Устройство удержания и освобождения трансформируемых элементов конструкции

Область техники
Полезная модель относится к космической технике, а именно к устройствам удержания и освобождения трансформируемых элементов конструкции космического аппарата (КА) формата CubeSat.
Уровень техники
В настоящее время в современных космических аппаратах применяются высокоточное оборудование, а также высокоэффективные конструкции систем электропитания (СЭП), чувствительные к ударным воздействиям. В связи с этим возникает потребность в создании механических устройств удержания и освобождения подвижных элементов конструкции КА с пониженным ударным воздействием при срабатывании. Приоритетной задачей при этом является надежность соединения и срабатывания данных устройств.
Так, на повышение надежности направлены следующие известные из уровня техники решения.
Известно разъемное соединение содержит установленные в стыкуемых поверхностях панелей два полукорпуса с жестко закрепленным пальцем и поворотным крюком с рабочей криволинейной поверхностью. Поворотный крюк фиксируется в открытом положении базирующим пальцем, а стягивание поверхностей соединяемых панелей осуществляется эксцентриковым механизмом. В результате повышается надежность соединения (RU 2399800 C1, дата публикации 20.09.2010, F16B 2/18, E05B 65/00 (2006.01)).
Известно замковое устройство (RU 2753015 C1, дата публикации 11.08.2021, F16B 2/18, B64G 1/22), содержащее кронштейн, рычаг, стягивающий элемент, пружину. Стягивающий элемент выполнен в виде штока, фиксированного одной стороной на шаровом подшипнике крепления. Резьбовая часть крепления установлена на удерживаемом элементе конструкции. Другой стороной сферической формы шток размещен в чашке кронштейна и в транспортировочном положении поджат крюком. Крюк соединен одной осью со звеном рычага, а другой осью с кронштейном. Рычаг установлен на оси, проходящей через центр пружины спирального типа и ребра кронштейна. В выемку плеча рычага установлен шариковый наконечник троса, удерживающего систему замковых устройств.
Из RU 2121947 C1 (дата публикации 20.11.1998, B64G 1/22 (2006.01) B64G 1/44 (2006.01) известен держатель, имеющий коленчатый рычаг с кривошипом и шатуном, а также колодку и исполнительный механизм, снабжен дополнительным рычагом, опирающимся на колодку и поджатым к ней пружиной, соединенной с опорным основанием, при этом ось вращения колодки лежит в плоскости вращения дополнительного рычага, колодка выполнена в виде кулачка, опорная поверхность дополнительного рычага имеет упор, взаимодействующий с рычагом по резьбе, а опорное основание представляет собой корпус, имеющий крепежные элементы для стыковки с изделием, а также ложемент для закрепляемой конструкции и пружинный толкатель в виде опорного основания ложемента, предназначенный для страгивания и сопровождения до выхода из ложемента конструкции после поворота дополнительного рычага при срабатывании держателя.
Известно устройство фиксации шарнирного узла, которое представляет собой шарнирный узел с поворотными деталями. На одной из них установлен фиксирующий элемент в виде закрепленного на оси крючка, подпружиненного пружиной. Взаимодействующий со второй деталью жесткий упор установлен с эксцентриситетом относительно оси вращения шарнирного узла. На второй детали закреплена ось с возможностью взаимодействия с внутренней стороной крючка. Крючок выполнен с углом ϕ между его поверхностью (А), контактирующей с данной осью, и плоскостью, проходящей через точку этого контакта и ось вращения шарнирного узла. Этот угол удовлетворяет условию ϕ≤arctgμ, где μ - минимальный коэффициент трения в месте контакта оси и крючка. Крючок под действием пружины надавливает на ось и за счет угла ϕ создает усилие в направлении Б, чем достигается выбор люфтов в сопряжениях шарнирного узла. Обратное движение детали относительно детали и повторное возникновение люфтов исключаются за счет неизменного положения крючка относительно оси благодаря возникающему между ними трению. Техническим результатом изобретения является повышение надежности зачековки шарнирного узла при малых скоростях раскрытия поворотных конструкций и сохранение жесткости раскрытой конструкции при воздействии внешних нагрузок, превышающих расчетные (RU 2368544 C1, дата публикации 27.09.2009, B64G 1/22, F16B 9/02).
