УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ И ПОСЛЕДУЮЩЕГО РАЗДЕЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ
STRUCTURAL ELEMENT CONNECTOR/DISCONNECTOR

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к устройствам для соединения элементов конструкции и их быстрого последующего разделения в процессе эксплуатации, и преимущественно может быть использовано в ракетно-космической технике для стыковки ступеней ракеты-носителя, ракеты-носителя с космическим аппаратом или космического аппарата с его отделяемым элементом и последующего их разделения в процессе полета.
Устройства для соединения и последующего разделения элементов конструкции на основе использования для разделения пиротехнического привода или разрывного болта с детонирующим рабочим зарядом широко используются в ракетно-космической технике. Одними из основных проблем, возникающих при создании таких устройств, являются:
- снижение ударных импульсов, воздействующих на разделяемые элементы конструкции в результате срабатывания пиротехнического привода или детонирующего рабочего заряда, поскольку указанные ударные импульсы, во-первых, оказывают отрицательное влияние на бортовую аппаратуру разделяемых элементов конструкции, а во-вторых, приводят к возникновению вращающих моментов, приложенных к разделяемым элементам конструкции;
- предотвращение истечения из внутреннего объема устройства продуктов сгорания или детонации рабочего заряда, которое, с одной стороны, также приводит к возникновению вращающих моментов, приложенных к разделяемым элементам конструкции. С другой стороны, продукты сгорания или детонации, вышедшие из внутреннего объема устройства и окружающие космический аппарат в процессе его орбитального функционирования, оказывают отрицательное влияние на работу его бортовой оптической и оптико-электронной аппаратуры.
Известен пиротехнический механизм для разделения частей объекта (SU 576443, 1977), содержащий корпус, поршень, гильзу, соединенную посредством шарикового фиксатора с корпусом, и несущий шток, связанный срезаемой чекой с гильзой. При срабатывании пиротехнического заряда под действием давления продуктов сгорания поршень толкает шток и раскрывает шариковый фиксатор.
Известно также устройство для соединения разделяемых частей объекта (Колесников К.С., Козлов В.И., Кокушкин В.В. Динамика разделения ступеней летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1977, с.20, рис.1.14), которое содержит корпус, в котором установлены патронник с пиропатронами, гильза, шток и резьбовые вкладыши с опорными буртиками. При инициировании пиропатронов под действием давления продуктов сгорания гильза перемещается в корпусе и сходит с опорных буртиков резьбовых вкладышей, производя раскрытие стыка между разделяемыми элементами конструкции.
Указанные известные устройства не содержат элементов, снижающих воздействие ударных импульсов на разделяемые элементы конструкции в результате срабатывания пиротехнического привода, а также элементов, предотвращающих истечение из внутреннего объема устройства через зазоры продуктов сгорания рабочего заряда.
Наиболее близким к настоящему изобретению по технической сущности является известное устройство для быстрого разделения частей космического аппарата или ракетного блока (RU 2321527, 2008).
Указанное устройство, являющееся ближайшим аналогом, содержит цилиндрический корпус, состоящий из двух частей, снабженных элементами крепления к соединяемым элементам конструкции, соединяющую части корпуса гильзу в виде полого со стороны головки разрывного болта, конец и головка которого соединены соответственно с одной и второй частями корпуса, разделяющий элемент в виде поршня со штоком, установленным в полости разрывного болта, и установленный со стороны поршня рабочий заряд со средством приведения его в действие. Разрывной болт имеет кольцевую проточку, выполнение которой обеспечивает образование утонченной калиброванной шейки, подлежащей разрыву при разделении.
Для снижения действия ударного импульса на элементы конструкции указанное известное устройство, во-первых, снабжено кольцеобразным амортизирующим элементом, который имеет П-образное сечение, установлен на штоке поршня между поршнем и внутренним торцом полости разрывного болта и подлежит необратимой деформации при движении поршня. Во-вторых, в головке разрывного болта выполнены сквозные каналы, входные отверстия которых расположены на внутренней цилиндрической поверхности головки в месте расположения поршня, а выходные отверстия - на внешней торцевой поверхности головки со стороны стержня разрывного болта. При разрушении шейки разрывного болта движущимся штоком с поршнем указанные сквозные каналы открываются и обеспечивают дросселирование газообразных продуктов детонации в пространство под головку разрывного болта, снижая их воздействие на поршень после разрушения шейки разрывного болта, а также откат головки разрывного болта с оставшейся частью его стержня. И, в-третьих, известное устройство снабжено колпачком-ловителем с установленным внутри его амортизирующим элементом, который закреплен на шпангоуте одного из элементов конструкции и после разрыва шейки разрывного болта ограничивает движение части корпуса устройства с закрепленным в ней концом разрывного болта, а также снижает действие ударного импульса на этот элемент конструкции за счет амортизирующего элемента.
