Устройство для стыковки и расстыковки ракетно-космических объектов

Устройство для стыковки и расстыковки ракетно-космических объектов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области ракетно-космической техники и предназначено преимущественно для обеспечения стыковки и расстыковки космических объектов как с выводящими их ступенями ракет, так и межу собой. Возможно также использование этого устройства для стыковки и расстыковки ступеней ракет.

Достаточно распространенными в настоящее время являются стыковочно-разделительные системы, в которых в качестве исполнительных элементов используются пироболты, пирозамки (см. пат. US 5402728, US 6925939, US 6929486, РФ 213448 и др.), а также пирошнуры (см. пат. US 5535502, US 5585596, US 5969278 и др.).

Такие стыковочно-разделительные системы неплохо сочетаются с конструкциями традиционных силовых отсеков, так как позволяют передавать нагрузки от одного отсека к другому дискретно, через точки установки этих элементов и одновременно обеспечивают достаточно высокую надежность разделения ракетно-космических объектов.

Однако наличие в составе подобных стыковочно-разделительных систем большого количества пиротехнических элементов является причиной такого серьезного недостатка, как высокий уровень ударных и вибрационных перегрузок, возникающих при их срабатывании. Эти перегрузки негативно воздействуют на прилегающие элементы конструкции, а также на приборы и агрегаты, располагающиеся на борту ракетно-космических объектов.

Направлением, которое позволяет кардинально снизить уровень ударных и вибрационных перегрузок на ракетно-космических объектах, является использование в этих целях стяжных ленточных систем стыковки и расстыковки.

Среди ленточных стыковочно-разделительных систем наиболее известной в настоящее время является система «Marman Clamp Band» («Марман лента со скобами»), разработанная фирмой «Saab Ericsson Space AB». Составные компоненты этой системы стыковки и расстыковки, а также варианты ее исполнения представлены в патентах US 2002/0088903, US 2003/0198512, WO 01/02248, WO 01/85542, WO 03/033349 и др.

Известны также ленточные стыковочно-разделительные системы по патенту [1].

Данные системы, особенно система «Marman Clamp Band», довольно широко используются при выведении на орбиту в первую очередь телекоммуникационных спутников.

Системы стыковки и расстыковки ракетно-космических объектов ленточного типа обычно включают в себя два V-образных торцевых шпангоута на стыкуемых объектах, нескольких скоб, которые стягивают шпангоуты и удерживаются в контакте с ними гибкой стяжной лентой, которая в свою очередь удерживается в стянутом состоянии посредством специальных замков.

Основным преимуществом ленточных систем стыковки и расстыковки является их высокая надежность, обеспечиваемая за счет предельного сокращения количества пироэлементов, например пирозамков, используемых для их срабатывания. Уменьшение количества используемых пироэлементов одновременно снижает уровень ударных и вибрационных перегрузок, воздействующих на ракетно-космические объекты при срабатывании такой стыковочно-разделительной системы.

Кроме того, ленточные системы стыковки и расстыковки обеспечивают хорошее конструктивное сочетание с современными корпусными конструкциями такими, например, как трехслойные отсеки, отсеки, изготовляемые путем намотки, а также другими композитными конструкциями. Передача силовых нагрузок в таких отсеках через их стыковочные шпангоуты осуществляется в распределенном виде, что обеспечивает им высокое весовое совершенство.

К недостаткам, свойственным ленточным системам стыковки и расстыковки, следует отнести:

- наличие в составе таких систем достаточно «мощных» торцевых шпангоутов соединяемых объектов; это связано с тем, что величина площади и масса шпангоутов определяются в данном случае требованием обеспечить гарантированное стягивание отсеков через скобы за счет приложения к ним радиально направленных сил, что требует повышенной радиальной жесткости вышеупомянутых шпангоутов; соответствующие параметры торцевых шпангоутов обычных отсеков, определяемые исходя из требований обеспечения их несущей способности, оказываются, как правило, меньшими;

- возникновение в стыкуемых объектах нежелательных ударных нагрузок на конструкцию, являющихся следствием резкого освобождения деформированных в процессе стыковки торцевых шпангоутов при срабатывании ленточных систем стыковки и расстыковки;

- необходимость введения в такую систему стыковки и расстыковки ловителей и других дополнительных элементов для удержания от разброса лент, скоб и других составных частей системы, освобождающихся после ее срабатывания.

Известна также ленточная система стыковки и расстыковки, защищенная патентом [2], эта система разработана фирмой «EADS CASA ESPASI, SL (MADRID)» и взята в данном случае за прототип.

