ES2914432T3 - Mecanismo de liberación no explosivo basado en fusión por inducción electromagnética - Google Patents
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Abstract
Sistema de liberación (1, 2, 3, 4, 5) configurado para sistemas espaciales, que incluye un elemento estructural segmentado (10) que comprende un primer segmento (10a) configurado para acoplarse a una primera estructura y un segundo segmento (10b) configurado para acoplarse a una segunda estructura, en el que dichas estructuras primera y segunda son respectivamente: - un satélite/vehículo espacial y un aparato/apéndice desplegable de dicho satélite/vehículo espacial; o - un vehículo de lanzamiento y un satélite/vehículo espacial que va a lanzarse por dicho vehículo de lanzamiento; o - un primer componente/aparato y un segundo componente/aparato de un satélite/vehículo espacial/vehículo de lanzamiento diseñado para fragmentarse antes o durante la reentrada a la atmósfera terrestre; en el que el elemento estructural segmentado (10) comprende además una unión de soldadura (11) que une extremos respectivos de dichos segmentos primero (10a) y segundo (10b), reteniendo de ese modo las estructuras primera y segunda una con respecto a otra; en el que dicha unión de soldadura (11) puede calentarse electromagnéticamente e incluye una aleación de soldadura que tiene una temperatura de fusión predefinida; caracterizado por incluir además medios de generación de campo magnético (13; PW1; PW2; PW3; PW4; PW5; PW5a; PW5b; PW5c) configurados para, tras la recepción de una instrucción de liberación, generar un campo magnético variable en el tiempo a través de la unión de soldadura (11) de tal manera que provoque calentamiento de la misma hasta la temperatura de fusión predefinida de la aleación de soldadura, provocando de ese modo la fusión de dicha aleación de soldadura; mediante lo cual se provoca la separación de los segmentos primero (10a) y segundo (10b), permitiendo de ese modo la liberación de las estructuras primera y segunda una con respecto a otra.
Description
DESCRIPCIÓN
Mecanismo de liberación no explosivo basado en fusión por inducción electromagnética
Campo técnico de la invención
La presente invención se refiere a un actuador de liberación no explosivo que encuentra ventajoso, pero no exclusivo, su aplicación para mecanismos de retención y liberación aeroespaciales (HRM). Además, la presente invención puede aprovecharse ventajosamente también para la fragmentación de sistemas espaciales de fin de vida útil y para la liberación de un sistema espacial desde un vehículo de lanzamiento (o lanzador).
Estado de la técnica
Como se sabe, los sistemas espaciales (tales como satélites y vehículos espaciales) normalmente tienen apéndices desplegables (tales como antenas, conglomerados solares, grúas, soportes, instrumentos, etc.) que se mantienen almacenados durante el lanzamiento con el fin de encajarse en el volumen de lanzador disponible y sobrevivir al entorno mecánico de lanzamiento, y que luego se liberan y despliegan en órbita para su funcionamiento.
Con el fin de lograr estas funciones, se usan comúnmente mecanismos de retención y liberación (HRM), que conectan y retienen de manera segura y firme los apéndices desplegables de un sistema espacial durante el lanzamiento, y que liberan dichos apéndices desplegables tras la recepción de una señal de instrucción, en particular, cuando el sistema espacial está en órbita y ha alcanzado una posición predefinida en el espacio exterior.
Actualmente, los HRM más ampliamente utilizados se basan en la pirotécnica, tales como elementos de corte pirotécnicos, tuercas pirotécnicas, elementos de corte de perno/alambre/cable pirotécnicos, etc.; por ejemplo, algunos de los HRM usados actualmente en el sector aeroespacial aprovechan un elemento de corte pirotécnico para cortar una barra de conexión precargada.
Como es ampliamente conocido, los HRM pirotécnicos, a pesar de su enorme tradición y alta fiabilidad, presentan graves inconvenientes. En particular, los HRM pirotécnicos producen impactos que pueden ser extremadamente peligrosos para la integridad de equipos delicados. Este problema de impacto puede mitigarse mediante un diseño dedicado a nivel de HRM, pero, sin embargo, los HRM pirotécnicos aún pueden producir impactos peligrosos. Además, con el fin de tratar de mitigar (adicionalmente) este problema de impacto, las unidades electrónicas relevantes generalmente se someten a prueba en exceso, dando como resultado de ese modo campañas de prueba altamente costosas. Sin embargo, a pesar de este sometimiento a prueba en exceso, los fallos de unidades siguen siendo bastante recurrentes. Adicionalmente, la manipulación, el almacenamiento y el funcionamiento de los HRM pirotécnicos pueden ser intrínsecamente peligrosos.
La tendencia actual en el sector aeroespacial es hacia sistemas espaciales, en particular satélites, que son más pequeños, más ligeros, más complejos, más versátiles y con instrumentación de a bordo más sensible. La combinación de todos estos factores conduce a la necesidad de reducir drásticamente los impactos generados por los HRM y, por tanto, de usar HRM no explosivos. Además, la tendencia a alejarse de los sistemas pirotécnicos está creciendo también debido al hecho de que puede lograrse un ahorro de costes sustancial evitando los costes relacionados con la seguridad actualmente implicados por el uso de HRM pirotécnicos. A este respecto, también cabe señalar que, en el contexto del programa de investigación e innovación “Horizonte 2020” de la Unión Europea, la Comisión Europea (EC), la Agencia Espacial Europea (ESA) y la Agencia de Defensa Europea (EDA) han realizado una lista de acciones urgentes para tecnologías espaciales críticas para la no dependencia estratégica europea, que incluye también la necesidad de actuadores de retención y liberación no explosivos destinados a reemplazar completamente los pirotécnicos. En particular, dichos actuadores de retención y liberación no explosivos deben cumplir con los requisitos de impacto ultrabajo (< 300 g) que no pueden cumplirse por ningún actuador pirotécnico, deben cubrir los intervalos de temperatura y tensión de apriete que son altamente exigentes (respectivamente, [0 N,150 kN] y [-130 °C, 150 °C]), y deben tener un precio competitivo.
