УСТРОЙСТВО ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
DEVICE FOR SPACE VEHICLE ATTACHMENT

Изобретение относится к устройствам для крепления объектов, преимущественно космических аппаратов (КА) и других полезных нагрузок (ПН) к несущим конструкциям (адаптерам или приборным отсекам) ракет-носителей (РН) при их выводе на расчетную орбиту и может быть использовано в области ракетно-космической техники.
Известны схема и устройство крепления крупногабаритного КА с выступающей консольной частью в наклонном положении на несущей конструкции - адаптере, одна из граней которого наклонная (см. патент РФ №2226482 от 10.04.2004 г., МПК В64G 1/64, заявка №2002115571/02 от 10.06.2002 г.).
Известно также техническое решение по патенту РФ №2236993 от 27.09.2004 г., МПК В64G 1/22, 1/34, заявка №2002121206 от 05.08.2002 г. «Устройство для попутного запуска космического аппарата», в котором описана схема установки на основной космический аппарат штанги гравитационного устройства (неотделяемой ПН), продольная ось которой наклонена к центру основного космического аппарата. В материалах данной заявки (см. фигуры 2 и 4) представлены также принципиальные схемы установки малых КА на основном КА через платформы-адаптеры в наклонном положении.
Недостатком данных известных схем и устройств крепления, реализующих консольную схему закрепления КА, является малая жесткость установки (соответственно, низкая частота собственных колебаний) КА на несущую конструкцию. Особенно это характерно для КА, центры масс которых расположены на значительном расстоянии от стыка КА с системой отделения (СО) или адаптером (т.е. для крупноразмерных по высоте КА). Вместе с тем при проектировании КА, малых КА, спутников и систем их отделения от адаптеров существуют жесткие требования (ограничения) по минимальным частотам собственных колебаний при установке КА на РН, исключающие динамическое взаимодействие КА и РН в области низких частот.
Схемы и устройства для крепления КА, размещаемых с наклоном к центру РН, применяются при их установке в зоне подобтекательного пространства РН для обеспечения требуемых зазоров между элементами КА и головного обтекателя РН, а также для обеспечения параметров центровки головного блока в поперечном направлении. Наклонное расположение КА при консольной схеме его крепления приводит к значительному нагружению элементов СО (замков, штырей, фиксаторов и т.д.), удерживающих КА в данном положении, т.к. в этом положении возникает дополнительное нагружение элементов СО сдвигающими и моментными составляющими от осевых нагрузок (которые как правило превышают поперечные нагрузки для всех типов РН), что является существенным недостатком таких схем установки КА. Возможное в таких случаях усиление элементов СО для обеспечения их прочности и жесткости нерационально, т.к. приводит к значительному увеличению массы СО и нижней части КА, взаимодействующих между собой при взаимном креплении.
В результате анализа патентной и научно-технической литературы в качестве прототипа заявленного устройства выбрано техническое решение по патенту US №6135391А от 24.10.2000 г., МПК B64G 1/64, заявка US №19990286536 от 05.04.1999 г. «Устройство для удержания (крепления) отделяемой капсулы космического аппарата», в котором описано устройство для удержания отделяемого объекта, содержащее систему отделения пружинного типа и несколько (множество) плоских опор, имеющих Λ-образную форму и расположенных по периметру удерживаемого объекта. Каждая из Λ-образных опор состоит из двух стоек, шарнирно закрепленных нижними концами на несущей конструкции и соединенных верхними концами друг с другом механическим замком с разрывными шпильками. Вращение стоек опоры (после срабатывания замка) на шарнирных узлах происходит относительно параллельных осей, которые расположены перпендикулярно плоскости Λ-образной опоры, при этом стойки каждой Λ-образной опоры установлены в плоскости, проходящей через продольную ось удерживаемого объекта. Одна из стоек каждой опоры подпружинена с помощью пружины кручения, которая служит для отвода стойки от отделяемого объекта.
Недостатком данного известного устройства является малая жесткость опоры, т.к. ее стойки (стержни) соединяются между собой своими верхними концами не жестко, а через механический замок, т.е. опора является разъемной. При этом упор закрепляемого объекта происходит на одну из стоек (стержней) опоры, а вторая стойка удерживает через замок первую основную стойку. В известном устройстве Λ-образной опоры имеются две оси вращения (у каждой стойки в рассоединенном состоянии имеется своя ось вращения). Оси вращения шарниров на нижних концах стоек перпендикулярны плоскости Λ-образной опоры, при этом плоскость установки каждой Λ-образной опоры проходит через продольную ось удерживаемого объекта (обе стойки опоры и продольная ось находятся в одной плоскости), поэтому для закрепления объекта в боковом направлении необходима группа стоек (несколько стоек), расположенных подобным образом по периметру объекта, соответственно столько же замков и мест их крепления на КА, что не всегда возможно практически реализовать для КА. В известном патенте US №6135391А от 24.10.2000 г.имеются три плоские опоры, расположенные по окружности теплового экрана отделяемой капсулы.
