андрогинный периферийный агрегат стыковки (апас) и демпфер амортизационно- приводной системы для него

Формула изобретения

1. Андрогинный периферийный агрегат стыковки, содержащий неподвижный корпус, подвижный буфер, амортизационно-приводную систему из двух частей: дифференциально-приводного блока и шариковинтовых преобразователей с винтами, управляемых электромагнитных тормозов на неподвижном корпусе и кинематических связей винтов - на подвижном буфере, отличающийся тем, что в него введены дополнительно управляемые демпферы, установленные на подвижном буфере и связанные кинематически с винтами.

2. Демпфер амортизационно-приводной системы, содержащий входной вал, электромагнитный тормоз, отличающийся тем, что в него введены тормозная муфта и дифференциал, при этом один вход дифференциала кинематически связан с входным валом, второй - с выходом тормозной муфты, а выход дифференциала кинематически связан со входом электромагнитного тормоза.

3. Демпфер по п.2, отличающийся тем, что в нем дифференциал выполнен в виде двух сателлитов, каждый из которых содержит пару соосных шестерен, установленных на валах в подшипниках в подвижном водиле, причем шестерни одной пары кинематически связаны с шестернями другой пары и соответственно с солнечными колесами, одно из которых установлено на входном валу, а другое - на валу электромагнитного тормоза, при этом водило кинематически связано с тормозной муфтой.

4. Демпфер по п.2, отличающийся тем, что тормозная муфта в нем выполнена в виде корпуса, в котором размещены катушка с управляющей обмоткой, якорь и вращающийся диск, соосные входному валу, причем диск размещен между корпусом и якорем и взаимодействует с водилом дифференциала с помощью подвижного шлицевого соединения.

5. Демпфер по п.3, отличающийся тем, что сателлиты в нем выполнены в виде блока из двух шестерен разного диаметра, а солнечные колеса - входное и выходное - имеют разные диаметры, причем входное солнечное колесо имеет больший диаметр, а сцепляющиеся с ним шестерни сателлитов - меньший.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области космической техники, в частности к стыковочным устройствам космических аппаратов (КА), амортизаторов стыковочных механизмов, а также может быть использовано в областях техники, где необходимы демпфирующие устройства.

Аналогом АПАСа является агрегат стыковки АПАС-75 (В.С. Сыромятников. Стыковочные устройства космических аппаратов. - М.: Машиностроение,с. 35-40,1984 г.).

АПАС-75 содержит буфер с направляющими и датчиком сцепки, амортизационно-приводную систему.

При этом в АПАСе в амортизационно-приводной системе применены неуправляемые электромагнитные тормоза (ЭМТ), установленные на буфере, и кинематически связанные с винтами.

Такая конструкция обеспечивает демпфирование, однако, подвижность буфера, необходимая для того, чтобы стыковочные агрегаты сцепились, весьма ограничена, при этом силы, потребные для амортизации и сцепки, значительны.

Прототипом андрогинного периферийного агрегата стыковки является АПАС-89, созданный для программы Мир-Шаттл, в котором управляемые ЭМТ расположены на корпусе АПАСа и неуправляемые ЭМТ - на буфере, при этом демпфирование по тангажу и рысканию включаются после сцепки (STS-71 Press Information, June 1995, Rockwell Office of Media Relations, Space Systems Division, p. 57-71).

Недостатком прототипа является затруднительность сцепки из-за сил, возникающих в результате демпфирования вдоль поперечных осей агрегата и по крену, а также увеличивались нагрузки на буферные и другие элементы стыковочного аппарата.

Аналогом демпфера амортизационно-приводной системы является решение, содержащее ЭМТ, обгонную муфту, связанные через шестерню (B. C. Сыромятников. Стыковочные устройства космических аппаратов. -М.: Машиностроение, 1987 г., стр. 181).

Недостатком аналога является то, что демпфирующие силы создаются при перемещениях стыкуемых объектов только в одну сторону, что в результате приводит к ограниченным условиям сцепки и повышенным нагрузкам.

Прототипом предлагаемого демпфера является демпфер, имеющий ЭМТ со сцепной муфтой зубчатого типа (Interconnecting drive for ball screw pairs. Fig. p 65).

