Устройство для соединения и последующего разделения элементов конструкций

Изобретение относится к области авиационной и ракетно-космической техники и может быть использовано при проектировании различных разделяющихся систем и устройств. Устройство для соединения и последующего разделения элементов конструкций состоит из внешнего и охватываемого корпусов, разрывного пироболта с электрозапалом и элементов крепления. В охватываемом корпусе выполнено ступенчатое осевое отверстие. Внешний и охватываемый корпуса выполнены в виде двух стаканов на ножке, соединенных между собой болтами, установленными параллельно оси устройства. В одном из стаканов в ножке выполнено сквозное ступенчатое отверстие, в котором установлен пироболт и гайка. Отверстие со стороны гайки закрыто набором пластин, выполненных из материала с пределом текучести ниже, чем предел текучести материала корпуса. Пластины имеют отверстие под диаметр болта. Внутри корпуса установлен тонкостенный цилиндр с чередующимися вырезами и опорными поверхностями, выполненными в его торцах. Тонкостенный цилиндр выполнен разъемным в виде двух цилиндров меньшей высоты с чередующимися вырезами и опорными поверхностями. Каждому вырезу одного торца на обоих цилиндрах соответствует опорная поверхность другого торца, выполненная в их торцах. Каждому вырезу одного торца первого цилиндра, установленного со стороны разрывного болта, соответствует опорная поверхность второго цилиндра. Соединение цилиндров выполнено с помощью профилированного кольца с пазами по верхней и нижней его поверхности. Ударная жесткость кольца меньше ударной жесткости первого цилиндра, установленного со стороны разрывного болта, и больше ударной жесткости второго цилиндра. Достигается снижение ударных воздействий на элементы конструкций. 3 ил.

 

Изобретение относится к областям авиационной и ракетно-космической техники и может быть использовано при проектировании различных разделяющихся систем и устройств.

В настоящее время имеется большое количество различных устройств для соединения и последующего разделения элементов конструкций, имеющих, как правило, узкое целевое назначение. Разработка специальных пиротехнических устройств достаточно трудоемка и связана с существенными материальными затратами. Проблема еще более усложняется, когда необходимо снизить ударные нагрузки в уже существующих системах, особенно таких, как ракета-носитель (РН) и стык космического аппарата (КА). Здесь помимо обычной проблемы снижения нагрузок возникает необходимость сохранения жесткости стыка, причем допускается, как правило, незначительное изменение габаритов устройства.

Большинство устройств для соединения и последующего разделения конструкций содержат различные пиротехнические элементы, обладающие небольшой массой, высокой надежностью. В то же время они являются источниками повышенных ударных воздействий на конструкцию. Например, устройство патент США 2.653.504, класс 85-1 или патент США 3.200.706. Это устройство для соединения спутника с ракетой-носителем, состоящее из соединяемых элементов, двух соединяющих элементов, в одном из которых выполнено ступенчатое отверстие, внутри размещается пороховой заряд. Для разделения соединяемых элементов на пирозапал подается напряжение и воспламеняется пороховой заряд, который, воздействуя на шпонки, перемещает их и обеспечивает разделение соединяемых элементов.

Наиболее близким к заявленному является «Устройство для соединения и последующего разделения элементов конструкций» по патенту RU 2194944 С2 (прототип).

Устройство состоит из внешнего и охватываемого корпусов, причем в охватываемом корпусе выполнено ступенчатое осевое отверстие, разрывного пироболта с электрозапалом, элементов крепления, при этом охватывающий и охватываемый корпуса выполнены в виде двух стаканов на ножке, соединенных между собой болтами, установленными параллельно оси устройства, а в одном из стаканов в ножке, имеющей утолщение у дна стакана, выполнено сквозное ступенчатое отверстие, в котором установлен пироболт и гайка, причем отверстие со стороны гайки закрыто набором пластин, выполненных из материала с пределом текучести ниже, чем предел текучести материала корпуса, а сами пластины имеют отверстие под диаметр болта, при этом внутри корпуса установлен тонкостенный цилиндр с чередующимися вырезами и опорными поверхностями, выполненными в его торцах, причем каждому вырезу одного торца соответствует опорная поверхность другого торца.

Существенным недостатком этого устройства является передача повышенного ударного воздействия при подрыве разрывного болта на соединяемые элементы по сравнению с механическими системами отделения, которые больших ударных воздействий на космический аппарат не дают. В результате чего могут быть повреждены бортовая аппаратура и оборудование КА, чувствительные к ударным воздействиям (например, оптические приборы).

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является снижение ударных воздействий, передаваемых на космический аппарат при разделении соединяемых элементов.

Решение этой задачи достигается тем, что тонкостенный цилиндр выполнен разъемным в виде двух цилиндров меньшей высоты с чередующимися вырезами и опорными поверхностями, 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.

Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид устройства, на фиг.2 - в разрезе сборка из двух тонкостенных цилиндров и стыковочного кольца, а на фиг.3 - график коэффициента гашения удара рассматриваемого устройства.

