УСТРОЙСТВО ПАССИВНОЙ ЗАЩИТЫ АППАРАТУРЫ ОТ ВИБРАЦИОННЫХ МИКРОУСКОРЕНИЙ НА КОСМИЧЕСКОМ АППАРАТЕ
SPACECRAFT HARDWARE PASSIVE PROTECTION AGAINST VIBRATORY MICRO ACCELERATIONS

Изобретение относится к области виброзащиты, а именно к устройствам виброизоляции оборудования для технологических экспериментов по производству материалов в космосе, более известным как виброзащитные платформы (ВЗП) и предназначенным для использования в условиях, близких к невесомости при воздействии низкочастотных вибрационных микроускорений на борту орбитальных космических аппаратов (КА).
При орбитальном полете на борту КА обычно находится и работает большое количество различного оборудования, в том числе и точной, чувствительной к микроускорениям аппаратуры для целей космического производства и технологии. Появление микроускорений, в основном низкочастотных, может быть обусловлено перемещением космонавтов на борту, переориентацией КА, работой служебных систем и т.д. и может отрицательно влиять на течение технологических процессов и качество получаемых при этом материалов.
-5
-4
Известен созданный и испытанный на орбитальной космической станции (ОКС) «Мир» (в 1991 г.) экспериментальный виброзащитный модуль «Вибрация». (Ф.К. Калашников, В.Л. Левтов, Л.В. Лесков, В.В. Романов. Система виброзащиты бортовой технологической аппаратуры. - Механика жидкости и газа, №5, 15-21, 1994). Этот модуль состоял из основания, жестко крепящегося к борту ОКС, подвижной (виброзащищенной) платформы с трехосным акселерометром, кюветы (объектом исследования) и малогабаритным электромеханическим вибратором. Система арретирования и виброзащищающие узлы механически связывали основание и подвижную платформу. Оператор с помощью арретиров устанавливал либо жесткую механическую связь платформы с бортом, либо освобождал платформу, и ее связь с бортом осуществлялась только через амортизаторы. С помощью модуля «Вибрация» удалось снизить бортовые вибрации амплитудой (10÷10)g в частотном диапазоне 1÷60 Гц в 20÷50 раз. Кроме этого, была отработана методика бортового комплексного эксперимента по исследованию виброзащитных систем и получен опыт по особенностям работы космонавтов-операторов с такими системами.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является принятое в качестве прототипа устройство пространственной виброзащиты исследовательской аппаратуры от микроускорений под названием «Виброзащитная платформа ВЗП-1К», испытанное на ОКС «Мир» (В.Л. Левтов, В.В. Романов, А.И. Иванов, С.Б. Рябуха, В.В. Сазонов. Результаты летно-космических испытаний виброзащитной платформы ВЗПК-1К. - Космические исследования, №2, 148-160, том 39, 2001). Это устройство представляет собой пассивную виброзащитную платформу, содержащую основание и подвижную часть. На основании установлены четыре пары вертикальных стоек по две с каждой стороны подвижной части. Между стойками каждой пары расположен виброизолирующий узел (подобный узлу модуля «Вибрация»), состоящий из четырех цилиндрических пружин. Пружины образуют крест и жестко соединены в его центре. Концы горизонтальных пружин жестко соединены со стойками основания, концы вертикальных пружин посредством кронштейнов жестко соединены с подвижной частью. Здесь же, между вертикальными стойками, расположены подведенные к подвижной части электрические кабели, выполненные в виде петель. Подвижная часть имеет относительно основания шесть степеней свободы. Подвижная часть платформы служит для размещения оборудования, которое следует защищать от вибраций (F.К. Kalashnikov, V.L. Levtov, V.V. Romanov. A.M. Turchaninov. A.Y. Kalery, S.В. Ryabukha, A. Kalmykov. Passive vibration protective system «VZP-1K» for onboard equipment. Proceedings of the Joint Xth European and VIth Russian symposium on physical sciences in microgravity, St. Petersburg, Russia, 15-21 June 1997, volume II, 313-316, Moscow, Russia 1997. В.Л. Левтов, В.В. Романов, В.А. Новиков, А.M. Турчанинов, С.В. Авдеев, Н.M. Бударин, А.И. Иванов, M.С. Кудашкина, И.Е. Рославцева, С.Б. Рябуха, Г.И. Падалка, В.M. Афанасьев, Т.А. Мусабаев, П.А. Сабуров, В.Г. Елезов. Результаты исследований виброзащитных систем технологических установок на ПКК «МИР», Сборник трудов VII российского симпозиума «Механика невесомости. Итоги и перспективы фундаментальных исследований гравитационно-чувствительных систем», 11-14 апреля 2000 года, Москва, 493-502, Москва, 2001). Виброзащитная платформа ВЗП-1К снабжена системой крепления подвижной части к основанию (системой арретирования), в составе которой имеются фиксаторы (арретиры), содержащие фиксирующие элементы на основании и подвижной части ВЗП. Каждый фиксирующий элемент подвижной части выполнен в виде пластины с отверстием, имеющим коническую фаску, а каждый ответный фиксирующий элемент основания выполнен с центрирующим конусом. При фиксации центрирующий конус основания плотно вводится в ответное отверстие с конической фаской, выполненное на пластине подвижной части. Арретирование и расфиксация осуществляется вручную, оператором. Результаты одновременных измерений микроускорений на подвижной части платформы и на корпусе космического пилотируемого комплекса вблизи платформы показали, что в диапазоне частот свыше 1 Гц платформа снижает вибрационную составляющую микроускорения более чем в 10 раз, причем некоторые гармоники с большой амплитудой гасятся более чем в 50 раз.