Недостатком прототипа является необходимость больших сил и моментов демпфирования, демпфирование буфера в боковом направлении и по крену, что приводит к большим нагрузкам при сцепке и невозможности стыковки при больших скоростях стыкуемых объектов. Кроме того, для данного решения характерна также недостаточность демпфирования по крену после сцепки.

Задачей изобретения является увеличение надежности стыковки, снижения нагрузок, расширения диапазона скоростей объектов при стыковке.

Задачей изобретения также является обеспечение плавности включения и выключения демпфера, уменьшения энергопотребления за счет уменьшения тока управления муфтой, и, как следствие, упрощение управления стыковкой.

Данная задача решается тем, что в андрогинный периферийный агрегат стыковки, содержащий неподвижный корпус, подвижный буфер, амортизационно-приводную систему из двух частей: дифференциально-приводного блока и шариковинтовых преобразователей с винтами, управляемых ЭМТ на неподвижном корпусе и элементов кинематической связи винтов - на подвижном буфере, в него введены управляемые демпферы, установленные на подвижном буфере и кинематически связанные с винтами.

Данная задача решается также тем, что в демпфер амортизационно-приводной системы, содержащей входной вал, электромагнитный тормоз, в него введены тормозная муфта и дифференциал, при этом один вход дифференциала кинематически связан с входным валом, второй связан с выходом тормозной муфты, а выход дифференциала кинематически связан со входом электромагнитного тормоза. Дифференциал выполнен в виде двух солнечных колес и двух сателлитов, каждый из которых содержит пару соосных шестерен, установленных в подшипниках в подвижном водиле.

Шестерни сателлитов выполнены разного диаметра. Солнечные колеса также выполнены разного диаметра. Входное солнечное колесо большего диаметра кинематически связано с сателлитами шестернями меньшего диаметра; а сателлитные шестерни большего диаметра кинематически связаны с выходным солнечным колесом меньшего диаметра. Такое соотношение размеров позволяет получать оптимальные значения передаточных отношений между входным валом, валом ЭМТ и валом тормозной муфты.

Тормозная муфта в демпфере выполнена в виде корпуса, в котором размещены катушка с управляющей обмоткой, якорь и вращающийся диск, соосные входному валу, причем диск размещен между корпусом и якорем и взаимодействует с водилом дифференциала с помощью шлицевого соединения.

На фиг. 1 изображен общий вид АПАСа, где:

1 - неподвижный корпус;

2 - подвижный буфер;

3 - дифференциально-приводной блок (ДПБ);

4 - шариковинтовые преобразователи (ШВП);

5 - штанги-винты;

6 - управляемые электромагнитные тормоза (УЭМТ);

7 - узлы кинематической связи винтов (УКСВ);

8 - дополнительные управляемые электромагнитные демпферы (ДУЭМТ), которые кинематически связаны с вращающимися штангами амортизационно-приводной системы.

На фиг. 2 изображен АПАС (в изометрии).

На фиг. 3 изображен дополнительный управляемый демпфер амортизационно-приводной системы, где:

9 -корпус демпфера;

10 - электромагнитный тормоз (ЭМТ);

11 - входной вал;

12 - тормозная муфта;

13 - дифференциал;

14 - сателлиты;

15 - малая шестерня сателлита;

16 - выходное солнечное колесо;

17 - подшипники;

18 - водило;

19 - входное солнечное колесо;

20 - вал ЭМТ;

21 - катушка с управляющей обмоткой;

22 - якорь;

23 - вращающийся диск;

24 - шлицевое соединение;

25 - большая шестерня сателлита.

На фиг. 4 изображены силовые характеристики амортизаторов и приведена зависимость сил от перемещения буфера в осевом направлении F( ) и скорость этого перемещения F(V), и зависимость момента от вращения М( ) буфера по крену и скорости этого вращения М( ).

АПАС выполнен в виде неподвижного корпуса (1), подвижного буфера (2), амортизационно-приводной системы из двух частей: дифференциально-приводного блока (ДПВ) (3) и шариковинтовых преобразователей (ШВП) (4) с штангами-винтами (5). На неподвижном корпусе (1) установлены управляемые ЭМТ (6), а на подвижном буфере (2) установлены дополнительно УЭМТ (8), кинематически связанные с винтами.

