Патент на изобретение №2276046

(54) СИСТЕМА ОТДЕЛЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ НАГРУЗКИ СФЕРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к средствам стыковки космических объектов и их отделения друг от друга. Предлагаемая система содержит удерживающее устройство, установленное между несущей конструкцией и полезной нагрузкой, основание, закрепленное на несущей конструкции, замок и опоры. Опоры имеют пружинные толкатели, установленные на основании и ориентированные к центру полезной нагрузки. Ось одного из толкателей отклонена от радиального направления к этому центру. Замок включает в себя четырехзвенник, закрепленный на основании и содержащий две пары шарнирно соединенных рычагов. Одни концы рычагов снабжены захватами, взаимодействующими с кольцевым буртиком штыря, закрепленного на корпусе полезной нагрузки. Другие их концы соединены с основанием пружиной растяжения и снабжены установленной на них качалкой. Качалка с двух сторон удерживается на основании откидными планками. Каждая из планок связана с пиросредством, а опоры выполнены в виде упоров, контактирующих с ответными узлами корпуса полезной нагрузки. Одна из опор снабжена пружинным толкателем, имеющим возможность синхронизации своего поворота с разворотом полезной нагрузки. С противоположной стороны от этого толкателя на основании закреплены профилированные узлы разворота, взаимодействующие с ответными профилированными узлами на корпусе полезной нагрузки. Технический результат изобретения состоит в увеличении угловой скорости вращения полезной нагрузки при ее отделении, повышении надежности отделения и снижении динамических нагрузок. 10 ил.

Изобретение относится к системам сброса или отделения объектов, преимущественно космических аппаратов (КА) и других полезных нагрузок (ПН) со сферической формой корпуса, 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. Особенностью системы отделения является закручивание отделяемого объекта.

Известна система отделения ПН (см. патент RU 2155146 от 27.08.2000 г., Франция), состоящая из дистанционного разъединяемого удерживающего устройства, установленного непосредственно между несущей конструкцией (например, адаптером или приборным отсеком) и ПН, и средств сброса ПН, например, состоящих из 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. Кроме того, данная система отделения (СО) не обеспечивает закручивание отделяемой ПН.

В результате анализа патентной и научно-технической литературы в качестве прототипа заявленного устройства выбрана система отделения (см. Техническое описание системы отделения. Изделие “Ресурс-4”, НПП ВНИИЭМ, г.Москва) спутника WESTPAC – пассивный лазерный спутник, запущенный в 1998 г. в рамках совместного проекта Росавиакосмоса и австралийской фирмы “Электрооптические системы” (см. журнал “Новости космонавтики”, №15/16, август 1998 г.).

Данная СО предназначена для отделения от базовых космических аппаратов малых спутников, к категории которых принадлежит спутник WESTPAC (масса спутника 23-25 кг). Обязательным условием при отделении данного спутника является необходимость придания ему одновременно с прямолинейным движением вращательного движения вокруг оси, проходящей через центр масс спутника. СО состоит из основания тарельчатой формы, на котором закреплены замок в виде болта разрывной конструкции (пироболт) и группа опор в количестве 4-х штук, каждая из которых снабжена пружинным толкателем. Разрывной болт является удерживающим устройством спутника на дискретно установленных опорах тарельчатого основания, закрепленного на базовом КА. При подаче напряжения по команде с Земли разрывной болт разрушается (линия разрыва фиксируется специальной проточкой на поверхности болта), и толкатели придают спутнику необходимую линейную скорость ухода от базового космического аппарата. Линия действия одного из толкателей отклонена от радиального направления к центру сферического корпуса спутника WESTPAC на расчетный угол, за счет чего создается крутящий момент и, следовательно, вращение спутника с угловой скоростью после его отделения от базового КА. Для обеспечения заданных параметров отделения спутника предусмотрена регулировка пружин толкателей. При отделении спутника WESTPAC с использованием данной СО была получена угловая скорость его вращения 1-2 рад/с.

Недостатком известного устройства СО являются большие нагрузки ударного характера на ПН в момент разрыва пироболта, удерживающего отделяемую ПН на основании. Использование в СО пироболтов разрывной конструкции приводит к большим динамическим нагрузкам, передающимся непосредственно на ПН, при их срабатывании из-за большой энергии, необходимой для разрушения корпуса болта.