Por lo tanto, se han llevado a cabo muchas investigaciones en profundidad para desarrollar actuadores no explosivos para HRM, tales como:
• actuadores basados en el uso de aleaciones con memoria de forma (SMA), en los que dichos SMA cambian su forma geométrica (longitud, ángulo, etc.) al alcanzar su temperatura de transición, accionando de ese modo la liberación de una unión mecánica (por ejemplo, rompiendo un perno de unión, o cambiando la geometría de un elemento que mantiene una unión para liberar un elemento de sujeción o un retenedor, etc.); y
• actuadores (tales como dispositivos de carrete de separación/división) basados en el uso de alambres fusibles, en los que dichos alambres fusibles
- mantienen elementos mecánicos precargados (tales como alambres fusibles que actúan como elementos de bloqueo que sujetan elementos sometidos a tensión, tales como resortes helicoidales precargados,
manteniendo juntos carretes de división), y,
- cuando sea necesario, se calientan para fundirse o autodestruirse, activando de ese modo el mecanismo de liberación (por ejemplo, un alambre fusible, tras la fusión o autodestrucción, libera un resorte helicoidal precargado que, en cascada, libera un carrete de división).
Un ejemplo de HRM basado en SMA no explosivo se proporciona en el documento de Vazquez J. y Bueno I. titulado “Non explosive low shock reusable 20 kN hold-down release actuatof’ (Procedimientos del 9° Simposio Europeo de Mecanismos y Tribología para el Espacio, 19-21 de septiembre de 2001, Liege, Bélgica - ESA SP-480, páginas 131 135, septiembre de 2001). En particular, este documento da a conocer un mecanismo basado en una tuerca segmentada mantenida en su posición mediante un mecanismo precargado, que está sujeto con un elemento de enclavamiento que puede activarse por un alambre de SMA.
Un ejemplo adicional de HRM basado en SMA no explosivo también se proporciona en el documento de Nava N. et al. titulado “ A novel hold-down and release mechanism for non-explosive actuators based on SMA technology" (Procedimientos del 16° Simposio Europeo de Mecanismos y Tribología para el Espacio, 23-25 de septiembre de 2015, Bilbao, España - ESA SP-737, septiembre de 2015). En particular, este documento da a conocer un HRM activado por una fibra de SMA que puede tirar con aproximadamente 70 N de fuerza. Dado que e1HRM maneja altas fuerzas externas (por ejemplo, cargas previas de 35 KN y fuerzas de carrera de pasador de 500 N), la descomposición de estas cargas es necesaria para realizar la operación de activación completa. En detalle, el mecanismo propuesto en dicho documento está compuesto principalmente por:
• una parte de activación, denominada corona, sometida a tracción por un alambre de SMA para su funcionamiento;
• esferas que soportan las interfaces mecánicas (pasador o varilla y tuerca); y
• esferas para descomponer las fuerzas externas hasta una fuerza que la SMA puede manejar.
En su lugar, un ejemplo de HRM no explosivo basado en el uso de alambres fusibles se proporciona en el documento US 2012/0293294 a 1, que da a conocer un aparato que comprende:
• un mecanismo de liberación de restricción que comprende uno o más brazos de liberación de restricción;
• un dispositivo de liberación redundante que comprende un carrete segmentado que tiene una pluralidad de segmentos que están restringidos de separarse por la cinta de restricción de resorte asegurada de manera liberable a los brazos de liberación de restricción;
• un conjunto de alambre fusible redundante acoplado al dispositivo de liberación redundante y que comprende
- un contacto positivo primario,
- un contacto positivo redundante,
- un contacto negativo común,
- un alambre fusible primario conectado entre el contacto positivo primario y el contacto negativo común que se enrolla alrededor del contacto positivo redundante y los brazos de liberación de restricción, y
- un alambre fusible redundante conectado entre el contacto positivo redundante y el contacto negativo común que se enrolla alrededor del contacto positivo primario y los brazos de liberación de restricción; y
• una fuente de energía eléctrica acoplada al conjunto de alambre fusible redundante para calentar y separar los alambres fusibles.
Los HRM basados en SMA sufren de tensión de apriete importante y limitaciones de temperatura, mientras que los dispositivos de carrete de división basados en el uso de alambres fusibles están sometidos a restricciones de control de exportación importantes.
Además, ambas de dichas tecnologías sufren problemas de fiabilidad debido a la complejidad mecánica de los sistemas de retención y liberación relevantes.