Схема работает следующим образом. Перед стыковкой буфер (2) при помощи амортизационно-приводной системы выдвигается в исходное положение. Стыковка начинается тогда, когда буфер (2) активного АПАСа, выдвинутый в исходное положение, касается буфера пассивного АПАСа, втянутого или закрепленного неподвижно на основании.

При взаимодействии буферов активного и пассивного АПАСов происходит перемещение активного буфера до тех пор, пока их торцевые поверхности не совмещаются, тогда происходит сцепка.

До сцепки, при перемещениях буфера в боковом направлении или по крену штанги винты вращаются, в результате вращаются входные валы дополнительных управляемых тормозов (8), установленных на подвижном буфере (2).

При таких перемещениях эти тормоза не создают демпфирующие силы сопротивления и буфер перемещается свободно до тех пор, пока он не совмещается с неподвижным буфером пассивного АПАСа.

После совмещения буферов срабатывают датчики сцепки и вырабатывают сигнал, который поступает в блок управления стыковкой. С некоторым запаздыванием, определяемым анализом динамики процесса стыковки, подается напряжение на управляемые тормоза и они включаются.

Дополнительные ЭМТ создают демпфирующие силы, за счет которых поглощается кинетическая энергия относительно движения стыкуемых космических кораблей и происходит гашение колебаний в боковом направлении и по крену.

В прототипе, который использовался для стыковки "Спейс-Шаттл" с орбитальным комплексом "Мир", на буфере применялись неуправляемые тормоза. Они создают силу, пропорциональную скорости перемещения кольца (фиг. 4). На этом же рисунке-графике показаны силы, создаваемые пружинными механизмами. Из приведенных данных видно, что силы, создаваемые тормозами, и упругие силы одного порядка. В результате до сцепки демпфирующие силы сильно ограничивают подвижность активного буфера, препятствуя его смещению до совмещения его с неподвижным буфером пассивного АПАСа. Естественно суммарная сила, действующая на корабль и станцию за счет демпфирующей составляющей, увеличивается. Это происходит потому, что скорость бокового перемещения и скорость по крену до сцепки может быть значительной.

Так, при начальной скорости сближения кораблей, равной 0,15 м/с, при начальном боковом промахе и ошибке по крену может возникать сила демпфирования 3,2 кН. Для сравнения следует привести начальное значение упругой составляющей силы: она равна 1,8 кН. В то же время энергоемкость пружинных механизмов обычно достаточна для того, чтобы поглотить кинетическую энергию относительного движения кораблей до сцепки.

После сцепки динамическая схема амортизации кораблей существенно изменяется, однако, это относится в основном к амортизации движения по крену, а динамика бокового движения изменяется незначительно.

Момент инерции по крену орбитальных космических аппаратов очень большой. Например, для орбитального комплекса "Мир" I_X = 910⁶ кгм², для "Спейс Шаттла" - I_X = 1710⁶ кгм². Скорость относительного движения по крену сравнительно мала, она значительно меньше, чем скорость вращения буфера по крену до сцепки. Например, максимальное значение W_X = 18 град/с (до сцепки) и максимальное значение W_X = 0,5 град/с (после сцепки). При максимальной угловой скорости 18 град/с демпферы создают момент, равный 5,1 кНм. Такой большой момент значительно уменьшает подвижность буфера по крену и затрудняет сцепку. Однако даже при таких малых угловых скоростях за счет большого момента инерции по крену энергия, которую должны поглотить креновые амортизаторы буфера, сравнительно велика. При скорости в 0,5 град/с демпферы создают момент на буфере, равный всего М=0,14 кНм.

Таким образом, до сцепки демпфирующие силы по существу создают вредное сопротивление в боковом направлении и по крену. После сцепки эти демпферы оказываются совершенно неэффективными. Чтобы повысить эффективность, после сцепки требуется большая демпфирующая сила, особенно по крену при очень маленьких скоростях, то есть требуется очень высокий коэффициент демпфирования.

Введение управляемых тормозов на подвижном буфере позволяет устранить это противоречие и решить задачу.

Для эффективного решения задачи требуется выполнить несколько условий. Прежде всего, передаточное отношение от вращающихся винтов-штанг должно быть достаточно большим с тем, чтобы обеспечить высокий коэффициент демпфирования. Далее передаточное отношение от винтов до управляемой муфты не должно быть очень высоким, иначе момент инерции подвижных элементов управляющей муфты может увеличить инерционные нагрузки при амортизации до сцепки сверх допустимой величины. И последнее, желательно, чтобы обеспечивалось плавное включение управляющей муфты, что "срезает" дополнительные динамические нагрузки в этом переходном режиме.

