Детонационное устройство для соединения и последующего разделения элементов конструкции ракет и космических аппаратов
DETONATION DEVICE FOR CONNECTION AND SUBSEQUENT SEPARATION OF ROCKET AND SPACECRAFT STRUCTURE ELEMENTS

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к устройствам крепления (стыковки) и разделения частей космического объекте (космического аппарата или ракетного блока) или ракеты, срабатывающих при подаче на них электрической команды и использующих для совершения необходимой работы энергию горения или взрыва энергонасыщенных конденсированных систем - порохов, пиротехнических составов, ракетных и специальных топлив или бризантных взрывчатых веществ. Вне зависимости от вида используемой энергии будем их условно называть пиромеханическими устройствами. Такое наименование исторически сложилось в среде разработчиков средств и систем пироавтоматики и, несмотря на принципиальные различия в механизмах протекания этих двух видов взрывчатого превращения, в принципе, не противоречит общепризнанным основополагающим канонам физики горения и взрыва.
Общеизвестны (1. Расчет и проектирование систем разделения ступеней ракет: Учеб. пособие / К.С. Колесников, В.В. Кокушкин, С.В. Борзых, Н.В. Панкова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 376 с., С. 40-41, фиг. 1.23 2. Устройство ракет-носителей (вспомогательные системы): Учеб. пособие / Л.П. Юмашев; Самар. гос. аэрокосм. ун-т. Самара, 1999. - 190 с., С. 60-61, фиг. 1.33) разрывные болты (РБ), не совсем корректно именуемые в цитируемых источниках пироболтами. Конструктивно РБ представляет собой болт с шестигранной головкой под ключ, имеющий со стороны головки глухой осевой канал, в котором размещены заряд бризантного взрывчатого вещества (ВВ) в виде прессованной шашки со средством взрывания - электродетонатором (ЭД). В районе размещения шашки ВВ на внешней части тела болта выполнена калиброванная кольцевая коническая проточка (так называемая «шейка»), по которой осуществляется разрушение болта при подрыве заряда ВВ. Несмотря на простоту конструкции и достаточно высокую надежность и единообразие действия РБ описанной традиционной схемы практически не используются в современной ракетной технике и полностью не используются на космических объектах. Причина кроется в большом количестве присущих им недостатков. К ним относятся большие импульсы последействия, требующие дополнительного задействования механизмов стабилизации и ориентации (двигателей малой тяги) после срабатывания РБ, большие ударные нагрузки, отрицательно сказывающиеся на работе служебной, целевой, научной аппаратуры, чувствительных, прицезионных устройств, элементов гидро- и пневмоавтоматики и т.д. Кроме того, они образуют при срабатывании большое количество высокоскоростных металлических осколков, а также высокотемпературных продуктов детонации основного заряда ВВ и снаряжения электродетонатора, содержащих в своем составе конденсированную фазу-к-фазу (сажу). Осколки и продукты взрыва отрицательно воздействуют на близлежащие элементы конструкции, аппаратуру, приборы, особенно оптические. В заключение отметим, что для разделения элементов конструкции по большому периметру (разделение ступеней ракет, отделение разгонного блока от верхней ступени ракеты-носителя, отделение космического аппарата от разгонного блока и т.д.) требуется установка большого количества РБ; к каждому из них надо подвести электрическое питание для задействования мостиков накаливания электродетонаторов. Это сильно увеличивает нагрузку на бортовые источники питания, требуя повышения их емкостей (следовательно, и габаритов, и массы), усложняет бортовую систему управления, утяжеляет кабельную сеть, снижает помехозащищенность объекта ракетно-космической техники (РКТ).
