ЦИЛИНДР УПРАВЛЕНИЯ ФОНАРЕМ САМОЛЕТА
CYLINDER OF CANOPY CONTROL

Изобретение относится к области авиации, в частности к устройствам для эксплуатации и аварийного сброса фонаря.
В большинстве самолетов имеются силовой привод для эксплуатационного открытия и закрытия фонаря и отдельное активирующее устройство для инициации и осуществления сброса фонаря в аварийной ситуации. Например, в системе аварийного сброса фонаря, описанной в RU 2130857, имеется устройство продольного перемещения фонаря, содержащее силовой привод (цилиндр), и отдельно силовой привод сброса фонаря. Использование двух разных силовых механизмов увеличивает вес оборудования.
Известно устройство для аварийного сброса фонаря самолета, описанное в US 4721272 и предназначенное для сброса фонаря и придания ему начального импульса движения в экстренной полетной ситуации, когда пилот должен катапультироваться. Известное устройство представляет собой активируемый баллистическим газом телескопический многоцилиндровый привод, размещенный на той же оси, что и цилиндр управления фонарем (привод штатной эксплуатации), так, что цилиндр управления фонарем с одной стороны соединен с фюзеляжем шарнирно, а с другой - с аварийным устройством, которое в свою очередь шарнирно соединено со сбрасываемой створкой фонаря. Аварийное устройство содержит внутренний, промежуточный и внешний цилиндры, установленные коаксиально и имеющие возможность двигаться вдоль оси. В одном конце внутреннего цилиндра имеется камера для картриджа с баллистическим газом (пиропатрона), а в другом конце этого цилиндра имеется отсоединяемый поршень, который шарнирно соединен с створкой фонаря. Имеются средства для исключения выброса внутреннего цилиндра из промежуточного цилиндра при выдвижении внутреннего цилиндра, а также средства для исключения выброса промежуточного цилиндра из внешнего цилиндра при выдвижении промежуточного цилиндра. Отсоединяемый поршень удерживается во внутреннем цилиндре срезным штифтом до тех пор, пока картридж при воспламенении не создаст давление, достаточное для среза штифта. При штатной эксплуатации функционирует цилиндр управления фонарем, а при аварии в аварийном устройстве активируется картридж с баллистическим газом, под действием давления газа цилиндры аварийного устройства телескопически раздвигаются, срезается штифт, и поршень отсоединяется вместе со створкой фонаря.
Использование двух разных силовых механизмов увеличивает вес оборудования. Кроме того, на срез штифтов расходуется часть энергии, необходимой для придания импульса подвижной створке (фонарю). Нельзя полностью исключить смятие штифта вместо среза, на что эта энергия может быть израсходована почти полностью. Наличие срезных штифтов не позволяет провести полноценные испытания устройства, т.к. после испытания требуется замена штифтов, и потому теряется смысл испытаний. Кроме того, нежелательно появление пороховых газов от картриджа в зоне катапультирования пилота.
