СИСТЕМА ОТДЕЛЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ НАГРУЗКИ
PAYLOAD SEPARATION SYSTEM

Изобретение относится к системе сброса или отделения объектов, преимущественно космических аппаратов (КА) и других полезных нагрузок (ПН), от несущих конструкций (адаптеров или приборных отсеков) ракет-носителей (РН) при их выводе на расчетную орбиту, и может быть использовано в области ракетно-космической техники.
Известно устройство транспортировки и отделения полезной нагрузки (см. патент RU №2151086, кл. B64G 1/64 от 07.07.1999), содержащее узел транспортировочной фиксации полезной нагрузки на ложементе, выполненный в виде адаптерного элемента, закрепленного на полезной нагрузке, поворотных крюков, смонтированных на ложементе с возможностью взаимодействия с адаптерным элементом, и привода раскрытия крюков. К недостаткам подобного узла крепления следует отнести малый коэффициент трансформации силы, из-за чего усилия, удерживаемые крюками, передаются на фиксирующий элемент (пирозамок) практически без редукции. Это приводит к тому, что приходится применять пирозамок повышенной несущей способности, а следовательно, и мощности, что приводит к повышенным ударным нагрузкам при разделении.
Наиболее близким из известных технических решений является выбранная в качестве прототипа система отделения полезной нагрузки, содержащая разъединяемое удерживающее устройство, установленное между несущей конструкцией и полезной нагрузкой, и включающее в себя дискретно расположенные на закрепленном на несущей конструкции корпусе устройства механические замки с удерживающими и фиксирующими звеньями, связанные с поворотной многолучевой звездочкой, закрепленной с возможностью поворота в центре окружности установки замков и удерживаемой в исходном положении от поворота пиросредством, а также пружинные толкатели для отделения полезной нагрузки (см. патент RU №2268208, кл. B64G 1/64 от 02.06.2003, а также и другой вариант этой системы - патент RU №2293694 от 14.06.2005).
Недостатком данного устройства является наличие тросов, которые после их освобождения могут двигаться неупорядоченно под действием запасенной в них упругой энергии, и могут создать помеху разделению, попав между движущимися деталями замков, или ударить по отделяемой полезной нагрузке.
Другим недостатком указанной конструкции является то, что каждый замок после расфиксации открывается отдельным приводом (пружиной, которая в формуле не отмечена), что снижает надежность системы, так как отказ одной из пружин ведет к неоткрытию или к задержке открытия одного из замков.
Также как недостаток можно рассматривать наличие дополнительных крепежных деталей (стержней, шайб и гаек), которые остаются в составе ПН после разделения, что увеличивает массу ПН и усложняет процесс крепления ПН на системе отделения.
Задачами (с достигаемыми техническими результатами) предлагаемой системы отделения ПН являются:
- повышение надежности и точности отделения ПН, уменьшение ее поперечной «закрутки» при отделении;
- упрощение конструкции и облегчение переходника (адаптера) ПН, остающегося на ПН после отделения;
- унификация стыковочного шпангоута переходника ПН со средствами отделения иной конструкции (например, ленточными).
Для достижения поставленных задач предлагается система отделения полезной нагрузки, содержащая разъединяемое удерживающее устройство, установленное между несущей конструкцией и полезной нагрузкой, и включающее в себя дискретно расположенные на закрепленном на несущей конструкции корпусе устройства механические замки с удерживающими и фиксирующими звеньями, связанные с поворотной многолучевой звездочкой, закрепленной с возможностью поворота в центре окружности установки замков и удерживаемой в исходном положении от поворота пиросредством, а также пружинные толкатели для отделения полезной нагрузки, где согласно изобретению для фиксации поворотной звездочки в исходном положении система снабжена кулачковой муфтой, имеющей вид круглой шайбы с торцевыми кулачками, которые входят в соответствующие углубления, выполненные как на торце поворотной звездочки, так и на торце цапфы - оси, на которой вращается звездочка, цапфа закреплена на днище корпуса в его центре так, что ось вращения звездочки перпендикулярна плоскости разделения, при этом удерживающие звенья механических замков выполнены в виде поворотных крюков, оси которых размещены в проушинах корпуса устройства, а крюки, имеющие вид двуплечего рычага, одним своим концом непосредственно взаимодействуют с фланцем отделяемой полезной нагрузки, а на другом конце имеют двухстепенной шарнир, соединенный с фиксирующими звеньями, выполненными в виде регулируемых тандерных тяг, оси которых в исходном положении направлены радиально, причем вторые концы тяг при помощи сферического шарнира присоединены к упомянутой поворотной звездочке, зафиксированной упомянутой кулачковой муфтой, под которую установлена пружина, усилие которой направлено на расцеп кулачковой муфты с цапфой и звездочкой, а кулачковая муфта прижата до состояния зацепления цапфы со звездочкой болтовой стяжкой, второй конец которой удерживается при помощи пирочеки или иного замка. При этом между звездочкой и корпусом устройства установлены пружины, а профиль торцевых кулачков кулачковой муфты выполнен трапецеидальным с углом уклона зуба кулачков большим, чем «угол трения».
