взаимодействует с фиксирующими (средними) звеньями четырехзвенников замков, а именно, прижимает средние звенья четырехзвенников каждого замка и фиксирует (удерживает) их от поворота, противодействуя усилиям толкателей замков, действующих на средние звенья четырехзвенников замков (см. чертежи прототипа - 17Ф15.0200-0. Система отделения).

Недостатком известного устройства отделения являются большие нагрузки на ПН в момент расфиксации замков. Во-первых, воздействия от пиросредств, освобождающих удерживающий трос, передаются непосредственно на замки. Во-вторых, для того чтобы удерживать замки от раскрытия при размещении троса по касательной к окружности установки замков, в нем нужно создать значительные усилия натяжения. Из курса «Сопротивления материалов» известно, чтобы трос находился в равновесии и воспринимал перпендикулярно действующую на него нагрузку (как в устройстве - прототипе), в нем нужно создать большие усилия натяжения (Ртр=Рд/tgα при малых углах α, где Ртр - усилие натяжения троса, Рд - перпендикулярно действующее на него усилие). Поэтому для удержания замков от раскрытия нужен трос с большим поперечным сечением, следовательно, для освобождения такого троса необходимы значительные усилия удержания и срабатывания пиросредств, которые передадутся на удерживающие ПН замки, а значит и на саму ПН при разъединении частей замков (стержня и удерживающего звена замка). Другим недостатком известной системы отделения является возможный перекос стержней замков при их освобождении за счет наличия двух выступов и увеличенного диаметра отверстия под установку стержня замка, что отрицательно может сказаться на точности отделения ПН. Для обеспечения гарантированного разъединения частей замка необходима установка дополнительного пружинного устройства, «вытягивающего» стержень с двухсторонним выступом из пазов ответной части замка и цилиндрического отсека, что и сделано в прототипе (см. чертежи 17Ф 15.0200-0. Система отделения). Отмеченные конструктивные решения устройства-прототипа (стержень с двумя выступами, дополнительное пружинное устройство) приводят к усложнению конструкции замков при уменьшении надежности их срабатывания. Следует отметить, что определенные трудности могут возникнуть при сборке и настройке замков из-за обеспечения одновременного контакта стержней каждого замка с удерживающим (верхним) звеном замка и с цилиндрическим отсеком (контакта по наклонным площадкам).

Кроме того, при срабатывании пиросредств и освобождении удерживающих замки частей троса, которые установлены снаружи по окружности отсека устройства отделения, возможен «захлест» (зацеп) частей троса за элементы конструкции отделяемой ПН, например за выступающие антенны или датчики, что может привести к их повреждению и нарушению работоспособности. Недостатком известного устройства является также сложность регулировки и обеспечения равномерного натяжения частей троса по всем замкам для создания одинаковых усилий прижатия фиксирующих звеньев (рычагов) замков, с тем, чтобы настроить все замки системы на одновременное срабатывание с одинаковыми усилиями. Неодновременное срабатывание замков может привести к закручиванию ПН относительно поперечных осей при ее отделении от РН.

Задачами (целями) предлагаемого устройства системы отделения ПН являются:

- уменьшение динамических нагрузок при отделении ПН;

- упрощение регулировки натяжения тросовой системы и усилий в замках для обеспечения одновременности их срабатывания;

- повышение надежности и точности отделения ПН, уменьшение ее поперечной «закрутки» при отделении.

Для достижения поставленных задач (целей) известное устройство снабжено механическими разъединяемыми замками, у которых силовой стержень, закрепленный на ПН, выполнен с односторонним выступом (имеется выступ на стержне с одной стороны), контактирующим только с удерживающим звеном замка, т.е. контакт и взаимодействие стержня замка с несущей конструкцией (имеющийся в устройстве-прототипе) отсутствуют, а тросовое устройство фиксации замков в положении удержания ПН на несущей конструкции снабжено многолучевой звездочкой, количество лучей которой равно количеству дискретно расположенных замков системы отделения. При этом фиксирующая звездочка установлена на несущей конструкции следующим образом:

- закреплена на несущей конструкции с возможностью поворота (т.е. на оси вращения);

- размещена в центре установки замков (в номинальном положении на одинаковом наикратчайшем расстоянии от каждого замка);

- удерживается от поворота пиросредствами (например, пирочекой или пиропатроном);

- своими лучами связана с фиксирующими звеньями соответствующих замков радиально натянутыми тросами (с возможностью регулировки усилий их натяжения);

- соединение концов тросов с лучами звездочки выполнено с эксцентриситетом по отношению к ее оси вращения.