Вместе с тем, несмотря на принятые меры, авторам являющегося ближайшим аналогом известного технического решения, среди которых есть и авторы настоящего изобретения, не удалось снизить ударные импульсы, действующие на разделяемые элементы конструкции, до значений, которые были бы меньше значений, определяемых нормативными документами в качестве допустимых при транспортировке бортовой аппаратуры ракетно-космической техники наземным, морским и воздушным транспортом. С одной стороны, это приводит к отрицательному влиянию ударных импульсов на бортовую аппаратуру разделяемых элементов конструкции, а, с другой стороны, накладывает существенные ограничения на размещение бортовой аппаратуры на элементах конструкции, что ухудшает габаритно-массовые характеристики объектов ракетно-космической техники. Кроме того, это вызывает возникновение вращающих моментов, приложенных к разделяемым элементам конструкции.
В указанном известном устройстве, являющемся ближайшим аналогом, дросселирование газообразных продуктов детонации с использованием сквозных каналов, выполненных в головке разрывного болта, с одной стороны, в некоторой степени снижает их давление, что положительно сказывается на предотвращении выхода газообразных продуктов детонации из внутреннего объема устройства. Но, с другой стороны, при этом газообразные продукты детонации через указанные сквозные каналы поступают в пространство под головку разрывного болта, откуда облегчается их выход наружу через зазоры между частью корпуса и наружной поверхностью головки разрывного болта, а также между частью корпуса и наружной поверхностью стержня разрывного болта. Кроме того, истечение газообразных продуктов детонации происходит через зазоры между внутренней поверхностью разрывного болта и поверхностью поршня со штоком. Во-первых, это приводит к возникновению вращающих моментов, приложенных к разделяемым элементам конструкции. Во-вторых, продукты детонации, вышедшие из внутреннего объема устройства и окружающие космический аппарат в процессе его орбитального функционирования, оказывают отрицательное влияние на работу его бортовой оптической и оптико-электронной аппаратуры.
Задачами настоящего изобретения являются снижение ударных импульсов, действующих на разделяемые элементы конструкции, а также повышение степени герметичности устройства.
Поставленные задачи решены согласно настоящему изобретению тем, что устройство для соединения и последующего разделения элементов конструкции, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, корпус, состоящий из двух частей с элементами крепления к элементам конструкции, разрывной болт, установленный в отверстии первой части корпуса, соединенный концом и головкой соответственно с первой и второй частями корпуса и выполненный полым со стороны головки, поршень со штоком, установленным в полости разрывного болта, амортизирующий элемент и рабочий заряд со средством приведения его в действие, установленный во второй части корпуса со стороны расположения поршня, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено амортизирующей вставкой, выполненной в форме полого усеченного конуса, установленной в выполненной в отверстии первой части корпуса конической проточке и охватывающей выполненный у разрывного болта конический переход между его стержнем и головкой, в отверстии полости разрывного болта со стороны расположения поршня выполнена коническая проточка, на боковой поверхности поршня со стороны расположения штока выполнена кольцевая проточка, поршень снабжен коническим переходом от кольцевой проточки к штоку, а амортизирующий элемент выполнен в виде полого цилиндра, охватывающего кольцевую проточку поршня и частично конический переход поршня, причем амортизирующая вставка и амортизирующий элемент выполнены из пластичного необратимо деформируемого материала.
При этом амортизирующая вставка и амортизирующий элемент выполнены из пластичного необратимо деформируемого материала, характеризуемого относительным удлинением 18-50% и остаточным сужением площади поперечного сечения при разрыве 50-80%, например из алюминия, пеноалюминия или меди, а между коническим переходом и головкой разрывного болта выполнена кольцевая проточка.