Известны и широко распространены в РКТ другие точечные средства разделения - пирозамки (1. Расчет и проектирование систем разделения ступеней ракет: Учеб. пособие / К.С. Колесников, В.В. Кокушкин, С.В. Борзых, H.В. Панкова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 376 с., С. 34-39, фиг. 1.15, 1.17-1.21). Принцип работы их заключается в том, что две соединяемые детали, входящие одна в другую, не могут быть разъединены, пока не будут удалены из поверхности сопряжения стопорящие детали (шарики, сегментные или резьбовые вкладыши, цанги и т.п.). В зависимости от типа стопорящих деталей пирозамки подразделяют соответственно на шариковые, с резьбовыми и с сегментными вкладышами, цанговые. Внешне, к примеру, шариковый замок напоминает болт, в головке которого размещены стопорящие детали. С помощью гайки замок соединяет между собой разделяемые элементы конструкции, агрегата. Под давлением газа (от пневмомагистрали) или продуктов сгорания пиросоставов шток, преодолевая усилие пружины, выходит из-под шариков (или вкладышей, цанг), последние утапливаются и освобождают наружный корпус. Достоинством пирозамков по сравнению с РБ является отсутствие осколков, образующихся при их срабатывании, существенно меньшие ударные нагрузки на близлежащие узлы агрегаты, аппаратуру, элементы конструкции, возможность их проектирования на восприятие практически неограниченных осевых нагрузок, возможность многократного их использования при наземной отработке систем отделения. Кроме того, выделяющиеся при срабатывании пирозамков газообразные продукты сгорания обтюрируются и не оказывают нежелательного воздействия на окружающую аппаратуру и элементы конструкции. Однако, они обладают и рядом недостатков, ограничивающих их применение особенно на малых космических аппаратах. Это - относительная сложность их конструкций, достаточно большие массы и габариты, пониженная по сравнению с разрывными болтами надежность. Кроме того, в конструкциях пирозамков для дублирования применяют, как правило, два пироэнергодатчика (пиропатрона), при этом каждый из них имеет для повышения надежности два мостика накаливания; токи срабатывания пиропатронов (ПП) выше, чем электродетонаторов. Время срабатывания ПП и разброс их срабатывания по времени на порядок выше, чем у ЭД. Разброс по давлениям, создаваемым пиропатронами в замкнутом объеме, также очень большой (так, для широко используемых в современных изделиях пиропатронов марок УДП и ПП-22 он составляет ±35%, а для пиропатронов ДП-4 и ПДО -±20%).
Известны принципиально отличающиеся от классических новые конструкции безосколочных, герметичных, низкоимпульсных разрывных болтов, разработанных специально для космической техники (4. ТУ 7288-373-05121441-2012. Болт детонационный. Технические условия. М., Изд-во Госстандарт, 23 с., фиг. А1, А2). Детонационный болт - это РБ так называемого поршневого типа, в котором используются в качестве снаряжения фигурные, монолитные сложной формы заряды из литьевого отверждаемого эластичного ВВ (ЭВВ) массой всего 0,2÷0,4 г. Конструктивно детонационный болт состоит из цилиндрического корпуса с одним или двумя приливами. С одного торца корпуса соосно ему и в приливах выполнены цилиндрической формы полости для установки и крепления электродетонатора и/или концевых элементов трансляторов детонации. С противоположного торца корпуса выполнен цилиндрический канал, в котором размещен поршень со штоком, изготовленный как единая деталь из твердого сплава. На наружной части корпуса со стороны штока с помощью резьбового соединения к корпусу крепится гайка-болт с глухим осевым каналом, соответствующим по диаметру штоку поршня. В районе торцевой стенки этого канала на внешней части гайки-болта выполнена кольцевая калиброванная проточка («шейка»). Поршень со штоком смонтирован таким образом, что сам поршень находится в теле корпуса, а шток - частично в канале гайки-болта. Поршень со штоком может перемещаться в осевом направлении. При детонации рабочего заряда ЭВВ, размещенного под поршнем, последний под действием продуктов детонации приходит в движение и ударяет штоком в торцевую стенку канала в гайке-болте, в результате чего происходит ее разрушение в месте кольцевой проточки. Шток при этом запирает продукты детонации внутри корпуса болта.