Другим недостатком устройства Λ-образной опоры является срабатывание разрывных шпилек замка, соединяющего верхние концы стоек между собой, в непосредственной близости от отделяемого объекта, что приводит к большим ударным нагрузкам, действующим на него в момент отделения. Кроме того, одна из стоек (ближайшая к отделяемому объекту) Λ-образной опоры после срабатывания замка и разделения опоры на две отдельные стойки не зафиксирована и не подпружинена. Поэтому, как показывает анализ схемы расположения стоек в момент удержания (обе стойки расположены под острыми углами к продольной оси объекта, одна из них в непосредственной близости от оси объекта) и векторов скоростей, действующих по концам стоек, возможно соударение стойки по отделяемому объекту в момент срабатывания замка и разъединения опоры на две стойки.
В положении удержания отделяемой капсулы КА ее опоры и СО контактируют с тепловым экраном капсулы (т.е. с одной и той же частью отделяемой капсулы), и при наличии верхней части капсулы с высоким положением центра масс (ц.м.) такое размещение СО и опор будет неэффективным для ограничения амплитуд перемещений верхней части КА в зоне подобтекательного пространства РН, т.к. все элементы крепления (СО и Λ-образные опоры) находятся ниже ц.м. закрепляемого КА (объекта), что также является недостатком известного решения по патенту US №6135391 А от 24.10.2000 г.
Задачами (целями) предлагаемого устройства для крепления КА являются:
- увеличение жесткости установки и частоты собственных колебаний КА при его закреплении на несущей конструкции РН и тем самым уменьшение нагрузок на элементы КА;
- уменьшение перемещений КА в зоне подобтекательного пространства РН;
- уменьшение ударных нагрузок на элементы КА и СО.
ц.м.
Для достижения поставленных задач (целей) известное устройство для крепления КА, содержащее несущую конструкцию, СО и подпружиненную Λ-образную опору, выполненную из соединенных замком разъемных стоек, снабжено кронштейном (фитингом), жестко соединяющим верхние концы стоек плоской опоры, а оси вращения шарниров на нижних концах стоек Λ-образной опоры расположены на одной линии и лежат в плоскости Λ-образной опоры (т.е. имеется одна ось вращения опоры, как единой неразъемной конструкции). При этом пиротехнический и механический узлы замка разнесены по конструкции устройства и связаны между собой дистанционно, например, с помощью пружинно-тросовой системы. Механический удерживающий узел замка установлен между кронштейном, жестко соединяющим верхние концы стоек, и верхней частью КА, находится в непосредственной близости и контактирует с КА, обеспечивая удерживающую связь между КА и Λ-образной опорой, а пиротехнический узел замка размещен на несущей конструкции. Механический узел замка установлен между кронштейном и верхней частью КА на расстоянии L (см. фигуры 1 и 5) от плоскости стыка КА с СО, превышающем расстояние L (см. фигуры 1 и 5) от центра масс КА до плоскости стыка КА с СО.
Жесткая связь между верхними концами стоек посредством концевого кронштейна (фитинга) увеличивает жесткость Λ-образной опоры и превращает опору в единую жесткую (неразъемную) конструкцию как в исходном положении удержания КА, так и после его отделения от СО. Расположение осей вращения шарниров на нижних концах стоек Λ-образной опоры на одной линии в плоскости Λ-образной опоры (в плоскости стоек) позволяет воспринимать нагрузки любого поперечного (бокового) направления с помощью одной Λ-образной опоры, состоящей из двух стоек. При этом плоскость установки Λ-образной опоры и продольная ось КА пересекаются между собой в отличие от прототипа, у которого обе стойки и продольная ось удерживаемого объекта лежат в одной плоскости. После срабатывания замка обе стойки подпружиненной Λ-образной опоры одновременно как единая конструкция отходят (отклоняются) от верхней части КА, исключая возможное соударение с КА.
Механический узел замка размещен между кронштейном Λ-образной опоры и верхней частью КА на расстоянии выше ц.м. КА. При этом схема крепления КА на несущей конструкции РН является двухопорной, нагрузки распределяются между нижней СО и верхней Λ-образной опорой, опорное усилие распределяется между двумя стойками опоры равномерно ввиду симметричности конструкции опоры. Оптимальное размещение Λ-образной опоры между несущей конструкцией и верхней частью КА выше ц.м. КА может значительно «разгрузить» элементы СО и привести к уменьшению их массы.