Adicionalmente, los documentos WO 2015/014943 A1 y WO 2015/014942 A1 se refieren a un método y dispositivo para conectar y separar dos elementos, con placas de conexión, adecuados para separar las etapas de un lanzador. En particular, el método y el dispositivo según los documentos WO 2015/014943 A1 y WO 2015/014942 A1 permiten la separación lineal de dos elementos unidos entre sí, a través de dos superficies de conexión respectivas de estos dos elementos. Se coloca una capa de conexión entre ambas partes de conexión. Se usa termita para fundir esta capa
de conexión. La termita puede colocarse en el otro lado de la primera parte de conexión hacia el primer elemento, una placa de protección térmica que completa este conjunto. La termita también puede colocarse en ranuras proporcionadas en la superficie de conexión de la segunda placa de conexión para estar directamente en contacto con la capa de conexión.
Además, teniendo en cuenta un campo técnico completamente diferente (es decir, el campo de la tecnología de turbinas de gas), el documento WO 2013/144035 A1 da a conocer un método para procesar un componente híbrido modular que comprende una primera parte hecha de un primer material y una segunda parte hecha de un segundo material diferente de dicho primer material con respecto a sus propiedades electromagnéticas y/o térmicas (por ejemplo, una parte cerámica y una parte metálica). Según el documento WO 2013/144035 A1, el componente híbrido modular está expuesto a un campo electromagnético alterno, mediante lo cual ambas partes se calientan de manera diferente y una unión de soldadura fuerte o soldadura blanda, o cemento mineral sensible a campo, proporcionado entre dichas primera y segunda partes se ve afectado por dicha acción de calentamiento. En particular, el método según el documento Wo 2013/144035 A1 permite ensamblar y desensamblar partes hechas de diferentes materiales (más específicamente, partes cerámicas y metálicas). De hecho, este método se ha concebido expresamente para el reemplazo de partes desgastadas/dañadas de turbinas de gas.
Objeto y sumario de la invención
El objeto de la presente invención es el de proporcionar un HRM no explosivo que es:
• alternativo con respecto a los basados en el uso de SMA y alambres fusibles para evitar los inconvenientes relevantes mencionados anteriormente;
• alternativo con respecto a los que son según el documento WO 2015/014943 A1, de modo que es más eficiente y más fiable; y
• de tal manera que cumpla los requisitos de impacto ultrabajo mencionados anteriormente (es decir, < 300 g), cubra los intervalos altamente exigentes mencionados anteriormente de tensiones de apriete y temperaturas (es decir, respectivamente, [0 N,150 kN] y [-130 °C, 150 °C]), y tengan un precio competitivo.
Este y otros objetos se logran mediante la presente invención en la que la misma se refiere a un sistema de liberación para sistemas espaciales, como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Breve descripción de los dibujos
Para una mejor comprensión de la presente invención, realizaciones preferidas, que están destinadas únicamente a ser a modo de ejemplos no limitantes, se describirán ahora con referencia a los dibujos adjuntos (todos no a escala), en los que:
• las figuras 1-5 ilustran un sistema de liberación según una primera realización preferida de la presente invención;
• las figuras 6-8 ilustran un ejemplo de uso del sistema de liberación según dicha primera realización preferida de la presente invención en un mecanismo de retención y liberación para una antena desplegable de un satélite;
• las figuras 9-16 ilustran realizaciones preferidas adicionales de la presente invención; y
• la figura 17 muestra una comparación entre los costes de un elemento de corte pirotécnico estándar y del sistema de liberación según la presente invención.
Descripción detallada de realizaciones preferidas de la invención
La siguiente discusión se presenta para permitir a un experto en la técnica realizar y usar la invención. Diversas modificaciones de las realizaciones resultarán fácilmente evidentes para los expertos en la técnica, sin apartarse del alcance de la presente invención como se reivindica. Por consiguiente, la presente invención no se pretende que se limite a las realizaciones mostradas y descritas, sino que se le ha de conceder el alcance más amplio según los principios y características dados a conocer en el presente documento y definidos en las reivindicaciones adjuntas.
La presente invención se refiere a un sistema de liberación no explosivo que incluye un elemento estructural segmentado (por ejemplo, en forma de una barra de conexión segmentada), que comprende:
• un primer segmento diseñado para acoplarse a una primera estructura (convenientemente, un satélite o un vehículo espacial);
• un segundo segmento diseñado para acoplarse a una segunda estructura (convenientemente, un apéndice desplegable o aparato de dicho satélite/vehículo espacial); y
• una unión de soldadura que une los extremos respectivos de dichos segmentos primero y segundo, reteniendo de ese modo de manera segura las estructuras primera y segunda una con respecto a la otra; en el que dicha unión de soldadura puede calentarse electromagnéticamente e incluye una aleación de soldadura (preferiblemente una aleación eutéctica) que tiene una temperatura de fusión predefinida.
Además, el sistema de liberación no explosivo incluye además medios de generación de campo magnético configurados para, tras la recepción de una instrucción de liberación, generar un campo magnético variable en el tiempo a través de la unión de soldadura de tal manera que cause calentamiento de la misma hasta la temperatura de fusión predefinida de la aleación de soldadura, provocando de ese modo la fusión de dicha aleación de soldadura; mediante lo cual se provoca la separación de los segmentos primero y segundo, permitiendo de ese modo la liberación de las estructuras primera y segunda entre sí.
Convenientemente, la aleación de soldadura es una aleación de oro o plata.
Preferiblemente, la temperatura de fusión predefinida de la aleación de soldadura está comprendida entre 200 °C y 400 °C, y dicha aleación de soldadura está caracterizada por una resistencia mecánica superior a 100 MPa.