На фиг.1 представлен общий вид устройства в исходном положении (продольный разрез).
На фиг.2 - вид устройства в положении после разделения.
На фиг.3 - вид А на фиг.1 (вид устройства со стороны ПН в исходном положении).
На фиг.4 - вид А на фиг.1 (вид устройства со стороны ПН в положении после разделения).
На фиг.5 - сечение Б-Б на фиг.1 (по толкателю).
На фиг.6 - вид В на фиг.1 (вид на кулачковую муфту вдоль одного из зубьев).
Система отделения полезной нагрузки, содержащая разъединяемое удерживающее устройство, установленное между несущей конструкцией 1 и полезной нагрузкой 2, и включающее в себя дискретно расположенные на закрепленном на несущей конструкции корпусе устройства 3 механические замки с удерживающими и фиксирующими звеньями, связанные с поворотной многолучевой звездочкой 4, закрепленной с возможностью поворота в центре окружности установки замков и удерживаемой в исходном положении от поворота пиросредством 5, а также пружинные толкатели 6 для отделения полезной нагрузки, где согласно изобретению для фиксации поворотной звездочки в исходном положении система снабжена кулачковой муфтой 7, имеющей вид круглой шайбы с торцевыми кулачками 8, которые входят в соответствующие углубления 9 и 10, выполненные как на торце поворотной звездочки, так и на торце цапфы 11 - оси, на которой вращается звездочка, цапфа закреплена на днище корпуса 3 в его центре так, что ось вращения звездочки перпендикулярна плоскости разделения, при этом удерживающие звенья механических замков выполнены в виде поворотных крюков 12, оси 13 которых размещены в проушинах корпуса устройства, а крюки, имеющие вид двуплечего рычага, одним своим концом непосредственно взаимодействуют с фланцем 14 отделяемой полезной нагрузки, а на другом конце имеют двухстепенной шарнир 15, соединенный с фиксирующими звеньями, выполненными в виде регулируемых тандерных тяг 16, оси которых в исходном положении направлены радиально, причем вторые концы тяг при помощи сферического шарнира 17 присоединены к упомянутой поворотной звездочке, зафиксированной упомянутой кулачковой муфтой, под которую установлена пружина 18, усилие которой направлено на расцеп кулачковой муфты с цапфой и звездочкой, а кулачковая муфта прижата до состояния зацепления цапфы со звездочкой болтовой стяжкой 19, второй конец которой удерживается при помощи пирочеки 5 или иного замка. При этом между звездочкой и корпусом устройства установлены пружины, а профиль торцевых кулачков кулачковой муфты выполнен трапецеидальным с углом уклона зуба кулачков большим, чем «угол трения».
Корпус устройства 3 выполнен в виде цилиндрической обечайки с двумя шпангоутами и днищем, имеет набор проушин для крюков 12 и сквозные окна в обечайке для тяг 16. Нижним шпангоутом корпус 3 крепится к несущей конструкции 1 - переходной системе (ПС) ракеты-носителя (РН), а к верхнему шпангоуту крепится замками фланец 14 - переходник КА. На днище корпуса установлен ограничитель 20 угла поворота звездочки. Звездочка 4 установлена на цапфе 11 на подшипниках 21.
Кулачковая муфта 7 удерживается в зацеплении со звездочкой 4 и цапфой 11 гайкой 22, навернутой на резьбу стяжки 19. Стяжка проходит через осевое отверстие в цапфе 11 и корпусе 3, и «нижний» ее конец удерживается пирочекой 5, которая установлена с «нижней» стороны днища корпуса 3 в его центре. Между корпусом 3 и звездочкой 4 установлены одна или несколько пружин 23, вращающих звездочку.
Для сообщения ПН относительной скорости при отделении на корпусе 3 установлены пружинные толкатели 6, штоки которых 24 упираются во фланец переходника КА 14. Для регистрации факта отделения в системе телеметрического контроля могут использоваться датчики, например датчик 25, который, как показано на чертеже, реагирует на перемещение болтовой стяжки 19.
В исходном положении (замки закрыты) фланец переходника КА 14 прижимается к фланцу корпуса 3 крюками 12 за счет усилия распора, созданного в регулируемых тандерных тягах 16 при регулировке механизма. Тяги упираются в звездочку 4 на малом плече относительно оси вращения, создавая небольшой момент, вращающий звездочку в сторону открытия механизма. Этот момент блокируется кулачковой муфтой 7, которая сцепляет цапфу 11 и звездочку 4 без люфта благодаря тому, что зубья муфты (а также цапфы и звездочки) имеют клинообразную форму, а также благодаря усилию затяжки, создаваемому в стяжке 19 гайкой 22.
