RU2153448C1

RU2153448C1 - Device for separation of rocket stages (versions)

Info

Publication number: RU2153448C1
Application number: RU99123331/28A
Authority: RU
Inventors: Г.Н. Перепелицкий
Original assignee: Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. Хруничева
Priority date: 1999-11-03
Filing date: 1999-11-03
Publication date: 2000-07-27

Abstract

FIELD: rocketry; systems of separation of rocket stages and payload. SUBSTANCE: device includes coupling fittings of separable parts of rocket located over joint plane, pyro elements and units for bringing separable parts apart. At least one shelf of each pair of fittings is weakened to ensure its mechanical break in case of jamming of joint due to turn of separable parts relative to defective pyro element (pyro bolt). Fittings may be made with increased arm of jamming of joint. Device may be also provided with additional member, for example weakened washer fitted on pyro bolt. EFFECT: enhanced reliability. 4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к системам разделения ступеней ракет и отделения полезной нагрузки. The invention relates to rocket technology, and in particular to systems for separating rocket stages and separating payloads.

В ракетной технике известны системы разделения ступеней ракеты, содержащие стыковочные фитинги (или стыковочные фланцы), расположенные по плоскости стыка отделяемых друг от друга частей ракеты, пироэлементы и средства разведения разделяемых частей друг от друга (тормозные двигатели, толкатели или другие) - см., например, Основы конструирования ракет-носителей космических аппаратов.- М.: Машиностроение. 1991, с. 353-356. In rocketry, systems for separating rocket stages are known, containing docking fittings (or docking flanges) located along the junction plane of rocket parts separated from each other, pyroelements and means for breeding the parts to be separated from each other (brake engines, pushers or others) - see, for example, Fundamentals of the design of spacecraft launch vehicles .- M.: Mechanical Engineering. 1991, p. 353-356.

Недостатком указанных систем разделения является негарантированная надежность разделения, т.к. при возможном отказе только одного из нескольких пироэлементов, например при вероятности безотказной работы каждого пироэлемента P = 0,999, если ракета имеет два поперечных стыка с восемью пироэлементами по каждому стыку, то надежность системы разделения, обусловленная только пироэлементами, составляет 0,984, что совершенно недостаточно для современных и перспективных ракет, которые должны иметь показатель полетной надежности выше 0,98-0,99. Если по стыку необходимо установить более 8-12 пироэлементов, то система с дублированием каждого пироэлемента становится чрезвычайно сложной, тяжелой и трудной для реализации. The disadvantage of these separation systems is the unwarranted reliability of separation, because with the possible failure of only one of several pyroelements, for example, with the probability of failure-free operation of each pyroelement P = 0.999, if the rocket has two transverse joints with eight pyroelements at each joint, then the reliability of the separation system, caused only by pyroelements, is 0.984, which is completely insufficient for modern and promising missiles, which should have an indicator of flight reliability above 0.98-0.99. If at the junction it is necessary to install more than 8-12 pyroelements, then the system with duplication of each pyroelement becomes extremely complex, difficult and difficult to implement.

Задачей данного изобретения является создание устройства разделения частей ракеты с достижением технического результата в виде повышения надежности устройства разделения частей ракеты за счет создания конструкции стыковочных элементов, которые должны разрушаться при отказе одного из пироэлементов при штатном срабатывании остальных. Кроме того, изобретение расширяет арсенал технических средств, используемых при разделении. The objective of the invention is to provide a device for separating rocket parts with the achievement of a technical result in the form of increasing the reliability of a device for separating rocket parts by creating a design of docking elements that must be destroyed when one of the pyroelements fails during regular operation of the others. In addition, the invention extends the arsenal of technical means used in the separation.

