ES2201847B1 - Mecanismo de activacion remota para el despliegue o liberacion regulada de equipos. - Google Patents

Abstract

Mecanismo de activación remota para el despliegue o liberación regulada de equipos, que comprende una carcasa cilíndrica (1) que va relacionada con un mecanismo externo de accionamiento a través de un vástago (10) y lleva adherida interiormente en su pared una capa de material fundente (11). En la carcasa se aloja un bastidor cilíndrico (2) que se une al equipo a despegar, por ejemplo mediante tornillos (15). Este bastidor dispone de medios para producir la fusión progresiva de la capa de material fundente. Se dispone además de una pared pie sellado (3) entre la capa de material fundente (11) y el bastidor (2).

Description

Mecanismo de activación remota para el despliegue o liberación regulada de equipos.

La presente invención se refiere a un mecanismo de activación remota para el despliegue o liberación regulada de equipos, tanto para despliegues rotatorios como lineales y que es especialmente aplicable en antenas y otros apéndices desplegables o en equipos eyectables de vehículos espaciales, equipos oceanográficos, aeronáutica, equipos militares, etc., en los que sea necesario evitar el impacto del despliegue propio de despliegues actuados por muelle.

Los apéndices desplegables de los vehículos espaciales actuados por medio de muelles sin incluir ningún sistema de regulación una vez liberados de su sujeción para comenzar el despliegue se aceleran de forma incontrolada hasta alcanzar el tope de fin de carrera, sobre el cual impactan transmitiendo una severo choque a la estructura principal del vehículo. Al final de la carrera cuando va a alcanzar el tope mecánico, la energía almacenada por el muelle se ha transferido al apéndice en forma de energía cinética repercutiendo en una velocidad significativamente alta del apéndice en el momento de alcanzar el tope fin de carrera. El choque transmitido de esta forma a la estructura del vehículo espacial puede poner en peligro su estabilidad, además de poder poner en peligro la integridad estructural la base del apéndice, y la supervivencia de equipos delicados que se puedan encontrar en sus cercanías tales como equipos electrónicos y de radiofrecuencia.

Por ello, cuando se utiliza un sistema de muelles para proporcionar el par (fuerza en el caso lineal) necesario para desplegar un apéndice, por ejemplo en un vehículo espacial, usualmente se implementa también un sistema que reduzca el choque que se produce al final de la carrera, cuando el apéndice choca contra el tope mecánico dispuesto a tal efecto. Así se consigue limitar la velocidad máxima del despliegue que adquiere el apéndice por el exceso de par que se le trasmite.

Existen varios dispositivos dedicados a tal función, los cuales se describen a continuación.

a)

Amortiguadores de corrientes inducidas, los cuales se basan en la generación de corrientes eléctricas inducidas en un disco de cobre girando en un campo magnético generado por varias parejas de imanes dispuestos radialmente a ambos lados del disco. Estas corrientes inducidas en el disco provocan un par proporcional a la velocidad de giro, contrario al par motor. Entre el disco y los imanes no existe contacto. Este sistema requiere que el disco gire a muy, altas velocidades, por lo que en el caso de despliegues se necesita de un sistema que multiplique la velocidad de giro del apéndice (ej. tren de engranajes). Este sistema tiene la ventaja de no necesitar suministro de energía eléctrica, pero posee grandes inconvenientes tales como un gran peso, un gran par de fricción debido al tren de engranajes, y un gran coste. Además suele necesitar de control térmico externo para poder ser operativo a temperaturas menores de 0°C.

b)

Amortiguadores viscosos que se basan en forzar a un fluido viscoso a pasar por estrechas ranuras. La velocidad de despliegue define la velocidad del flujo de fluido viscoso que pasa a través de las ranuras al generarse una diferencia de presión a ambas partes de las ranuras. Esta diferencia de presión proporciona un par proporcional a la velocidad de giro del apéndice, contrario al par motor. Estos sistemas tienen el inconveniente de que su comportamiento varía mucho con la temperatura debido a la variación de la viscosidad del fluido con la misma. Además este tipo de dispositivo lleva asociado un gran riesgo de contaminación por la posibilidad de fugas del fluido viscoso sobre todo en operación debido al incremento significativo de la presión a la que se ha sometido dicho fluido. La fuga de fluido viscoso puede significar la pérdida de capacidad de amortiguamiento del equipo con el consiguiente riesgo de sobrecarga cuando el despliegue se realiza al cabo de un tiempo considerable desde el montaje del amortiguador viscoso.

