Замковое устройство для фиксации трансформируемых элементов наноспутника формата CubeSat
LOCKING DEVICE FOR FIXING TRANSFORMABLE ELEMENTS OF CUBESAT NANOSATELLITE

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для фиксации и расфиксации элементов конструкции космического аппарата нанокласса, в частности, антенн и антенных комплексов, штанг научной аппаратуры, панелей солнечных батарей, аэродинамических стабилизаторов, крышек отсеков и бленд оптической аппаратуры и подобных трансформируемых устройств.
Известно также следующее устройство для фиксации и разделения частей конструкции, содержащее замок на основе болтового соединения (RU 2539710).
Недостатком данного устройства является наличие как пиротехнического агрегата, так и электрического оборудования для его инициирования в заданный момент времени. Устройство имеет значительные габариты, массу и большое количество составных элементов, относительно сложных и дорогих в изготовлении. Пиротехнические агрегаты относятся к критичным элементам конструкции, т.е. элементам разового применения, работоспособность которых нельзя проверить при испытаниях без их непосредственного срабатывания. Наличие пиротехнических элементов повышает требования безопасности при наземной отработке космического аппарата. На космических аппаратах стандарта CubeSat недопустимо использование пиротехнических элементов вследствие ограничений стандарта.
Известно также устройство для отделения ракеты по патенту (Патент 2401414 RU С1) имеющее в своем составе расплавляемый чувствительный элемент в виде струны, расположенный в зоне воздействия раскаленных газов реактивной струи ракетного двигателя.
Недостатком данного устройства разделения является зависимость времени срабатывания от включения реактивного двигателя, которое происходит независимо от скорости полета. Также недостатком является ограничение места расположения отделяемого элемента зоной воздействия реактивной струи или необходимость передачи управляющего усилия или сигнала от зоны действия реактивной струи на место крепления наружного отделяемого элемента, например, обтекателя. Данное устройство возможно использовать только при наличии на борту наноспутника реактивных двигателей с высокой температурой реактивной струи.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является полезная модель для фиксации и расфиксации отделяемых в процессе эксплуатации частей изделия от корпуса (патент РФ №0000175109), которая содержит фиксатор, расположенный в зоне аэродинамического нагрева летательного аппарата.
Существенным недостатком данной модели является то, что отделяемый элемент расфиксируется путем интенсивного аэродинамического нагрева и расплавления фиксатора. Что сильно ограничивает область применения данной модели в частности на космическом аппарате. Характеристики процесса расфиксации сильно зависят оп аэродинамических параметров окружающей среды, в которой происходит движение аппарата, что делает затруднительным моделирование и расчет процесса расфиксации. Данное техническое решение не применимо для наноспутников, так как они осуществляют полет на высотах, при которых не происходит аэродинамического нагрева конструкции.
Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение надежности фиксации и расфиксации элементов конструкции наноспутника формата CubeSat. Снижение количества элементов и отдельных замков, участвующих в процессе расфиксации, снижение массы устройства, а также обеспечение многократной фиксации и расфиксации в процессе наземной отработки.
Поставленная задача решается тем, что корпус замка и фиксируемого элемента изготовлены из металла с высоким коэффициентом теплопроводности и смачиваемости легкоплавкими припоями, например из сплава на основе меди, что позволяет выполнять многократную спайку-распайку, обеспечивая требуемую фиксацию-расфиксацию, раскрытие замка происходит при подаче тока на нагревательные элементы, установленные в корпусе, тепло от нагревателей передается на термопроводящий компаунд, нагревающий корпус замка, что переводит легкоплавкий припой в жидкую фазу и под действием внешней силы, например пружины сжатия, фиксируемый элемент перемещается на заданную величину хода и полностью либо частично выходит из корпуса замка, при этом регулировка величины хода обеспечивается в зависимости от решаемой задачи дополнительными элементами конструкции наноспутника, а приведение замка в закрытое положение выполняется в обратном порядке, при этом, корпус замка изолирован от фиксируемых конструкций наноспутника с помощью термоизолирующей втулки изготовленной, например, из фторопласта, позволяющей изолировать тепловую энергию, выделяемую двумя нагревательными элементами размещенными в корпусе замка, тем самым, повышая эффективность нагрева легкоплавкого припоя (например сплава Розе), что снижает время раскрытия, а наличие двух нагревательных элементов обеспечивает дублирование и гарантирует срабатывание замка даже при отказе одного из нагревательных элементов, повышая надежность замка. Также стоит отметить, что в отличие от прототипа замок обладает многоразовым действием.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, на которых показано:
На фиг. 1 изображен замок в зафиксированном положении.