Следует отметить, что каждый механический замок системы отделения состоит из взаимодействующих между собой стержня и звеньев, закрепленных на несущей конструкции. Между собой звенья замка шарнирно соединены с помощью осей. Каждый замок содержит удерживающее звено, контактирующее со стержнем замка, и фиксирующее звено, связанное с устройством, фиксирующим замки в закрытом положении.

Замки обеспечивают механическую связь и удерживают в контакте ПН и несущую конструкцию в исходном положении (в положении удержания ПН). Звездочка с радиально (по наикратчайшему расстоянию) натянутыми тросами, взаимодействующими с фиксирующими звеньями замков, обеспечивает их фиксацию в положении удержания ПН на несущей конструкции.

Выполнение силового стержня замка с односторонним выступом, контактирующим только с удерживающим звеном замка, приводит к упрощению конструкции и исключению возможных заеданий замков и перекоса («закрутки» относительно поперечных осей) ПН при ее отделении. При этом нет необходимости в установке дополнительной пружины (как в устройстве-прототипе), «вытягивающей» стержень из пазов ответной части замка (четырехзвенника) и несущей конструкции, а также выполнять большой диаметр установочного отверстия под стержень для обеспечения его гарантированного выхода из контакта с ответной частью замка и с несущей конструкцией. За счет выполнения выступа с одной стороны стержня уменьшается его поперечный размер и соответственно уменьшается диаметр установочного отверстия под стержень замка.

Наличие в тросовом устройстве фиксации замков конструктивного элемента - многолучевой звездочки, размещенной в центре установки замков (на одинаковом расстоянии от каждого замка), обеспечивает одновременное срабатывание всех замков, а также уменьшение нагрузок на ПН при раскрытии замков. Во-первых, воздействия от срабатывания пиросредств непосредственно передается не на замки, а на звездочку, последующий поворот которой приводит к раскрытию замков. Во-вторых, усилия (необходимые для фиксации замков) радиально натянутых тросов между удерживающими звеньями замков и лучами звездочки значительно меньше по сравнению с усилиями троса в устройстве-прототипе (в устройстве-прототипе тросы натянуты по окружности установки замков на цилиндрическом отсеке), поэтому для их освобождения нужны незначительные воздействия со стороны пиросредств. Сами тросы можно сделать меньшего сечения по сравнению с тросами устройства-прототипа, т.к. при одинаковых усилиях раскрытия замков в тросах нужно создать значительно меньшие усилия из-за того, что в предложенном устройстве усилия, удерживающие фиксирующие звенья замков от поворота, действуют вдоль натянутого троса, а в прототипе - перпендикулярно натянутому тросу.

Предложенное устройство фиксации замков позволяет полностью исключить возможный в устройстве-прототипе эффект «захлеста» (зацепа) тросов за элементы конструкции отделяемой ПН, так, например, при одинаковых диаметрах окружностей установки замков (в случае установки замков по окружности) длина удерживающих замки тросов в предложенном устройстве меньше примерно в 3 раза по сравнению с длиной тросов прототипа. В предложенном устройстве длина каждого троса примерно равна радиусу R окружности установки замков, в прототипе длина половинок тросов примерно равна длине полуокружности πR=3,14R. В предложенном устройстве все тросы, связывающие замки со звездочкой, остаются после ее поворота и освобождения тросов внутри несущей конструкции в отличие от прототипа, у которого удерживающие замки тросы размещены снаружи несущей конструкции - цилиндрического отсека устройства отделения.

Одинаковая длина тросов, соединяющих замки с крестовиной, расположенной в центре установки замков, возможность регулировки усилий натяжения тросов, а также одинаковые эксцентриситеты соединения тросов со звездочкой по отношению к ее оси вращения обеспечивают одновременность срабатывания всех замков при освобождении и повороте звездочки и позволяют довольно просто обеспечить одинаковые усилия натяжения тросов и тем самым настроить замки на одновременное срабатывание с равными усилиями, что приведет к равномерному нагружению ПН (без поперечного закручивания) при отделении.

Таким образом, предложенное устройство системы отделения позволяет уменьшить нагрузки на ПН в момент отделения, повышает надежность и точность отделения ПН, обеспечивает одновременность срабатывания замковых устройств с равномерным нагружением и при минимальных воздействиях на ПН.

На фигуре 1 изображены элементы системы отделения положении удержания ПН (исходное положение).

На фигуре 2 изображены элементы системы отделения после расфиксации (раскрытия) замков (в момент отделения ПН).