Устройство (фиг.1) состоит из охватываемого корпуса 1, тонкостенных цилиндров 2, установленных в профилированное кольцо 3, внешнего корпуса 4. В корпусе внешнем выполнено ступенчатое осевое отверстие для пироболта и гайки 8. В корпусах внешнем и охватываемом в осевой части выполнены выступы (ножки) со стороны торцевых поверхностей, а сами корпуса соединены между собой болтами с гайками 6. Устройство соединяет части 7 и 10. Отверстие со стороны гайки болта закрыто набором пластин 9, имеющих отверстие для болта и выполненных из материала с пределом текучести ниже, чем предел текучести корпуса внешнего. Между корпусами внешним и охватываемым в профилированное кольцо 3 установлены тонкостенные цилиндры 2 с чередующимися вырезами - 11 в их торцах, причем каждому вырезу с одного торца соответствует цельная поверхность другого торца 5. На фиг.2 показан разрез сборки, состоящей из двух тонкостенных цилиндров 2 с вырезами 11 и опорными поверхностями 12, соединенных с помощью профилированного кольца 3 с пазами 12, 13 для установки тонкостенных цилиндров 2. Пластины 10 крепят к внешнему корпусу винтами.

Сущность заявляемого изобретения поясняется следующим образом. При подрыве пироболта он разделяется на две части, обеспечивая разделение соединяемых элементов - 7 и 10. В момент подрыва взрывчатого вещества по пироболту распространяется ударная волна, которая может передаваться на элемент конструкции 10, только пройдя через корпус внешний 4 и тонкостенные цилиндры 2. Из теории пластин и оболочек известно, что основная доля энергии при колебаниях переносится волнами, описываемыми безмоментной теорией оболочек, для которой преобладающими являются продольные перемещения. Скорость волн при этом соответствует "стержневой" скорости. При подрыве пироболта в нем будут распространяться как продольные волны, так и поперечные. Часть энергии взрывчатого вещества в этот момент не будет передаваться охватываемому корпусу 1, а вызовет перемещение отделившейся части болта вдоль ступенчатого отверстия. При этом начнется пластическая деформация пластин 9, закрывающих ступенчатое отверстие, и произойдет рассеяние части энергии удара. Ударное воздействие будет растянутым по сравнению со временем разрушения пироболта. Отверстие в пластинах помимо легкого соединения (нет необходимости контролировать размер канала в ножке корпуса и длину болта) обеспечивает большее перемещение гайки по сравнению со сплошными пластинами при одних и тех же нагрузках. Таким образом, ударный импульс от подрыва пироболта 8 разделится на два различных по длительности и амплитуде ударного воздействия. Но оба они смогут передаться на охватываемый корпус 1 только через тонкостенные цилиндры 2, причем в процессе распространения ударного воздействия происходит неоднократное преобразование продольных волн в поперечные волны и обратно, а также отражение волн от свободных границ. Выполнение тонкостенных цилиндров и соединительного кольца из материалов с различной ударной жесткостью приводит к многократному отражению волн от границ раздела материалов и "растягивает" ударный импульс, уменьшая его амплитуду (О.Д.Алимов и другие. "Удар. Распространение волн деформаций в ударных системах". М.: Наука, 1985 г., стр.30-34). Кроме того, соединительное кольцо выполняет еще и функцию динамического демпфера, так как частота ударного воздействия достаточно высока. Таким образом, амплитуда переднего фронта ударной волны при проходе через устройство будет существенно снижена.

Пример практического исполнения

Устройство, взятое за прототип, было использовано ранее для защиты оборудования на одном из малых КА разработки предприятия. Однако когда возникла необходимость установки новой аппаратуры (обладающей повышенной чувствительностью к ударным воздействиям), то было использовано устройство, показанное на фиг.1. Это устройство не потребовало доработки системы отделения КА, при этом обеспечило снижение ударных воздействий в области высоких частот (на КА используется новый прибор с собственными частотами критических элементов выше 800-1000 Гц). Первый тонкостенный цилиндр был выполнен из стали, профилированное кольцо из латуни, и второй тонкостенный цилиндр изготовлен из алюминия. Причем отношения ударных жесткостей составляло ~2 на каждой границе раздела (как за счет материалов, так и за счет толщины стенок цилиндров).

На фиг.3 показаны коэффициенты гашения ударного воздействия по ударному спектру ускорений (отношение ударных спектров ускорений разрывного болта к ударным спектрам прототипа "а" и заявляемого устройства "б"). Как видно из чертежа, в области частот свыше 1000 Гц удалось увеличить коэффициенты гашения ударного воздействия в 2-3 раза, что явилось достаточным для использования нового прибора в составе КА.

Устройство для соединения и последующего разделения элементов конструкций, состоящее из внешнего и охватываемого корпусов, причем в охватываемом корпусе выполнено ступенчатое осевое отверстие, разрывного пироболта с электрозапалом, элементов крепления, при этом внешний и охватываемый корпуса выполнены в виде двух стаканов на ножке, соединенных между собой болтами, установленными параллельно оси устройства, а в одном из стаканов в ножке, имеющей утолщение у дна стакана, выполнено сквозное ступенчатое отверстие, в котором установлен пироболт и гайка, причем отверстие со стороны гайки закрыто набором пластин, выполненных из материала с пределом текучести ниже, чем предел текучести материала корпуса, а сами пластины имеют отверстие под диаметр болта, при этом внутри корпуса установлен тонкостенный цилиндр с чередующимися вырезами и опорными поверхностями, выполненными в его торцах, причем каждому вырезу одного торца соответствует опорная поверхность другого торца, отличающееся тем, что тонкостенный цилиндр выполнен разъемным в виде двух цилиндров меньшей высоты с чередующимися вырезами и опорными поверхностями, 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.