Preferiblemente, la aleación de soldadura puede calentarse electromagnéticamente, la unión de soldadura está formada por dicha aleación de soldadura, y los medios de generación de campo magnético están configurados para generar un campo magnético variable en el tiempo a través de la unión de soldadura de manera que induzca corrientes parásitas en dicha aleación de soldadura (según la ley de inducción de Faraday), provocando de ese modo el calentamiento de la misma hasta dicha temperatura de fusión predefinida.
Alternativamente, la unión de soldadura incluye además un metal (preferiblemente cobre), y los medios de generación de campo magnético están configurados para generar un campo magnético variable en el tiempo a través de la unión de soldadura de manera que induzca corrientes parásitas en dicho metal (según la ley de inducción de Faraday), provocando de ese modo el calentamiento de la misma; mediante lo cual el calentamiento de dicho metal provoca que la aleación de soldadura se caliente hasta su temperatura de fusión predefinida. Convenientemente, la unión de soldadura incluye:
• dos capas hechas de la aleación de soldadura; y
• una capa que está hecha de dicho metal y está interpuesta entre dichas dos capas hechas de la aleación de soldadura.
Preferiblemente, el elemento estructural segmentado se extiende principalmente a lo largo de un eje longitudinal, la unión de soldadura tiene un tamaño de sección transversal sustancialmente uniforme ortogonalmente con respecto a dicho eje longitudinal y un grosor a lo largo de dicho eje longitudinal bastante más pequeño que dicho tamaño de sección transversal, y los medios de generación de campo magnético están diseñados para generar un campo magnético variable en el tiempo que se extiende a través de la unión de soldadura sustancialmente paralelo a dicho eje longitudinal.
La presente invención puede aprovecharse ventajosamente para:
• retener y liberar aparatos/apéndices desplegables de un satélite/vehículo espacial (mediante lo cual la primera estructura mencionada anteriormente es un satélite/vehículo espacial y la segunda estructura mencionada anteriormente es un aparato/apéndice desplegable de dicho satélite/vehículo espacial);
• lograr la fragmentación de sistemas espaciales de fin de vida útil (mediante lo cual las estructuras primera y segunda mencionadas anteriormente son, respectivamente, un primer componente/aparato y un segundo componente/aparato de un mismo sistema espacial, tal como un satélite o vehículo espacial o vehículo de lanzamiento diseñado para fragmentarse antes o durante la reentrada a la atmósfera terrestre); y
• liberar un satélite o un vehículo espacial desde un vehículo de lanzamiento (mediante lo cual las estructuras primera y segunda mencionadas anteriormente, respectivamente, son un lanzador y un satélite/vehículo espacial portado por este último).
En aras de la simplicidad de la descripción y, por consiguiente, sin perder generalidad, a continuación realizaciones preferidas de la presente invención se describirán en detalle haciendo referencia explícita a un elemento estructural segmentado en forma de una barra de conexión segmentada usado para retener y liberar aparatos/apéndices desplegables de satélites/vehículos espaciales.
Para un mejor entendimiento de la presente invención, el principio de funcionamiento de la misma puede compararse con un transformador cuyo devanado primario, suministrado con una tensión de CA, induce un flujo magnético en un circuito magnético formado por la barra de conexión segmentada y una carcasa externa que aloja dicha barra de
conexión segmentada.
La ecuación general que se aplica a dicho circuito magnético es:
R ® = N I ,
donde R indica la reluctancia del circuito magnético, O indica el flujo magnético inducido, N indica el número de vueltas del devanado primario, e I indica la corriente en el devanado primario.
Dado que la barra de conexión segmentada comprende dos segmentos soldados entre sí con una aleación de soldadura conductora que exhibe un diamagnetismo efectivo cuando experimenta un campo magnético variable en el tiempo, el flujo magnético induce corrientes parásitas en la unión de soldadura según la ley de inducción de Faraday, cuyas corrientes parásitas producen pérdidas óhmicas, concretamente, calentamiento por efecto Joule, aumentando de ese modo la temperatura de la aleación de soldadura hasta la temperatura de fusión de la misma.
Una vez que se alcanza la temperatura de fusión, la barra de conexión (que también se somete convenientemente a precarga mecánica y a una fuerza de resorte extractor) pasa a separarse en dos segmentos, logrando de ese modo la liberación.
Como se explicó anteriormente, el uso de elementos fusibles para lograr la separación de elementos mecánicos ya se ha aprovechado en el pasado. Sin embargo, a partir de lo mencionado anteriormente está absolutamente claro que el sistema según la presente invención es completamente diferente de los conocidos actualmente.
En particular, vale la pena señalar que una de las (varias) diferencias principales entre la presente invención y los actuadores actuales basados en el uso de elementos fusibles se debe al hecho de que, según la presente invención, la unión de soldadura porta directamente la precarga y las fuerzas de extracción externas, mientras que en los otros actuadores los elementos fusibles no portan directamente la precarga, ni las fuerzas de extracción externas.
Además, desde un punto de vista de la fiabilidad, el funcionamiento correcto de la presente invención se basa en el éxito de un solo evento (es decir, la fusión inducida magnéticamente de la unión de soldadura), mientras que para los dispositivos de carrete de división el funcionamiento correcto se basa en el éxito de al menos dos eventos y, adicionalmente, las partes que van a liberarse se someten a un movimiento relativo de fricción.
Además, vale la pena señalar también que la complejidad mecánica de la presente invención es mucho menor que todas las otras soluciones de liberación no explosiva existentes.