Достоинствами детонационного болта на ЭВВ являются:
а) низкий уровень ударных нагрузок при срабатывании, за счет того, что заряд ВВ является рассредоточенным (зона инициирования и рабочая (подпоршневая) зона удалены друг от друга на значительное расстояние и соединены между собой узким каналом), а масса ЭВВ в рабочей зоне составляет 0,1÷0,3 г при общем количестве взрывчатого вещества в болте 0,2÷0,5 г в зависимости от усилия разрыва (20÷80 кН), развиваемого болтом;
б) запирание штоком поршня при его перемещении газообразных продуктов детонации снаряжения болта;
в) отсутствие осколков при разрушении болта.
Существенными недостатками детонационного болта являются ограничение сверху по осевым усилиям на разрыв, развиваемым болтом (для осевых усилий свыше 80 кН применение такого типа РБ становится малоэффективным из-за резкого увеличения их габаритов и массы, а также из-за необходимости использования больших зарядов ВВ), невозможность восприятия поперечных, ортогональных продольной оси изделия нагрузок до разделения частей объектавозможность появления паразитной закрутки отделяемых частей при большом количестве одновременно срабатывающих болтов.
Практически все перечисленные недостатки снимаются в известном устройстве для быстрого разделения частей космического аппарата или ракетного блока по 5. патенту РФ №2321527 (опубл. 10.04.2008) в варианте исполнения фиг. 1 и 2. По принципу действия оно близко к описанному выше детонационному болту на основе ЭВВ, но отличается повышенной сложностью, конструкции, связанной как с изготовлением большого количества деталей по высокому классу точности, так и с их сборкой. Устройство имеет большие габариты и массу, очень высокую стоимость. Наличие в конструкции большого количества подвижных деталей и узлов (подвижная система «полый поршень гильзы - полый шток гильзы - дополнительный поршень») снижает надежность предлагаемого устройства. Предложенные авторами изобретения тонкие каналы в стенке полого поршня гильзы для автоматического дросселирования газообразных продуктов детонации заряда ЭВВ могут в процессе работы забиваться к-фазой, всегда присутствующей в продуктах детонации всех ВВ, что, в конечном счете, негативно отразится на работе устройства.
С экономической точки зрения и в плане повышения надежности действия, простоты конструкции предпочтительными можно считать разработанные специально для сопротивления боковым нагрузкам известные детонационные замки также поршневого типа на ЭВВ (6. ТУ 7288-372-05121441-2012. Замок детонационный. Технические условия. - М., Изд-во Госстандарт, 27 с., фиг. А1). Конструктивно детонационный замок напоминает детонационный болт. Он также имеет составной корпус, состоящий из двух стягиваемых по резьбе частей - верхней и нижней (по чертежу фиг. А1). В нижней части корпуса имеется один или два прилива с полостью (полостями) - зарядной камерой, (камерами) под электродетонатор либо концевой элемент трансляторе детонации. Внутри корпуса имеется соосный корпусу осевой канал, в котором размещен поршень со штоком и основной заряд ЭВВ. Отличие детонационного замка от описанного выше детонационного болта состоит в том, что шток поршня является телом болта с нарезанной на нем резьбой, по которой на болт накручивается гайка, предназначенная для зажатия между нею и частью корпуса устройства шпангоутов частей конструкции, подлежащих разделению. За резьбой на теле штока выполнена кольцевая калиброванная проточка сегментного сечения - «шейка». Основной заряд ЭВВ в форме кольца размещен над поршнем. Через радиальные каналы в корпусе, заполненные дополнительными зарядами ЭВВ (усилители и раздатчики), кольцевая канавка в корпусе над поршнем с основным зарядом связана с полостью в корпусе (каморой), в которую вмонтировано инициирующее устройство электродетонатор либо концевой элемент транслятора детонации. В нижней части корпуса - запоршневом пространстве замка размещен сминаемый демпфер, удерживаемый резьбовой крышкой, навинчиваемой на корпус. Для устранения возможности прорыва раскаленных газообразных продуктов детонации, содержащих к тому же и большое количество конденсированной фазы, поршень и шток снабжены уплотнительными кольцами.