Кроме того, пороховые газы, образующиеся при разрушении корпуса пироболта по специальной проточке, могут привести к загрязнению оптических элементов, находящихся на внешней поверхности ПН.

Другим недостатком известной системы отделения является сравнительно малая скорость закручивания ПН-порядка 1-2 рад/с при требуемой угловой скорости вращения более 5 рад/с для выполнения ПН своих функциональных задач на орбите. В конструкции известной системы отделения установлена группа опор, каждая из которых снабжена пружинным толкателем, поэтому возможна разновременность их срабатывания при отделении ПН, что приводит к неравномерности нагружения (к возможному перенагружению) связей в стыке ПН и СО. В некоторых случаях, например при опережении срабатывания неотклоненных (от радиального направления к центру ПН) по сравнению с отклоненным (от радиального направления к центру ПН) пружинным толкателем (за счет усилия которого создается момент вращения, закручивающий ПН) не произойдет закручивания ПН. ПН получит только линейную скорость при отделении от воздействия неотклоненных толкателей. В конструкции известной СО отсутствуют неподвижные опорные узлы разворота ПН, разворот ПН при отделении осуществляется на подвижных опорах, которые одновременно являются и толкателями. Несинхронность срабатывания группы пружинных толкателей и неопределенность плеча приложения усилия из-за отсутствия неподвижных опорных узлов при развороте ПН (необходимое условие для обеспечения закручивания ПН) не позволяют получить более высокую угловую скорость вращения при отделении ПН для ее нормального функционирования.

Недостатком известного устройства СО является также малая надежность функционирования из-за установки одного пироустройства (болта разрывной конструкции), удерживающего СО в зафиксированном положении.

Кроме того, необходимость демпфирования энергии удара при срабатывании болта разрывной конструкции приводит к усложнению корпуса ПН и увеличению его массы из-за установки специального механизма, остающегося в корпусе ПН после ее отделения и состоящего из подвижного конического штока, пружины и втулки, которая деформируется при вхождении в нее конуса толкателя.

Задачами (целями) предлагаемого устройства СО ПН являются:

– уменьшение динамических нагрузок при отделении ПН;

– увеличение угловой скорости вращения ПН при ее отделении:

– повышение надежности и точности отделения ПН;

– исключение возможности загрязнения оптических элементов и поверхностей ПН.

Для достижения поставленных задач (целей) известное устройство снабжено механическим замком пружинно-рычажного типа, состоящим из четырехзвенника, закрепленного на основании и содержащего две пары шарнирно соединенных между собой рычагов, концы которых с одной стороны снабжены захватами, взаимодействующими с кольцевым буртиком штыря, закрепленного на корпусе полезной нагрузки, а концы рычагов с противоположной стороны соединены с пружиной растяжения, закрепленной на основании, и снабжены установленной на них с возможностью поворота качалкой, удерживаемой с двух сторон в направлении качания откидными планками, шарнирно установленными на основании. Каждая из откидных планок связана с пиросредством, имеющим герметичный корпус, например, с пирочекой. При этом опоры выполнены в виде регулируемых резьбовых упоров, контактирующих с ответными узлами корпуса полезной нагрузки, выполненных в виде лунок конической формы, причем одна из опор снабжена пружинным толкателем, шарнирно закрепленным на основании с возможностью синхронизации своего поворота с разворотом полезной нагрузки, а с противоположной стороны от толкателя на основании закреплены профилированные узлы разворота, взаимодействующие с ответными профилированными узлами, установленными на корпусе полезной нагрузки.

Крепление ПН на несущей конструкции и отделение ПН от несущей конструкции осуществляются за счет замка пружинно-рычажного типа, обеспечивающего механическую связь между ПН и несущей конструкцией. Данная связь осуществляется через контакт и взаимодействие рычагов четырехзвенника, закрепленного на несущей конструкции, со штырем, закрепленным на корпусе ПН. Применение в конструкции СО механического замка позволяет значительно снизить динамические нагрузки на отделяемую ПН по сравнению с устройством СО-прототипом, т.к. передача воздействий от срабатывания пирочек непосредственно не передается на ПН, а позволяет расфиксировать замок, удерживающий ПН (т.е. нагрузки на ПН от пиросредств передаются через механический замок).