Эта задача решается таким образом, что в устройстве разделения частей ракеты, содержащем стыковочные фитинги отделяемых частей ракеты, расположенные по плоскости стыка, пироэлементы и средства разведения разделяемых частей друг от друга, в соответствии с изобретением по крайней мере одна из полок каждой стыковочной пары фитингов выполнена с ослаблением, обеспечивающим ее механическое разрушение при защемлении данного фитинга от разворота разделяемых частей относительно отказавшего пироэлемента. This problem is solved in such a way that in the device for separating the parts of the rocket containing the docking fittings of the detachable rocket parts located along the junction plane, pyroelements and means for diluting the separable parts from each other, in accordance with the invention, at least one of the shelves of each docking pair of fittings with a weakening that ensures its mechanical destruction when the given fitting is pinched from a turn of the shared parts relative to the failed pyroelement.

Эта задача может решаться также тем, что в устройстве разделения ступеней ракеты в соответствии с изобретением фитинги выполнены с увеличенным по сравнению с конструктивным при нормальном срабатывании пироэлементов плечом защемления от линии разворота стыка до оси пироэлемента, обеспечивающим механическое разрушение наиболее слабого элемента стыка при отказе пироэлемента и защемлении данного стыка при развороте разделяемых частей относительно отказавшего пироэлемента. Эта задача может решаться также и тем, что в соответствии с изобретением устройство снабжено дополнительным звеном с ослаблением, разрушаемым только при отказе одного из пироэлементов и защемлении стыка. При этом в качестве дополнительного звена на пироэлементе установлена шайба с ослаблением на части на поверхности. This problem can also be solved by the fact that in the device for separating the rocket stages in accordance with the invention, the fittings are made with a pinch arm larger than the constructive element during normal operation of the pyroelements from the turn line of the joint to the pyroelement axis, which provides mechanical destruction of the weakest joint element in case of failure of the pyroelement and pinching of this joint when turning the shared parts relative to the failed pyroelement. This problem can also be solved by the fact that in accordance with the invention, the device is equipped with an additional link with the weakening, destroyed only in case of failure of one of the pyroelements and jamming of the joint. At the same time, a washer with loosening to parts on the surface is installed as an additional link on the pyroelement.

На фиг. 1 показана схема дополнительного нагружения элементов стыка при отказе одного пироэлемента; на фиг. 2 - первый вариант выполнения изобретения; на фиг. 3 - второй вариант выполнения изобретения; на фиг. 4 - третий вариант выполнения изобретения. In FIG. 1 shows a diagram of additional loading of the joint elements in case of failure of one pyroelement; in FIG. 2 is a first embodiment of the invention; in FIG. 3 is a second embodiment of the invention; in FIG. 4 is a third embodiment of the invention.

Устройство разделения ступеней ракеты содержит (см. фиг. 1) стыковочные фитинги 1 с полками 2, пироэлеметы 3, средства разведения разделяемых частей друг от друга (не показаны). По крайней мере на одной из полок каждой стыковочной пары фитингов выполнены ослабления 4 (см. фиг. 2), обеспечивающие механическое разрушение полки фитинга при "защемлении" этого фитинга от разворота разделяемых частей относительно отказавшего пироэлемента. The rocket stage separation device contains (see FIG. 1) docking fittings 1 with shelves 2, pyroelements 3, means for diluting the parts to be separated from each other (not shown). At least one of the shelves of each docking pair of fittings has been weakened 4 (see Fig. 2), providing mechanical destruction of the fitting shelf when this fitting is “pinched” from the rotation of the shared parts relative to the failed pyroelement.

По другому варианту исполнения изобретения фитинги выполнены с увеличенным плечом защемления (h_{потреб.} - см. фиг. 3) по сравнению с конструктивным расчетным при нормальном срабатывании пироэлементов, т.е. по сравнению с фитингом, работающим только на нормальный случай нагружения - на осевое усилие вдоль пироэлемента. Увеличение "плеча защемления" от линии разворота стыка до оси пироэлемента обеспечивает механическое разрушение наиболее слабого элемента стыка при отказе пироэлемента и защемлении данного стыка.According to another embodiment of the invention, the fittings are made with an increased pinch arm (h _cons. - see Fig. 3) compared with the design design with normal operation of the pyroelements, i.e. in comparison with a fitting that works only for the normal case of loading - for axial force along the pyroelement. The increase in the “pinch shoulder” from the joint turn line to the axis of the pyroelement provides mechanical destruction of the weakest element of the joint in case of pyroelement failure and pinching of this joint.