Известно устройство фиксации шарнирного узла (RU 2657811 C1 дата публикации 15.06.2018, B64G 1/22, F16B 9/02, F16C 11/10). Устройство представляет собой шарнирный узел с поворотными деталями. На одной из них установлен фиксирующий элемент в виде закрепленного на оси крючка, подпружиненного пружиной. Взаимодействующий со второй деталью жесткий упор установлен с эксцентриситетом относительно оси вращения шарнирного узла. На второй детали закреплена ось с возможностью взаимодействия с внутренней стороной крючка, при этом вторая деталь соединена с третьей, с возможностью поворота и последующей фиксацией третьей детали относительно второй в заданном положении с помощью фиксатора, обеспечивающего настройку углового положения устройства. Изобретение обеспечивает возможность регулировки углового положения раскрываемых элементов шарнирного узла без потери надежности зачековки шарнирного узла при воздействии внешних нагрузок.
В RU 2232702 C2 (дата публикации 20.07.2004, B64G 1/22, B64G 1/44) описан блокирующий и деблокирующий механизм, который имеет исполнительный орган, содержащий проволоку с эффектом памяти. Ее свободный конец удерживает конец витой натянутой проволоки, блокирующей держатель. Держатель выполнен в виде сегментов, удерживаемых проволокой от расхождения под действием усилия механической пружины. В резьбовом отверстии, образованном сегментами, установлен резьбовой фиксируемый элемент (палец). При повышении температуры вследствие нагрева (например, электрического) проволоки, ее свободный конец укорачивается и выходит из отверстия, образованного концом натянутой проволоки. В результате проволока деблокирует держатель, так что сегменты расходятся под действием усилия пружины и освобождают палец. Согласно изобретению технический результат изобретения состоит в создании конструктивно простого устройства с малым энергопотреблением, которое должно обеспечивать надежное срабатывание.
Представленный анализ позволяет судить о том, что в устройствах удержания и освобождения надежность достигается разработчиками разными техническими решениями, а под надежностью понимается комплексное свойство, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать в себя безотказность, ремонтопригодность, восстанавливаемость, долговечность, сохраняемость, готовность или определенные сочетания этих свойств.
Ближайшим аналогом является устройство по патенту RU 2733303 C1 (дата публикации 01.10.2020, B64G 1/64). Изобретение раскрывает фиксатор, относящийся к космической технике, который содержит выступающую деталь на подвижном элементе и фитинг, прикрепленный к неподвижному элементу. Фитинг содержит установленные в нем два подпружиненных вращательных элемента. Первый вращательный элемент при фиксации попадает в углубленную часть выступающей детали подвижного элемента. Второй вращательный элемент является кронштейном, ось вращения которого параллельна оси вращения перового элемента. Имеются два упора. Первый упор, взаимодействующий при фиксации с выступающей деталью подвижного элемента, выполнен в виде регулируемого винта, вкрученного в кронштейн и зафиксированного контргайкой. Второй упор, взаимодействующий при фиксации с электрическим переключателем, выполнен в виде подпружиненного штока, установленного на кронштейне с противоположной стороны от регулируемого винта. Изобретением достигается повышение надежности функционирования устройства.
Основными недостатками данного устройства являются:
- создание дополнительного паразитного сопротивления на выступающей детали (удерживаемом элементе) 1 за счет усилия, создаваемого вращательными элементами (удерживающим элементом) 5 и 6;
- неравномерности усилия от удерживающих элементов (кронштейнов), что приводит к прижатию выступающей детали к одной из стенок фитинга (стационарной части) 3, что создает дополнительное сопротивление движению выступающей детали;
- фиксация удерживаемого элемента от поступательного движения только в одном направлении;
- функционирование электрического переключателя (датчика, подтверждающего факт срабатывания) 11 создает постоянное паразитное (препятствующее функционированию устройства) воздействие на удерживаемый элемент.