Данное устройство для стыковки и расстыковки ракетно-космических объектов содержит П-образную ленту, во внутренней проточке которой с возможностью проскальзывания размещены несколько скоб, стягивающих шпангоуты, являющиеся интерфейсами между двумя объектами, соединительно-разделительный замок с узлом фиксации, удерживающий концы ленты, при этом каждая из расположенных во внутренней проточке ленты скоб взаимодействует с ней посредством одного или нескольких регулировочных элементов, выполненных в виде винтов, совмещенных с гайками и расположенных в сквозных радиальных отверстиях стенки ленты, одновременно соединительно-разделительный замок состоит из стяжного элемента массой М и двух шатунов, каждый из которых шарнирно присоединен одним своим концом к опоре, а другим - к соответствующему концу ленты, а узел фиксации, при закрытом положении системы стыковки и расстыковки, фиксирует и удерживает стяжной элемент в радиальном направлении.

Такое исполнение взятого за прототип устройства для стыковки и расстыковки ракетно-космических объектов позволяет:

- облегчить процесс стыковки объектов за счет того, что степень и равномерность поджатия скоб к шпангоутам могут регулироваться не только при натяжении ленты, как это имеет место в системе стыковки и расстыковки ракетно-космических объектов типа «Marman», но и за счет регулировки поджатия скоб через предусмотренные для каждой скобы радиальные регулировочные элементы;

- снизить уровень ударных нагрузок, возникающих при срабатывании устройства для стыковки и расстыковки за счет введения рычажной или подобной ей системы, которая реализует управляемое раскрытие стыка в два этапа после срабатывания узла фиксации, притягивающего стяжной элемент замка в закрытом положении к одному из шпангоутов.

Однако взятое за прототип устройство стыковки и расстыковки по патенту [2] обладает, по мнению авторов, и некоторыми существенными недостатками:

- во-первых, это наличие механической связи между стяжным элементом соединительно-разделительного замка и шпангоутом одного из стыкуемых отсеков; эта связь возникает из-за узла фиксации, который при закрытом состоянии системы стыковки и расстыковки должен удерживать стяжной элемент соединительно-разделительного замка притянутым к этому шпангоуту; в результате взаимные перемещения шпангоута и кольцевой ленты, возникающие в процессе эксплуатации ракетно-космических объектов от воздействия на конструкцию тепловых или механических факторов, могут приводить к перемещениям упомянутого стяжного элемента, в том числе относительно кольцевой ленты; следствием этого может быть изменение степени натяжения кольцевой ленты по отношению к ее первоначальному состоянию и нерасчетный характер разделения объектов;

- во-вторых, это радиальный характер перемещений стяжного элемента соединительно-разделительного замка после его освобождения; в результате после освобождения стяжной элемент под действием силы натяжения кольцевой ленты первоначально движется наружу относительно последней, по достижении своего максимального удаления от кольцевой ленты стяжной элемент мгновенно тормозится и под действием продолжающей сокращаться кольцевой ленты начинает двигаться в противоположном направлении - к кольцевой ленте, при этом его окончательное торможение происходит после достижения кольцевой лентой максимального сокращения; в моменты своего торможения стяжной элемент неизбежно воздействует на прилегающую часть кольцевой ленты, перемещая ее в направлении, соответствующем направлению его движения перед торможением; в результате некоторые из связанных с кольцевой лентой V-образных скоб могут начать смещаться вместе с кольцевой лентой в направлении шпангоутов разделяемых отсеков вплоть до соударения с ними; такое соударение чревато прерыванием процесса разделения отсеков и сообщением дополнительных возмущений отделяемому объекту.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков вышеописанного устройства для стыковки и расстыковки, а именно:

- ликвидация механической связи между стяжным элементом замка и шпангоутом одного из разделяемых отсеков при закрытом состоянии системы стыковки и расстыковки и связанных с этим возможных воздействий на стяжной элемент замка в процессе эксплуатации изделия;

- исключения возможных нерасчетных перемещений кольцевой ленты и связанных с нею скоб в процессе раскрытия устройства для стыковки и расстыковки от радиально перемещающегося стяжного элемента соединительно-разделительного замка устройства.

Техническим результатом данного изобретения - устройства для стыковки и расстыковки ракетно-космических объектов - является:

- во-первых, полная ликвидация механической связи между стяжным элементом соединительно-разделительного замка и каким-либо из шпангоутов разделяемых отсеков при закрытом состоянии системы стыковки и расстыковки заявляемого устройства;

- во-вторых, полное исключение возможности перемещения и повторного натяжения кольцевой ленты в процессе раскрытия устройства для стыковки и расстыковки ракетно-космических объектов под действием радиально перемещающегося стяжного элемента.

