Комбинированный разрывной замок с ножом для бортовых систем разделения
COMBINATION BREAK LOCK WITH KNIFE FOR ON-BOARD SEPARATION SYSTEMS

Изобретение относится к устройствам бортовой автоматики, использующим энергию взрывчатых превращений энергонасыщенных конденсированных систем - взрывчатых веществ (ВВ), более конкретно - к детонационным средствам разделения и отделения частей конструкции и коммуникаций космического объекта, ракеты или ракетного блока.
Широко распространенными (Расчет и проектирование систем разделения ступеней ракет: Учеб. пособие / К.С. Колесников, В.В. Кокушкин, С.В. Борзых, Н.В. Панкова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э Баумана, 2006. - с. 40-41, фиг. 1.23) на практике являются достаточно простые и надежные устройства для соединения и последующего быстрого разделения элементов конструкции, именуемые разрывными болтами (РБ), иногда не совсем корректно называемые пироболтами. Они состоят из головной части («головки») в виде шестигранника и хвостовой части («стержня») цилиндрической формы с нарезанной резьбой. Со стороны головной части РБ имеет внутреннюю соосную полость, в которую ввинчивается инициирующее устройство (например, электродетонатор), иногда дополненное зарядом ВВ в виде прессованной либо литой шашки (столбика). Основными недостатками такого устройства являются:
1) образование при срабатывании неуправляемо разлетающихся металлических осколков, способных повредить близлежащие элементы конструкции, приборы и агрегаты;
2) возникновение высоких ударных нагрузок, в результате воздействия газообразных продуктов детонации высокого давления на близлежащие узлы и агрегаты, прецизионную аппаратуру и элементы конструкции;
3) способность воспринимать только осевые нагрузки и не воспринимать боковые нагрузки, всегда присутствующие, особенно при отделении элементов оболочечных конструкций большого периметра;
4) большое потребление электроэнергии при разделении оболочечных конструкций большого диаметра и связанные с этим увеличение емкости и, как следствие, утяжеление и увеличение габаритов бортовых источников питания, утяжеление и усложнение кабельной сети, усложнение и удорожание системы управления, так как необходимы дополнительные телеметрические ячейки контроля состояния пироузлов, дополнительные блоки преобразования слаботочных командных импульсов системы управления в «силовые» команды с величиной тока не менее 2А на каждый мостик накаливания электродетонаторов РБ.
Известно (патент RU 2679520 С1, МПК B64G 1/64, F42B 3/00, F42B 15/36, опубл. 11.02.2019) устройство для разделения элементов конструкции, позволяющее существенно снизить уровень ударных нагрузок при срабатывании на разделяемые элементы конструкции, и локализовать неуправляемые разлетающиеся высокоскоростные осколки стержня разрывного болта. Вместе с тем, несмотря на принятые меры, автору данного технического решения не удалось снизить ударные нагрузки, действующие на разделяемые элементы конструкции (особенно прецизионные) и бортовую аппаратуру, до значений, которые были бы меньше значений, определяемых нормативными документами в качестве допустимых при транспортировке изделий ракетно-космической техники (РКТ) наземным, морским и воздушным транспортом, что может вызвать возникновение паразитных вращающихся моментов, приложенных к разделяемым элементам конструкции, помимо ограничений на размещение чувствительной аппаратуры и прецизионных элементов конструкции вблизи пояса разделения, приводящих к ухудшению габаритно-массовых характеристик объекта РКТ в целом. Кроме того, конструкцией заявленного устройства устраняется частично третий недостаток приведенного выше аналога и совершенно не снимаются ограничения, связанные с четвертым недостатком.