Устройство фиксации замка, состоящее из пружины растяжения, качалки, откидных планок и пиросредств, предназначено для обеспечения контакта рычагов четырехзвенника замка со штырем корпуса ПН в исходном положении элементов СО, т.е. при удержании ПН на несущей конструкции, а при срабатывании пиросредств, любого в отдельности или одновременно двух, устройство фиксации раскрывает замок и тем самым освобождает (нарушает) механическую связь между ПН и несущей конструкцией. Исполнительным элементом устройства фиксации является пружина растяжения, под действием усилия которой и происходит срабатывание замка.

Применение в СО механического (рычажного) замка с пружинным устройством его фиксации обеспечивает безударное, с минимальными воздействиями отделение ПН от несущей конструкции, поэтому отпадает необходимость в установке на корпусе ПН специальных демпфирующих устройств, что упрощает и облегчает конструкцию корпуса.

Контакт захватов рычагов четырехзвенника и кольцевого буртика штыря корпуса ПН осуществляется по конической поверхности. Угол наклона (к оси штыря) конической поверхности контакта кольцевого буртика штыря и захватов рычагов четырехзвенника выбирается, с одной стороны, из условия обеспечения прочности данных элементов при действии на них максимальных нагрузок (при выведении ПН на орбиту функционирования), с другой стороны, из условия обеспечения плавного безударного срабатывания замка, т.е. исключения заедания при освобождении (нарушении) связи между захватами рычагов четырехзвенника и кольцевым буртиком штыря, закрепленного на корпусе ПН.

Регулируемые резьбовые упоры служат опорами для ПН, причем контакт сферических законцовок упоров с ответными лунками на корпусе ПН позволяет выставить оси упоров по радиусу (с минимальными отклонениями) к центру сферического корпуса ПН.

Пружинный толкатель (который является и дополнительной опорой вместе с резьбовыми упорами) предназначен для создания определенного усилия, отталкивающего ПН от несущей конструкции после раскрытия замка. Под действием усилия толкателя, приложенного к корпусу ПН, последняя отделяется от несущей конструкции с определенной линейной скоростью.

Установка с противоположной стороны от пружинного толкателя профилированных узлов разворота (неподвижно выставленных в определенное положение по отношению к ответным узлам на корпусе ПН) позволяет придать ПН вращательное движение (закрутить ПН) в момент ее отделения за счет эксцентриситета приложения усилия толкателя по отношению к узлам разворота. При взаимодействии узлов разворота, неподвижно установленных на опорном основании, закрепленном на несущей конструкции, с ответными узлами на корпусе ПН образуется (создается) фиксированная ось вращения ПН при отделении. Одновременно толкатель позволяет приложить к корпусу ПН толкающее усилие (за счет действия которого ПН отделяется с определенной линейной скоростью от несущей конструкции) и крутящий момент (за счет действия которого ПН отделяется с определенной угловой скоростью).

Устройство предложенной СО позволяет добиться значительно более высокой скорости вращения при отделении ПН за счет следующего:

– установки узлов разворота с эксцентриситетом по отношению к линии действия усилия толкателя;

– установки узлов разворота неподвижно, но с возможностью регулировки своего положения по отношению к ответным узлам корпуса ПН;

– выполнения узлов разворота и ответных узлов профилированной формы с уступами для исключения смещения (“проскальзывания”) ПН относительно несущей конструкции в момент отделения;

– установки пружинного толкателя на шарнирах с возможностью синхронизации своего поворота (на шарнирах) с разворотом ПН;

– более четкой установки и опирания (по сравнению с прототипом) корпуса ПН на регулируемые резьбовые упоры за счет выполнения на корпусе ПН в местах контакта с упорами конических лунок, что также исключает смещение ПН относительно несущей конструкции как при выведении ПН на орбиту, так и в момент отделения.

Установка данных конструктивных элементов и возможность их регулировки позволяют повысить точность отделения ПН, получить определенное соотношение между линейной скоростью отделения и угловой скоростью закручивания ПН, увеличить скорость вращения ПН при отделении.