Выполнение в отверстии полости разрывного болта со стороны расположения поршня конической проточки, выполнение на боковой поверхности поршня со стороны расположения штока кольцевой проточки, снабжение поршня коническим переходом от кольцевой проточки к штоку, а также выполнение амортизирующего элемента из пластичного необратимо деформируемого материала в виде полого цилиндра, охватывающего кольцевую проточку поршня и частично конический переход поршня, обеспечивают снижение ударных импульсов, действующих на разделяемые элементы конструкции, а также повышение степени герметичности устройства.
При таком техническом решении амортизирующий элемент в виде полого цилиндра охватывает боковую поверхность проточки поршня и частично конический переход поршня. Это позволяет выполнить цилиндрический амортизирующий элемент с высотой, которая существенно превышает значение высоты амортизирующего элемента ближайшего аналога, не превышающее из-за особенностей конструкции величины рабочего хода поршня. Естественно, что больший габаритный размер амортизирующего элемента, вдоль которого происходит его необратимая деформация, требует больших затрат кинетической энергии движения поршня для его деформации, что обеспечивает снижение ударных импульсов, действующих на оба разделяемых элемента конструкции. Когда при инициировании рабочего заряда поршень со штоком приходят в движение, амортизирующий элемент, упирающийся в образовавшийся за счет выполненной кольцевой проточки фланец поршня, двигается вместе с поршнем, попадает в зазор между конической проточкой отверстия полости разрывного болта и коническим переходом поршня и необратимо деформируется в этом зазоре. Деформация амортизирующего элемента из пластичного необратимо деформируемого материала, изначально имеющего форму полого цилиндра, в зазоре между двумя коническими поверхностями конической проточки разрывного болта и конического перехода поршня также требует затрат большей кинетической энергии поршня по сравнению со случаем деформации между поверхностями, перпендикулярными направлению движения поршня, как это предусмотрено в устройстве, являющемся ближайшим аналогом. Это обеспечивает дополнительное снижение ударных импульсов, действующих на оба разделяемых элемента конструкции.
Кроме того, деформация амортизирующего элемента из пластичного необратимо деформируемого материала в зазоре между двумя именно коническими поверхностями конической проточки разрывного болта и конического перехода поршня обеспечивает заполнение пластичным необратимо деформированным материалом не только зазора между указанными двумя коническими поверхностями, но и зазора между цилиндрической поверхностью полости разрывного болта и цилиндрической поверхностью штока поршня, что обеспечивает дополнительную герметизацию и препятствует выходу газообразных продуктов детонации.
Снабжение устройства для соединения и последующего разделения элементов конструкции амортизирующей вставкой, выполненной в форме полого усеченного конуса из пластичного необратимо деформируемого материала, установленной в выполненной в отверстии первой части корпуса конической проточке и охватывающей выполненный у разрывного болта конический переход между его стержнем и головкой, обеспечивает необратимую деформацию амортизирующей вставки между поверхностью конической проточки отверстия первой части корпуса и поверхностью конического перехода между стержнем и головкой разрывного болта, которая возникает при поступательном движении стержня с коническим переходом после разрушения разрывного болта вдоль его кольцевой проточки. Указанная деформация требует затрат кинетической энергии движения стрежня разрушенного разрывного болта, что приводит к снижению ударного импульса, который воздействует на первую часть корпуса и, следовательно, на элемент конструкции, к которому прикреплена первая часть корпуса. Дополнительное снижение величины ударного импульса, воздействующего на первую часть корпуса, имеет важное значение потому, что при использовании заявляемого устройства по назначению первая часть корпуса устройства устанавливается на космическом аппарате, подлежащем отделению от закончившей активный участок полета ракеты-носителя, или на ступени ракеты-носителя, начинающей активный участок полета после отделения от закончившей активный участок полета предыдущей ступени, то есть на том элементе конструкции, на котором после разделения начинает работать бортовая аппаратура, чувствительная к воздействию ударных импульсов.
Отмеченное свидетельствует о решении декларированных выше задач настоящего изобретения благодаря наличию у устройства для соединения и последующего разделения элементов конструкции перечисленных выше отличительных признаков.
На фиг.1 показан продольный разрез устройства для соединения и последующего разделения элементов конструкции в состоянии, предшествующем разделению элементов конструкции, где 1 - первая часть корпуса, 2 - вторая часть корпуса, 3 - головка разрывного болта, 4 - стержень разрывного болта, 5 - конический переход разрывного болта, 6 - кольцевая проточка разрывного болта, 7 - поршень, 8 - шток, 9 - кольцевая проточка поршня, 10 - конический переход поршня, 11 - фланец поршня, 12 - амортизирующий элемент, 13 - коническая проточка разрывного болта, 14 - коническая проточка первой части корпуса, 15 - амортизирующая вставка, 16 - рабочий заряд, 17 - электродетонатор, 18 - стакан, 19 - спиральная пружина, 20 - гайка, 21 - первый фланец крепления, 22 - второй фланец крепления, 23 - первая накидная гайка, 24 - вторая накидная гайка и 25 - амортизатор.
