Узел для крепления и расфиксации подвижных элементов конструкции космического аппарата
NODE FOR COUPLING AND UNCOUPLING SPACESHIP STRUCTURAL MOVING ELEMENTS

Изобретение относится к оптическому приборостроению, космической технике и астрономии и может быть использовано при разработке узлов крепления подвижных элементов конструкции космических аппаратов (КА), в частности, крышек телескопов, предназначенных для наблюдения астрономических объектов в рентгеновском диапазоне спектра электромагнитного излучения, например, рентгеновского телескопа ART-XC проекта «Спектр-РГ», разрабатываемого для исследования галактических и внегалактических источников излучения. По мнению ученых это должно позволить более глубоко разобраться в процессах эволюции вселенной и мироздания в целом.
Одна из задач, на решение которой были направлены усилия разработчиков при проектировании этого телескопа, является обеспечение сохранения его работоспособности при возможном возникновении отказа в системе. Одним из важнейших элементов телескопа ART-XC является рентгеновская оптическая система (РОС), предназначенная для фокусировки рентгеновского излучения. На этапе вывода телескопа ART-XC на заданную орбиту на элементы конструкции РОС оказывает силовое воздействие набегающий поток. Узел защиты РОС предназначен для защиты зеркал РОС от воздействия набегающего потока. После вывода телескопа на заданную орбиту осуществляют открытие крышки узла защиты и фиксацию ее в открытом положении для штатного функционирования телескопа. Открытие крышки осуществляют с помощью узла для крепления и расфиксации, который является критически важным элементом конструкции телескопа ART-XC и от которого зависит его функционирование.
Из предшествующего уровня техники известны конструкции узлов для крепления и расфиксации подвижных элементов конструкции КА. Так, например, известен узел для крепления радиолокационных антенн, створок батарей солнечных, бленд, крышек светозащитных устройств и т.п., на этапах транспортирования КА и выведения его на орбиту и их расфиксации на этапе штатной работы аппарата (патент RU 2461497, публик. 20.09.2012). Известный узел представляет собой термочеку, включающую приводные силовые элементы (основной и дублирующий), электрически связанные с системой управления КА, рабочий шток. Силовые элементы выполнены из сплава с эффектом памяти формы в виде проводников с замкнутыми контурами, охватывающих ролики-изоляторы, один из которых смонтирован на оси, принадлежащей рабочему штоку, а другой - на оси, принадлежащей опорному кронштейну, жестко закрепленному в корпусе. С осью, принадлежащей рабочему штоку, взаимодействует втулка, а с осью, принадлежащей опорному кронштейну, - вилка, причем втулка и вилка подпружинены между собой. Термочека снабжена модулем питания, обеспечивающим необходимые параметры электрического тока, подводимого к силовым элементам через электрические контакты, закрепляемые посредине проводников, и контактными датчиками, установленными на кронштейнах, жестко закрепленных с двух сторон в корпусе. На кронштейнах также закреплены пластинчатые пружины, взаимодействующие при срабатывании термочеки с конусным выступом, выполненным на втулке, и контактными датчиками.
Недостаток аналога связан с применением в конструкции силового элемента, выполненного из материала с памятью формы, работающего от нагрева при прямом пропускании через него электрического тока, что сужает рабочий температурный диапазон и требует применения дополнительных мер по обеспечению теплового режима.
Наиболее близки аналогом по решаемой задаче и количеству сходных признаков к заявляемому изобретению является узел для крепления и расфиксации подвижных элементов конструкции КА, в частности, створок солнечной батареи (патент RU 2221731, публик. 20.01.2004). Узел включает две пирочеки, установленные каждая на своем опорном кронштейне, которые в свою очередь закреплены на общем основании, в частности, раме, являющейся элементом конструкции КА. Перемещаемые штоки пирочек взаимодействуют с запирающим элементом, с возможностью его перемещения и расфиксации, позволяющей откинуть одну из створок. В качестве запирающего элемента используют коромысло, шарнирно связанное с подвесом, жестко закрепленном на расфиксируемом подвижном элементе, в частности, створке. Штоки пирочек расположены параллельно друг другу.
Недостаток ближайшего аналога связан с примененной компоновочной схемой, приводящей к сложности автономной сборки и отработки узла, что существенно снижает технологичность его изготовления.  Следует также отметить, что  примененная компоновочная схема приводит к увеличенным габаритам и массе, кроме того к конструкции узла предъявляются жесткие требования по взаимному расположению его элементов,  в частности, подвеса по отношению к пирочекам.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение технологичности изготовления путем упрощения сборки и настройки конструкции. Дополнительным техническим результатом является уменьшение габаритов и массы.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в узле для крепления и расфиксации подвижных элементов конструкции космического аппарата, включающем две пирочеки, размещенные на общем основании, которое является элементом конструкции космического аппарата, при этом перемещаемые штоки пирочек взаимодейтсвуют с запирающим элементом, шарнирно связанным с подвесом, жестко закрепленном на расфиксируемом подвижном элементе, новым является то, что пирочеки к общему основанию крепятся с помощью единого кронштейна, в котором пирочеки установлены навстречу друг другу с расположением перемещаемых штоков на одной оси, а запирающий элемент выполнен в виде двух звеньев, шарнирно скрепленных между собой
Крепление пирочеки к общему основанию с помощью единого кронштейна, в котором пирочеки установлены навстречу друг другу с расположением перемещаемых штоков на одной оси, позволило оптимизировать компоновочную схему узла, что существенно уменьшило его габариты и массу, кроме того выполнить его в виде единой законченной конструкции, что позволило осуществить сборку и настройку узла без установки на основание, являющееся элементом конструкции космического аппарата.