Наиболее близким к предлагаемому решению является привод по патенту US 2924404, предназначенный для перемещения подвижной части фонаря относительно неподвижной структуры. Он спроектирован для перемещения фонаря относительно фюзеляжа при штатной эксплуатации и для сбрасывания фонаря при аварии. В первом варианте выполнения решения по патенту US 2924404, более близком к предлагаемому изобретению, привод содержит внешний цилиндр (корпус), один конец которого закрыт первой крышкой, шарнирно соединенной с фюзеляжем. Внутри корпуса в эксплуатационной ситуации зафиксирован внутренний цилиндр, получающий возможность скользить в аварийной ситуации, внутри внутреннего цилиндра при штатной эксплуатации движется поршень, шарнирно соединенный с откидной (подвижной) частью фонаря. Привод содержит также держатель картриджа-пиропатрона, размещенный во внутреннем цилиндре возле первой крышки, пиропатрон, являющийся источником сжатого газа, ударник, расположенный с возможностью воздействия на картридж в имеющейся в первой крышке камере, в этой крышке имеется также отверстие для подачи рабочего тела в эту камеру в аварийной ситуации. Имеются уплотняющие кольца в соответствующих местах. При штатной эксплуатации внутренний цилиндр соединен с внешним цилиндром за счет того, что на внутренней поверхности внешнего цилиндра и внешней поверхности внутреннего цилиндра имеются кольцевые выемки, в которых размещены шарики, препятствующие перемещению цилиндров относительно друг друга, а также имеется пружина, поджимающая шарики так, что они не могут выйти из этой выемки. Поршень имеет расширенную часть - «юбку», находящуюся во вдвинутом состоянии поршня между внутренним цилиндром и держателем картриджа, причем между «юбкой» и держателем картриджа имеется зазор, пространство которого с одной стороны соединено с полостью внутри поршня, а с другой ограничено уплотнительным кольцом. Полость внутри поршня соединена отверстием с источником рабочего тела (на закрытие фонаря), причем это отверстие находится в штоковой части поршня, вблизи места крепления ее к створке. Со стороны поршня ближе к створке между внутренними стенками внутреннего цилиндра и внешними стенками поршня имеется зазор, образующий полость между внешними стенками поршня, его расширенной частью, внутренними стенками внутреннего цилиндра и второй крышкой, имеющей отверстие для подачи рабочего тела (на открытие фонаря).
В штатной эксплуатации это устройство функционирует как пневмоцилиндр (или гидроцилиндр): для открытия подается давление в полость внутри поршня, которое действует на «юбку» изнутри, она отодвигается от держателя картриджа, перемещая поршень; для закрытия подается давление в полость снаружи поршня, оно действует на «юбку» с другой стороны. В аварийной ситуации рабочее тело подается в камеру, где находится ударник, ударник активирует картридж, давление газа внутри цилиндра повышается, отжимается пружина, позволяя шарикам выскочить из выемки, а внутреннему цилиндру - двигаться внутри корпуса и выйти из него вместе с поршнем, соединенным с отсоединяемой частью фонаря, которая получает при этом импульс движения из-за воздействия расширяющихся газов на поршень.
Недостатком этого устройства в эксплуатации является недостаточный ход цилиндра, что затрудняет его использование и размещение в больших самолетах. Давление для эксплуатационного открытия подается через отверстие в подвижном штоке, что повышает требования к подводке рабочего тела (шлангу): т.к. шланг должен гнуться при каждом перемещении штока и может быстро потерять герметичность, требуется более частая проверка шланга на герметичность. В аварийной ситуации при сбросе фонаря вместе со сбрасываемой створкой удаляются поршень и внутренний цилиндр, что увеличивает вес сбрасываемой части и замедляет процесс. Удаление поршня, на который пирогазы воздействуют непосредственно, приводит к тому, что пороховые газы от картриджа появляются в зоне катапультирования пилота, что нежелательно.
Задачей изобретения является создание привода (цилиндра управления фонарем - ЦУФ) для штатной эксплуатации и аварийного сброса сдвижного или откидного фонаря, исключение появления пороховых газов в зоне катапультирования со значительным ходом штока при относительно небольших габаритах ЦУФ.
Поставленная задача решается тем, что цилиндр управления фонарем, содержащий цилиндрический корпус, шарнирно соединенный одним концом с фюзеляжем, и выдвижной полый шток, размещенный внутри цилиндрического корпуса и шарнирно соединенный с подвижной частью фонаря, снабжен механизмом расцепки штока при аварийном сбросе фонаря и толкателем с поршнем, установленными соосно и размещенными в полости штока, при этом шток может быть выполнен телескопическим.