Конструкция устройства, фиксирующего замок в положении крепления ПН на несущей конструкции, состоит из качалки, концы которой удерживаются в направлении качания с двух сторон откидными планками, связанными с пирочеками (каждая из двух планок связана со “своей” пирочекой). Это позволяет произвести расфиксацию замка как при срабатывании одновременно двух пирочек, так и при срабатывании одной пирочеки. Применение дублированных пиросредств повышает надежность отделения ПН от СО. А применение пиросредств с герметичными корпусами типа пирочек исключает возможность загрязнения оптических элементов, находящихся на внешней поверхности ПН.

Таким образом, предложенное устройство системы отделения позволяет уменьшить нагрузки на ПН в момент отделения, увеличить угловую скорость вращения ПН при отделении, повышает надежность и точность отделения при минимальных воздействиях на ПН, исключает отрицательное влияние пороховых газов от сработавших пиросредств на оптические элементы ПН.

На фигуре 1 представлен общий вид закрепленной на несущей конструкции СО с установленной на ней ПН. На фигуре 1 изображены элементы СО в положении удержания ПН (исходное зафиксированное положение ее элементов).

На фигуре 2 представлен вид на СО по стрелке А на фигуре 1.

На фигуре 3 представлен вид на СО сверху по стрелке Б на фигуре 1.

На фигуре 4 показан узел разворота СО с ответным узлом на корпусе ПН при зафиксированном положении элементов СО (см. разрез В-В на фигуре 3).

На фигуре 5 показана зона контакта упоров и толкателя СО с лунками корпуса ПН при зафиксированном положении элементов СО (см. узел Г на фигурах 1 и 2).

На фигуре 6 показано взаимное положение рычагов четырехзвенника при зафиксированном положении элементов СО (см. узел Д на фигуре 1).

На фигурах 7 и 9 изображена СО при расфиксированном положении ее элементов в различные последовательные моменты времени работы толкателя (начало отделения ПН). На данных фигурах изображена ось вращения ПН и показано направление вращения ПН при ее отделении.

На фигурах 8 и 10 изображено взаимное положение узла разворота СО с ответным узлом на корпусе ПН в соответствующие моменты времени работы толкателя, показанные на фигурах 7 и 9.

Система отделения (СО) представляет собой разъединяемое удерживающее устройство, все элементы которого расположены между отделяемой ПН и несущей конструкцией и закреплены на одном опорном основании, за исключением штыря замка и ответных узлов для разворота ПН, закрепленных на ее корпусе, а также конических лунок под упоры, выполненных на поверхности корпуса ПН.

В состав конструкции СО ПН от РН входят следующие устройства:

– устройство опирания ПН на несущую конструкцию, состоящую из основания и группы опор в виде регулируемых упоров, контактирующих с коническими лунками (углублениями) корпуса ПН:

– устройство удержания ПН на несущей конструкции РН с помощью механического замка, состоящего из четырехзвенника, рычаги которого снабжены захватами, контактирующими с кольцевым буртиком штыря, закрепленного на корпусе ПН, и тем самым удерживающими ПН на несущей конструкции;

– устройство фиксации замка в положении удержания (крепления) ПН на несущей конструкции, состоящего из пружины и качалки, соединенных с замком, и откидных планок, связанных с пиросредствми, например с пирочеками, и тем самым фиксирующих замок;

– устройство сброса ПН – пружинный толкатель, создающий усилие, непосредственно действующее на ПН в момент ее отделении от несущей конструкции, при освобождении механической связи в замке;

– устройство закручивания ПН в момент ее отделения от несущей конструкции, состоящее из профилированных узлов разворота, установленных на несущей конструкции с противоположной стороны от пружинного толкателя с соответствующим эксцентриситетом по отношению к линии действия усилия толкателя и взаимодействующих с ответными профилированными узлами корпуса ПН.

В состав устройства опирания ПН, имеющей сферическую форму корпуса 1, на несущую конструкцию 2 входят основание 3 тарельчатой формы, закрепленное на несущей конструкции 2, например, с помощью резьбовых крепежных элементов 4, и опоры, выполненные в виде регулируемых резьбовых упоров 5, дискретно установленных на основании 3 по радиусу к центру сферического корпуса 1, т.е. оси упоров 5 направлены на геометрический центр сферического корпуса 1. Упоры 5 снабжены законцовками 6 сферической формы, контактирующими с ответными узлами корпуса 1 ПН, выполненными в виде лунок 7 конической формы, оси которых также направлены к центру корпуса 1 ПН. Такое опирание по линии (контакт “сфера-конус”) обеспечивает центрирование упоров 5, их точную установку по радиусу сферического корпуса 1 и исключает смещение (“проскальзывание”) корпуса 1 относительно упоров 5 при действии на ПН боковых нагрузок на участке выведения РН. Резьбовое соединение упоров 5 с основанием 3 позволяет легко проводить их регулировку и затягивать определенным фиксированным моментом затяжки для обеспечения равномерности нагрузок в опорных узлах ПН при ее установке на несущую конструкцию 2. Зона контакта законцовок 6 упоров 5 с лунками 7 корпуса 1 ПН показана на фигуре 5.

