ПИРОЗАМОК С ПИРОГАЗОВОЙ АМОРТИЗАЦИЕЙ
PYROLOCK WITH PYROGAS SHOCK ABSORPTION

Изобретение относится к области ракетной и космической техники и может быть использовано в составе систем разделения для соединения и последующего разъединения ступеней ракеты, сброса головного обтекателя или отделения полезной нагрузки (например, космического аппарата).
Известен пирозамок, содержащий корпус, болт с проточкой, вложенные в проточку сухари, запирающую гильзу и поршень, связанный с гильзой, на который воздействует давление пороховых газов, а также срезные (разрушаемые) элементы, фиксирующие исходное положение деталей (см. патент РФ №2150413, кл. B64G 1/64 от 1999 г.).
К недостаткам этого пирозамка можно отнести высокие ударные перегрузки, порождаемые при его срабатывании ударом подвижных деталей о неподвижные, причем вся энергия пирогазов, не использованная для совершения полезной работы, превращается в удар, вредно влияющий на работу других агрегатов и приборов КА, расположенных поблизости от пирозамков.
В различных пирозамках проблема гашения избыточной энергии решается по-разному.
Наиболее близким из известных технических решений является выбранный в качестве прототипа пирозамок, содержащий корпус, болт с проточкой, вложенные в проточку сухари, запирающую сухари гильзу, рабочий поршень, промежуточный поршень (см. патент РФ №2102696, кл. F42B 15/00 от 1984 г.).
Особенностью этого пирозамка является то, что после совершения рабочего хода (освобождения сухарей) гильза ударяется в подвижный поршень и увлекает его за собой, при этом объем рабочей камеры перестает увеличиваться и, следовательно, с дальнейшим ходом гильзы перестает увеличиваться механическая работа, совершаемая газом.
Недостатком этого технического решения является то, что уже накопленная работа (в виде кинетической энергии движущихся деталей) достаточно велика и требует для ее поглощения каких-либо дополнительных устройств, например, пластично деформируемых элементов или, как указано в прототипе, пружины. Однако пружина не решает вопроса, поскольку запасенную энергию она снова отдаст, отбросив подвижные детали назад с той же скоростью. Кроме того, пружина, способная запасти энергию, обычно выделяемую пиротехническими устройствами, сделает пирозамок неоправданно тяжелым.
Указанная проблема усугубляется в том случае, если для повышения надежности пирозамок оснащается двумя (или более) пиропатронами, но проектируется с гарантированным срабатыванием от одного пиропатрона. В этом случае, если при срабатывании от одного пиропатрона с минимальным давлением газов обеспечен запас по силе, скажем, в 1,5 раза (отношение располагаемой силы к потребной силе), то при срабатывании от двух пиропатронов с максимальным (в пределах допуска) давлением газов запас по силе может возрасти до 3-4,5 раз и более. Таким образом, величина энергии, которую следует поглотить, колеблется в 4-7 раз, что затрудняет проектирование (или подбор) оптимального демпфера.
Также увеличивает ударные нагрузки на конструкцию и внезапное освобождение упругой энергии, запасенной в растянутом болте и сжатых деталях скрепляемого пакета. Эта энергия разгоняет болт, и он передает ее отделяемой детали при своем торможении, порождая дополнительный удар.
Еще одним недостатком указанных пирозамков представляется наличие в них срезных (разрушаемых) элементов, фиксирующих исходное положение деталей. С точки зрения повышения надежности пирозамка усилие их среза должно быть увеличено, чтобы избежать случайных срабатываний под воздействием внешних перегрузок и ударов. А с точки зрения понижения избыточной энергии (идущей в удар) сила их среза должна быть уменьшена, так как она увеличивает потребную силу в начале хода рабочего поршня, которая после срезания штифтов становится совершенно излишней.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности соединения, а также снижение ударных нагрузок в момент разделения и расширение арсенала применяемых технических средств.