Un caso particular de amortiguadores viscosos son los que utilizan material de bajo punto de fusión (ej. parafina, aleaciones de bajo punto de fusión, ...). Es decir, que para que el despliegue se produzca, hace falta un aporte de energía hasta alcanzar el estado fluido. Una vez que el material se funde, se comporta como un amortiguador viscoso. Dado que la temperatura de fusión estará por encima de la temperatura de operación del sistema, en estos casos el amortiguamiento proporcionado será más repetitivo. Estos sistemas tienen el inconveniente del aporte de energía necesario para fundir todo el material de bajo punto de fusión, teniendo en cuenta además las perdidas de calor entre los elementos que contienen el material de bajo punto de fusión.

c)

Amortiguadores de fricción los cuales se basan en la generación de fuerzas de fricción que provocan un par proporcional a la velocidad de giro, contrario al par motor. Esta fuerza de fricción es generada por unas zapatas que contactan con una carcasa externa. Dicho contacto está basado en la fuerza centrífuga que actúa sobre las zapatas cuando en conjunto gira, de modo que a mayor velocidad mayor fuerza centrífuga sobre las zapatas, mayor es la fuerza en el contacto, y mayor será la fuerza de fricción. Este sistema requiere que el sistema gire a altas velocidades, por lo que en el caso de despliegues se necesita de un sistema que multiplique la velocidad de giro del apéndice (ej. tren de engranajes). Este sistema tiene la ventaja de no necesitar suministro de energía eléctrica, pero posee grandes inconvenientes tales como una gran incertidumbre en el valor de la fricción, y un gran par de fricción debido al tren de engranajes. Además suele necesitar de control térmico externo para poder ser operativo a una temperaturas menores de 0°C.

Además existe otro sistema consistente en la absorción de la energía cinética al final del despliegue basado en la deformación plástica por aplastamiento de un panel metálico de nido de abeja cuyas celdas son enfrentadas verticalmente al apéndice en movimiento. En realidad se trata de un tope semirrígido. Sus principales inconvenientes son su inviabilidad en despliegues en los que se requiere gran precisión en el posicionado final del apéndice, y su capacidad para absorber sólo una parte de la energía, lo cual en la mayoría de los casos no es suficiente.

Para resolver los inconvenientes de los equipos descritos se pensó en un equipo sencillo, económico y fiable capaz de regular el movimiento de un apéndice desplegable, manteniendo su velocidad de despliegue dentro de límites razonables como para hacer que el choque de final de carrera sea mínimo dejando de peligrar la supervivencia del vehículo espacial. Esto significaría una mejora sustancial de los sistemas desplegables por la acción de muelles. Este equipo debía poseer las siguientes características.

a)

Mínima fricción interna en operación

b)

No contaminante

c)

Sencillez conceptual y de utilización

d)

Fiable

e)

Ligero

f)

Reutilizable

g)

De fácil rearmado sin desmontar de su localización, sin necesidad de desconexión eléctrica para eliminar los riesgos asociados al montaje y desmontaje.

h)

Con sistema de activación redundante basado en alimentación eléctrica, si esta es necesaria.

i)

Con una vida ilimitada.

j)

Económico.

Para dar solución a estos problemas se pensó en un sistema que no necesitara tren de engranajes para minimizar su fricción interna y aumentar su fiabilidad. También se decidió no utilizar fluidos viscosos no metálicos para evitar el riesgo de contaminación. Se llego a la conclusión de que la velocidad de avance (lineal o rotatoria) podía ser definida por la velocidad a la que una banda de material de bajo punto de fusión se. va fundiendo. Para ello hacía falta concentrar el flujo de calor que se transmite al material de bajo punto de fusión en el punto en el que este bloquea el sistema y por tanto en la zona que es camino de cargas. Obviamente, dicho material debía tener su punto de fusión lo suficientemente bajo para que el aporte de energía necesario fuera razonablemente bajo.