Раскрытие полезной модели
Заявленная полезная модель направлена на решение исключения недостатков прототипа, а именно
- исключение времени срабатывания устройства постоянного паразитного усилия на удерживаемый элемент со стороны устройства;
- уменьшение сопротивления перемещению удерживаемого элемента во время срабатывания устройства;
- обеспечение выполнения технологического срабатывания, не требующего проведения штатного срабатывания устройства.
Технический результат,достигаемый при реализации полезной модели,состоит в повышении надежности срабатывания устройства. Надежность срабатывания устройства выражается в стабильном удержании и контролируемом освобождении трансформируемых элементов конструкции КА при штатном и технологическом срабатывании.
Технический результат достигается благодаря тому, что в устройстве удержания и освобождения трансформируемых элементов конструкции КА, включающем удерживающий и удерживаемый элементы, а также датчик, новым является то, что удерживающий элемент включает рычаг, установленный на стационарную часть. Рычаг содержит сферическое углубление, а стационарная часть - проточку, имеющую радиус, номинально равный радиусу сферической части удерживаемого элемента. Между рычагом и стационарной частью расположена пружина. Датчик установлен на неподвижном элементе конструкции КА 12, содержащем стационарную часть 1. Удерживающий элемент включает также переходный рычаг 3, соединенный винтом с рычагом 2
Заявленное техническое решение поясняется чертежами, приведенными далее.
Краткое описание чертежей
Фигурами 1-4 проиллюстрировано заявленное устройство удержания и освобождения трансформируемых элементов конструкции КА типа CubeSat.
На фиг.1 - главный вид;
на фиг.2 - разрез А-А;
на фиг.3 - разрез Б-Б
на фиг.4 - общий вид.
Ссылаясь на фиг.1-4, устройство удержания и освобождения состоит из кронштейна 1, представляющего собой стационарную часть, на которую через ось 4 установлены рычаг 2 и переходной рычаг 3, выполняющие роль удерживающего элемента и закрепленные на оси посредством гайки 5. Рычаг 2 и переходной рычаг 3 соединены между собой винтом 6.
На рычаге 2 и стационарной части 1 выполнены сферическое углубление 7 и проточка 8 соответственно. Сферическое углубление 7 и проточка 8 имеют радиус, номинально равный радиусу сферической части удерживаемого элемента 9, зажимаемого между стационарной частью 1 и рычагом 2. Таким образом обеспечивается плотный зажим.
Удерживаемый элемент 9 снабжен осью с выполненной на ней резьбой для соединения с трансформируемым элементом (на фиг. не показан) конструкции КА, который таким образом удерживается устройством на время транспортировки КА на целевую орбиту.
В качестве трансформируемого элемента конструкции КА используют, например, трансформируемые антенны зонтичного типа, трансформируемые панели с ФЭП и др., что очевидно для специалиста из уровня техники. Трансформируемый элемент после выведения на целевую орбиту изменяет свои геометрические характеристики или положения относительно корпуса КА.
Рычаг 2 имеет зацеп 10 предназначенный для зацепления к нему инициирующего устройства (на фиг. не показано), которое, например, выполнено в виде инициирующего элемента, закрепляемого на корпусе КА и удерживающей нити, один конец которой может зацепляться за зацеп 10, а второй закреплен на инициирующем элементе инициирующего устройства.
Инициирующее устройство состоит из нити и инициирующего элемента. Нить одним концом закреплена за зацеп, а вторым за инициирующий элемент инициирующего устройства.
Между стационарной частью 1 и рычагом 2 установлена пружина 11. Стационарная часть 1 установлена на неподвижный элемент конструкции КА 12. Так же конструкция включает в себя датчик 13, участвующий в процессе освобождения удерживаемого элемента 9, закрепляемый так же на элементе конструкции КА 12.