В состав устройства удержания ПН на несущей конструкции 2 входит механический замок, одна часть которого закреплена на несущей конструкции 2, а другая часть – на корпусе 1 ПН. Замок состоит из четырехзвенника 8, содержащего две пары шарнирно соединенных между собой рычагов 9 и 10, концы которых со стороны ПН снабжены захватами 11, взаимодействующими с кольцевым буртиком 12 штыря 13, закрепленного на корпусе 1 ПН. Крепление четырехзвенника 8 к основанию 3 (а значит и к несущей конструкции 2) осуществляется через оси 14 (на рычагах, контактирующих со штырем 13) и кронштейн 15, закрепленный на основании 3. Крепление пар рычагов 9 и 10 между собой осуществляется с помощью осей 16. Противоположные концы пар рычагов 9 и 10 (по отношению к концам пар рычагов, контактирующих со штырем 13) соединены осью 17, на которой закреплена переходная вилка 18, связывающая замок и устройство фиксации замка.

В состав устройства фиксации замка, когда сам он находится в положении удержания ПН на несущей конструкции 2, входят следующие элементы: качалка 19, закрепленная на переходной вилке 18 через ось 20, установленную перпендикулярно оси 17 (перпендикулярность осей 17 и 20 выбрана из условия удобства и компактности взаимного размещения элементов замка и устройства его фиксации на основании 3). На оси 20 одним своим концом закреплена пружина растяжения 21, являющаяся исполнительным элементом при раскрытии (расфиксации) замка. Своим противоположным концом пружина 21 закреплена на кронштейне 22, установленном на основании 3. Качалка 19 представляет собой двуплечий рычаг и имеет возможность поворота на оси 20, от которого она удерживается с двух сторон откидными планками 23 (две штуки), закрепленными с помощью шарниров 24 на кронштейнах 25, установленных на основании 3. На этом же кронштейне размещены пиросредства, например пирочеки 26 (также две штуки). Разрываемые элементы 27 пирочек 26 соединены с откидными планками 23, удерживают их и тем самым препятствуют повороту планок на шарнирах 24 от постоянно действующего на них усилия пружины 21, передающегося через концы качалки 19. При этом сама качалка 19 находится в нейтральном положении (при зафиксированном положении замка). На кронштейнах 25 установлены регулировочные винты 28, являющиеся упорами для планок 23, которые позволяют выставить их таким образом, чтобы концы пар рычагов 9 и 10 четырехзвенника 8, соединенные с пружиной 21 и качалкой 19, были развернуты по направлению действия усилия пружины 21 (при этом захваты 11 пар рычагов 9 и 10 прижаты к кольцевому буртику 12 штыря 13 и удерживают его), чтобы исключить уход рычагов в противоположную сторону (так называемую “мертвую зону”) и тем самым препятствовать преждевременному раскрытию замка. Взаимное расположение рычагов четырехзвенника 8 при зафиксированном положении замка изображено на фигуре 6, на которой показано взаимное положение осей четырехзвенника 8, причем имеется так называемый “перевал” К положения оси 17 по отношению к положению осей 16 в сторону направления действия усилия пружины 21 (на фигуре 6 пружина 21 не показана).