Se eligió el uso de aleaciones metálicas de bajo punto de fusión para la banda fundible por los siguientes motivos.

a)

No producen volátiles en condiciones de vacío.

b)

Existen gran cantidad de aleaciones metálicas con diferentes temperaturas de fusión.

c)

Su conductividad térmica en bastante menor que la de la llanta que recubre la pestaña (cobre).

d)

Su calor latente de fusión tiene un valor razonablemente alto como para que la banda no funda muy rápido.

e)

Su capacidad mecánica en estado sólido es lo suficiente como para que la sección de la banda necesaria del material de bajo punto de fusión sea pequeña.

f)

Su adherencia a los metales es buena mientras que su adherencia a materiales plásticos antifricción es mala.

Los objetivos expuestos se logran en el mecanismo de la invención basado en la fundición progresiva de una banda de un material de bajo punto de fusión por medio de un elemento térmico. Dicha banda de material fundible se hace solidaria a una carcasa externa móvil, estando el elemento térmico fijo en un bastidor enfrentado a dicha carcasa móvil. Cuando el elemento no ha recibido aún el aporte de calor suficiente como para comenzar a fundir el material de bajo punto de fusión, dicho elemento bloquea todo movimiento entre carcasa y bastidor.

El elemento térmico consiste en una conformación rígidamente unida a un bastidor, recubierta por una capa de material muy buen conductor térmico, por ejemplo cobre (pero puede utilizarse cualquier otra alternativa) que se extiende a ambos lados de la conformación. Sobre dicha capa de cobre se colocan uno o varios calefactores eléctricos de forma que el calor proporcionado por dichos calefactores se transmite por conducción a la capa de cobre, que al poseer muy buena conductividad térmica hace que la parte de la capa de cobre que recubre la conformación se caliente. La parte de la banda en contacto con la capa de cobre elevará también su temperatura localmente, y cuando la temperatura en la capa de cobre alcanza la temperatura de fusión del material de la banda, todo aporte adicional de energía en ese punto servirá para comenzar la fusión localizada del material fundente.

La banda de material a fundir esta presionada por el elemento térmico debido a la acción de una fuente de fuerza o de par exterior. Como existe posibilidad de movimiento relativo entre la carcasa externa a la que el fundente está solidariamente unido y la conformación, la conformación avanzará según el fundente vaya pasando a estado líquido.

La parte de fundente que se vaya transformando en estado líquido, pasará a la parte de atrás del elemento térmico debido a la presión ejercida por dicho elemento sobre la banda.

Para que el material que se vaya fundiendo quede ocluido sin posibilidad de salir al exterior se dispone un sello a modo de barrera entre el fundente y la parte de la capa de cobre que no está recubriendo la conformación. Este sello se dispone de forma que rodea el elemento térmico eliminando la posibilidad de que el material fundido penetre en la zona donde están dispuestos los calefactores. Este sello tiene varias funciones las cuales de describen a continuación:

a)

Hace que el fundente no se fugue de su alojamiento en la carcasa externa cuando este se encuentra en estado líquido. Para ello se ha seleccionado un material plástico antifricción dado que va a haber deslizamiento entre este sello y el material de la carcasa externa.

b)

Por sus propiedades antifricción hace que el fundente no se adhiera a él cuando se vuelva a solidificar. Por el contrario, se adherirá al material metálico de la carcasa externa.

c)

En montaje se deja un pequeño espacio entre el sello y en fundente para así minimizar las fricciones internas debido a superficies deslizantes en contacto.

d)

Dado el mayor coeficiente de expansión térmica del material plástico del sello, cuando se enfríe el conjunto, el espacio que había entre sello y fundente se creará de nuevo, minimizando las fricciones internas debido a superficies deslizantes en contacto.

e)

Dada la baja conductividad. térmica del material plástico del sello, aislará térmicamente las partes de la capa de cobre en las que se localizan los calentadores, proporcionando una mayor eficiencia térmica haciendo que el flujo de calor se realice principalmente hacia el elemento térmico.