Известны (Ефанов В.В., Горовцов В.В. Конструкция и расчет систем и устройств разделения космических аппаратов: Учеб. пособие. - М.: Изд-во МАИ, 2015. - с. 97-99, фиг. 7.2-7.4) безосколочные практически безымпульсные герметичные при срабатывании «точечные» устройства для соединения и последующего разделения детонационного типа, названные авторами детонационными замками (на практике их часто называют разрывными безымпульсными замками) поршневого типа («толкающего» либо «тянущего»), способные выдерживать осевые и боковые нагрузки до 80 кН и даже до 250 кН (патент RU 2729494 С1, МПК 64G 1/64; F42B 15/38, опубл. 07.08.2020). Кроме того, данные устройства способны срабатывать не только от инициирующего устройства - электродетонатора, но и от не разрушаемых трансляторов детонационных команд (например, типа «транер») и передавать детонационный импульс друг другу. В результате количество средств инициирования детонации (электродетонаторов) может быть сведено к минимуму (например, до двух в одной системе отделения).
Устройство для соединения и последующего разделения элементов конструкции - детонационный замок «тянущего» типа содержит прочный цилиндрической формы корпус из конструкционного сплава с узлами крепления к элементам конструкции, снабженный внутренней соосной полостью, в которой размещены поршень с жестко скрепленным штоком, заканчивающимся резьбовой частью с гайкой, выходящими за пределы корпуса, с калиброванной кольцевой проточкой на штоке в районе плоскости разделения, уплотнительными кольцами из полимерного материала на штоке и на поршне и рабочим зарядом ВВ кольцевой формы, размещенном в зарядной камере над поршнем. В зоне зарядной камеры корпус снабжен двумя диаметрально расположенными боковыми приливами с полостями внутри, в которых установлены с одной стороны, например, электродетонатор, а с другой - концевой элемент не разрушаемого транслятора детонационных команд, причем эти полости соединены с зарядной камерой каналами, в которых смонтированы передаточные заряды ВВ с усилительными колпачками на концах. В запоршневом пространстве корпуса установлен сминаемый демпфирующий элемент, поджимаемый к поршню торцевой крышкой.
Устройство, рассчитанное на большие (до 250 кН) осевые и боковые нагрузки, может быть снабжено дополнительно в зоне кольцевой проточки на штоке втулкой и шариковым замком.
Такая конструкция позволяет снизить до минимума массу ВВ в устройстве и уровень ударных нагрузок при его срабатывании, сохраняя при этом высокую надежность работы и обеспечивая оптимальный уровень массово-габаритных характеристик всей системы отделения.
На практике почти всегда при отделении отработавших узлов, агрегатов или элементов конструкции объектов ракетно-космической техники требуется разделить кабельную сеть (ствол транзитного кабеля или жгут электрических проводов). Для этого на объектах РКТ могут использоваться известные (Расчет и проектирование систем разделения ступеней ракет: Учеб. пособие / К.С.Колесников, В.В. Кокушкин, С.В. Борзых, Н.В. Панкова. - М.: Из-во МГТУ им. Н.Э Баумана, 2006. - с. 91-93, фиг. 1.72) разъемные соединения - разрывные электроплаты. Недостатками данных устройств являются чрезмерная громоздкость, установка на кабелях разъемов, снижающих надежность бортовой кабельной сети. Кроме того, совершенно идентичная по конструктивному исполнению плата будет иметь существенно разные (отличающиеся в несколько раз) усилия расстыковки в зависимости, например, от слабины троса и угла расстыковки. Также для уменьшения возмущения отделяемых объектов по угловым скоростям разъемы должны иметь одинаковые силы и ход расстыковки, при этом их необходимо устанавливать диаметрально противоположно друг другу. Все это практически исключает возможность применения разрывных плат на космической технике, особенно на малоразмерных космических аппаратах.
Известны (Ефанов В.В., Горовцов В.В. Конструкция и расчет систем... - с. 25-27, фиг. 3.7, 3.8 или Расчет и проектирование систем разделения… - с. 93-94, фиг. 1.74) и широко используются на объектах РКТ пиротехнические ножи (часто их называют пирорезаками). Конструктивно все они выполнены по одной схеме и состоят из следующих основных узлов:
- прочного, как правило, цилиндрического корпуса;
- размещенного внутри корпуса соосно ему поршня с жестко соединенным в центральной части, чаще всего, плоским ножом с острой кромкой, заточенной как симметричный клин и изготовленным из закаленной стали;
- наковальни из мягкой стали с плоской рабочей поверхностью, параллельной плоскости ножа;
- инициатора в виде пироэнергодатчика - ПЭД (иногда их называют в специальной литературе пиропатронами или корпусными электровоспламенителями);
- срезаемых шпилек - элементов, фиксирующих нож в исходном (взведенном) состоянии.