На фиг.2 показан продольный разрез устройства для соединения и последующего разделения элементов конструкции в состоянии после разделения элементов конструкции.
Устройство для соединения и последующего разделения элементов конструкции содержит первую часть 1 корпуса и вторую часть 2 корпуса, которые выполнены цилиндрическими по форме и снабжены элементами крепления к соединяемым элементам конструкции в виде соответственно первого фланца 21 крепления с первой накидной гайкой 23 и второго фланца 22 крепления со второй накидной гайкой 24. На посадочных поверхностях первого и второго фланцев 21 и 22 крепления и первой и второй накидных гаек 23 и 24 установлены амортизаторы 25, каждый из которых содержит амортизирующий элемент в виде кольца из эластомерного материала, например из резины, из полиуретана или из искусственного каучука, и охватывающий его элемент ограничения поперечной деформации амортизирующего элемента в виде накидной шайбы с буртом.
Устройство содержит разрывной болт, содержащий стержень 4 разрывного болта с резьбой на его конце, полую головку 3 разрывного болта и конический переход 5 разрывного болта между стержнем 4 разрывного болта и головкой 3 разрывного болта. Между коническим переходом 5 разрывного болта и головкой 3 разрывного болта выполнена кольцевая проточка 6 разрывного болта, в результате чего образована утонченная калиброванная шейка, подлежащая разрыву при разделении элементов конструкции. Устройство содержит амортизирующую вставку 15, которая выполнена в форме полого усеченного конуса из пластичного необратимо деформируемого материала, характеризуемого относительным удлинением 18-50% и остаточным сужением площади поперечного сечения при разрыве 50-80%, например из алюминия, пеноалюминия или меди.
В первой части 1 корпуса выполнено отверстие с конической проточкой 14 первой части корпуса. Стержень 4 разрывного болта с надетой на него амортизирующей вставкой 15 вставлен в отверстие первой части 1 корпуса и прикреплен к ней через стакан 18, подпружиненный сжатой спиральной пружиной 19, с помощью гайки 20. В результате этого амортизирующая вставка 15 установлена в конической проточке 14 первой части корпуса и охватывает конический переход 5 разрывного болта. Для плотного прилегания к поверхности конической проточки 14 первой части корпуса амортизирующая вставка 15 содержит цилиндрическую часть, упирающуюся в головку 3 разрывного болта.
Устройство содержит поршень 7 со штоком 8. На боковой поверхности поршня 7 со стороны расположения штока 8 выполнена кольцевая проточка 9 поршня, в результате чего образован фланец 11 поршня. Между кольцевой проточкой 9 поршня и штоком 8 выполнен конический переход 10 поршня. Устройство содержит амортизирующий элемент 12, который выполнен в форме полого цилиндра из пластичного необратимо деформируемого материала, характеризуемого относительным удлинением 18-50% и остаточным сужением площади поперечного сечения при разрыве 50-80%, например из алюминия, пеноалюминия или меди, и установлен на кольцевой проточке 9 поршня с упором одной стороной во фланец 11 поршня и с нависанием другой стороной над коническим переходом 10 поршня.
В отверстии, выполненном в полости головки 3 разрывного болта, выполнена коническая проточка 13 разрывного болта. Поршень 7 с надетым на него амортизирующим элементом 12 вставлен в отверстие, выполненное во второй части 2 корпуса, шток 8 вставлен в отверстие, выполненное в полости головки 3 разрывного болта, а головка 3 разрывного болта присоединена ко второй части 2 корпуса с помощью резьбового соединения.
Во второй части 2 корпуса со стороны расположения фланца 11 поршня установлен фигурный рабочий заряд 16, выполненный на основе пластичного взрывчатого вещества, например типа ЭВВ-75В, и электродетонатор 17 в качестве средства приведения его в действие.