Наилучшим способом данная задача решается при применении тормозного устройства, состоящего из неуправляемого электромагнитного тормоза (ЭМТ), фрикционной тормозной муфты и дифференциала. Это достигается, в частности, благодаря тому, что диаметры солнечных колес и шестерен сателлитов выбраны разными, причем входное солнечное колесо имеет больший диаметр и соответственно кинематически связано с сателлитными шестернями меньшего диаметра, а выходное солнечное колесо кинематически связано с сателлитной шестерней большего диаметра. Таким образом, обеспечиваются все три условия, приведенные выше.

Тормозное устройство обеспечивает дополнительное увеличение скорости вращения ЭМТ. Например, в конструкции, спроектированной для Международной космической станции (МКС), передаточное отношение между входным валом и валом ЭМТ равно 6. В то же время передаточное отношение между входным валом и тормозной муфтой равно 1/3 (на замедление). Таким образом, передаточное отношение между ЭМТ и муфтой равно 18.

Тормозная фрикционная муфта обеспечивает плавное включение ЭМТ.

Дополнительным преимуществом тормозной фрикционной муфты является то, чти благодаря сравнительно небольшому зазору в магнитопроводе ток срабатывания муфты сравнительно небольшой. Так, в разработанной конструкции он равен: I_M = 0,4 А.

Поставленная задача решается при следующем конструктивном исполнении управляемого демпфера, который установлен на подвижном буфере АПАСа имеет электромагнитный тормоз (ЭМТ) (10), выход которого кинематически связан с выходом дифференциала (13), один вход которого кинематически связан с входным валом (11), а второй вход кинематически связан с валом тормозной муфты (12).

Дифференциал (13) выполнен в виде двух сателлитов (14), каждый из которых содержит пару соосных шестерен (15) и (25), установленных в подшипниках (17) в подвижном водиле (18), причем шестерни (15) одной пары кинематически связаны с входным солнечным колесом (19), а шестерни (25) другой пары - соответственно с выходным солнечным колесом (16). В корпусе тормозной муфты (12) установлена катушка с управляющей обмоткой (21), якорь (22) и вращающийся диск (23), соосные входному валу (11), причем диск размещен между корпусом катушки и якорем и связан с водилом (18) дифференциала с помощью подвижного шлицевого соединения (24).

Демпфер работает следующим образом.

В нормально открытом, то есть расторможенном состоянии, при отсутствии электрического напряжения на управляемой обмотке катушки (21) тормозной муфты (12) входной вал (11) может свободно вращаться, при этом входное солнечное колесо (19) приводит во вращение сателлиты (14), которые вращаются вместе с водилом (18) и с незаторможенным диском (23). Сателлиты (14) практически не вращаются относительно водила (18) ввиду значительного тормозного момента ЭМТ (10), пропорционального скорости вращения. В то же время подвижность сателлитов (14) помогает "срезать" пиковые динамические нагрузки при разгоне демпфера.

При подаче электрического напряжения на управляющую обмотку катушки (21) тормозной муфты (12) вращающийся диск (23) зажимается между корпусом тормозной муфты (12) и якорем (22), который не имеет возможности вращаться, и водило (18) дифференциала (13) останавливается.

Торможение водила (18) заставляет вращаться сателлиты (14) относительно водила (18), передавая вращение на выходное солнечное колесо (16) и соединенный с ним вал электромагнитного тормоза (20), которым раскручивается, создавая при этом тормозной момент, соответствующий скорости вращения.

Момент тормозной муфты (12) выбирается таким, чтобы он превышал максимальный момент ЭМТ (10) с учетом передаточного отношения между водилом (18) и вторым выходом дифференциала (13).

Передаточные отношения всех пар шестерен выбирается таким, чтобы, во-первых, увеличить скорость вращения выходного вала дифференциала, связанного с валом ЭМТ (20) (мультипликация) и, во-вторых, чтобы момент инерции всех вращающихся частей при разгоне при выключенной муфте был минимальным.

Это достигается тем, что сателлиты (14) имеют пары различных шестерен; малые шестерни (15) и большие шестерни (25).