Ствол транзитного кабеля или жгут электрических проводов, подлежащих перерезанию, заблаговременно закладывают в окно корпуса между ножом и наковальней и надежно закрепляют скобами или хомутами.
Несмотря на простоту и высокую надежность конструкции пиротехнических ножей, они имеют и существенные недостатки, связанные с тем, что пироэнергодатчики имеют не детонирующее, а горящее снаряжение. Объем, состав и давление продуктов сгорания снаряжения (пирозаряда) ПЭД, а также время его горения зависят от факторов окружающего пространства (в первую очередь - температуры, а также давления окружающей среды). В реальных условиях на объектах РКТ начальная температура пирозаряда может находиться в диапазоне 223…323К, что неизбежно будет приводить к существенным колебаниям максимального давления, действующего на поршень с ножом, а следовательно, и на работу, совершаемую им. Кроме того, значения электрического тока, подаваемого на каждый мостик накаливания ПЭД существенно выше, чем для электродетонатора (6…9А против 1,5…2А). Это обостряет проблему дефицита по электрическому току на борту космического объекта, требует установки аккумуляторных батарей большей емкости и, как правило, при этом более громоздких и тяжелых.
В дополнение к перечисленным выше недостаткам следует отметить, что установка в непосредственной близи от пояса разделения на детонационных замках, связанных не разрушаемыми трансляторами детонации, дополнительных пиротехнических ножей ухудшает компоновочную схему и массово-габаритные характеристики системы отделения и изделия РКТ в целом, усложняет и утяжеляет бортовую кабельную сеть, усложняет и удорожает систему управления (в частности - программно-временного устройства) космического объекта, поскольку перед командой на отделение необходимо ввести еще одну команду - на резку и разделение кабельной линии - и строго контролировать последовательность прохождения команд на устройства разделения.
Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства для соединения и последующего быстрого и надежного разделения элементов конструкции, объединяющего в себе дополнительно функцию ножа кабеля или жгута электрических проводов и раздатчика детонационных команд другим устройствам.
Особо актуальной она становится для малоразмерных космических аппаратов при дефиците бортовой системы управления.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается:
- в существенном расширении функциональных возможностей устройства и его унификации;
- в снижении массово-габаритных и в улучшении конструктивно-компоновочных характеристик узла разделения и всего изделия в целом;
- в повышении надежности устройства;
- в снижении уровня ударных нагрузок на чувствительные узлы и агрегаты, прецизионные элементы конструкции и аппаратуру;
- в снижении энергопотребления, упрощении и облегчении бортовой кабельной сети и источников питания;
- в упрощении и снижении нагрузки на бортовой комплекс управления космического объекта (в частности, на программно-временное устройство).
Ниже при изложении сущности предлагаемого изобретения будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Для достижения указанного технического результата устройство по предлагаемому изобретения, как и указанные выше известные разрывные (детонационные) замки «тянущего» типа, содержит прочный цилиндрической формы корпус из конструкционного материала с узлами крепления к элементам конструкции, снабженный внутренней соосной полостью, в которой размещены поршень с жестко скрепленным штоком, заканчивающимся резьбовой частью, выходящей за габариты корпуса, и фланцы подлежащих разделению элементов конструкции (шпангоутов), при этом на штоке в районе плоскости разделения выполнена калиброванная кольцевая проточка, кроме того, на штоке и на поршне имеются кольцевые проточки, в которых установлены уплотнительные кольца из полимерных материалов, а в зарядной кольцевой камере над поршнем вокруг штока размещен рабочий заряд взрывчатого вещества.