При соединении элементов конструкции первую часть 1 корпуса и вторую часть 2 корпуса устройства для соединения и последующего разделения элементов конструкции устанавливают в отверстиях, выполненных в шпангоутах соединяемых элементов конструкции, и зажимают шпангоуты между первым фланцем 21 крепления и вторым фланцем 22 крепления и соответственно первой накидной гайкой 23 и второй накидной гайкой 24 через амортизаторы 25.
При подаче команды на разделение элементов конструкции срабатывает электродетонатор 17, в результате чего происходит детонация рабочего заряда 16. Под действием давления продуктов детонации на фланец 11 поршня поршень 7 двигается (на чертежах - влево) и воздействует своим штоком 8 на внутренний торец отверстия головки 3 разрывного болта. Указанное ударное воздействие вызывает разрушение разрывного болта по утонченной калиброванной шейке, образованной кольцевой проточкой 6 разрывного болта, в результате чего происходит разделение первой части 1 корпуса и второй части 2 корпуса вместе с соединенными элементами конструкции (см. фиг.2).
Одновременно вместе с поршнем 7 движется амортизирующий элемент 12, увлекаемый фланцем 11 поршня. При достижении амортизирующим элементом 12 конической проточки 13 разрывного болта происходит необратимая деформация амортизирующего элемента 12, в результате чего, во-первых, поглощается кинетическая энергия движения поршня 7 со штоком 8, обеспечивая снижение воздействия на оба элемента конструкции ударного импульса, и, во-вторых, происходит прессование материала деформируемого амортизирующего элемента 12 между поверхностями конической проточки 13 разрывного болта и конического перехода 10 поршня. В результате зазор между поверхностями конической проточки 13 разрывного болта и конического перехода 10 поршня, зазор между штоком 8 и внутренней цилиндрической поверхностью головки 3 разрывного болта, зазор между внутренней торцевой поверхностью головки 3 разрывного болта и торцевой поверхностью второй части 2 корпуса вокруг поршня 7 и зазор между поверхностью кольцевой проточки 9 поршня и цилиндрической поверхностью отверстия второй части 2 корпуса, в котором установлен поршень 7, оказываются заполненными спрессованным материалом деформированного амортизирующего элемента 12, что препятствует выходу через эти зазоры наружу газообразных продуктов детонации.
Движущийся после разрушения разрывного болта вместе со стержнем 4 разрывного болта конический переход 5 разрывного болта воздействует на амортизирующую вставку 15, в результате чего происходит ее необратимая деформация между поверхностью конической проточки 14 первой части корпуса и поверхностью конического перехода 5 разрывного болта. При этой необратимой деформации амортизирующей вставки 15 поглощается кинетическая энергия движения стержня 4 разрывного болта и конического перехода 5 разрывного болта, обеспечивая дополнительное снижение воздействия ударного импульса на элемент конструкции, к которому присоединена первая часть 1 корпуса. При этом разжимается спиральная пружина 19 и, воздействуя через стакан 18 и гайку 20 на стержень 4 разрывного болта, поджимает конический переход 5 разрывного болта к материалу деформированной амортизирующей вставки 15, обеспечивая фиксацию относительно первой части 1 корпуса стержня 4 разрывного болта и конического перехода 5 разрывного болта.
Упругая осевая деформация амортизаторов 25 обеспечивает дополнительное снижение воздействия ударного импульса на оба элемента конструкции, включая и воздействия высокочастотных составляющих ударного импульса. При этом наличие у амортизаторов 25 шайб с буртом препятствует возникновению поперечной деформации их амортизирующих колец.
Авторами настоящего изобретения были изготовлены опытные образцы устройства для соединения и последующего разделения элементов конструкции и проведены их стендовые испытания. Испытания показали, что ударный импульс, действующий при разделении на элемент конструкции, на котором установлена первая часть 1 корпуса, соответствует значениям ускорений, не превышающих 3g, а ударный импульс, действующий при разделении на элемент конструкции, на котором установлена вторая часть 2 корпуса, соответствует значениям ускорений, не превышающих 8g. С учетом того, что указанные значения не превышают максимального значения, которое определено нормативными документами в качестве допустимого при транспортировке бортовой аппаратуры ракетно-космической техники наземным, морским и воздушным транспортом и составляет 8g, использование заявляемого устройства не накладывает ограничений на размещение бортовой аппаратуры на разделяемых элементах конструкции.
Таким образом, изобретение обеспечивает снижение ударных импульсов, действующих на разделяемые элементы конструкции, а также повышение степени герметичности устройства.