La banda de material a fundir esta dispuesta de forma que la parte fundida por el calor transmitido por el elemento térmico pasa a la parte de atrás de dicho elemento por efecto de su presión. De esta forma el elemento, calentado por una fuente de calor generada eléctricamente, avanza progresivamente según va aportando el calor necesario para ir fundiendo paulatinamente la banda.

Dado que la conductividad térmica del fundente es bastante menor que la de la capa de cobre, y dado que se necesita un aporte de calor adicional para realizar el cambio de estado (de sólido a líquido), la velocidad de avance puede ser ajustada variando la energía eléctrica aportada a los calefactores de la llanta de cobre.

El material de bajo punto de fusión se puede elegir en función de la temperatura de fusión seleccionada, la cual interesa que sea lo más baja posible pero siempre por encima de la temperatura máxima a la que se va a ver sometido el sistema antes de proceder a su despliegue.

Pueden utilizarse, por ejemplo, aleaciones metálicas de bajo punto de fusión, por disponer de claras ventajas frente a otros materiales.

a)

Existe una gran gama de aleaciones metálicas de bajo punto de fusión, las cuales proporcionan una resistencia mecánica aceptable en estado sólido incluso a temperaturas cercanas a la de, fusión.

b)

No desprenden volátiles en condiciones de vacío.

c)

No presentan grandes variaciones de volumen entre estado sólido y líquido.

d)

Existe una amplia gama de temperaturas a elegir.

e)

Pueden ser eutécticos o no eutécticos según se fundan a una temperatura fija o se fundan progresivamente en un rango de temperatura.

f)

Se adhieren bien a superficies metálicas, no mostrando gran adherencia a materiales plásticos antifricción. Por eso haciendo que la carcasa sea metálica con provisiones para absorber el esfuerzo cortante (ej. estrías o similares) que aparecerá entre banda y carcasa, se garantiza la adherencia entre banda y carcasa. Además, al volver a solidificarse, lo hará sobre la carcasa metálica, y no sobre el sello antifricción.

g)

Su conductividad térmica en bastante menor que la de la capa que recubre la pestaña (cobre).

h)

Su calor latente de fusión tiene un valor razonablemente alto como para que la banda no funda muy rápido.

i)

Su capacidad mecánica en estado sólido es lo suficiente como para que la cantidad necesaria de material de bajo punto de fusión sea pequeña.

Esta banda puede ser dispuesta linealmente o en forma cilíndrica.

En el caso de disposición lineal, este sistema una vez que se ha dejado de alimentar eléctricamente y se ha retornado a la temperatura en que la banda está en estado sólido sirve también para regular el desplazamiento de retroceso de igual forma que se regula el de avance siempre que se disponga de una fuente de fuerza externa de sentido contrario a la que se disponía en el caso de avance.

En el caso de disposición cilíndrica de la banda, este sistema una vez que se ha dejado de alimentar eléctricamente y se ha retornado a la temperatura en que la banda está en estado sólido sirve también para regular tanto desplazamientos rotatorios (giros) adicionales de avance, como desplazamientos rotatorios de retroceso de igual forma que se regula el de avance siempre que se disponga de una fuente de par externa de igual sentido, o de sentido contrario a la que se disponía en el caso de avance.

En el caso de la disposición cilíndrica la solución constructiva seleccionada (aunque existen otras) es la de un bastidor cilíndrico en cuya generatriz se ha dispuesto una pestaña. Sobre él se monta la llanta del material con buena conductividad térmica (se ha elegido cobre), conformada abrazando la pestaña, y rodeando a los dos lados de la pestaña el bastidor, sin mantener contacto directo con este último ya que se dispone aislamiento tipo cinta entre bastidor (con la pestaña) y la llanta. Sobre dicha llanta a ambos lados de la pestaña se disponen los calefactores.

A la pestaña abrazada por la llanta (con cinta aislante entre ambas partes) se le ha denominado como cuña térmica.