Устройство сброса ПН (отделения ПН от несущей конструкции 2) содержит пружинный толкатель 29, которым снабжена одна из опор СО. Толкатель 29 позволяет создать определенное усилие толкания, действующее на корпус 1 ПН при расфиксации замка. Пружинный толкатель 29 имеет такую же законцовку 6 и контактирует с соответствующей конической лункой 7, что и регулируемые резьбовые упоры 5 (см. фигуру 5), и является дополнительной опорой ПН на несущую конструкцию 2. Толкатель 29 крепится к основанию 3 через шарниры 30, которые ввинчиваются в основание 3, что позволяет регулировать положение толкателя 29 вдоль радиуса к центру корпуса 1 ПН аналогично регулировке резьбовых упоров 5. Кроме того, для обеспечения соосного контакта сферических законцовок 6 толкателя 29 и резьбовых упоров 5 с ответными коническими лунками 7 корпуса 1 при установке ПН на СО предусмотрена дополнительная регулировка с помощью набора шайб 31, устанавливаемых между штырем 13 замка и корпусом 1 (см. фигуру 1). Установка толкателя 29 на шарнирах 30 и его контакт с конической лункой 7 корпуса 1 позволяют синхронизировать его поворот с разворотом ПН в начальный момент отделения ПН (толкатель 29 как бы “самоустанавливается” в меридиональной плоскости сферического корпуса 1 ПН и “отслеживает” угловое положение ПН). Поэтому при развороте ПН после раскрытия замка толкатель 29 продолжает контактировать с конической лункой 7 корпуса 1 и создавать крутящий момент (вращающий ПН) на всем протяжении действия усилия толкателя 29 до отделения ПН (см. фигуру 7). За счет этого энергия пружинного толкателя 29 эффективно расходуется на закручивание ПН в процессе ее отделения от несущей конструкции 2 и позволяет значительно (более чем в 3 раза) увеличить по сравнению с устройством СО-прототипом угловую скорость вращения ПН при отделении.

Устройство закручивания или вращения ПН состоит из пары профилированных узлов разворота 32, установленных на основании 3 с противоположной стороны от пружинного толкателя 29 симметрично плоскости его установки (т.е. меридиональной плоскости, проходящей через толкатель и центр сферического корпуса 1 ПН). Узлы разворота 32 выполнены со специальной профилированной формой, которая при контакте и взаимодействии с ответными профилированными узлами 33, ввинченными в корпус 1 ПН, позволяет создать ось вращения ПН (см. фигуры 4, 8, 10). Узлы разворота 32 размещены на кронштейнах 34, установленных на основании 3, с возможностью регулировки своего положения по отношению к ответным узлам 33. Данная регулировка осуществляется за счет смещения положения кронштейнов 34 (по касательной к сферическому корпусу 1 ПН), например, в пазах (на фигурах условно не показаны) основания 3, на котором установлены кронштейны 34, а также за счет смещения самих узлов 32 вдоль вертикальных пазов (на фигурах условно не показаны), выполненных в кронштейнах 34 (регулировка по высоте установки узлов 32). Кроме того, вывинчивая или завинчивая как профилированные узлы 32, закрепленные на кронштейнах 34, так и ответные профилированные узлы 33, закрепленные в корпусе 1, можно регулировать величину зазора Е (см. фигуру 4) между узлами 32 и 33. Данные регулировки позволяют выставить необходимый зазор (см. фигуру 4, зазор Е) между уступами 35 узлов 32 и соответствующими уступами 36 узлов 33 для создания фиксированной оси вращения ПН и обеспечивают эффективное закручивание ПН при ее отделении. При расфиксации замка под действием усилия пружинного толкателя 29 корпус 1 ПН начинает вращаться вокруг оси Ж до выбора зазора Е (см. фигуру 8). При дальнейшем вращении ПН ось вращения перемещается из точки Ж в точку И (см. фигуру 10), что позволяет профилированным узлам 33 корпуса 1 ПН выйти из зацепления с профилированными узлами 32, закрепленными на основании 3 СО, а полезной нагрузке отделиться с вращением от системы отделения.

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

– основание 3 закреплено на несущей конструкции 2, например, с помощью резьбовых элементов 4;

– регулируемые резьбовые упоры 5 контактируют с соответствующими лунками 7 корпуса 1 ПН и затянуты фиксированным моментом затяжки,

– захваты 11 пар рычагов 9 и 10 четырехзвенника 8 контактируют с кольцевым буртиком 12 штыря 13;

– пружина 21 натянута и закреплена одним концом на рычагах четырехзвенника 8 (через ось 20, переходную вилку 18, ось 17), противоположным концом – на кронштейне 22, установленном на основании 3;

– качалка 19 находится в нейтральном положении на оси 20 и своими концами контактирует с откидными планками 23;

– откидные планки 23 с двух сторон удерживают качалку 19 в нейтральном положении, через качалку 19 на откидные планки передается усилие пружины 21;

– откидные планки 23 фиксируются (удерживаются) пиросредствами, каждая планка 23 “своей” пирочекой 26;

– пружинный толкатель 29 взведен (т.е. его пружина сжата с заданным усилием) и контактирует с ответной лункой 7 на корпусе 1 ПН;

– профилированные узлы разворота 32 выставлены и зафиксированы на основании 3 по отношению к ответным профилированным узлам 33 корпуса 1 с определенным зазором Е.