На фиг. 2 изображен замок в расфиксированном положении с заданной величиной хода расфиксации.
На фиг. 3 изображен замок в расфиксрованном положении с полным разделением фиксируемых элементов.
Замок представляет собой корпус 1 (Фиг. 1) выполненный из металла с высоким коэффициентом теплопроводности и смачиваемости легкоплавкими припоями, например из алюминиевого или медного сплава, внутри корпуса выполнены соответствующие посадочные места для установки нагревательных элементов 3 в качестве которых могут выступать стандартные выводные резисторы соответствующей мощности закрепляемые в корпусе 1 при помощи термопроводящего компаунда 6 обеспечивающего механическую фиксацию нагревательных элементов и повышающего передачу тепловой энергии от нагревателей на корпус. Корпус механически закрепляется на одном из фиксируемых элементов конструкции наноспутника при помощи винтов 8.
В центральной части корпуса выполнен осевой канал, в который с минимально необходимыми зазорами для обеспечения спаиваемости входит фиксируемый поводок 2 механически соединенный со вторым фиксируемым элементом конструкции МКА. Фиксация замка осуществляется следующим образом: легкоплавкий припой 6 вносится в образующийся зазор и при подаче тока, соответствующей величины на нагревательные элементы 3 корпус и поводок прогреваются до температуры плавления легкоплавкого припоя. Припой расплавляется и после прекращения подачи тока и остывания конструкции до температуры кристаллизации припоя обеспечивается надежная фиксация поводка 2 с корпусом замка 1. При этом в процессе кристаллизации легкоплавкого припоя элементы конструкции МКА, фиксируемые предлагаемым замковым устройством, соединяют между собой при помощи технологических элементов, например, винтов, для обеспечения протекания процесса кристаллизации места спайки без возникновения внутренних дефектов в паянном соединении, вызванных непроизвольным относительным перемещением корпуса относительно поводка.
Расфиксация замка может выполняться, как частично (Фиг. 2), при этом поводок и корпус полностью не размыкаются и в зоне непосредственного соприкосновения остается припой и после остывания и кристаллизации припоя обеспечивается дополнительная относительная фиксация поводка относительно корпуса, так и полностью (Фиг. 3).
При этом фактический ход расстыковки определяется целевой задачей и фиксируемыми элементами конструкции МКА. При полном расхождении поводка и корпуса замка поверхность поводка и внутренняя поверхность корпуса остаются смоченными припоем. Предотвращение разбрызгивания припоя во время расстыковки обеспечивается силами поверхностного натяжения расплавленного припоя.
Для обеспечения более эффективного прогрева замка и минимизации потерь тепловой энергии на нагрев окружающих элементов конструкции МКА, корпус замка помещен в изолирующий кожух 4 выполненный из материала с низким коэффициентом теплопроводности, например, фторопласта. Наличие кожуха существенно снижает тепловые потери на нагрев элемента 7 являющегося частью конструкции наноспутника и позволяет сконцентрировать тепловую энергию, выделяемую нагревателями 3 в объеме корпуса 1, что положительно сказывается на быстродействии и энергоэффективности замкового устройства.
Подключение нагревателей 3 к бортовой сети МКА выполняется параллельно что обеспечивает дублирование нагревателей по схеме горячего резерва. Конструкция замка обеспечивает срабатывание при работе хотя бы одного из нагревателей, с некоторым увеличением времени расфиксации.