Упомянутый механизм расцепки штока включает установленные соосно стержень, цанговый элемент, первую и вторую пружины, гильзу и серьгу, толкатель и стержень установлены соосно с возможностью контакта, на толкателе выполнен выступ, в который упирается первая пружина, поджатая с заданным усилием и упирающаяся другим концом в направляющую часть цангового элемента, которая прижата к выступу на внутренней поверхности штока, лепестки цангового элемента проходят внутри этого выступа, а выступы лепестков цангового элементы размещены в проточке гильзы, установленной в полости штока с другой стороны выступа на внутренней поверхности штока, стержень имеет уширенную часть, которая прижата к лепесткам цангового элемента второй пружиной, размещенной между уширенной частью стержня и выступом на внутренней поверхности гильзы, стержень проходит сквозь вторую пружину за выступ на внутренней поверхности гильзы и на конце имеет резьбу, на которую навинчена гайка, упирающаяся в этот выступ с другой его стороны, гильза посредством резьбы соединена с серьгой, в которой выполнено отверстие для шарнирного соединения с подвижной частью фонаря.
Заданное усилие, с которым поджата первая пружина, определяется давлением рабочего тела, при котором должен произойти аварийный сброс подвижной части фонаря.
У оснований упомянутых лепестков цангового элемента выполнены выточки ослабления, обеспечивающие разрыв лепестков при аварийном сбросе фонаря.
Снаружи отверстия для подачи рабочего тела на открытие фонаря установлен золотниковый клапан, имеющий два входных штуцера, который подает рабочее тело в это отверстие от того штуцера, где давление рабочего тела больше, первый штуцер соединен с источником эксплуатационного давления, а второй - с источником повышенного давления.
Первый штуцер дополнительно соединен с источником повышенного давления.
Источником повышенного давления для первого штуцера является источник сжатого азота.
Источником повышенного давления для второго штуцера является пиросистема.
Предлагаемое решение позволяет обеспечить эксплуатационное открытие и закрытие фонаря и надежный аварийный сброс в полете и даже на земле (это наиболее сложно, т.к. нет набегающего потока воздуха, помогающего сбросу) одним устройством (предлагаемым ЦУФ), что снижает вес самолета. ЦУФ может быть выполнен с различным количеством дополнительных секций, что позволяет обеспечить различный требуемый ход штока. Не требуется специальная гибкая подводка для подачи рабочего тела. Можно использовать нетоксичное и недорогое рабочее тело для осуществления штатного открытия-закрытия (сухой воздух или азот). Исключается появление пороховых газов в зоне пролета кресла пилота, т.к отработанные пирогазы или азот не выходят из ЦУФ и не оказывают воздействия на пилотов, а пиросистема, если она необходима для инициации сброса, может быть размещена не вблизи кресла пилота.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез цилиндра управления фонарем с одной дополнительной секцией в сложенном состоянии; на фиг.2 - разрез А-А фиг.1, поясняющий конструкцию челночного клапана для подачи рабочего тела; на фиг.3. показан в увеличенном масштабе фрагмент фиг.1, содержащий цанговый элемент; на фиг.4 - цанговый элемент в увеличенном масштабе; на фиг.5 - разрез Б-Б фиг.4; на фиг.6 - продольный разрез цилиндра управления фонарем без дополнительных секций в сложенном состоянии; на фиг.7 - продольный разрез цилиндра управления фонарем с двумя дополнительными секциями в сложенном состоянии.
Предлагаемый привод - цилиндр управления фонарем (далее - ЦУФ) - содержит цилиндрический корпус 1 (далее - корпус), первую крышку 2 и вторую крышку 3 на концах корпуса 1, соединенные с ним посредством резьбового соединения.
Корпус 1 шарнирно соединен с фюзеляжем самолета, для этого в крышке 2 выполнено отверстие 22 для шарнирного крепления к фюзеляжу (например, с помощью подшипника). Первая крышка 2 имеет отверстие 26 для подачи рабочего тела на открытие фонаря под эксплуатационным и повышенным давлениями.
ЦУФ содержит выдвижной полый шток 5, размещенный внутри цилиндрического корпуса 1 коаксиально с возможностью перемещения относительно него. Шток 5 шарнирно соединен с подвижной частью фонаря посредством серьги 69 с отверстием 78.
Шток 5 может быть выполнен телескопическим для увеличения его хода. Для этого между корпусом 1 и штоком 5 может быть установлена коаксиально с возможностью скольжения по крайней мере одна дополнительная цилиндрическая секция 4 штока 5 (см. фиг.1 и 7).