Sobre este conjunto se dispone el sello conformado con un material plástico antifricción comúnmente utilizado en el sellado entre partes móviles. Dicho sello tiene forma cilíndrica y en el se dispone una ranura de forma que la cuña térmica es la única parte que sobresale de dicho cilindro. El sello, por tanto, abraza completamente a la cuña térmica. En los extremos de la superficie cilíndrica externa del sello, que son las zonas en las que va a existir deslizamiento con la carcasa, se han dispuesto acanaladuras circulares para aumentar la efectividad del sello y así evitar potenciales fugas del fundente una vez que está en estado líquido.

Alojada en la carcasa, firmemente adherida a la misma se encuentra la banda de la. aleación metálica fundible a bajas temperatura. En dicha banda en estado sólido se ha dispuesto de una acanaladura en la que se puede alojar la conformación del elemento térmico, de forma que cuando la carcasa con la banda se monta sobre el bastidor con el sello y el elemento térmico, no existe posibilidad de movimiento rotatorio entre ambos. Solo podrá moverse uno respecto al otro cuando la banda comience a fundirse por el efecto del aporte de calor a través del elemento térmico que a su vez presiona tangencialmente la banda por efecto de un par motor externo.

Las características del regulador de despliegue se comprenderán más fácilmente con la siguiente descripción realizada con referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales se representa una posible forma de realización, dado a título de ejemplo no limitativo.

La figura 1 muestra una sección transversal del mecanismo, tomada según la línea de corte I-I de la figura 2.

La figura 2 muestra una sección diametral del mecanismo, tomada según la línea de corte II-II de la figura 1.

La figura 3 muestra el detalle A de la figura 1, a mayor escala.

El mecanismo de activación mostrado en los dibujos comprende una carcasa cilíndrica 1, un bastidor cilíndrico 2 alojado dentro de la carcasa 1, y una pared cilíndrica de sellado 3, preferentemente a base de un material antifricción, que va dispuesta entre la carcasa 1 y el bastidor 2.

La carcasa cilíndrica 1 puede incluir paredes cilíndricas externa 4 e interna 5 que se unen entre sí mediante bridas periféricas coincidentes 6 fijables mediante tornillos 7. La pared 5 dispone de un fondo 8 al que se hace solidario, mediante la chaveta 9, un eje 10 a través del que recibirá un par de una fuente o mecanismo externo de accionamiento.

La carcasa cilíndrica lleva adherida en la superficie interna de la pared 4 una capa de material fundente 11 que, tal y como ya se ha señalado, consistirá preferentemente en una aleación metálica de bajo punto de fusión.

El bastidor cilíndrico 2 incluye, como mejor puede apreciarse en la figura 2, un fondo, 12 al que se fija una brida 13, por ejemplo mediante tornillos 14, a la que se unirá la base fija del apéndice a desplegar, por ejemplo mediante tornillos 15. Este bastidor cilíndrico 2 dispone además de una conformación 16, a modo de pestaña radialmente sobresaliente, que atraviesa la pared cilíndrica de sellado 3 y penetra en la capa de material fundente 11. La conformación o pestaña 16 va recubierta de una capa de material buen conductor de calor 17, por ejemplo de cobre, que se prolonga sobre la pared del bastidor 2, a uno y otro lado de la pestaña 17, en porciones 18, figura 1, sobre las que se disponen calefactores no representados, por ejemplo de tipo eléctrico y que serán capaces de producir, a través del recubrimiento 17 de la conformación o pestaña 16, la fusión progresiva del material fundente 11.

La pestaña o conformación 16 con su recubrimiento 17, define así un elemento térmico, activable por los elementos calefactores dispuestos en las prolongaciones 18.

Como mejor puede apreciarse en la figura 3, la pared cilíndrica de sellado 3 queda ligeramente separada de la capa de material fundente 11.

Según puede apreciarse en la figura 1, la pared cilíndrica externa 4 de la carcasa 1 dispone de acanaladuras axiales internas 21 en las que penetra la capa de material fundente 11, asegurándose así una buena adherencia entre ambos componentes, cuando el material fundente se encuentra en estado sólido.

Entre el bastidor cilíndrico 2 con su conformación 16 y el recubrimiento 17 con las prolongaciones 18 se dispone un recubrimiento o cinta de material aislante 22, figuras 2 y 3.