Выполнение запирающего элемента в виде двух звеньев, шарнирно скрепленных между собой, снизило требование к точности взаимного расположения подвеса относительно пирочек.
На фиг.1 представлена схема заявляемого устройства, где: 1 – расфиксируемый элемент (крышка узла защиты); 2 – шарниры запирающего элемента; 3 – запирающий элемент; 4 – перемещаемые штоки пирочек.
На фиг. 2 – кронштейн для размещения пирочек.
На фиг.3 – запирающий элемент.
На фиг. 4 – узел в сборе с пирочеками.
Примером конкретного выполнения заявляемого изобретения может служить узел для крепления и расфиксации крышки узла защиты РОС, разработанный для телескопа ART-XC (схематично представлен на фиг.1). Для обеспечения сохранения работоспособности при возможном возникновении отказа в действии узла, было принято решение ввести дублирование пирочеки в конструкции, при этом дублирующая пирочека размещена в исходных габаритах телескопа ART-XC. Узел для крепления и расфиксации крышки выполнен в виде единой законченной конструкции и включает две пирочеки, размещенные на общем основании, которое является элементом конструкции космического аппарата, в частности блендой. Пирочеки включают пороховые заряды и штоки, перемещаемые под действием давления
продуктов горения пороховых зарядов. Перемещаемые штоки пирочек взаимодействуют с запирающим элементом, шарнирно связанным с подвесом, жестко закрепленном на расфиксируемой крышке. Пирочеки к бленде крепятся с помощью единого кронштейна, в котором пирочеки установлены навстречу друг другу с расположением перемещаемых штоков на одной оси. Кронштейн (фиг.2) для закрепления пирочек конструктивно совмещен с тепловым экраном и выполнен из алюминиевого сплава марки АМц. Тепловой экран снабжен нагревателями, основным и резервным, закрытыми экранно-вакуумной термоизоляцией (ЭВТИ). Такой вариант конструкции позволяет сохранить габариты модуля телескопа, а совмещение кронштейна с тепловым экраном вкупе с выбором материала, позволяет обеспечить равномерный нагрев пирочек нагревателями на экране без изменения тепловой модели телескопа. На фиг. 2 видно, что соосное расположение перемещаемых штоков пирочек обеспечивается центральным отверстием в кронштейне и цилиндрическим выступом на корпусе пирочеки. Пирочеки закреплены общими крепежными элементами, что упрощает сборку и настройку узла. Для обеспечения тепловой развязки кронштейна от узла защиты РОС в местах крепления выполнены цековки под фторопластовые шайбы. Запирающий элемент выполнен в виде двух звеньев, шарнирно скрепленных между собой (фиг.3, 4). Подвес посредством четырех винтов крепится к крышке узла защиты РОС. Одно из звеньев запирающего элемента скреплено шарнирно с подвесом, а другое имеет два конусных углубления под перемещаемые штоки пирочек (фиг.3). Так как крышка узла защиты РОС является подвижной частью, то для снижения массы и момента инерции крышки, подвес и скрепленное с ним звено выполнены из алюминиевого сплава АМг6. Для обеспечения необходимой твёрдости звено с конусными углублениями выполнено из стали 14Х17Н2 с последующей термообработкой. Для предотвращения взаимного сваривания деталей из однородного материала в условиях космического вакуума, звенья и подвес соединены осями, выполненными  из титанового сплава ВТ14 с проставками из фторопластовой плёнки.
Работа заявляемого устройства заключается в следующем.
После вывода телескопа на заданную орбиту необходимо осуществить плавное открытие крышки узла защиты и фиксацию ее в открытом положении для штатного функционирования телескопа. Открытие крышки узла защиты осуществляется с помощью узла для крепления и расфиксации следующим образом.  При подаче электрического импульса на одну (основную) из пирочек происходит подрыв порохового заряда, приводящий к втягиванию штока 4 в корпус пирочеки, конусная часть 3 звена 2 шарнироно-сочлененного запирающего элемента  скользит по штоку 4 дублирующей пирочеки, и под действием пружины крышка 1 узла защиты РОС открывается и фиксируется в открытом положении. В случае отказа штатной пирочеки, срабатывает вторая пирочека, что приводит к открытию крышки 1 РОС, после чего начинается штатное функционирование телескопа на заданной космической орбите.
По заявляемому устройству был разработан и выпущен комплект конструкторской документации, прошло апробирование, которое показало осуществимость надежного плавного открытия крышки и фиксации ее в открытом положении.