По третьему варианту устройство снабжается дополнительным звеном с ослаблением, устанавливаемым на каждом из пироэлементов, разрушаемым только при отказе этого пироэлемента (одного из пироэлементов), и получающемся при этом защемлении в результате разворота частей ракеты относительно этого отказавшего пироэлемента. Пироэлемент 3 может быть выполнен в виде пироболта, а в качестве дополнительного звена использована установленная на пироболте шайба 5 с ослаблением 6, например в виде канавки (фиг. 4). According to the third variant, the device is equipped with an additional link with attenuation, installed on each of the pyroelements, destroyed only upon failure of this pyroelement (one of the pyroelements), and resulting from pinching as a result of the rotation of the rocket parts relative to this failed pyroelement. Pyroelement 3 can be made in the form of a pyro-bolt, and the washer 5 mounted on the pyro-bolt with a weakening of 6, for example, in the form of a groove, is used as an additional link (Fig. 4).

При этом во всех случаях на участке с обеих сторон фитинга желательно снять фаску 7 (порядка 10^o) на длине по образующей, примерно равной 3-4 ширинам фитинга (фиг. 2). Этим устраняется нежелательное уменьшение "плеча защемления" фитинга.Moreover, in all cases, on the site on both sides of the fitting, it is desirable to chamfer 7 (about 10 ^o ) along a generatrix approximately equal to 3-4 widths of the fitting (Fig. 2). This eliminates the unwanted reduction in the "pinch" of the fitting.

При разделении ступеней ракеты подается соответствующая команда. Пироэлементы срабатывают. При отказе одного из пироэлементов ослабленные части стыка разрушаются, освобождая связь между разделяемыми частями ракеты. Средства увода разводят части ракеты друг от друга. Однако при этом возникает момент, "защемляющий" единичный элемент стыка из-за разворота разделяющихся частей ракеты (ступеней ракеты или отделяемой полезной нагрузки) относительно отказавшего пироэлемента и как следствие появляется дополнительное нагружение элементов стыка (см. фиг. 1). При нормальной, безотказной работе устройства разделения пироэлементы нагружаются только продольными растягивающими и срезающими усилиями от нагрузок, возникающих при эксплуатации ракеты на Земле и в полете. Запас прочности при этом существенно выше. При защемлении же стыка элементы стыка дополнительно нагружаются моментом и силой по оси пироэлемента существенно более высокой, чем усилие на узел разделения при нормальном, безотказном нагружении. Например, для приведенной на фиг. 1 схемы дополнительная сила на пироэлемент и соответственно на фитинг может составить
N=Р_увода•Хе/h=10m•2000/20 мм = 1000m,
и суммарная нагрузка на пироэлемент N_пэ=P_увода+N=1010m (в расчете условно принято Р_увода = 10 т - усилие "увода" от средства разведения ступеней, приходящееся на отказавший пироэлемент; 1 = 2000 мм - плечо приложения силы Р_увода•h= 20 мм на пироэлемент). Обычно разрушающее усилие пироэлемента и других элементов стыка близко к Р_увода, или в 2-3 раза больше, чем Р_увода.When separating the rocket stages, the corresponding command is given. Pyroelements are triggered. In case of failure of one of the pyroelements, the weakened parts of the joint are destroyed, releasing the connection between the shared parts of the rocket. Means of withdrawal separate parts of the rocket apart. However, this creates a moment that “pinches” a single element of the joint due to the rotation of the separated parts of the rocket (rocket stages or detachable payload) relative to the failed pyroelement and, as a result, additional loading of the joint elements appears (see Fig. 1). During normal, trouble-free operation of the separation device, the pyroelements are loaded only with longitudinal tensile and shearing forces from the loads arising from the operation of the rocket on Earth and in flight. The safety margin is significantly higher. When the joint is pinched, the joint elements are additionally loaded with a moment and a force along the axis of the pyroelement significantly higher than the force on the separation unit under normal, trouble-free loading. For example, for the one shown in FIG. 1 circuit additional force on the pyroelement and, accordingly, on the fitting can be
N = P _withdrawal • Xe / h = 10m • 2000/20 mm = 1000m,
and the total load on the pyroelement N _pe = P _withdrawal + N = 1010m (in the calculation it is conventionally assumed that P _withdrawal = 10 t is the “withdrawal” force from the step dilution means attributable to the failed pyroelement; 1 = 2000 mm is the shoulder of the application of the _withdrawal force P • h = 20 mm per pyroelement). Usually the destructive force of the pyroelement and other elements of the joint is close to P _withdrawal , or 2-3 times more than P _withdrawal .