Para una mejor comprensión de la presente invención, la figura 1 muestra una sección transversal, en un plano de referencia cartesiano zx, de un primer sistema de liberación (indicado en su conjunto por 1) según una primera realización preferida de la presente invención. Dicho primer sistema de liberación 1 incluye una barra de conexión segmentada 10 que se extiende principalmente en paralelo al eje z y comprende un primer segmento 10a y un segundo segmento 10b, que se sueldan entre sí por medio de una aleación de soldadura que forma una unión de soldadura 11 entre dichos segmentos primero 10a y segundo 10b.
El primer segmento 10a puede precargarse convenientemente o bien fijándose de manera segura a una estructura portadora externa (no mostrada en la figura 1), tal como un satélite o vehículo espacial, o bien acoplándose a uno o más resortes extractores precargados (no mostrados en la figura 1). Adicionalmente, el segundo segmento 10b puede precargarse convenientemente acoplándose a uno o más resortes extractores precargados (no mostrados en la figura 1). La precarga de los segmentos primero 10a y segundo 10b da como resultado fuerzas opuestas P ejercidas sobre dicho segmentos primero 10a y segundo 10b.
Además, el primer sistema de liberación 1 incluye además:
• una carcasa externa 12, que es una carcasa magnética blanda hueca que aloja la barra de conexión segmentada 10; y
• una bobina o solenoide 13, que comprende varios devanados metálicos, tales como varios devanados de cobre, y se porta por un elemento portador de bobina 14 (convenientemente hecho de material dieléctrico) para enrollarse alrededor de una parte media de la barra de conexión segmentada 10, cuya parte media incluye la unión de soldadura 11.
Como se explicó anteriormente, la carcasa externa 12 y la barra de conexión segmentada 10 pueden “verse” como un circuito magnético de un transformador.
Este circuito magnético presenta tres discontinuidades, en el que:
• una primera discontinuidad está entre el primer segmento 10a y el segundo segmento 10b de la barra de conexión segmentada 10, es decir, la unión de soldadura 11, que se “ve” por un flujo magnético generado por la bobina 13 como una discontinuidad magnética, ya que la aleación de soldadura es diamagnética (siendo el grosor de la unión de soldadura 11 paralelo al eje z bastante pequeño para que el flujo magnético pueda pasar a través del mismo sin dispersión significativa); y
• las otras dos discontinuidades son espacios de aire 15 presentes entre la carcasa externa 12 y, respectivamente, el primer segmento 10a y el segundo segmento 10b de la barra de conexión segmentada 10 (siendo necesarios dichos espacios de aire 15 para la inserción de la barra de conexión durante una etapa de integración y para la extracción del/de los segmento(s) de barra de conexión después de la liberación).
Todas las discontinuidades anteriores son los principales contribuyentes a la reluctancia total del circuito magnético.
La bobina 13 se suministra mediante un generador de CA (no mostrado en la figura 1) con una señal eléctrica de CA que tiene frecuencia y amplitud predefinidas, y, genera de ese modo un campo magnético primario. En particular, ya que la bobina 13 (es decir, el devanado primario del transformador) se alimenta con una señal eléctrica de CA, se produce un campo magnético variable en el tiempo, generando de ese modo inducción magnética en el circuito magnético.
A este respecto, la figura 2 muestra la misma sección transversal del primer sistema de liberación 1 que la figura 1, ilustrando adicionalmente líneas de flujo del flujo magnético generado por la bobina 13. Además, las figuras 3 y 4 muestran una sección transversal de la unión de soldadura 11 paralela al eje x (es decir, en un plano de referencia cartesiano xy ortogonal con respecto al plano de referencia cartesiano zx) e ilustran, respectivamente, las líneas de flujo del flujo magnético generado por la bobina 13 y las corrientes parásitas inducidas por dicho flujo magnético.
Como se muestra en las figuras 2-4, el flujo magnético generado por la bobina 13 es normal con respecto a la sección transversal de la unión de soldadura 11 e induce corrientes parásitas planas que generan un flujo contrario opuesto al flujo primario generado por la bobina 13.
La inducción magnética es sustancialmente constante con el grosor de la unión de soldadura 11, ya que es bastante pequeño con respecto al tamaño de sección transversal y también a la penetración de profundidad de superficie a la frecuencia de funcionamiento predefinida.
Las corrientes parásitas inducidas por el flujo magnético generado por la bobina 13 en la unión de soldadura 11 pueden considerarse como el devanado secundario del transformador. Convenientemente, la unión de soldadura está hecha de una aleación de alta conductividad eléctrica (por ejemplo, una aleación de plata y/u oro), ya que las pérdidas óhmicas son proporcionales con respecto a la conductividad del material.
La temperatura de fusión de la aleación de soldadura es razonablemente baja (en particular, convenientemente comprendida entre 200 °C y 400 °C). Por lo tanto, se usa preferiblemente una aleación eutéctica o una aleación con baja temperatura de fusión. Además, la aleación de soldadura también puede garantizar la capacidad de la unión de soldadura 11 para portar la precarga con márgenes adecuados.
Algunas aleaciones de soldadura que pueden aprovecharse según la presente invención se enumeran en la siguiente tabla, que también informa de las respectivas temperaturas de fusión y resistencias mecánicas, y si son eutécticas.
Tabla
En resumen, la unión de soldadura 11 tiene la función de:
• proporcionar resistencia mecánica;
• soportar corrientes parásitas y generar potencia de disipación; y
• fundir a una temperatura baja dada.