Указанный результат достигается тем, что в пирозамке, содержащем корпус, болт с проточкой, вложенные в проточку сухари, запирающую сухари гильзу, рабочий поршень, промежуточный поршень, рабочий поршень размещен концентрично с гильзой с возможностью перемещения по ней и по направляющим поверхностям корпуса, гильза снабжена взаимодействующими между собой с возможностью ее фиксации в исходном положении от перемещений относительно корпуса упорным буртом, пружинным разрезным кольцом и пружиной, связанной с ней с возможностью взаимодействия с рабочим поршнем, а также тормозным устройством непрерывного или дискретного действия, причем промежуточный поршень размещен в корпусе с возможностью перемещения в нем, гильза установлена внутри промежуточного поршня, площадь которого больше площади рабочего поршня, а тормозное устройство непрерывного или дискретного действия установлено с возможностью блокирования обратного движения гильзы. При этом поверхности взаимодействия гильзы и сухарей выполнены конусными. Тормозное устройство непрерывного действия выполнено из двух деталей - внутренней и внешней, сопряженных по конусу с углом конусности меньшим, чем угол трения, причем внутренняя деталь соединена с гильзой замка, а внешняя выполнена в виде кольца с разрезом и установлена относительно направляющей поверхности корпуса с натягом. А тормозное устройство дискретного действия выполнено в виде набора плоских разрезных колец, установленных в канавке на гильзе, или связанной с ней детали, с натягом по наружному диаметру, а направляющая поверхность корпуса выполнена с проточкой под упомянутые разрезные кольца.
Наличие замка, открываемого только при наличии в рабочей полости давления, позволяет не только отказаться от срезных элементов, но и выполнить поверхность сопряжения гильзы и сухарей конусной, причем угол конуса может быть даже больше угла трения. Это дает два преимущества: во-первых, усилие, которое требуется приложить к гильзе для ее страгивания, может быть уменьшено, так как нормальные реакции, действующие на гильзу со стороны сухарей, распираемых болтом от усилия затяжки, дают составляющие вдоль оси, помогающие снятию гильзы с сухарей. А, во-вторых, по мере хода гильзы, сухари, распираемые болтом, будут перемещаться в радиальных направлениях, поддерживая непрерывный контакт с конусом гильзы, что в свою очередь даст возможность осевого перемещения хвостовика болта в сторону действия усилия затяжки. При определенном подборе величин конусов внутри и снаружи сухарей можно добиться того, что еще до полного освобождения гильзой сухарей, усилие в болте и стягиваемом пакете исчезнет (так как упругие перемещения невелики). Это должно привести к некоторому снижению удара, так как освобождение упругой энергии, запасенной в болте и стягиваемом пакете, происходит не мгновенно - при сходе гильзы с крайней кромки сухаря, а растянуто по времени, хотя и очень короткому. И, кроме того, упругая энергия частично трансформируется в кинетическую энергию движения гильзы, которая в дальнейшем гасится демпфером.
Поставленная задача снижения удара решается путем введения демпфера, поглощающего кинетическую энергию движущихся масс. Демпфер состоит из двух частей - пирогазового амортизатора (в виде промежуточного поршня) и тормозного устройства, препятствующего обратной отдаче подвижных деталей после их остановки. Поскольку промежуточный поршень имеет площадь больше, чем площадь рабочего поршня, то после удара гильзы в промежуточный поршень они начинают двигаться вместе, и на разнице площадей промежуточного и рабочего поршня, под действием сил давления пирогазов, возникает тормозящая сила, останавливающая, в конце концов, подвижные детали. Такое торможение, разумеется, более «плавно» по сравнению с жестким ударом в корпус. Такой амортизатор имеет также и то преимущество, что тормозящая сила всегда пропорциональна разгоняющей силе, так как они обе порождены давлением тех же пирогазов в той же самой рабочей полости, то есть, такой амортизатор имеет самонастраиваемую характеристику.
Предполагаемое изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг.1 показано устройство пирозамка в исходном (закрытом) положении;
на фиг.2 показано устройство пирозамка в положении конца рабочего хода, когда гильза освобождает сухари и начинается торможение;
на фиг.3 показано устройство пирозамка в конечном (открытом) положении, когда тормозное устройство фиксирует подвижные детали;
на фиг.4 и 5 показаны варианты устройства пирозамка с тормозным устройством, выполненным в виде набора плоских разрезных колец.