Según puede apreciarse en la figura 2, la pared cilíndrica de sellado 3 cierra por sus bordes contra la carcasa cilíndrica 1, disponiendo en las zonas de apoyo contra dicha carcasa de ranuras perimetrales 19 que permiten lograr una mejor función de sellado y contención del fundente 11 cuando se encuentre en estado líquido por activación del elemento térmico formado por la conformación o cuña 16 y el recubrimiento 17 de cobre.

La carcasa cilíndrica puede disponer también de ranuras internas periféricas 20, a modo de laberinto, para contener el fundente en el caso de que éste rebasara el sello definido por la capa de sellado 3.

Con la constitución expuesta, cuando se activan los elementos calefactores montados en las prolongaciones 18, se produce el calentamiento del recubrimiento 17, suficiente para producir la fusión de la zona adyacente de la capa de material fundente 11. Debido al par transmitido por el mecanismo de accionamiento externo a la carcasa 1, se produce el deslizamiento relativo entre dicha carcasa y el bastidor cilíndrico 2 que va relacionado, a través de la brida 13 con el elemento a desplegar. Al mantener la activación de los elementos calefactores montados en las prolongaciones 18, continuará la actuación del elemento térmico, formado por la conformación 16 de recubrimiento 17, sobre la capa de material fundente 11, prosiguiendo el giro relativo entre la carcasa 1 y el bastidor cilíndrico 2, lo cual supone que continuará el desplegado o liberación del equipo fijado a la brida 13.

La capa de material fundente podría estar adherida a la pared interna 5 de la carcasa, en cuyo caso la conformación 16 estaría dirigida hacía el interior.

El mecanismo puede incluir aislamientos térmicos para el fundente, elemento térmico y capa de material buen conductor del calor, para optimizar la eficacia térmica.

Las características de la invención son aplicables a mecanismos con una configuración plana en vez de cilíndrica, como la descrita, aplicable a despliegues lineales no rotatorios.

Claims (6)

1. Mecanismo de activación remota para el despliegue o liberación regulada de equipos, caracterizado porque comprende una carcasa cilíndrica que va relacionada con un mecanismo externo de accionamiento y lleva adherida interiormente en su pared una capa de un material fundente; un bastidor cilíndrico alojado en la carcasa, separado de la capa de material fundente y unido al equipo a desplegar, que dispone de medios para producir la fusión progresiva de la capa de material fundente; y una pared cilíndrica de sellado dispuesta entre la capa de material fundente y el bastidor cilíndrico, que impide el escape fuera de la carcasa del material fundente cuando se encuentra en estado fundido; cuyo bastidor dispone de al menos una conformación axial que atraviesa la pared cilíndrica de sellado y penetra en la capa de material fundente, y va recubierta de una capa de material buen conductor del calor que se prolonga sobre la pared del bastidor en porciones que recubren dicha pared y llevan montados medios de calentamiento regulables capaces de producir, a través del recubrimiento de la conformación axial del bastidor, la fusión progresiva del material fundente.

2. Mecanismo según la reivindicación 1, caracterizado porque la carcasa presenta interiormente en su pared conformaciones axiales sobre las que se acopla la capa de material fundente, para impedir su deslizamiento respecto de dicha carcasa, mientras se mantiene en estado sólido.

3. Mecanismo según la reivindicación 1, caracterizado porque entre el bastidor cilíndrico y la capa de material buen conductor de calor va dispuesta una capa de material térmicamente aislante.

4. Mecanismo según la reivindicación 1, caracterizado porque la pared cilíndrica de sellado está constituida a base de un material antifricción y cierra contra la carcasa cilíndrica, por encima y por debajo de la capa de material fundente, a través de superficies que presentan ranuras perimetrales que actúan como barrera de contención del fundente en estado líquido.

5. Mecanismo según la reivindicación 1, caracterizado porque la pared cilíndrica de sellado está ligeramente separada de la capa de material fundente.

6. Mecanismo según la reivindicación 1, caracterizado porque el material fundente consiste en una aleación metálica de bajo punto de fusión.