Недостатком виброзащитной платформы ВЗП-1К, выбранной в качестве прототипа, является то, что система арретирования содержит фиксаторы, которые приводятся в действие вручную, оператором. Это исключает ее использование на беспилотных космических аппаратах. Этот недостаток отсутствует в заявляемом изобретении благодаря тому, что система крепления подвижной части к основанию (система арретирования) выполнена с автоматическими фиксаторами. Недостатком также является выполнение связи подвижной части с основанием с помощью электрических кабелей, хотя и в виде петель.
Еще одним недостатком прототипа является отсутствие виброзащиты на собственной резонансной частоте виброизолирующей системы и близких к ней частотах. Этот недостаток частично устраняется изменением конструкции соединения пружин в центре креста.
В предложенном устройстве пространственной пассивной защиты оборудования для технологических экспериментов по производству материалов в космосе от вибрационных микроускорений, система крепления и расфиксации подвижной части с основанием выполнена автоматической. Это обеспечивается тем, что ее фиксаторы содержат реверсивные электромоторы-редукторы в качестве исполнительных механизмов и концевые выключатели, которые срабатывают в крайних положениях подвижной части виброзащитной платформы при ее креплении и расфиксации и отключающие электромоторы-редукторы фиксаторов. При этом соединение пружин в центре креста выполнено шарнирным, что положительно влияет на снижение амплитуды резонансных колебаний подвижной части. Кроме того, в предложенном устройстве электрические соединения между подвижной частью и основанием, для уменьшения жесткости, осуществляются с помощью петель, выполненных из отдельных, не собранных вместе, проволочных жил кабеля, что снижает резонансную частоту колебаний подвижной части.
Авторам неизвестна такая конструкция устройства для пассивной пространственной защиты оборудования для технологических экспериментов по производству материалов в космосе от вибрационных микроускорений ни из патентной, ни из научно-технической литературы.
На фиг.1 схематично показано заявляемое устройство в состоянии арретирования, т.е. жесткого соединения подвижной части с основанием.
На фиг.2 представлен чертеж общего вида предложенного устройства.
На фиг.3 представлен вид сбоку предложенного устройства.
На фиг.4 показан вид снизу этого же устройства.
На фиг.5 изображено сечение Б-Б устройства (один из фиксаторов в состоянии арретирования).
На фиг.6 приведено сечение Б-Б устройства (один из фиксаторов в состоянии расфиксации).
Устройство имеет прямоугольное неподвижное основание 1 и подвижную часть 2. На основании прикреплено четыре вертикальных рамки 3, по две с каждой из противоположных сторон подвижной части 2. Внутри каждой рамки 3 помещены виброизоляторы 4. Каждый виброизолятор представляет собой «пружинный крест», выполненный состоящим из четырех одинаковых, витых из стальной проволоки круглого сечения без предварительного натяжения витков цилиндрических пружин растяжения с шарнирным креплением одних концов между собой в центре «креста». Другие концы двух горизонтальных пружин через рамки 3 скреплены с неподвижным основанием 1, а двух вертикальных пружин посредством кронштейнов 5 скреплены с подвижной частью 2 виброзащитной платформы. В состав системы арретирования входят закрепленные снизу на неподвижном основании четыре фиксатора, по два на каждой из противоположных сторон прямоугольного основания. Каждый из фиксаторов состоит из реверсивного электромотора-редуктора 6 и приводного валика 7 с резьбой, соединенного торцом с валом реверсивного электромотора-редуктора 6, а резьбовой поверхностью через втулку 8 с ответной резьбой с установленным на ней фиксирующим элементом, выполненным в виде подпружиненного центрирующего конуса 9. Втулка 8 с подпружиненным конусом 9 внутри находится в полости корпуса 10 с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль приводного валика 7 по резьбе при работе реверсивного электромотора-редуктора 6. Корпус 10 жестко связан с основанием 1. На подвижной части 2 устройства имеется ответный фиксирующий элемент для центрирующего конуса 9 каждого из фиксаторов. Он выполнен в виде отверстия 11, имеющего коническую фаску под конус 9 на прикрепленной к подвижной части 2 пластине 12. Во втулку 8 ввинчен ограничитель хода 13, который может передвигаться вдоль продольного паза 14, выполненного в корпусе 10, во время перемещения втулки 8. В начале и в конце паза 14 корпуса 10 установлены концевые микровыключатели 15 для отключения электромотора-редуктора 6 с помощью ограничителя хода 13 по завершении операции арретирования или расфиксации.