Пирозамок содержит корпус 1, болт 2 с проточкой 3, вложенные в проточку сухари 4, запирающую сухари гильзу 5, рабочий поршень 6, промежуточный поршень 7. Рабочий поршень размещен концентрично с гильзой с возможностью перемещения по ней и по направляющим поверхностям корпуса, гильза снабжена взаимодействующими между собой с возможностью ее фиксации в исходном положении от перемещений относительно корпуса упорным буртом 8, пружинным разрезным кольцом 9 и пружиной 10, связанной с ней с возможностью взаимодействия с рабочим поршнем, а также тормозным устройством 11 непрерывного или дискретного действия, причем промежуточный поршень 7 размещен в корпусе 1 с возможностью перемещения в нем, гильза 5 установлена внутри промежуточного поршня 7, площадь которого больше площади рабочего поршня, а тормозное устройство непрерывного или дискретного действия установлено с возможностью блокирования обратного движения гильзы. При этом поверхности взаимодействия гильзы 5 и сухарей 4 выполнены конусными. Тормозное устройство непрерывного действия выполнено из двух деталей - внутренней 12 и внешней 13, сопряженных по конусу с углом конусности меньшим, чем угол трения, причем внутренняя деталь 12 соединена с гильзой 5 замка, а внешняя 13 выполнена в виде кольца с разрезом и установлена относительно направляющей поверхности корпуса 1 с натягом. А тормозное устройство дискретного действия выполнено в виде набора плоских разрезных колец 14, установленных в канавке 15 на гильзе 5, или связанной с ней детали, с натягом по наружному диаметру, а направляющая поверхность корпуса 1 выполнена с проточкой 16 под упомянутые разрезные кольца 14.
Соединяемые пирозамком части 17 и 18 стягиваются при помощи болта 2, шайбы 19 и гайки 20. Болт 2 удерживается в корпусе пирозамка при помощи разрезного сухаря 4, удерживаемого в исходном положении гильзой 5. От поворота при затяжке гайки 20 болт 2 удерживается при помощи шлицевого соединения Ш с фланцем 21 корпуса пирозамка. (В пирозамке, показанном на фиг.1-5, корпус 1 выполнен по технологическим соображениям из пяти деталей: фланца 21 с проставкой 22 и зажатой между ними шайбой 23, и собственно корпуса 24, скрепленного с проставкой 22 накидной гайкой 25). Также и гильза 5 выполнена из трех деталей: собственно гильзы 26, упора 27 и гайки 28. Возможны другие конструктивно-технологические схемы устройства корпуса или гильзы, не влияющие на суть описываемого изобретения. Для увода болта 2 из зоны стыка при разделении служит пружина 29, упирающаяся в крышку 30, закрепленную на болте 2 винтом 31. Для контроля усилия затяжки по величине удлинения болта 2 внутри него установлена игла 32. Корпус пирозамка крепится на одной из разделяемых деталей при помощи винтов 33. Для предотвращения выпадания частей сухаря 4 после разделения, отверстие во фланце 21 перекрывается ловителем 34, перемещаемым пружиной 35. Ход ловителя ограничивается упором 36. Для предохранения от попадания в полость пирозамка посторонних частей, отверстие в корпусе 24 закрывается крышкой 37. Для предотвращения неконтролируемого сжатия подвижных деталей при сборке пирозамка между деталями корпуса устанавливается изменяемая по толщине прокладка 38, с помощью которой можно регулировать величину осевого люфта гильзы 5 в корпусе 1.
Кроме приведенной на фиг.1 конструкции тормозного устройства, состоящего из гайки 12 с наружным конусом и разрезной втулки 13 с внутренним конусом, возможны и другие варианты, например, в проточку на одной из подвижных деталей можно поместить набор плоских упругих разрезных колец, имеющих наружный диаметр в свободном состоянии больше, чем диаметр цилиндра, в который они помещены. Тогда, если при совершении некоторого хода эти кольца будут попадать в цилиндр большего диаметра, они будут одно за другим раскрываться до этого диаметра, а после остановки и начала обратного хода уже раскрывшиеся кольца будут работать как стопорные кольца, упираясь в кромку на стыке двух диаметров. Таким образом, это устройство работает подобно храповому механизму, и максимальный обратный ход деталей не должен превышать толщины одного кольца.
1
1
На фиг.4 и 5 показаны варианты такого устройства - на фиг.4 набор разрезных колец 14 размещен в проточке 15 между гайкой 28 и гайкой 12, которые при ходе подвижных частей вправо по цилиндрической поверхности диаметра D попадают в зону проточки 16 большего диаметра D. На виде А показано, как раскрывшиеся до диаметра D кольца 14 стопорят подвижные детали 12 и 28, стремящиеся сдвинуться влево вместе с гильзой 5.