Таким образом, при удержании ПН механическая связь между ее корпусом 1 и несущей конструкцией 2 осуществляется через взаимодействие кольцевого буртика 12 штыря 13 с захватами 11 пар рычагов 9 и 10 четырехзвенника 8. Фиксация рычагов четырехзвенника 8 при этом происходит за счет удержания пирочеками 26 откидных планок 23, которые в свою очередь удерживают качалку 19, освобождение которой приводит (под действием усилия пружины 21) к развороту рычагов четырехзвенника 8 и освобождению буртика 12 штыря 13 (т.е. к срабатыванию замка), закрепленного на корпусе 1 ПН.

Передача нагрузок от ПН на несущую конструкцию при зафиксированном положении элементов СО (т.е. при выводе ПН на орбиту функционирования) осуществляется следующим образом:

– отрывающие нагрузки через штырь 13, захваты 11 пар рычагов 9 и 10 четырехзвенника 8, оси 14 крепления рычагов к кронштейну 15, кронштейн 15, основание 3 передаются на несущую конструкцию 2;

– сжимающие нагрузки через лунки 7 корпуса 1 ПН, резьбовые упоры 5 (включая и толкатель 29), основание 3 передаются на несущую конструкцию 2;

– боковые нагрузки воспринимаются замком (состоящим из четырехзвенника 8 и штыря 13) и теми упорами 5, которые находятся в сжатой зоне от действия момента, создаваемого боковой нагрузкой.

Различные сочетания действующих нагрузок на ПН воспринимаются замком (через контакт захватов 11 рычагов четырехзвенника 8 с кольцевым буртиком 12 штыря 13) и упорами 5 и передаются на несущую конструкцию 2.

Установка ПН на СО и сборка ее элементов для закрепления и удержания ПН может осуществляться как автономно на основании 3 с последующим закреплением основания (с уже пристыкованной к нему ПН) на несущую конструкцию 2 с помощью резьбовых крепежных элементов 4, так и на предварительно закрепленном основании 3 на несущей конструкции 2.

Устройство системы отделения ПН работает следующим образом.

При срабатывании любой из пирочек 26 разрушаются их разрываемые элементы 27, удерживающие откидные планки 23, которые разворачиваются (откидываются) на своих шарнирах 24 под действием усилия пружины 21, передающегося через концы качалки 19 на планки 23. При срабатывании одновременно двух пирочек 26 пружина 21 концами качалки 19 одновременно откинет обе планки 23. При срабатывании одной пирочеки 26 пружина 21 одним концом качалки 19 откинет (развернет) одну планку 23 (ту, которая удерживалась сработавшей пирочекой 26). При этом сама качалка 19 под действием усилия пружины 21 (тянущей качалку 19 за ось 20) развернется на своей оси 20 и своим вторым концом выйдет из контакта с той планкой 23, которая продолжает удерживаться несработавшей пирочекой 26. После освобождения качалки 19 усилие пружины 21 передастся через ось 20, переходную вилку 18 на ось 17, соединяющую пары рычагов 9 и 10 четырехзвенника 8. Ось 17 переместится по направлению действия усилия пружины 21, что приведет к развороту пар рычагов 9 и 10 на осях 16 (оси крепления пар рычагов 9 и 10 между собой) и на осях 14 (оси крепления пар рычагов 9 и 10 к кронштейну 15, установленному на основании 3). При развороте рычагов, удерживающих штырь 13, их захваты 11 выйдут из контакта с кольцевым буртиком 12 штыря 11, освободив штырь 13. Тем самым механическая связь между ПН и СО, элементы которой установлены на основании 3, закрепленном на несущей конструкции 2, будет нарушена (освобождена). Положение рычагов четырехзвенника 8 после освобождения штыря 13 (момент срабатывания замка) показанно на фигурах 7 и 9.