Устройство имеет два режима работы:
- режим изоляции от вибраций подвижной части 2 виброзащитной платформы с закрепленным на ней экспериментальным оборудованием для проведения научных экспериментов и
- режим жесткого механического крепления подвижной части 2 к неподвижному основанию 1 виброзащитной платформы и передачи вибраций, возникающих на борту КА, напрямую на оборудование для экспериментов по исследованию влияния вибраций на тепломассоперенос в жидкой фазе при осуществлении технологических производства материалов.
Для работы на борту беспилотного КА в режиме изоляции от вибрационных микроускорений подвижной части виброзащитной платформы с закрепленным на ней оборудованием при получении команды на расфиксацию подвижной части 2 начинают работать все четыре реверсивных электромотора-редуктора 6, вращая каждый свой приводной валик 7 с резьбой. При этом втулка 8 с ответной резьбой начинает втягиваться во внутрь своего корпуса 10, выводя фиксирующий элемент основания 1, в виде подпружиненного центрирующего конуса 9, из ответного фиксирующего элемента подвижной части 2, представляющего собой отверстие 11 с конической фаской в прикрепленной к подвижной части 2 пластине 12. По мере втягивания втулки 8 в полость корпуса 10 ограничитель хода 13, двигаясь вдоль паза 14 корпуса 10, приближается к концевому микровыключателю 15 и, достигнув его, нажатием на кнопку 16 отключает реверсивный электромотор-редуктор 6. В это время все четыре подпружиненных центрирующих конуса 9 оказываются полностью выведенными из отверстий 11 каждый в полость своего корпуса 10, и подвижная часть 2 виброзащитной платформы оказывается связанной с неподвижным основанием 1 только через виброизоляторы 4.
Для работы в режиме жесткого механического крепления подвижной части 2 к неподвижному основанию 1 виброзащитной платформы подается соответствующая команда и начинают работать все четыре реверсивных электромотора-редуктора 6, вращая каждый свой приводной валик 7 с резьбой. При этом втулка 8 с ответной резьбой начинает выдвигаться из корпуса 10, вводя фиксирующий элемент основания 1 в виде подпружиненного центрирующего конуса 9 в ответный фиксирующий элемент подвижной части 2, выполненный в виде отверстия 11 с конической фаской в прикрепленной к подвижной части 2 пластине 12. По мере входа конуса 9 в отверстие 11 он устанавливается по центру отверстия, его коническая поверхность прилегает к фаске отверстия 11 и при дальнейшем продвижении втулки 8 плотно прижимается пружиной. При полном сжатии пружины ограничитель хода 13, достигнув кнопки 16 концевого микровыключателя 15, отключает реверсивный электромотор-редуктор 6. В это время все четыре подпружиненных центрирующих конуса 9 оказываются полностью введенными в отверстия 11 и плотно подпружиненными к их коническим фаскам. Подвижная часть 2 виброзащитной платформы оказывается надежно связанной с неподвижным основанием, жестко соединенным с корпусом КА.
Как показали результаты лабораторных исследований шарнирное соединение виброизоляторов в центре креста позволяет повысить эффективность их работы более чем на порядок. Кроме того, шарнирное крепление положительным образом влияет на снижение амплиттуды резонансных колебаний виброзащитной платформы.
Предлагаемое устройство пассивной защиты объектов от малых виброускорений снабжено системой автоматического крепления и расфиксации подвижной части, что позволяет использовать ее на беспилотных КА, на которых при проведении научных исследований еще не использовалась защита оборудования от вибрационных микроускорений.