Данный технический результат достигается тем, что в устройство для стыковки и расстыковки ракетно-космических объектов, включающее в себя кольцевую ленту, на которой с возможностью проскальзывания размещены несколько скоб, взаимодействующих с соответствующими поверхностями торцевых шпангоутов стыкуемых отсеков, при этом концы кольцевой ленты стянуты в состыкованном положении посредством соединительно-разделительного замка, состоящего из стяжного элемента, к торцам которого шарнирно присоединены концы шатунов, каждый из которых одновременно другим своим концом шарнирно соединен с соответствующим концом кольцевой ленты, и узла фиксации, удерживающего стяжной элемент при закрытом положении устройства, в состав соединительно-разделительного замка устройства дополнительно введен второй стяжной элемент, к торцам которого также шарнирно присоединены концы шатунов, каждый из которых одновременно другим своим концом шарнирно соединен с соответствующим концом кольцевой ленты, при этом оба стяжные элемента и их шатуны имеют соответственно одинаковую массу и располагаются в одной плоскости, кроме того, узел фиксации соединительно-разделительного замка размещается на стяжных элементах и при закрытом положении устройства связывает их между собой. При этом узел фиксации, входящий к состав соединительно-разделительного замка, включает в себя проушины с отверстиями, выполненные на каждом из стяжных элементов, и фиксатор с подвижным штоком, при этом в закрытом положении устройства проушины перекрывают друг друга, а их отверстия образуют канал, в котором располагается подвижный шток фиксатора, связывающий стяжные элементы между собой. Или узел фиксации, входящий в состав соединительно-разделительного замка, включает в себя проушины с отверстиями, выполненные на каждом из стяжных элементов, серьгу с отверстиями на ее концах и два фиксатора с подвижными штоками, при этом в закрытом положении устройства проушины перекрывают концы серьги, а отверстия проушин образуют с соответствующими отверстиями серьги каналы, в которых располагаются подвижные штоки фиксаторов, связывающие стяжные элементы между собой.

Изобретение поясняется чертежами, при этом:

- на фиг.1 представлен общий вид заявляемого устройства для стыковки и расстыковки ракетно-космических объектов в состыкованном положении, то есть при соединенном положении стяжных элементов, а также опорных шпангоутов стыкуемых между собой объектов;

- на фиг.2 изображен вид заявляемого устройства в сечении А-А в состыкованном положении, то есть при стянутом положении опорных шпангоутов стыкуемых объектов;

- на фиг.3 изображен соединительно-разделительный замок заявляемого устройства в закрытом положении на выносном элементе Б;

- на фиг.4 изображен вариант соединительно-разделительного замка с одним фиксатором в закрытом положении на виде В;

- на фиг.5 изображен вариант соединительно-разделительного замка с одним фиксатором в открытом промежуточном положении на виде В;

- на фиг.6 изображен вариант соединительно-разделительного замка с одним фиксатором в полностью открытом положении на виде В;

- на фиг.7 изображен узел фиксации заявляемого устройства в закрытом положении в сечении Г-Г;

- на фиг.8 изображен узел фиксации заявляемого устройства в открытом положении в сечении Д-Д;

- на фиг.9 изображен вариант соединительно-разделительного замка с двумя фиксаторами в закрытом положении на виде В;

- на фиг.10 изображен вариант соединительно-разделительного замка с двумя фиксаторами в открытом промежуточном положении при одном сработавшем фиксаторе на виде В;

- на фиг.11 изображен вариант соединительно-разделительного замка с двумя фиксаторами в открытом положении при другом сработавшем фиксаторе на виде В;

- на фиг.12 - вариант соединительно-разделительного замка с двумя фиксаторами в открытом промежуточном положении при обоих сработавших фиксаторах на виде В;

- на фиг.13 - вариант соединительно-разделительного замка с двумя фиксаторами при обоих сработавших в открытом положении на виде В.