Крышка 3 имеет отверстие 33, которое может быть снабжено штуцером, для подачи рабочего тела на закрытие фонаря внутрь корпуса 1, в полость 7 между внутренними стенками корпуса 1 и внешними стенками штока 5 (если секции 4 отсутствуют) или внешними стенками дополнительной секции 4 (если секция 4 одна) или внешними стенками большей из секций 4 (если секций 4 несколько). В стенках цилиндрических секций 4 вблизи краев возле крышки 3 (в зоне отверстия 33 в вдвинутом положении секций 4) имеются отверстия 46, через которые рабочее тело может проходить из полости 7 внутрь секций 4 и обратно.
Крышка 3 имеет отверстие для прохода штока 5 и дополнительных секций 4 (если они имеются).
В полости штока 5 размещены установленные соосно механизм расцепки штока при аварийном сбросе фонаря и толкатель 63 с поршнем 6. В полости штока 5 вблизи крышки 2 имеется вкладыш 53, соединенный со штоком 5 резьбой. Поршень 6 толкателя 63 упирается во вкладыш 53 при штатной эксплуатации ЦУФ.
Через отверстие 26 в крышке 2 давление рабочего тела может быть подано в полость 9, образованную первой крышкой 2, торцом корпуса 1, торцом штока 5 и, если секции 4 имеются, торцами секций 4, а также вкладышем 53 и поршнем 6.
Механизм расцепки штока при аварийном сбросе фонаря должен срабатывать при подаче повышенного давления на открытие фонаря в полость 9. Этот механизм включает установленные соосно стержень 67, цанговый элемент 60, первую пружину 66, гильзу 68, вторую пружину 76 и серьгу 69. Серьга 69 соединена с гильзой 68 резьбой и имеет отверстие 78 для шарнирного крепления (например, подшипником) штока к подвижной части фонаря.
Возможность расцепки штока 5 при подаче повышенного давления обеспечена следующим образом. Толкатель 63 и стержень 67 установлены соосно с возможностью контакта. На толкателе 63 имеется выступ 65, в который упирается первая спиральная пружина 66, другим концом упирающаяся в цанговый элемент 60, а точнее - в его направляющую часть 61. Пружина 66 поджата с заданным усилием, т.е. она не сжимается до тех пор, пока к ней не приложена сила, превышающая заранее заданную величину. Направляющая часть 61 цангового элемента 60 прижата пружиной 66 к выступу 55 на внутренней поверхности штока 5, лепестки 62 цангового элемента 60 проходят внутри выступа 55, а выступы лепестков 62 размещены в проточке 73 гильзы 68, установленной в штоке 5 с другой стороны выступа 55 и упирающейся в него. Стержень 67 имеет уширенную часть 74, которая прижата к лепесткам 62 цангового элемента 60 второй пружиной 76, размещенной между уширенной частью 74 стержня 67 и выступом 75 на внутренней поверхности гильзы 68. Стержень 67 проходит через вторую пружину 76 и за выступ 75 на внутренней части гильзы 68 и на конце имеет резьбу, на которую навинчена гайка 77, упирающаяся в выступ 75 с другого его края. Это обеспечивает как прижатие стержня 67 к лепесткам 62, так и соединение стержня 67 с гильзой 68. Гильза 68 резьбой соединена с серьгой 69.
Толкатель 63 и стержень 67 установлены с возможностью контакта: толкатель 63 проходит внутри пружины 66 и внутри цангового элемента 60 и доходит до стержня 67.
Поршень 6 толкателя 63 при штатной эксплуатации упирается во вкладыш 53 под действием пружины 66, которая отталкивает толкатель 53 от выступа 55. Так как пружина 66 поджата с заданным усилием, она не позволит поршню 6 отжаться от вкладыша 53 (переместиться относительно штока 5) до тех пор, пока пружина 66 не будет сжата силой, превышающей заданную величину. Другими словами это означает, что толкатель 63 не сможет начать перемещаться относительно штока 5, пока в камеру 9 не будет подано давление, превышающее заранее определенную величину (т.е. повышенное давление для аварийного сброса фонаря), т.к. сила, действующая на пружину 66, связана с давлением в камере 9 через площадь поршня 6.