На фигуре 3 изображен вид элементов системы отделения сверху (см. вид А на фигуре 1. ПН условно не показана).

На фигуре 4 изображено сечение Б-Б на фигуре 3.

Конструкция системы отделения ПН от несущей конструкции РН состоит из следующих устройств (элементов):

- устройство удержания ПН на несущей конструкции РН с помощью механических замков, установленных в стыке между ПН и несущей конструкцией:

- устройство фиксации замков в положении удержания (крепления) ПН на несущей конструкции с помощью тросовой системы, снабженной фиксирующей звездочкой, связанной с пиросредствами и тем самым удерживаемой на несущей конструкции;

- устройство сброса ПН (отделения ПН от несущей конструкции) - толкатели, создающие усилия толкания, непосредственно действующие на ПН, при освобождении механической связи в замках.

Устройство удержания ПН состоит из замков 1. Каждый замок 1 состоит из стержня 2 с односторонним выступом 3, закрепленного на стыковочном кольце 4 ПН 5, и звеньев 6, соединенных, например, в четырехзвенник, закрепленный на несущей конструкции 7. Стержень 2 своим выступом 3 контактирует (взаимодействует) с поверхностью паза 8 удерживающего (верхнего) звена 9 четырехзвенника 6.

Устройство фиксации замков 1 состоит из звездочки 10, закрепленной на несущей конструкции 7 на одинаковом расстоянии от каждого замка 1 с помощью оси 11 (например, при установке замков по окружности ось звездочки расположена в центре этой окружности, при установке замков в вершинах четырехугольника - в точке пересечения его диагоналей). Звездочка 10 связана с фиксирующими (средними) звеньями 12 четырехзвенника 6 каждого замка 1 натянутыми тросами 13. На звездочке 10 выполнены лучи 14. Один конец троса 13 закреплен на фиксирующем звене 12 четырехзвенника 6 замка 1, а другой конец троса j удерживается соответствующим (наиболее близко расположенным) лучом 14 звездочки 10. Направление натяжения всех тросов 13 от четырехзвенников 6 замков 1 к центру установки звездочки 10 - по наикратчайшему расстоянию как в случае расположения замков по окружности (в этом случае тросы натянуты по радиусу), так и в случае расположения замков в вершинах многоугольника. Но при этом конец каждого троса 13 закреплен на луче 14 звездочки 10 с эксцентриситетом по отношению к оси 11 ее вращения. Для обеспечения этого эксцентриситета лучи 14, могут быть выполнены, например, криволинейными в плане с разворотом своих концов, к которым крепятся тросы 13, в одну и ту же сторону (см. фиг.3) или, например, данные концы лучей 14 могут быть снабжены специальными крючками-зацепами, также развернутыми в одну и ту же сторону. Крепление тросов 13 на лучах 14 звездочки 10, также как и на звеньях 12 четырехзвенников 6, может быть выполнено, например, с помощью шариковых законцовок 15, установленных в соответствующие пазы (на фигурах условно не показаны) лучей (крючков) 14 звездочки 10 и в отверстия звеньев 12 четырехзвенников 6. При этом длины тросов 13, соединяющих фиксирующие (средние) звенья 12 четырехзвенников 6 и звездочку 10, одинаковы для каждого замка 1. Эксцентриситеты осей тросов 13, соединяющих каждый замок 1 с лучами 14 звездочки 10, по отношению к оси 11 вращения звездочки 10 также одинаковы для всех замков. Звездочка 10 имеет жестко соединенный с ней рычаг 16, связанный непосредственно с пиросредствами 17, например с пирочекой или пиропатроном. Крепление концов натянутых тросов 13 к лучам 14 звездочки 10 с эксцентриситетом является необходимым условием для создания крутящего момента относительно оси 11 вращения звездочки 10 для обеспечения ее поворота и тем самым освобождения концов тросов 13 из зацепления с концами лучей 14 звездочки 10 в момент расфиксации замков 1.

Устройство сброса или отделения ПН 5 от несущей конструкции 7 содержит толкатели 18, например, пружинного типа, которые установлены на несущей конструкции 7 и контактируют с нижней частью ПН 5 (упираются в нижнюю часть ПН 5, как показано на фигуре 4) или могут контактировать со стыковочным кольцом 4, закрепленным на ПН 5. Усилия пружинных толкателей 18 в исходном положении системы отделения действуют непосредственно на ПН 5, удерживаемую на несущей конструкции 7 замками 1.