Convenientemente, una configuración de unión opcional proporciona una lámina o capa metálica delgada altamente conductora de electricidad (preferiblemente hecha de cobre puro) para usarse además de los materiales de soldadura mencionados anteriormente. En este caso, la barra de conexión puede incluir convenientemente desde la parte inferior
hacia arriba:
• la parte inferior de la barra de conexión (es decir, el primer segmento 10a mencionado anteriormente);
• una primera unión de soldadura formada por una de las aleaciones de soldadura mencionadas anteriormente; • una lámina o capa metálica (por ejemplo, con un espesor de 0,1-0,5 mm), preferiblemente hecha de cobre;
• una segunda unión de soldadura formada por una de las aleaciones de soldadura mencionadas anteriormente; y • la parte superior de la barra de conexión (es decir, el segundo segmento 10b mencionado anteriormente).
Con esta solución alternativa, es posible distinguir las funciones de las uniones de soldadura primera y segunda y de la lámina o capa de metal de la siguiente manera:
• las uniones de soldadura primera y segunda proporcionan resistencia mecánica y se funden a una temperatura baja dada;
• la lámina o capa metálica soporta corrientes parásitas y genera potencia para calentar las uniones de soldadura hasta la fusión de las mismas.
Con esta configuración opcional es posible controlar directamente la potencia disipada, ya que es proporcional al cuadrado del grosor de la lámina o capa de metal. A este respecto, el uso de cobre es particularmente ventajoso, ya que el cobre tiene tanto una alta conductividad eléctrica como una alta resistencia mecánica (por ejemplo, también puede usarse plata, ya que tiene una conductividad eléctrica ligeramente mayor que el cobre; pero la plata tiene una resistencia mecánica menor que el cobre, por lo que este último es preferible).
Preferiblemente, la barra de conexión segmentada 10 y, más preferiblemente, también la carcasa externa 12 están hechas de una aleación magnética blanda para reducir la reluctancia del circuito magnético y, por consiguiente, maximizar el flujo magnético que genera las corrientes parásitas en la unión de soldadura y las pérdidas óhmicas relevantes. Más preferiblemente, dicha aleación magnética blanda incluye hierro puro (tal como hierro puro ARMCO®), o es una aleación de silicio-hierro (convenientemente con un 1,0 - 4,0% de Si), o es una aleación de cobalto-hierro (convenientemente con hasta un 50 % de Co)
Además, la figura 5 muestra una sección transversal, en el plano de referencia cartesiano zx, del primer sistema de liberación 1 después de que la aleación de soldadura que forma la unión de soldadura 11 se ha fundido y con referencia al caso en el que tanto el segmento primero 10a como el segundo 10b de la barra de conexión segmentada 10 están acoplados a resortes extractores precargados (no mostrados en la figura 5). En particular, como se muestra en la figura 5, dichos segmentos primero 10a y segundo 10b se liberan y luego se separan uno con respecto a otro como consecuencia de la fusión de la aleación de soldadura que forma la unión de soldadura 11 y de las fuerzas de tracción ejercidas por los resortes extractores precargados.
Las figuras 6-8 son vistas en sección transversal en el plano de referencia cartesiano zx e ilustran un ejemplo de uso del primer sistema de liberación 1 en un HRM para una antena desplegable de un satélite.
En particular, en el ejemplo mostrado en las figuras 6-8, el primer sistema de liberación 1 está acoplado a:
• un satélite (no mostrado en las figuras 6-8) por medio de un conjunto de base fija 20, que incluye una primera pestaña de interfaz 21 fijada de manera segura a dicho satélite, y una tuerca de precarga 22 acoplada al primer segmento 10a de la barra de conexión segmentada 10; y
• una antena desplegable (no mostrada en las figuras 6-8) por medio de un conjunto superior desplegable 30, que - incluye una segunda pestaña de interfaz 31 fijada de manera segura a dicha antena desplegable, y - está unida de manera liberable a la estructura de base 20 por medio de una unión cónica separable 32. La configuración implicada en el ejemplo mostrado en las figuras 6-8 se basa en un circuito magnético toroidal que tiene el devanado primario coaxial con la barra de conexión 10 y la carcasa externa axialmente simétrica 12 alrededor. La unión cónica separable 32 está conectada estructuralmente a un árbol principal y al extractor 33, que se unen en una esfera de una unión esférica 34 y se une con perno al segundo segmento 10b de la barra de conexión segmentada 10. Además, el primer segmento 10a se precarga por medio de la tuerca de precarga 22.
Una carcasa externa de la unión esférica 34 se une en la segunda pestaña de interfaz 31.
Con referencia específica a las figuras 7 y 8, cuando la unión de soldadura 11 se ha fundido, el árbol principal y el extractor 33, junto con el segundo segmento 10b, se empujan en sentido contrario, por medio de un resorte extractor 35, hasta entrar en contacto con una copa protectora 36 que evita que el árbol principal y el extractor 33 se expulsen lejos. En este punto, la unión cónica separable 32 ya no está precargada y, por consiguiente, el conjunto superior desplegable 30 puede desplegarse libremente, mientras que el conjunto de base fija 20 permanece fijo.