1
На фиг.5 показан вариант того же устройства, когда набор разрезных колец 14 помещен в проточку на гильзе 26, а в качестве диаметра D используется диаметр в корпусе (проставке 22), по которому с ним сопрягается промежуточный поршень 7. В этом случае буртик Б (см. также фиг.1) служит для упора не только поршня 7 в исходном положении, но и для упора в него разрезных колец 14. В этом случае вместо гайки 28 устанавливается гайка 39, служащая упором для пружины 10 и для передачи на гильзу 26 сил давления газов на поршень 6.
Пирозамок работает следующим образом: при подаче электрического тока в цепи пиропатронов (пиропатрона) они срабатывают, выделяя пирогазы высокого давления. По каналам К пирогазы попадают в рабочую полость П и воздействуют на поршни 6 и 7, создавая пропорциональные площадям поршней силы, которые стремятся сдвинуть промежуточный поршень 7 влево, а рабочий поршень 6 - вправо. Поршень 7 пока остается на месте, упертый в буртик Б на проставке 22, а поршень 6 перемещается вправо (сжимая пружину 10) до упора в гайку 28, через которую передает усилие на гильзу 26 и упор 27. При этом цилиндрический выступ поршня 6 выходит из-под разрезного кольца 9, освобождая ему пространство для сжатия на меньший диаметр, что означает открытие замка исходного положения. Под нажимом упора 8 кольцо 9, взаимодействуя с конической поверхностью на корпусе 24, сжимается до диаметра, по которому корпус 24 сопрягается с поршнем 6, и в дальнейшем перемещается вместе с гильзой 5 и другими соединенными с нею подвижными деталями.
При движении вправо тормозное устройство 11, состоящее из гайки 12 с наружным конусом и разрезной втулки 13 с внутренним конусом не препятствует движению - гайка 28 толкает своим буртиком разрезную втулку 13, которая скользит по цилиндрической поверхности корпуса 24 с небольшой силой трения, создаваемой упругими силами втулки. При перемещении гильзы 5 вправо до упора в промежуточный поршень 7 гильза освобождает сухари 4, которые под давлением со стороны конической поверхности болта 2 раздвигаются в радиальных направлениях, освобождая болт 2.
Если наружные сопрягаемые поверхности сухарей и гильзы выполнены конусными, то освобождение сухарей будет плавным и пропорциональным перемещению гильзы. При определенном соотношении углов конусности между сухарем и гильзой и между болтом и сухарем можно добиться, чтобы большая (или даже вся) упругая энергия, запасенная в растянутом усилием затяжки болте (и в сжатом пакете скрепляемых деталей) была освобождена плавно еще до того момента, как гильза полностью освободит сухари. Это предотвращает мгновенное превращение этой упругой энергии в кинетическую энергию движения болта, с которой он ударит в деталь 17 отделяемой части ЛА. Эта упругая энергия в большей степени будет передана гильзе (за счет осевых составляющих сил, действующих по конусу), и в дальнейшем будет поглощена демпфером замка.
Болт 2 под действием пружины 29 перемещается влево до упора в отделяемую деталь 17 (см. фиг.2). Пружина 29 решает две задачи - увести болт 2 из зоны стыка, а также зафиксировать его в этом положении на этапе дальнейшего полета ЛА. После упора гильзы 5 в промежуточный поршень 7 он начинает двигаться вместе с другими подвижными деталями вправо. При этом давление пирогазов в пирокамере П создает две силы - действующую вправо (на разгон), пропорциональную площади рабочего поршня 6, и действующую влево (на торможение), пропорциональную площади промежуточного поршня 7. Поскольку площадь промежуточного поршня больше, чем площадь рабочего поршня, результирующая сила направлена на торможение подвижных деталей, их скорость будет уменьшаться и, пройдя некоторый ход, они остановятся. Поскольку результирующая сила по-прежнему направлена влево, подвижные детали начнут обратное движение влево, и в этот момент тормозное устройство останавливает их движение, предотвращая их разгон влево и последующий удар. Наружный конус гайки 12 расклинивает разрезную втулку 13 и благодаря малому углу конусности (меньшему, чем угол трения) создает большую распирающую силу, которая порождает силу трения, превышающую действующую на подвижные детали результирующую силу от пирогазов. В этом положении подвижные детали останавливаются (см. фиг.3), тем самым, предотвращая большие ударные перегрузки при ударе движущихся с большой скоростью подвижных деталей в корпус замка.
Благодаря такому выполнению пирозамка достигается указанный выше заявленный технический результат.