В зоне зарядной камеры на корпусе на одной оси, перпендикулярной оси корпуса, выполнены два боковых прилива с цилиндрическими полостями внутри, в которых размещены с одной стороны инициирующее устройство (например, электродетонатор), а с другой - концевой элемент (наконечник) не разрушаемого транслятора детонационных команд, при этом полости соединены с зарядной камерой каналами, плотно заполненными передаточными зарядами взрывчатого вещества с усилительными колпачками на концах. Со стороны запоршневого объема корпус снабжен торцевой резьбовой заглушкой.
В отличие от известных аналогов в предлагаемом устройстве в нижней части корпуса в запоршневом пространстве размещен жестко соединенный с поршнем в своей средней части плоский нож с прямолинейной острой кромкой в форме симметричного клина. В торцевой резьбовой заглушке смонтирована наковальня в форме диска с плоской рабочей поверхностью, параллельной ножу, а в боковой стенке корпуса между ножом и наковальней перпендикулярно оси устройства выполнено сквозное окно (отверстие), через которое заранее пропущен и прочно закреплен на устройстве подлежащий разрезанию кабель или жгут электрических проводов.
Размещение в запоршневом пространстве корпуса устройства ножа для резки транзитных кабелей, проводов, жгутов одновременно с инициированием взрывчатого превращения в не разрушаемом трансляторе детонационных команд и с разрушением механической связи между отделяемыми элементами конструкции способствует расширению функциональных возможностей устройства за счет объединения в одном устройстве функций и разрывного (детонационного) замка, и раздатчика детонации, и ножа, унификации его, снижению массы и улучшению габаритно-компоновочных характеристик как самого заявляемого устройства, так и конструкции в целом за счет того, что монтируется оно на элементе (например, шпангоуте) конструкции на одном фланце с меньшим количеством крепежных элементов (болтов, гаек, шайб). За счет уменьшения количества инициирующих устройств (например, ПЭД и электродетонатора) снижается бортовое энергопотребление, поскольку и замок с раздатчиком детонации, и нож срабатывают от одного общего для них инициирующего устройства - электродетонатора, облегчается и упрощается кабельная сеть, упрощается бортовая система управления за счет уменьшения числа ячеек, формирующих временные уставки, так как срабатывание ножа должно осуществляться строго после срабатывания замка. Кроме того, ПЭД, снаряженные горящими пиротехническими составами, требуют для своего задействования электрические сигналы, в два-три, а то и в четыре раза превышающие по току сигналы, необходимые для срабатывания электродетонаторов, снаряженных взрывчатыми веществами.
Такие важнейшие для практики параметры, как время и разброс времени срабатывания, давление, создаваемое в замкнутом объеме, у электродетонаторов намного стабильнее, чем у ПЭД, кроме того, они не зависят от параметров окружающей среды (главным образом, от температуры и давления). Поэтому отказ от использования в заявляемом устройстве от ПЭД с горящим снаряжением способствует также повышению надежности устройства, большей стабильности его рабочих характеристик.
Отказ от второго инициирующего устройства, задействующего нож, приводит также к снижению спектра ударных нагрузок на элементы конструкции при срабатывании системы отделения.
Объединение в заявляемом устройстве функций замка, ножа и раздатчика детонационных сигналов обеспечивает также строгую последовательность выполнения этих операций, чем повышается надежность устройства, снижается нагрузка на бортовую систему управление которая при этом заметно упрощается и удешевляется.
В заявляемом устройстве нож, поршень и шток прочно соединены между собой (возможно изготовление их даже, как единой детали). Шток с помощью гайки, навинчиваемой на его резьбовую часть, жестко стягивает фланцы разделяемых элементов конструкции. При такой схеме крепления отпадает необходимость в применении каких-либо стопорящих элементов (например, срезаемых штифтов), фиксирующих нож во взведенном состоянии. Отказ от таких элементов упрощает и удешевляет устройство, повышает его надежность как за счет того, что часть энергии рабочего заряда ВВ не будет расходоваться на совершение работы по срезанию шпилек (повышается кпд устройства), так и за счет уменьшения количества деталей (сборочных единиц).