Основной заряд ЭВВ в рабочей зоне детонационного замка составляет 0,18÷0,40 г в зависимости от прочности разрыва шейки штока (от 30 до 180 кН). Чтобы не прибегать к чрезмерно большим массам ЭВВ, часто на практике выполняют осевое сверление в теле штока со стороны резьбовой части на глубину, чуть заходящую за кольцевую проточку - «шейку».
Преимуществами детонационного замка перед детонационным болтом являются повышенные осевые нагрузки, выдерживаемые устройством, возможность изготовления таких элементов устройства, как поршень со штоком из тех же конструкционных материалов, что и корпус; существенное снижение ударных нагрузок при срабатывании за счет применения в конструкции амортизатора - сминаемого демпфера из пластичного необратимо деформируемого материала (например, из алюминия, пеноалюминия, меди) до значений, которые будут меньше значений, определяемых нормативными документами в качестве допустимых, при транспортировке бортовой аппаратуры ракетно-космической техники морским и воздушным транспортом; снижение вероятности прорыва в полости разделяемых элементов конструкции продуктов детонации за счет установки на боковой поверхности поршня и штока одного или нескольких уплотнительных колец из полимерного материала, стойкого к агрессивной среде (например, их фторопласта или резины).
Недостатком описанной конструкции детонационного замка является то, что при значительных (выше 180 кН) боковых и осевых нагрузках надежность их оказывается недостаточной для изделий ракетно-космической техники.
Кроме того, после разрыва штока в месте шейки нижняя часть с поршнем оказывается незафиксированной, в результате чего часть штока с неровной торцевой поверхностью после его разрыва может препятствовать плавному разъединению элементов конструкции по разделяемым шпангоутам, вызвав паразитные радиальные, боковые возмущения и вращающие моменты.
Кроме того, применяемые в устройстве в качестве заряда ВВ фигурные элементы из эластичного взрывчатого вещества ЭВВ-75В, как и в предыдущих аналогах устройств поршневого типа обладают недостаточно широким диапазоном термо- и морозостойкости, а также очень ограниченным гарантийным сроком хранения и практического применения, не всегда отвечающим требованиям заказчика техники.
Указанное выше известное устройство является ближайшим аналогом предлагаемого технического решения, совпадающим с ним по назначению и по общим существенным конструктивным признакам.
Техническое решение по предлагаемому изобретению направлено на достижение технического результата, заключающегося:
- в повышении боковых нагрузок, выдерживаемых устройством разделения;
- в обеспечении более гладкого по фланцам схода разделяемых элементов конструкции без возникновения приложенных к ним вращающих моментов;
- в существенном расширении температурного диапазона эксплуатации устройства;
- в увеличении гарантийного срока хранения (ГСХ) и штатного применения устройства.