Предложенная конструкция устройства обеспечивает фиксацию удерживаемого элемента 9 от линейного перемещения в трех взаимоперпендикулярных направлениях, а так же отсутствие дополнительного (паразитного) усилия удерживающим элементом во время освобождения удерживаемого элемента, а датчик 13 не создает паразитного воздействия на удерживаемый элемент 9, поскольку выполнен на неподвижном элементе конструкции КА 1 и начинает срабатывать только после полного освобождения удерживаемого элемента.
Паразитное усилие - усилие, препятствующее перемещению элементов конструкции фиксатора в сторону срабатывания, то есть фактически препятствующее функционированию устройства.
Переходной рычаг 3 предназначен для обеспечения проведения технологического срабатывания устройства без необходимости срабатывания инициирующего устройства через удерживающую нить 11, а именно посредством разъединения рычага 3 с рычагом 2 путем выкручивания винта 6. То есть, фактически, технологическое срабатывание обеспечивает возможность срабатывания заявляемого устройства без подачи управляющего сигнала на срабатывание от бортовой сети КА, что обеспечивает надежность устройства даже в случае неисправности инициирующего устройства, так как не потребуется тратить время на проведение дополнительных операция по замене, ремонту или настройке инициирующего устройства.
Осуществление полезной модели
Далее раскрыта работа устройства при штатном и технологическом срабатывании.
Штатное срабатывание - это срабатывание устройства непосредственно по сигналу от бортовой сети КА, а именно от инициирующего устройства. Инициирующее устройство не является частью конструкции заявляемого устройства и используются в описательной части лишь для общего понимания функционирования устройства в составе КА, то есть штатное срабатывание - это срабатывание, полностью соответствующее срабатыванию устройства при стандартной эксплуатации КА.
Технологическое срабатывание - это срабатывание устройства без использования сигналов от бортовой сети КА (предусмотренный вариант без инициирующего устройства), то есть в целях различных технологических операций, как, например, проверка срабатывания в ходе настройки устройства, испытаний КА и др.
В процессе штатного срабатывания устройство работает следующим образом.
При подаче управляющего сигнала на инициирующее устройство происходит освобождение рычага 2. Рычаг 2, под действием усилия от пружины 11, поворачивается, тем самым освобождая удерживаемый элемент 9, после чего трансформируемый элемент конструкции КА может раскрыться. В конце хода (поворота) рычага 2 происходит срабатывание датчика 13, путем нажатия на кронштейн датчика рычагом 2. Срабатывание устройства равно по смыслу выполнению прямого назначения данного устройства, т.е. освобождения удерживаемого элемента удерживающим.
Технологическое срабатывание устройства осуществляется следующим образом. При выкручивании винта 6 из переходного рычага 3 происходит освобождение рычага 2, то есть фактически разъединение его с инициирующим устройством, что позволяет рычагу 2 повернуться, под действием пружины 11, тем самым освобождая удерживаемый элемент 9, давая возможность раскрыться трансформируемому элементу конструкции КА.
Таким образом, технический результат достигается за счет:
- отсутствия паразитного сопротивления (усилия), создаваемого удерживающими элементами, а именно так как пружина, расположенная между рычагом 2 и стационарной частью 1, создает усилие в сторону срабатывания устройства;
- отсутствия паразитного сопротивления (усилия) создаваемого датчиком, т.к. его функционирование начинается после полного освобождения удерживаемого элемента поскольку его отдельное расположения на элементе конструкции КА обеспечивает условие его срабатывания (нажатие рычагом 2 на кронштейн датчика) после освобождения удерживаемого элемента;
- выполнения сферического углубления 7 в рычаге 2 и проточки 8 в стационарной части 1 имеющих радиус, номинально равный радиусу сферической части удерживаемого элемента 9, которые при зажатии удерживаемого элемента 9 между стационарной частью 1 и рычагом 2, в совокупности, дают возможность обеспечить фиксацию удерживаемого элемента в трех взаимоперпендикулярных направлениях;
- обеспечения возможности проведения технологического срабатывания устройства позволяющего не выполнять штатного срабатывания благодаря отделению рычага 2 от переходного рычага 3 за счет выкручивания винта 6.