В исходном состоянии системы отделения (в положении удержания ПН) ее элементы находятся в следующем положении:

- замки 1 находятся в зафиксированном (зачекованном) положении, при этом их силовые стержни 2 своими выступами 3 контактируют с поверхностями пазов 8 удерживающих (верхних) звеньев 9 четырехзвенников 6;

- тросы 13 закреплены на фиксирующих (средних) звеньях 12 четырехзвенников 6 и лучах 14 звездочки 10 с помощью шариковых законцовок 15 и находятся в натянутом состоянии, при этом одинаковые усилия натяжения тросов 13 обеспечиваются с помощью регулировочных винтов 19;

- звенья 12 и 9 четырехзвенников 6 за счет усилий натяжения тросов 13 удерживаются от поворота на своих осях и тем самым звенья 9 удерживают стержни 2 замков 1;

- звездочка 10 неподвижна по отношению к несущей конструкции 7 и в этом положении удерживается от поворота на своей оси 11 через рычаг 16 пиросредствами (пирочекой) 17;

- толкатели 18 находятся во взведенном состоянии, т.е. в случае пружинных толкателей их пружины сжаты на определенную величину, необходимую для создания усилий толкания на ПН 5 при ее отделении.

Таким образом, при удержании ПН 5 механическая связь между ней и несущей конструкцией 7 осуществляется через взаимодействие выступов 3 стержней 2 с контактными поверхностями пазов 8 удерживающих (верхних) звеньев 9 четырехзвенников 6 в каждом замке 1. Фиксация замков 1 при этом происходит за счет удержания пирочекой 17 рычага 16 звездочки 10 (от поворота на своей оси 11), связанной тросами 13 с фиксирующими (средними) звеньями 12 четырехзвенников 6.

Устройство системы отделения ПН работает следующим образом.

При срабатывании пиросредств (пирочеки) 17 освобождается рычаг 16 и звездочка 10 поворачивается на своей оси 11 за счет эксцентрично приложенных усилий натяжения тросов 13. При этом шариковые законцовки 15 тросов 13 выходят из зацепления с концами лучей 14 звездочки 10 (выходят из пазов лучей 14) и исчезает натяжение тросов 13. При снятии усилий натяжения тросов 13 последовательно поворачиваются сначала фиксирующие (средние) звенья 12, затем удерживающие (верхние) звенья 9 четырехзвенника 6 и освобождают выступы 3 стержней 2, которые выходят из контакта с поверхностями пазов 8 удерживающих (верхних) звеньев 9 четырехзвенников 6 (см. фигуру 2). При этом ПН 5 оказывается не связанной с несущей конструкцией 7, т.к. нарушен контакт между стержнями 2 и удерживающими звеньями 9 четырехзвенников 6 в замках 1. Под действием усилий толкателей 18, действующих на ПН 5 или ее стыковочное кольцо 4, ПН 5 отделяется от несущей конструкции 7 PH. При этом стержни 2 остаются на ПН 5 (или на ее стыковочном кольце 4), а звенья четырехзвенников 6 - на несущей конструкции 7 РН (см. фигуру 2).

Расчеты, проведенные авторами, а также натурные испытания устройства в составе штатных изделий и стендовые испытания в составе отработочных изделий показали значительную эффективность предложенного технического решения для крепления и отделения ПН.

Заявленное устройство по сравнению с прототипом обладает существенными отличиями и обеспечивает одновременность срабатывания замков, удерживающих ПН, позволяет уменьшить динамические нагрузки (воздействия) на ПН при ее отделении от РН, повышает надежность отделения ПН.

Система отделения полезной нагрузки, содержащая разъединяемое удерживающее устройство, установленное между несущей конструкцией и полезной нагрузкой и включающее в себя дискретно расположенные на несущей конструкции механические замки, каждый из которых содержит стержень, удерживающее и фиксирующее звенья, причем стержень замка одним концом закреплен на полезной нагрузке, а другим концом контактирует с удерживающим звеном замка, устройство фиксации замков, содержащее натянутые тросы, взаимодействующие с фиксирующими звеньями замков и удерживаемые на несущей конструкции пиросредством, при этом система содержит толкатели отделения полезной нагрузки от несущей конструкции, отличающаяся тем, что стержень замка выполнен с односторонним выступом, контактирующим с указанным удерживающим звеном замка, а устройство фиксации замков снабжено многолучевой звездочкой, закрепленной с возможностью поворота на несущей конструкции в центре окружности установки замков и удерживаемой от поворота указанным пиросредством, при этом лучи звездочки связаны с фиксирующими звеньями соответствующих замков радиально натянутыми тросами, соединение концов которых с лучами звездочки выполнено с эксцентриситетом по отношению к оси ее вращения.