Кроме того, заявляемое устройство позволяет использовать плоский нож с асимметричной острой кромкой, а также нож цилиндрической формы. Разрезанию могут подлежать не только кабель или жгут электрических проводов, но вместе с ними и трубки гидро - пневмосистемы изделия, стропы парашютной системы, например, спускаемых либо посадочных аппаратов, ленты (жгуты), крепящие в транспортном положении надувные тормозные либо амортизирующие устройства.
Изобретение иллюстрируется чертежом, приведенным на фиг. 1. Здесь 1 - корпус устройства; 2 - инициирующее устройство (электродетонатор); 3 - шток; 4 - поршень; 5 - нож; 6 - наковальня; 7 - торцевая резьбовая заглушка; 8 - рабочий заряд взрывчатого вещества; 9 - концевой элемент (наконечник) не разрушаемого транслятора детонационных команд; 10 - передаточные заряды с усилительными колпачками на концах.
Предлагаемое устройство используется и работает следующим образом. При подаче от программно-временного устройства бортовой системы управления электрического сигнала на мостики накаливания инициирующего устройства, например, электродетонатора (2) происходит срабатывание последнего. Под воздействием продуктов взрыва снаряжения его, металлических осколков донышка оболочки (гильзы) электродетонатора и образующейся ударной волны возбуждается детонация в близлежащем передаточном заряде ВВ с усилительным колпачком на конце (10) и от него -рабочему заряду ВВ (8), размещенному в кольцевой заряднсй камере над поршнем (4). Рабочий заряд (8) большую часть своей энергии при срабатывании расходует на совершение механической работы по приведению поршня в движение. За счет жесткого соединения поршня (4) со штоком (3) последний разрушается в месте калиброванной кольцевой проточки (в ослабленном сечении) и снимает силовую связь между фланцами разъединяемых элементов конструкции. Другая часть энергии рабочего заряда ВВ (8) задействует второй передаточный заряд с усилительным колпачком на конце (10), который возбуждает детонацию в концевом элементе (наконечнике) не разрушаемого транслятора детонационной команды. При движении поршня (4) вниз (на фиг. 1) нож (5), жестко скрепленный с поршнем, внедряется в пропущенный заранее через сквозное окно корпуса (1) кабель либо жгут электрических проводов, перерезая его. При этом нож (5) внедряется в плоскую наковальню (6), размещенную в торцевой резьбовой заглушке (7).
3
3
Авторами настоящего изобретения были изготовлены опытные образцы заявляемого устройства и проведены их стендовые испытания. В качестве инициирующего устройства использовали электродетонаторы ЭД-У-1, рабочего и передаточных зарядов - отверждаемое эластичное взрывчатое вещество ЭВВ-75 В с паспортными скоростью детонации 7300 м/с, плотностью 1,62⋅10 кг/м, критическим диаметром детонации 0,5 мм. Суммарная масса зарядов составляла не более 5,0 г. Для перерезания использовали отрезки жгутов электрических проводов МКШЭ 2×0,7, КМВ 10×0,5. Оценивали полноту и надежность инициирования детонации в не разрушаемых трансляторах детонационных команд (типа «транер»), перерезания жгутов, а также замеряли спектры ударных нагрузок (ударные спектры), действующих на элементы конструкции, чувствительную прецизионную аппаратуру вблизи устройства. Во всех экспериментах происходило надежное инициирование детонации в отрезках «транеров», гарантированное перерезание жгутов электрических проводов (глубина канавки в наковальне после перерезания жгутов ножом составляла 1,0÷1,5 мм), максимальные значения ударных импульсов не превышали 8 единиц, что меньше значений, определяемых нормативными документами в качестве допустимых при транспортировке бортовой аппаратуры ракетно-космической техники. Из этого можно сделать вывод о практической реализуемости заявляемого устройства. Кроме того, оно не накладывает ограничений на размещение бортовой аппаратуры вблизи места его размещения.