Наличие Λ-образной неразъемной опоры, выполненной в виде двух стоек, жестко связанных между собой верхними концами, с нижними шарнирными узлами, закрепленными на несущей конструкции, оси вращения которых лежат на одной линии в плоскости Λ-образной опоры, увеличивает жесткость наклонной установки КА (под углом к продольной оси РН), как в поперечных, так и в осевом направлениях (что подтверждается расчетами, проведенными авторами), приводит к увеличению частоты собственных колебаний при установке КА на РН, к уменьшению прогибов и перемещений верхней части КА в зоне подобтекательного пространства РН.
Выполнение замка из механической и пиротехнической частей, дистанционно разнесенных по конструкции устройства (механический узел контактирует с КА, пиротехнический узел установлен на несущей конструкции), связанных между собой, например, пружинно-тросовой системой, позволяет избежать ударных воздействий на КА при срабатывании замка перед отделением КА от несущей конструкции.
Пружины растяжения, установленные по нижним концам стоек и связанные с несущей конструкцией (достаточно одной пружины на нижнем конце любой из стоек), позволяют после расфиксации механического узла замка отвести Λ-образную опору от КА для обеспечения его последующего отделения.
Таким образом, предложенное устройство для крепления КА позволяет уменьшить нагрузки на элементы КА и СО (с возможностью уменьшения их массы), а также увеличить жесткость установки К А на несущую конструкцию РН.
На фигуре 1 изображено устройство для крепления КА на несущую конструкцию в исходном положении.
На фигуре 2 изображено устройство для крепления КА на несущую конструкцию в исходном положении сверху.
На фигурах 3 и 4 изображены элементы установки Λ-образной опоры (стойки, узлы замка, шарниры, пружины отвода, кронштейн).
На фигуре 3 представлен механический узел замка в положении удержания КА (см. вид А на фигуре 2).
На фигуре 4 показан нижний шарнирно закрепленный конец одной из стоек и пружина отвода Λ-образной опоры (см. вид Б на фигуре 2).
На фигуре 5 изображено взаимное положение КА и Λ-образной опоры после срабатывания замка и отвода опоры от КА.
Конструкция устройства Λ-образной опоры для крепления КА состоит из следующих элементов:
- стоек, выполненных, например из труб, являющихся силовыми элементами, воспринимающими нагрузки от КА при полете РН на участке выведения, жестко соединенных своими верхними концами посредством кронштейна, и с шарнирами на нижних концах, установленных в плоскости стоек на одной оси вращения;
- устройства удержания (связи) КА на несущей конструкции РН с помощью замка, механический узел которого установлен в стыке между верхней частью КА и кронштейном, соединяющим верхние концы стоек, а пиротехнический узел замка установлен на несущей конструкции РН, механический и пиротехнические узлы связаны между собой пружинно-тросовой системой;
- устройства разворота и отвода опоры от КА после срабатывания замка, состоящего из шарнирных узлов и пружин растяжения (или пружин кручения, как в техническом решении-прототипе), одни концы которых закреплены на стойках, а другие - на несущей конструкции. Пружины установлены в натянутом состоянии и закреплены на нижних концах стоек Λ-образной опоры выше шарнирных узлов для создания момента разворота стоек относительно шарниров.
ц.м.
Устройство для крепления КА 1 на несущей конструкции 2 содержит СО 3, установленную между нижней частью КА 1 и несущей конструкцией 2, и подпружиненную Λ-образную опору 4, состоящую из стоек 9, установленных между несущей конструкцией 2 и верхней частью КА 1. Верхние концы стоек 9 жестко соединены друг с другом кронштейном (фитингом) 10. В стыке между кронштейном 10 и верхней частью КА 1 установлен механический узел 5 замка, например, рычажного типа, обеспечивающий механическую связь между Λ-образной опорой 4 и КА 1 в исходном положении путем удержания (захвата) сферы 6, закрепленной на оси 7 кронштейна 8, неподвижно установленного на КА 1 (см. фигуру 3). Механический узел 5 замка размещен выше положения ц. м. КА 1 (расстояние L от плоскости стыка КА 1 с СО 3 до места установки замка превышает расстояние L от плоскости стыка КА 1 с СО 3 до ц.м. КА 1, см. фигуры 1 и 5).
Силовыми элементами Λ-образной опоры 4 являются стойки 9 (например, трубчатого сечения), в верхней части соединенные между собой с помощью кронштейна 10, на который установлен механический узел 5 замка (см. фигуры 2 и 3), а на нижних концах стоек 9 размещены концевые фитинги 11 с шарнирами 12, закрепленными с помощью осей 13 на кронштейнах 14, неподвижно установленных на несущей конструкции 2 (см. фигуру 4). Шарниры 12 установлены по одной линии (оси шарниров 12 расположены на одной линии) в плоскости стоек, т.е. в плоскости Λ-образной опоры 4. Стойки 9 имеют возможность вращения относительно осей 13, лежащих на одной линии вращения, после срабатывания замка 5.