Лепестки 62 цангового элемента 60 (см. фиг.4 и 5) выполнены с возможностью разрыва при аварийном сбросе фонаря. Для этого у оснований лепестков 62 выполнены выточки ослабления 72, размер которых рассчитан для обеспечения разрыва лепестков при приложении заданной силы. Здесь имеется ввиду сила, действующая на выступы лепестков 62 со стороны гильзы 68 тогда, когда подвижная часть фонаря пытается оторваться и тянет за собой серьгу 69 и гильзу 68. Разрыв лепестков 62 позволяет осуществить резервирование расцепления штока в аварийной ситуации, если пружина 66 не сможет сжаться по каким-то причинам (например, из-за накопления льда внутри гильзы 68).
Цилиндр управления фонарем содержит следующие уплотнительные кольца (или уплотнительные манжеты): кольца 21 и 31 между наружной поверхностью корпуса 1 и крышками 2 и 3 соответственно; кольца 32 в проточках отверстия крышки 3 для выдвижения штока и дополнительных секций; кольца 42 в проточках выступа на внешней поверхности секций 4 вблизи крышки 2; кольца 44 в проточках выступа на внутренней поверхности секции 4 вблизи крышки 3; кольца 52 в проточках выступа на внешней поверхности штока 5 вблизи крышки 2; кольца 54 между штоком 5 и вкладышем 53; кольца 64 между вкладышем 53 и поршнем 6.
Имеются средства для ограничения хода секций 4, выполненные в виде выступов 41 на внешней поверхности секций 4 и выступов 43 на внутренней поверхности секций 4. Выступ 41 упирается в край отверстия крышки 3 при максимальном выдвижении секции 4, предотвращая выскальзывание секции 4 из корпуса 1 или (если секций 4 более одной) упирается в выступ 43 секции 4 большего диаметра, предотвращая выскальзывание секции 4 меньшего диаметра из секции 4 большего диаметра.
Имеется выступ 51 на внешней поверхности штока 5 для предотвращения выскальзывания штока 5. При отсутствии секций 4 выступ 51 упирается в край отверстия крышки 3 при максимальном выдвижении штока 5. При наличии секций 4 выступ 51 упирается в выступ 43 в выдвинутом положении штока 5. Возле крышки 2 установлена стопорная шайба 45, ограничивающая перемещение штока 5 при движении внутрь корпуса 1.
В крышке 2 снаружи отверстия 26 для подачи рабочего тела на открытие фонаря установлен золотниковый клапан (см. фиг.2), имеющий два входных штуцера 23 и 24 и золотник 25 между ними, который может перемещаться так, что рабочее тело проходит в отверстие 26 от того штуцера 23 или 24, где давление рабочего тела больше. Первый штуцер 23 соединен с источником эксплуатационного давления рабочего тела и дополнительно с источником повышенного давления, которым является источник сжатого азота (для резервирования сброса). Второй штуцер 24 соединен с источником повышенного давления рабочего тела, которым является пиросистема. Она может быть расположена на некотором удалении от кабины. В первый штуцер 23 при штатной эксплуатации подается сжатый воздух под эксплуатационным давлением. На фиг.2 положение золотника 25 показано для аварийной ситуации со срабатыванием пиросистемы.
Установка ЦУФ на самолет может быть различной, в зависимости от вида фонаря - откидного или сдвижного: вдоль подфонарной оси жесткости по оси симметрии самолета - для сдвижного фонаря, почти вертикально по оси симметрии самолета за креслом пилота - для откидного фонаря.
Предлагаемый ЦУФ работает следующим образом.
В закрытом положении фонаря цилиндр управления фонарем сложен, шток 5 вместе с секциями 4 (если они есть) вдвинут внутрь насколько возможно. Через штуцер 23, находящийся в крышке 2, в камеру 9 подается рабочее тело под эксплуатационным давлением. Через штуцер 24 при штатной эксплуатации давление не подается.