Таковы задачи настоящего изобретения. Поставленные задачи решены согласно предлагаемому изобретению тем, что детонационное устройство для соединения и последующего разделения элементов конструкции ракет и космических аппаратов, содержащее в соответствии с ближайшим аналогом, цилиндрический корпус, состоящий из двух частей с элементами крепления к элементам конструкции, с осевым цилиндрическим каналом переменного диаметра, в котором размещен либо в виде единой детали, либо составной, собираемый из двух деталей поршень со штоком, снабженный одним или несколькими уплотнительными кольцами из полимерного материала, калиброванной кольцевой проточкой на штоке со стороны резьбовой его части, один или несколько приливов в нижней части корпуса с полостями для размещения средства инициирования детонации и/или концевых элементов трансляторов детонации, демпфер в виде полого цилиндра из пластичного необратимо деформируемого материала, рабочий заряд взрывчатого вещества кольцевой формы, размещенный на торце поршня со стороны примыкания к нему штока, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено шариковым замком в составе втулки, выполненной в форме полого цилиндра с фланцем на одном торце и отверстиями на боковой поверхности с размещенными в них шариками, и цилиндрической витой пружины, надетой на втулку и опирающейся на фланец, установленным в части корпуса, примыкающей к шпангоутам разделяемых элементов конструкции, соосно ему таким образом, чтобы шток проходил через втулку, а торец втулки, противоположный фланцу, входил в отверстия в шпангоутах разделяемых элементов. Шток поршня в месте шарикового замка выполнен с коническим переходом по диаметру от большего диаметра непосредственно у поршня к меньшему с калиброванной кольцевой проточкой и резьбовой частью на конце, при этом больший диаметр штока установлен из условия запирания шарикового замка, а меньший - из условия освобождения шариков при раскрытии замка. Заряд взрывчатого вещества представляет собой изогнутый в кольцо с прямолинейным выводом к средству инициирования отрезок удлиненного заряда (УЗ) в металлической (медной или алюминиевой) оболочке кристаллического индивидуального высокобризантного ВВ (например, гексогена, либо октогена), размещенный в средней части кольцевой зарядной камеры (каморы) на вертикальной ее оси над поршнем устройства. Во внутренней полости корпуса в месте стыка его верхней и нижней частей в непосредственной близости от фланца втулки шарикового замка установлен амортизирующий элемент в форме шайбы из упругого полимерного материала.
Выполнение штока с коническим переходом по диаметру от большего диаметра, примыкающего к поршню, к меньшему, на котором выполнена калиброванная кольцевая проточка, и установка во внутренней полости части корпуса, примыкающей к шпангоутам разделяемых элементов конструкции шарикового замка в составе втулки, шариков и цилиндрической витой пружины обеспечивает надежное удерживание части штока, оставшейся после разрыва штока в корпусе устройства.
При предлагаемом техническом решении, когда часть втулки шарикового замка при стягивании гайкой элементов конструкции входит в отверстия соединяемых шпангоутов, происходит распределение нагрузок, воспринимаемых устройством. Шток воспринимает только осевые нагрузки, а возможные боковые нагрузки воспринимает втулка шарикового замка. За счет этого предлагаемое устройство может выдерживать существенно больше, чем у ближайшего аналога, боковые и осевые нагрузки (свыше 180 кН).
Заменой фигурного заряда эластичного взрывчатого вещества (в наиболее близком известном аналоге ЭВВ-75В), состоящего из усилительного, передаточного элементов и собственно рабочего заряда кольцевой формы, изготавливаемых методом литья под давлением, на УЗ кольцевой формы с отводом к инициирующему устройству, представляющий собой заряд уплотненного достаточно термостойкого индивидуального высокобризантного кристаллического ВВ - гексогена или октогена в медной или алюминиевой оболочке снимается ограничение по термостойкости и морозостойкости устройства и гарантийному сроку его эксплуатации. Известное наиболее близкое к заявленному устройство стабильно работает в интервале температур -50÷+50°С, а после воздействия температуры 100°С работоспособно в течение только 30 минут. Условный порог термической стойкости заявленного устройства составляет в случае использования УЗ с гексогеновым снаряжением 160÷180°С в течение 6 часов или 185°С в течение 2,5 часов, а в случае использования УЗ с октогеновым снаряжением - 200°С в течение 8 часов или 220°С в течение 2 часов. При температурах ниже -60°С ЭВВ-75В теряет заметно эластичность, охрупчивается; заряд из него может под действием вибраций и внешних перегрузок разрушаться. УЗ с гексогеновым и октогеновым снаряжением надежно срабатывают при температурах кипения жидкого кислорода и азота. Гарантийный срок хранения наиболее близкого аналога, как и всех устройств, содержащих ЭВВ, не превышает 15 лет; гарантийный срок хранения заявленного устройства, содержащего в качестве ВВ гексоген или октоген, составляет 20 лет. По прошествии 20 лет ГСХ может быть продлен.
