устройство для соединения и последующего разделения элементов конструкций

Формула изобретения

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 и элементов крепления, отличающееся тем, что внешний и охватываемый корпусы 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 на торцах, причем каждому вырезу одного торца соответствует опорная поверхность другого торца, при этом стакан сопряжен с внутренней частью переходника, ударная жесткость которого меньше ударной жесткости элемента конструкции, причем переходник выполнен в виде конической пробки.

Описание изобретения к патенту

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 по патенту США 2653504, кл.85-1 или патент США 3200706 (прототип). 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. Существенным недостатком этого устройства является передача ударного воздействия при подрыве порохового заряда непосредственно на соединяемые элементы, в результате чего может быть повреждена бортовая аппаратура и оборудование КА, а также незначительная жесткость в боковом направлении, которая приводит к существенному увеличению механических нагрузок в низкочастотной области и уменьшает зону размещения полезного груза. Кроме того, такое устройство требует проведения специальных работ по обеспечению герметичности и надежности срабатывания, а это приводит к значительному удорожанию и существенному увеличению сроков отработки устройства.

Целью предлагаемого устройства является исключение указанных недостатков. Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид устройства; на фиг. 2 - график коэффициента гашения удара рассматриваемого устройства; на фиг.3 - график коэффициента гашения удара устройства в составе динамического макета КА.

Устройство состоит (фиг. 1) из корпуса внешнего 1 и охватываемого 2. В корпусе внешнем выполнено ступенчатое осевое отверстие для пироболта с электрозапалом 3 и гайки 4. В корпусах внешнем и охватываемом в осевой части выполнены выступы (ножки) со стороны торцевых поверхностей, а сами корпуса соединены между собой болтами 5 и гайками 6. Выступ охватываемого корпуса выполнен резьбовым для соединения с одной из соединяемых элементов конструкции 7. Выступ внешнего корпуса соединен с другим соединяемым элементом конструкции 8 с помощью переходника 9, сопрягающегося с последними, и выполненным из материала с ударной жесткостью, меньшей ударной жесткости материала, соединяемого элемента конструкции 8. Отверстие со стороны гайки 4 закрыто набором пластин 10, имеющих отверстие для болта 3, и выполненных из материала с пределом текучести ниже, чем предел текучести корпуса внешнего. Между корпусами внешним и охватываемым расположен тонкостенный цилиндр 11 с чередующимися вырезами 12 в его торцах, причем каждому вырезу с одного торца соответствует цельная поверхность другого торца 13. Пластины 10 крепят к корпусу внешнему винтами 14. Сущность заявляемого изобретения поясняется следующим образом. При подрыве пироболта с электрозапалом 3 он разделяется на две части, обеспечивая разделение соединяемых элементов 7,8. В момент подрыва взрывчатого вещества по пироболту распространяется ударная волна, которая может передаваться на элемент конструкции 7, только пройдя через корпус внешний 1 и тонкостенный цилиндр 11. 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 10, 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 3 разделится на два различных по длительности и амплитуде ударного воздействия. Но оба они смогут передаться на охватываемый корпус 2 только через тонкостенный цилиндр 11, причем в процессе распространения ударного воздействия происходит неоднократное преобразование продольных волн в поперечные волны и обратно, а также отражение волн от свободных границ. Кроме того, вторая часть болта передаст ударное воздействие через переходник 9 в основном элементу конструкции 8, так как соотношение ударных жесткостей (О.Д. Алимов и другие. Удар. Распространение волн деформаций в ударных системах. М.: Наука, 1985 г., стр. 30) способствует переходу волны деформации через переходник в этот элемент и препятствует переходу волны в обратном направлении, а выполнение переходника в виде конической пробки усиливает этот эффект. Кроме того, выполнение корпусов 1 и 2 в виде стаканов на ножке позволяет помимо расположения тонкостенного цилиндра 11, подбирая толщины стенок, использовать их в качестве динамических демпферов, так как частота ударного воздействия достаточно высока. Таким образом, амплитуда переднего фронта ударной волны при проходе через устройство будет существенно снижена. При этом в качестве разрывного элемента используется стандартный пироболт, обеспечивается необходимая надежность устройства и могут быть выполнены требования по жесткости узла соединения и герметичности.

Пример практического исполнения

Устройство, показанное на фиг.1, было использовано для защиты оборудования на КА "ЗЕЯ". В данном КА была использована разработанная ранее на базе разрывных болтов система отделения КА "Стрела". Однако уровни ударных воздействий на новую аппаратуру оказались неприемлемыми. Процедура отработки устройства разделения состояла из нескольких этапов: сначала на специальном стенде были определены уровни ударного воздействия от разрывных болтов, затем проведены испытания заявляемого устройства. Кроме того, на динамическом макете КА "ЗЕЯ" были проведены сравнительные испытания двух систем отделения: КА "ЗЕЯ" и КА "Стрела" (в этой системе отделения КА с РН напрямую соединялся с помощью разрывного болта). На фиг.2 - коэффициент гашения ударного воздействия по ударному спектру ускорений (отношение ударных спектров ускорений разрывного болта и заявляемого устройства). Как видно из графиков, снижение ударного воздействия происходит в 5-6 раз, при этом выполнены требования к системе отделения КА по жесткости и соблюдению зоны полезного груза. Еще лучшие результаты были получены при испытаниях динамического макета КА "ЗЕЯ", когда снижение ударного воздействия заявляемым устройством по сравнению с разрывным болтом системы отделения КА "Стрела" увеличилось в 10-12 раз (лучше реализовались демпфирующие свойства самого КА). Коэффициент гашения ударного воздействия для динамического макета показан на фиг.3.

Таким образом, применение заявляемого устройства позволило снизить ударные воздействия на КА до приемлемого уровня и исключило необходимость разработки новой системы отделения (сохранены посадочные места, зона выхода КА и т.д.).