Под действием усилия пружинного толкателя 29, действующего на корпус 1, ПН отделяется от несущей конструкции 2, совершая прямолинейное движение с определенной линейной скоростью. При этом одновременно с прямолинейным движением ПН начинает вращаться (закручиваться) с определенной угловой скоростью за счет установки с противоположной стороны от пружинного толкателя 29 профилированных узлов разворота 32 (которые являются неподвижными опорами и при взаимодействии с ответными узлами 33 корпуса 1 образуют ось вращения ПН при ее отделении) с эксцентриситетом по отношению к оси толкателя 29 (а значит, к линии действия его усилия). Таким образом, ПН при отделении под действием усилия толкателя 29 одновременно будет совершать поступательное движение с линейной скоростью и вращательное движение с угловой скоростью. ПН после отделения вращается вокруг оси, перпендикулярной направлению вектора прямолинейного движения. Направление вращения ПН после отделения показано на фигурах 7 и 9.

После срабатывания СО штырь 13 остается в корпусе 1 ПН, а все остальные элементы СО в расфиксированном (расчекованном) положении – на несущей конструкции 2 РН (см. фигуры 7 и 9).

Расчеты, проведенные авторами, а также стендовые испытания устройства в составе отработочных изделий и натурные испытания устройства в составе штатного изделия показали значительную эффективность предложенного технического решения для крепления и отделения ПН. При проведении стендовых испытаний предложенной конструкции СО с макетом ПН по своим массово-инерционным характеристикам, аналогичным характеристикам спутника WESTPAC, была получена угловая скорость закручивания макета ПН 6-6,5 рад/с, что более чем в 3 раза превышает угловую скорость вращения спутника WESTPAC с использованием СО-прототипа.

Заявленное устройство по сравнению с прототипом обладает существенными отличиями и обеспечивает при отделении ПН от РН увеличение угловой скорости вращения ПН, позволяет уменьшить динамические нагрузки (воздействия) на ПН, повышает надежность отделения ПН.

Формула изобретения

Система отделения полезной нагрузки сферической формы, содержащая разъединяемое удерживающее устройство, установленное между несущей конструкцией и полезной нагрузкой, основание, закрепленное на несущей конструкции, замок, а также опоры, снабженные пружинными толкателями, дискретно установленные на основании по радиусу к центру полезной нагрузки и контактирующие с ее корпусом, при этом замок установлен между опорами и содержит штырь разрывной конструкции, одна часть которого закреплена на корпусе полезной нагрузки, а другая на основании, причем ось одного из толкателей отклонена от радиального направления к центру полезной нагрузки на заданный угол, отличающаяся тем, что замок включает в себя четырехзвенник, закрепленный на основании и содержащий две пары шарнирно соединенных между собой рычагов, концы которых с одной стороны снабжены захватами, взаимодействующими с кольцевым буртиком указанного штыря, закрепленного на корпусе полезной нагрузки, а концы рычагов с противоположной стороны соединены с пружиной растяжения, закрепленной на основании, и снабжены установленной на них с возможностью поворота качалкой, удерживаемой с двух сторон в направлении качания откидными планками, шарнирно закрепленными на основании, причем каждая из планок связана с пиросредством, а указанные опоры выполнены в виде регулируемых резьбовых упоров, контактирующих с ответными узлами корпуса полезной нагрузки, выполненными в виде лунок конической формы, причем одна из опор снабжена пружинным толкателем, шарнирно закрепленным на основании с возможностью синхронизации своего поворота с разворотом полезной нагрузки, а с противоположной стороны от этого толкателя на основании закреплены профилированные узлы разворота, взаимодействующие с ответными профилированными узлами, установленными на корпусе полезной нагрузки.

РИСУНКИ

PD4A – Изменение наименования обладателя патента Российской Федерации на изобретение

(73) Новое наименование патентообладателя:

Федеральное государственное унитарное предприятие «Государственный космический научно производственный центр имени М.В. Хруничева» (RU)

Адрес для переписки:

644021, г. Омск, ул. Б.Хмельницкого, д. 226, «ПО «Полет» – филиал ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева», конструкторское бюро

Извещение опубликовано: 10.06.2009 БИ: 16/2009