Пиротехнический узел 17 замка (например, пирочека) установлен на несущей конструкции 2 и связан с механическим узлом 5 замка пружинно-тросовой системой 18.
Λ-образная опора 4 выполнена подпружиненной, например, на стойках 9, между их нижними концами и механическим узлом 5 замка закреплены пружины растяжения 15, связанные с несущей конструкцией 2 (достаточно установки одной пружины 15, закрепленной на любой из стоек 9). При этом один конец пружины 15 закреплен на стойке 9 между шарнирами 12 и механическим узлом 5 замка, а другой конец пружины 15 закреплен на кронштейне 16 (см. фигуру 4), установленном на несущей конструкции 2 с возможностью регулировки своего положения для обеспечения заданного усилия растяжения пружины 15.
В исходном (наклонном) положении КА 1 закреплен своей нижней частью на СО 3 и опирается своей верхней частью на подпружиненную Λ-образную опору 4 (см. фигуру 1). При этом элементы устройства находятся в следующем положении:
- механический узел 5 замка, установленный между верхней частью опоры 4 и КА 1 выше положения ц.м. КА 1, находится в зафиксированном (зачекованном) состоянии, его рычаги контактируют со сферой 6 (удерживают сферу 6), закрепленной через ось 7 на кронштейне 8, установленном на КА 1 (см. фигуру 3);
- Λ-образная опора 4 своими нижними концами закреплена через шарниры 12 на несущей конструкции 2 под заданным углом по отношению к продольной оси несущей конструкции 2 (плоскость установки Λ-образной опоры 4 и продольная ось КА 1 пересекаются);
- пружины 15 одними концами закреплены на опоре 4 (на нижних концах трубчатых стержней 9), а другими концами - на кронштейнах 16, установленных на несущей конструкции 2, пружины 15 находятся в растянутом состоянии (см. фигуру 4);
- механический 5 и пиротехнический 17 узлы замка дистанционно связаны пружинно-тросовой системой 18.
Устройство для крепления КА работает следующим образом.
На участке выведения КА 1 закреплен своей нижней частью на СО 3 и опирается своей верхней частью на Λ-образную опору 4. При этом нагрузки, действующие на КА 1, распределяются между СО 3 и Λ-образной опорой 4. Перед отделением КА 1 от несущей конструкции Λ-образная опора 4 отводится от конструкции КА 1. После срабатывания пиротехнического узла (например, пирочеки) 17 (см. фигуры 1, 2, 5) через пружинно-тросовую систему 18 срабатывает механический узел 5 замка, при этом освобождается сфера 6, закрепленная на КА 1 (через ось 7 и кронштейн 8), связь между КА 1 и Λ-образной опорой 4 нарушается. Под действием усилий растянутых пружин 15 Λ-образная опора 4 поворачивается на шарнирах 12 и отходит от КА 1 (см. фигуру 5). Далее срабатывают замки и толкатели (на фигурах условно не показаны) СО 3. При необходимости возможен предварительный разворот КА 1 (в сторону от продольной оси РН) на заданный угол для ее последующего отделения от несущей конструкции 2.
Расчеты, проведенные авторами, и стендовые испытания предложенного устройства в составе отработочных образцов показали значительную эффективность установки подпружиненной Λ-образной опоры с жестко соединенными стойками между несущей конструкцией и верхней частью КА выше его ц.м. и создание двухопорной схемы крепления КА. Для малого КА массой 160 кг, размещенного на несущей конструкции с наклоном (в сторону продольной оси РН) под углом 22°, предложенное устройство опоры и схема ее установки позволили обеспечить необходимые жесткостные параметры установки КА как в продольном, так и в поперечном направлениях и уменьшить ударные нагрузки на КА при его отделении от несущей конструкции РН.
Следует отметить, что установка опоры в верхней части КА будет эффективна не только при наклонном расположении КА на несущей конструкции, но и при вертикальном размещении КА, особенно для крупногабаритных КА с высоко расположенным ц.м. (в этом случае продольная ось КА параллельна продольной оси РН).
Заявленное устройство для крепления КА по сравнению с прототипом и аналогами обладает существенными отличиями и позволяет увеличить жесткость установки КА на несущую конструкцию с одновременным уменьшением нагрузок на КА и СО, а также уменьшить перемещения верхней части КА в зоне его размещения под обтекателем РН.