Заявляемое устройство для стыковки и расстыковки ракетно-космических объектов взаимодействует с торцевыми шпангоутами 1 и 2 стыкуемых объектов 3 и 4 и включает кольцевую ленту 5, на которой размещены несколько V-образных скоб 6. Эти скобы 6 при стягивании кольцевой ленты 5 прижимаются к шпангоутам 1 и 2 и через поверхности 7 этих скоб удерживают объекты 3 и 4 в состыкованном положении. Стягивание кольцевой ленты 5 и последующее освобождение ее концов 8 обеспечивают соединительно-разделительный замок 9. Этот соединительно-разделительный замок 9 включает в себя два стяжных элемента 10 и 11, которые через шарнирно соединенные с их торцами шатуны 12 также шарнирно присоединены к концам 8 кольцевой ленты 5 таким образом, что стяжные элементы 10, 11 имеют возможность перемещаться в одной плоскости, но в противоположных направлениях. При этом оба стяжных элемента 10, 11 и их шатуны 12 имеют соответственно равную массу. Для удержания кольцевой ленты 5 в стянутом положении соединительно-разделительный замок 9 должен находиться в закрытом положении (фиг.4, 9), а не связанные со стяжными элементами 10 и 11 концы шатунов 12 повернуты к их середине и расположены вдоль них. Одновременно стяжные элементы 10 и 11 максимально приближены друг к другу и сцеплены между собой посредством узла фиксации, в который кроме фиксатора 13, содержащего подвижный шток 14 и пироэлементы 15, входят также выполненные на стяжных элементах 10 и 11 дополнительные элементы, например обращенные друг к другу и взаимно перекрывающиеся при закрытом положении устройства проушины 16, 17. При этом любая из проушин может быть выполнена, например, с прорезью, в которую входит другая проушина таким образом, что отверстия в проушинах образуют канал 18. При этом фиксатор 13 устанавливается на проушину с прорезью, а его выдвинутый подвижный шток 14 находится в канале 18, обеспечивая соединение стяжных элементов 10 и 11 соединительно-разделительного замка 9.

Срабатывание устройства для стыковки и расстыковки ракетно-космических объектов и разделение последних осуществляются следующим образом. На входящие в состав фиксатора 13 пироэлементы 15 подается электрический сигнал, подвижный шток 14 фиксатора 13 под действием образующихся при срабатывании пироэлементов 15 продуктов сгорания перемещается в канале 18, образованном проушинами 16 и 17, освобождая отверстие проушины 16. В результате стяжные элементы 10 и 11 разъединяются и под действием силы натяжения кольцевой ленты 5, передаваемой на них через шатуны 12, начинают расходиться в противоположные стороны, освобождая при этом концы 8 кольцевой ленты. После достижения максимально удаленного друг от друга положения стяжные элементы 10 и 11 под действием все той же силы натяжения кольцевой ленты 5 меняют направление своего перемещения на противоположное и начинают двигаться навстречу друг другу. Одновременно концы 8 кольцевой ленты продолжают расходиться, увеличивая длину и диаметр кольцевой ленты 5 вместе с присоединенными к ней стяжными элементами 10 и 11 до расчетного значения, обеспечивающего расстыковку торцевых шпангоутов 1 и 2 стыкуемых объектов 3 и 4. При расширении кольцевой ленты 5 V-образные скобы 6 вместе с ней отходят от поверхностей 7 торцевых шпангоутов 1 и 2 стыкуемых объектов 3 и 4, которые в результате оказываются разъединенными и могут разойтись под действием, например, специально предусмотренных для этого толкателей.

Таким образом, в процессе своего перемещения при раскрытии кольцевой ленты 5 стяжные элементы 10 и 11 дважды разгоняются до значительных скоростей и дважды тормозятся до полной остановки относительно кольцевой ленты 5. Однако возникающие при этом силы не оказывают какого-либо возмущающего воздействия на саму кольцевую ленту 5, в том числе в радиальном направлении - направлении ее расширения. Связано это с тем, что вышеупомянутые силы уравновешиваются благодаря тому, что в состав соединительно-разделительного замка 9 входят теперь два стяжных элемента 10, 11, эти элементы имеют равную массу и перемещаются в одной плоскости в противоположных друг другу направлениях. Такое исполнение соединительно-разделительного замка 9 заявляемого устройства позволяет исключить возможные радиальные перемещения и натяжение кольцевой ленты 5 в процессе ее раскрытия от воздействия стяжных элементов 10, 11 соединительно-разделительного замка. Одновременно это делает излишним радиальное механическое крепление стяжных элементов 10, 11 к одному из шпангоутов разделяемых отсеков для удержания кольцевой ленты 5 в натянутом положении при состыкованном положении устройства, так как для этого достаточно соединить при помощи фиксатора 13 стяжные элементы 10 и 11 между собой.