Установкой во внутренней полости корпуса под втулкой шарикового замка амортизирующего элемента из эластичного полимерного материала гасится удар втулки по корпусу при разжатии пружины шарикового замка.
Отмеченное свидетельствует о решении декларированных выше задач настоящего изобретения благодаря наличию у детонационного устройства для соединения и быстрого разделения элементов конструкции ракет и космических аппаратов перечисленных выше отличительных признаков.
На фиг. 1 показан продольный разрез заявляемого устройства в состоянии, предшествующем разделению элементов конструкции, где 1 - верхняя часть корпуса; 2 - нижняя часть корпуса; 3 - втулка шарикового замка; 4 - шарики; 5 - пружина; 6 - инициирующее устройство в виде электродетонатора или концевого элемента транслятора детонации; 7 - кольцевой заряд УЗ; 8 - поршень; 9 - демпфер; 10 - шток; 11 - амортизирующий элемент; 12 - гайка.
При соединении элементов конструкции шток 10 поршня 8 пропускают через отверстия, выполненные в шпангоутах соединяемых элементов конструкции, и стягивают шпангоуты гайкой 12. При этом пружина 5 шарикового замка сжимается, а втулка 3 замка входит в отверстия шпангоутов.
При подаче команды на разделение элементов конструкции срабатывает инициирующее устройство 6 (например, электродетонатор либо концевой элемент транслятора детонации), в результате чего происходит детонация кольцевого заряда УЗ 7. Под действием давления продуктов детонации на верхний (на чертеже фиг. 1) фланец поршня 8 происходит разрыв (разрушение) штока 10 в месте калиброванной кольцевой проточки (шейки) и поршень начинает двигаться (на чертеже фиг. 1 - вниз), сминая демпфер 9. При движении поршня с оторванной частью штока вниз (на чертеже фиг. 1) шарики 4 замка выходят из контакта с частью штока 10 большего диаметра, и при переходе на меньший диаметр штока они освобождают отверстия втулки 3. Под действием пружины 5 втулка 3 опускается вниз (на чертеже фиг. 1), освобождая поверхность разделения. Для смягчения удара втулки 3 по корпусу устройства предусмотрен амортизирующий элемент 11, обеспечивающий дополнительное снижение воздействия ударного импульса на отделяемый элемент конструкции.
Таким образом, предлагаемое устройство:
а) выдерживает большие боковые (поперечные) нагрузки благодаря тому, что эти нагрузки воспринимает на себя не шток с ослабленным сечением (калиброванной кольцевой проточкой-«шейкой»), а вводимая при монтаже устройства в зацепление со шпангоутами соединяемых элементов конструкции и убираемая при срабатывании устройства втулка шарикового замка; шток же воспринимает только осевые нагрузки;
б) обеспечивает гладкий стык, не препятствующий безударному разделению частей конструкции и не вызывающий паразитной закрутки этих частей после разделения, т.к., во-первых, после срабатывания шарикового замка вышедшие из отверстий втулки (по сути, из обоймы) шарики не позволяют части штока, оставшейся в корпусе устройства, смещаться вдоль оси в сторону стыка, во-вторых, конструкция устройства не содержит элементов, которые в процессе разделения могли бы войти в паразитное зацепление с другими деталями. Кроме того, отсутствуют причины для возникновения паразитной закрутки частей конструкции после разделения, которая могла бы возникнуть при использовании дополнительных элементов, воспринимающих боковые нагрузки, поскольку в них нет необходимости;
в) обладает повышенной термо- и морозостойкостью;
г) имеет повышенный гарантийный срок хранения и использования по назначению.