Открытие механизма начинается со срабатывания замка (пирочеки) 5, который освобождает резьбовую стяжку 19. Гайка 22 перестает удерживать кулачковую муфту 7, и та под действием пружины сжатия 18, установленной внутри цапфы 11, поднимается «вверх», выходя из зацепления своими зубьями 8 с пазами 10 цапфы 11 и пазами 9 звездочки 4, тем самым, освобождая звездочку. Под действием пружин 23, которые одним из концов закреплены на корпусе 3 устройства, звездочка поворачивается, тяги 16 поворачивают крюки 12, и те синхронно открываются, освобождая фланец переходника ПН 14. Отделение ПН от корпуса устройства происходит под действием пружинных толкателей 6, которые сообщают ПН нужную относительную скорость отделения.
Для крепления переходника ПН к корпусу системы отделения исключены крепежные элементы (стержни, шайбы и гайки). Переходник имеет круговой стыковой шпангоут простого сечения с плоской (или, как возможный вариант, - с конической) поверхностью для взаимодействия с замками. В исходном положении тяги стоят в положении, близком к «мертвому», т.е. их оси направлены почти радиально, что уменьшает момент, передаваемый тягами на звездочку, следовательно, уменьшает потребное усилие затяжки гайки на болтовой стяжке, а, значит, снижает усилие, удерживаемое замком (пирочекой). Однако достижение строго «мертвого» положения представляется нежелательным из-за риска «перевалить» через него, что может затруднить открытие механизма. Целесообразно оставить небольшое плечо (эксцентриситет) для сил, действующих на звездочку со стороны тяг, причем создаваемый этими силами момент должен быть направлен в сторону открытия механизма. Этот небольшой момент парируется кулачковой муфтой и усилием затяжки гайки на резьбовой стяжке, а в дальнейшем - этот момент помогает открытию механизма, что позволяет уменьшить потребное усилие пружин 23. С этой же целью - повысить надежность срабатывания механизма, сделав ее независящей от надежности пружин - профиль торцевых кулачков кулачковой муфты выполнен трапецеидальным с углом уклона зуба кулачков (угол α на фиг.6) большим, чем «угол трения». Тогда после открытия замка усилие предварительной затяжки (вместе с усилием от пружинных толкателей), действуя на крюки, передается через тяги звездочке, поворачивает ее, отжимая клиновидными зубьями кулачковую муфту (расцепляя ее). В этом случае пружины 18 и 23 только повышают надежность срабатывания механизма и фиксируют подвижные детали в крайних положениях.
Данная схема механизма позволяет создать усилие предварительной затяжки разделяемого стыка двумя технологическими способами. Во-первых, предварительно затянув гайку 22 на стяжке, последовательно создать распор в тандерных тягах 16, затянув их моментом на нужное усилие. Во-вторых, после этого можно отвернуть гайку 22 на стяжке и снова затянуть ее соответствующим моментом. При этом, за счет клиновой формы зубьев кулачковой муфты 7, усилие будет передано равномерно ко всем крюкам. Такой способ создания усилия (затяжкой одной гайки) дает дополнительное удобство работы при необходимости проведения нескольких срабатываний механизмом (например, при испытаниях) без повторения регулировки тяг 16.
Количество пружин 23, поворачивающих звездочку, может быть выбрано произвольно. Так как их усилия складываются, можно рассчитать так, чтобы отказ одной или двух пружин не приводил к отказу системы в целом, что повышает надежность. При соответствующем выборе плеча «недохода» звездочки до «мертвого положения» и угла уклона α зубьев кулачковой муфты возможно обеспечить гарантированное срабатывание механизма даже при отказе всех пружин.
Количество замков (крюков 12) выбирается исходя из размеров ПН, требований к плотности затяжки стыка и т.п. (рационально делать не менее трех замков). На рисунках показан вариант конструкции с  шестью замками и тремя пружинами растяжения. Показан фланец переходника ПН плоской формы, но возможно применение переходника 14, у которого поверхность, с которой контактируют крюки 12, имеет вид пологого конуса, как это обычно делается в системах разделения с замковой лентой. Это позволяет создать систему отделения по заявленной схеме для ПН, которые ранее использовались с ленточными системами разделения, без доработки переходника ПН.
Благодаря такому выполнению устройства достигается заявленный технический результат:
- повышение надежности и точности отделения ПН, уменьшение ее поперечной «закрутки» при отделении;
- упрощение и облегчение переходника (адаптера) ПН, остающегося на ПН после отделения;
- унификация стыковочного шпангоута переходника ПН со средствами отделения иной конструкции (например, ленточными).