Las figuras 9-16 muestran realizaciones preferidas adicionales de la presente invención, que:
• implican, todas, el uso de la barra de conexión segmentada 10 que comprende los segmentos primero y segundo 10a y 10b soldados entre sí por medio de la aleación de soldadura que forma la unión de soldadura 11 entre los mismos; y
• difieren entre sí en la manera en la que se induce el flujo magnético en dicha barra de conexión segmentada 10. En particular, puede observarse que:
• la figura 9 muestra una sección transversal, en el plano de referencia cartesiano zx, del primer sistema de liberación 1 (también mostrado en la figura 1, 2 y 5-8), que tiene una configuración axialmente simétrica toroidal con devanado primario PW1 en el eje (indicándose dicho devanado primario PW1 en las figuras 1, 2 y 5-8 como 13);
• la figura 10 muestra una sección transversal, en el plano de referencia cartesiano zx, de un segundo sistema de liberación (indicado en su conjunto por el número de referencia 2) según una segunda realización preferida de la presente invención, en el que dicho segundo sistema de liberación 2 tiene una configuración simétrica plana con devanado primario PW2 en el eje;
• la figura 11 muestra una sección transversal, en el plano de referencia cartesiano zx, de un tercer sistema de liberación (indicado en su conjunto por el número de referencia 3) según una tercera realización preferida de la presente invención, en el que dicho tercer sistema de liberación 3 tiene una configuración asimétrica plana con devanado primario PW3 en el eje;
• la figura 12 muestra una sección transversal, en el plano de referencia cartesiano zx, de un cuarto sistema de liberación (indicado en su conjunto por el número de referencia 4) según una cuarta realización preferida de la presente invención, en el que dicho cuarto sistema de liberación 4 tiene una configuración asimétrica plana con devanado primario PW4 fuera del eje;
• la figura 13 muestra una sección transversal, en el plano de referencia cartesiano zx, de un quinto sistema de liberación (indicado en su conjunto por el número de referencia 5) según una quinta realización preferida de la presente invención, en el que dicho quinto sistema de liberación 5 tiene una configuración simétrica de N ramas con devanados primarios PW5 fuera del eje;
• las figuras 14, 15 y 16 muestran vistas superiores de tres ejemplos de uso del quinto sistema de liberación 5, en particular, con referencia a, respectivamente, una configuración simétrica de 2 ramas con devanados primarios PW5 fuera del eje, una configuración simétrica de 3 ramas con devanados primarios PW5 fuera del eje, y una configuración simétrica de 4 ramas con devanados primarios PW5 fuera del eje.
A partir de la descripción anterior, las ventajas técnicas de la presente invención se hacen evidentes inmediatamente. En particular, es importante señalar que el sistema de liberación según la presente invención puede cubrir completamente los intervalos de temperatura y precarga requeridos para este tipo de dispositivos (es decir, respectivamente, [0 N,150 kN] y [-130 °C, 150 °C]).
Además, el sistema de liberación según la presente invención solo induce impactos ultrabajos, debido a que la separación de los segmentos del elemento estructural segmentado es muy suave debido al hecho de que se genera mediante un proceso de fusión, mientras que el impacto residual, que solo se debe a la energía de tensión de precarga, puede gestionarse fácilmente mediante un diseño dedicado a nivel de HRM.
Adicionalmente, el sistema de liberación según la presente invención no produce ningún residuo, cumpliendo de ese modo los requisitos de reducción de residuos espaciales de la ESA.
Además, la presente invención supera cualquier problema de restricción de control de exportación, ya que se basa en tecnologías totalmente propiedad del solicitante.
Además de las ventajas anteriores, vale la pena señalar también que el sistema de liberación según la presente invención permite lograr un ahorro de costes notable con respecto a los actuadores pirotécnicos. A este respecto, la figura 17 muestra una comparación entre los costes de un elemento de corte pirotécnico estándar y del sistema de liberación según la presente invención en función del número de antenas desplegables para satélites producidos por
año (teniendo en cuenta el uso de cuatro HRM para cada antena).
Para resumir, la presente invención proporciona las siguientes características clave:
• no explosiva;
• impacto casi nulo;
• precarga muy alta;
• amplios intervalos de temperatura de funcionamiento;
• mecánicamente simple;
• baja masa;
• vida en órbita y almacenamiento ilimitado;
• bajo coste;
• sin residuos;
• sin restricciones de control de exportación;
• restaurable mediante reemplazo de barra de conexión, así como para los HRM actuales.
Finalmente, es importante enfatizar nuevamente el punto de que la presente invención, además de las aplicaciones de HRM, puede aprovecharse ventajosamente también para:
• lograr fragmentación de sistemas espaciales de fin de vida útil para cumplir con las regulaciones de control de residuos espaciales; y
• restringir durante el lanzamiento y luego liberar en órbita un satélite o vehículo espacial portado por un vehículo de lanzamiento (por ejemplo, desde la etapa superior del lanzador en lugar de la abrazadera Marman estándar).