Для повышения надежности рассматриваемого устройства в состав соединительно-разделительного замка 9 можно добавить еще один фиксатор 19. В этом случае (фиг.8, 10…13) входящие в состав узла фиксации проушины 16, 17 обоих стяжных элементов 10 и 11 делаются короче, в них могут быть выполнены прорези, а фиксаторы 13, 19 устанавливаются на соответствующих боковых поверхностях обоих вышеупомянутых проушин. Для связи стяжных элементов 10 и 11 между собой в состав соединительно-разделительного замка 9 дополнительно вводится серьга 20 с отверстиями. При закрытом положении соединительно-разделительного замка 9 серьга 20 перекрывает и вставляется в прорези проушин 16, 17 обоих стяжных элементов 10 и 11 и удерживается в таком положении посредством выдвижных штоков 14 фиксаторов, которые входят в каналы 18, образованные отверстиями проушин 16, 17 и серьги 20. Таким образом, при срабатывании хотя бы одного из фиксаторов 13, 19 освобождается соответствующий конец серьги 20 и происходит раскрытие соединительно-разделительного замка 9 в описанном порядке. Для предотвращения соударения проушин 16 и 17 стяжных элементов с серьгой 20 в состав этого варианта соединительно-разделительного замка введен упругий элемент 21, обеспечивающий увод серьги из зоны перемещения вышеупомянутых проушин 16, 17 как в случае срабатывания одного, так и в случае срабатывания обоих фиксаторов 13, 19.

Порядок срабатывания устройства стыковки и расстыковки ракетно-космических объектов, снабженного как одним, так и двумя фиксаторами 13, 19, практически совпадает, однако в варианте с двумя фиксаторами надежность срабатывания устройства возрастает, так как при наличии удвоенного количества фиксаторов раскрытие устройства происходит даже при срабатывании одного из них.

В результате такого исполнения соединительно-разделительного замка заявляемого устройства для стыковки и расстыковки ракетно-космических объектов:

- отпадает необходимость в радиальном механическом креплении его стяжного элемента к какому-либо из шпангоутов разделяемых отсеков для удержания кольцевой ленты в натянутом положении при состыкованном положении устройства, достаточно соединить при помощи узла фиксации стяжные элементы между собой;

- исчезает воздействие стыковочного элемента замка на кольцевую ленту после его раскрытия, так как после срабатывания фиксатора освободившиеся стяжные элементы замка под действием силы натяжения кольцевой ленты начинают перемещаться вначале в направлении друг от друга, а затем - навстречу друг другу, в результате возникающие инерционные силы взаимно уравновешиваются, что исключает возможность их воздействия на кольцевую ленту.

Литература

1. Патент ES 2131476, кл. B64G 1/64, F42B 15/36.

2. Патент EP 1944237 A1, кл. B64G 1/64, F16L 23/06.

1. Устройство для стыковки и расстыковки ракетно-космических объектов, включающее в себя кольцевую ленту, на которой с возможностью проскальзывания размещены несколько скоб, взаимодействующих с соответствующими поверхностями торцевых шпангоутов стыкуемых отсеков, при этом концы кольцевой ленты стянуты в состыкованном положении посредством соединительно-разделительного замка, состоящего из стяжного элемента, к торцам которого шарнирно присоединены концы шатунов, каждый из которых одновременно другим своим концом шарнирно соединен с соответствующим концом кольцевой ленты, и узла фиксации, удерживающего стяжной элемент при закрытом положении устройства, отличающееся тем, что в состав соединительно-разделительного замка устройства дополнительно введен второй стяжной элемент, к торцам которого также шарнирно присоединены концы шатунов, каждый из которых одновременно другим своим концом шарнирно соединен с соответствующим концом кольцевой ленты, при этом оба стяжных элемента и их шатуны имеют соответственно одинаковую массу и располагаются в одной плоскости, кроме того, узел фиксации соединительно-разделительного замка размещается на стяжных элементах и при закрытом положении устройства связывает их между собой.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел фиксации, входящий в состав соединительно-разделительного замка, включает к себя проушины с отверстиями, выполненные на каждом из стяжных элементов и фиксатор с подвижным штоком, при этом в закрытом положении устройства проушины перекрывают друг друга, а их отверстия образуют канал, в котором располагается подвижный шток фиксатора, связывающий стяжные элементы между собой.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел фиксации, входящий в состав соединительно-разделительного замка, включает в себя проушины с отверстиями, выполненные на каждом из стяжных элементов, серьгу с отверстиями на ее концах и два фиксатора с подвижными штоками, при этом в закрытом положении устройства проушины перекрывают концы серьги, а отверстия проушин образуют с соответствующими отверстиями серьги каналы, в которых располагаются подвижные штоки фиксаторов, связывающие стяжные элементы между собой.