Если секции 4 отсутствуют, выдвижение штока 5 происходит в одну стадию: шток 5 вместе с вкладышем 53, толкателем 63 и механизмом расцепки штока выдвигается как одно целое. Объем полости 9 увеличивается, объем полости 7 уменьшается. Давление из полости 7 при этом стравливается через отверстие 33. Подвижная часть фонаря перемещается под действием штока 5, пока выступ 51 не упрется в край крышки 3.
При наличии одной или нескольких секций 4 процесс выдвижения штока 5 проходит в две или более стадий соответственно. Секции 4 выдвигаются поочередно, начиная с секции 4 большего диаметра (т.к. она имеет большую площадь торца), аналогично тому, как описано. Давление из полостей между секциями 4 стравливается в окружающее пространство через отверстия 46. Процесс заканчивается, когда выступ 51 упрется в выступ 43, что соответствует максимальному открытию фонаря при эксплуатации.
В процессе эксплуатационного открытия давления в полости 9 недостаточно, чтобы сжать пружину 66, поэтому все элементы, находящиеся внутри полости штока 5 (вкладыш 53, толкатель 63 и механизм расцепки штока) движутся с ним как целое.
При необходимости закрыть фонарь эксплуатационное давление подают через отверстие 33 в крышке 3.
Если дополнительные секции 4 отсутствуют, шток 5 с вкладышем 53, толкателем 63 и механизмом расцепки штока вдвигается в корпус 1 в одну стадию. Подвижная часть фонаря закрывается, рабочее тело из полости 9 удаляется через отверстие 26 и штуцер 23.
Если есть секции 4, то закрытие происходит в несколько стадий. Сначала вдвигается секция 4 большего диаметра. Движение каждой следующей секции 4 относительно предыдущей начинается тогда, когда отверстия 46 в стенках предыдущей секции заходят под крышку 3 и соединяются с полостью 7. Процесс заканчивается, когда шток 5 упрется в стопорную шайбу 45. К этому моменту подвижная часть фонаря должна закрыться полностью.
В аварийной ситуации высокое давление рабочего тела может быть подано либо от источника сжатого азота через штуцер 23, либо от пиросистемы через штуцер 24, либо одновременно. Тогда золотник 25 станет в положение, позволяющее рабочему телу поступать в камеру 9 через отверстие 26 от того источника рабочего тела, где давление больше. Рабочее тело будет поступать в камеру 9 под повышенным давлением.
При подаче повышенного давления в камеру 9 сначала ЦУФ раздвигается полностью аналогично процессу эксплуатационного открытия, но с большей скоростью, т.к. процесс управляется большим давлением. Вместе со штоком 5 движутся как одно целое вкладыш 53, толкатель 63 и механизм расцепки штока. Подвижная часть фонаря перемещается под действием штока 5.
При открытии, соответствующем максимальному открытию фонаря при эксплуатации, подвижная часть фонаря приобретает максимальный импульс движения.
Этот импульс больше, чем при эксплуатационном открытии, т.к. процесс управляется высоким давлением.
Далее шток 5 уже не может перемещаться, поэтому высокое давление в полости 9 воздействует на поршень 6, перемещая толкатель 63 и сжимая пружину 66. Толкатель 63 толкает стержень 67, который отодвигается, сжимая пружину 76 и позволяя выступам лепестков 62 цангового элемента 60 согнуться внутрь, к центру. Это освобождает гильзу 68 от зацепления с лепестками цангового элемента 60 и позволяет гильзе 68 вместе со стержнем 67 и серьгой 69, соединенной с подвижной частью фонаря, отделиться от ЦУФ и улететь с отбрасываемой подвижной частью фонаря благодаря импульсу, сообщенному ей в процессе открытия.
Резервное расцепление штока 5, необходимое, если стержень 67 не отодвинется, например, по причине накопления льда в пространстве вокруг пружины 76, осуществляется за счет того, что большой импульс, сообщенный подвижной части фонаря, вырывает серьгу 69 с гильзой 68 и стержнем 67, ломая лепестки 62 по линии выточек ослабления 72.