En conclusión, está claro que pueden hacerse numerosas modificaciones y variantes a la presente invención, todas dentro del alcance de la invención, como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (16)
- REIVINDICACIONESi. Sistema de liberación (1,2, 3, 4, 5) configurado para sistemas espaciales, que incluye un elemento estructural segmentado (10) que comprende un primer segmento (10a) configurado para acoplarse a una primera estructura y un segundo segmento (10b) configurado para acoplarse a una segunda estructura, en el que dichas estructuras primera y segunda son respectivamente:• un satélite/vehículo espacial y un aparato/apéndice desplegable de dicho satélite/vehículo espacial; o• un vehículo de lanzamiento y un satélite/vehículo espacial que va a lanzarse por dicho vehículo de lanzamiento; o• un primer componente/aparato y un segundo componente/aparato de un satélite/vehículo espacial/vehículo de lanzamiento diseñado para fragmentarse antes o durante la reentrada a la atmósfera terrestre;en el que el elemento estructural segmentado (10) comprende además una unión de soldadura (11) que une extremos respectivos de dichos segmentos primero (10a) y segundo (10b), reteniendo de ese modo las estructuras primera y segunda una con respecto a otra; en el que dicha unión de soldadura (11) puede calentarse electromagnéticamente e incluye una aleación de soldadura que tiene una temperatura de fusión predefinida;caracterizado por incluir además medios de generación de campo magnético (13; PW1; PW2; PW3; PW4; PW5; PW5a; PW5b; PW5c) configurados para, tras la recepción de una instrucción de liberación, generar un campo magnético variable en el tiempo a través de la unión de soldadura (11) de tal manera que provoque calentamiento de la misma hasta la temperatura de fusión predefinida de la aleación de soldadura, provocando de ese modo la fusión de dicha aleación de soldadura; mediante lo cual se provoca la separación de los segmentos primero (10a) y segundo (10b), permitiendo de ese modo la liberación de las estructuras primera y segunda una con respecto a otra.
- 2. El sistema de liberación según la reivindicación 1, en el que la aleación de soldadura es una aleación eutéctica.
- 3. El sistema de liberación según la reivindicación 1 o 2, en el que la aleación de soldadura puede calentarse electromagnéticamente; en el que la unión de soldadura (11) está compuesta por dicha aleación de soldadura; y en el que los medios de generación de campo magnético (13, PW1, PW2, PW3, PW4, PW5) están configurados para generar un campo magnético variable en el tiempo a través de la unión de soldadura (11) de manera que induzca corrientes parásitas en dicha aleación de soldadura, provocando de ese modo el calentamiento de la misma hasta dicha temperatura de fusión predefinida.
- 4. El sistema de liberación según la reivindicación 1 o 2, en el que la unión de soldadura (11) incluye además un metal; y en el que los medios de generación de campo magnético (13, PW1, PW2, PW3, PW4, PW5) están configurados para generar un campo magnético variable en el tiempo a través de la unión de soldadura (11) de manera que induzca corrientes parásitas en dicho metal, provocando de ese modo el calentamiento del mismo; mediante lo cual el calentamiento de dicho metal provoca que la aleación de soldadura se caliente hasta su temperatura de fusión predefinida.
- 5. El sistema de liberación según la reivindicación 4, en el que la unión de soldadura (11) incluye:• dos capas hechas de la aleación de soldadura; y• una capa que está hecha de dicho metal y está interpuesta entre dichas dos capas hechas de la aleación de soldadura.
- 6. El sistema de liberación según la reivindicación 4 o 5, en el que dicho metal es cobre.
- 7. El sistema de liberación según cualquier reivindicación anterior, en el que la aleación de soldadura es una aleación de oro o plata.
- 8. El sistema de liberación según cualquier reivindicación anterior, en el que la temperatura de fusión predefinida está comprendida entre 200 °C y 400 °C.
- 9. El sistema de liberación según cualquier reivindicación anterior, en el que la aleación de soldadura está caracterizada por una resistencia mecánica superior a 100 MPa.
- 10. El sistema de liberación según cualquier reivindicación anterior, en el que el elemento estructural segmentado (10) está hecho de una aleación magnética blanda.
- 11. El sistema de liberación según cualquier reivindicación anterior, que incluye además una carcasa magnética blanda (12) que aloja el elemento estructural segmentado (10).
- 12. El sistema de liberación según cualquier reivindicación anterior, en el que los medios de generación de campo magnético incluyen una bobina (13, PW1, PW2, PW3, PW4, PW5) conectada a un generador de corriente alterna que va a suministrarse de ese modo.
- 13. Sistema espacial equipado con el sistema de liberación (1,2, 3, 4, 5) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
- 14. El sistema espacial según la reivindicación 13, en el que dicho sistema espacial es un satélite o un vehículo espacial equipado con un aparato o apéndice desplegable; y en el que dichos segmentos primero (10a) y segundo (10b) del elemento estructural segmentado (10) del sistema de liberación (1, 2, 3, 4, 5) están acoplados a, respectivamente, dicho satélite/vehículo espacial y dicho aparato/apéndice desplegable.
- 15. El sistema espacial según la reivindicación 13, en el que dicho sistema espacial es un vehículo de lanzamiento diseñado para portar un satélite o un vehículo espacial; y en el que dichos segmentos primero (10a) y segundo (10b) del elemento estructural segmentado (10) del sistema de liberación (1, 2, 3, 4, 5) están acoplados a, respectivamente, dicho vehículo de lanzamiento y dicho satélite/vehículo espacial.
- 16. El sistema espacial según la reivindicación 13, en el que dicho sistema espacial es un satélite o vehículo espacial o vehículo de lanzamiento diseñado para fragmentarse antes o durante la reentrada a la atmósfera terrestre; y en el que dichos segmentos primero (10a) y segundo (10b) del elemento estructural segmentado (10) del sistema de liberación (1, 2, 3, 4, 5) están acoplados a, respectivamente, un primer componente/aparato y un segundo componente/aparato de dicho satélite/vehículo espacial/vehículo de lanzamiento.
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