Таким образом, сила N_пэ может существенно, примерно в 30-100 раз, превышать несущую способность пироэлемента и других элементов стыка. Следовательно, при защемлении произойдет механическое разрушение стыка. Однако при этом разделяемые части конструкции могут получить недопустимо высокие угловые возмущения, которые приведут к потере стабилизации верхних ступеней или полезной нагрузки. С целью уменьшения этих возмущений необходимо специально дорабатывать конструкцию стыка, и с учетом возмущающей дополнительной скорости уточнять алгоритм системы управления.Thus, the force N _pe can substantially, approximately 30-100 times, exceed the bearing capacity of the pyroelement and other elements of the joint. Therefore, pinching will cause mechanical failure of the joint. However, in this case, the shared parts of the structure can receive unacceptably high angular perturbations, which will lead to a loss of stabilization of the upper stages or payload. In order to reduce these disturbances, it is necessary to specially modify the joint design, and taking into account the disturbing additional speed, specify the control system algorithm.

Предлагаемoе изобретениe как раз и направленo на снижение угловых возмущений при механическом разрушении элементов стыка и отказе одного из пироэлементов. The present invention is precisely aimed at reducing angular perturbations during mechanical destruction of the joint elements and the failure of one of the pyroelements.

В общем аспекте и по сути предлагается ввести "резервирование" в устройстве разделения на один отказ любого пироэлемента. В этом случае надежность устройства разделения, например с двумя стыками и восемью пироэлементами в каждом, составит P = 0,999944, т.е. вероятность отказа устройства разделения снизится с 0,016 до 0,000056, или примерно в 280 раз. In a general aspect, and in essence, it is proposed to introduce “redundancy” in the device for dividing any pyroelement into one failure. In this case, the reliability of the separation device, for example, with two joints and eight pyroelements in each, will be P = 0.999944, i.e. the probability of failure of the separation device will decrease from 0.016 to 0.000056, or about 280 times.

Claims

1. A device for separating rocket stages, comprising docking fittings of detachable rocket parts located along the junction plane, pyroelements and means for diluting detachable parts from each other, characterized in that at least one of the shelves of each docking pair of fittings is made with loosening, providing its mechanical destruction when the joint of this fitting is pinched due to the rotation of the shared parts relative to the failed pyroelement.

2. A device for separating rocket stages, comprising docking fittings of rocket parts to be separated from each other, located along the junction plane, pyroelements and means for diluting the separable parts from each other, characterized in that the fittings are made larger than pyroelements during normal operation, pinch shoulder, counted from the joint turn line to the axis of the pyroelement and providing mechanical destruction of the weakest joint element in case of pyroelement failure and pinching interface due to a reversal of the failed shared portions relative pyroelectric element.

3. A device for separating rocket stages, comprising docking fittings of rocket parts to be separated from each other, located along the junction plane, pyroelements and means for breeding separable parts from each other, characterized in that the device is equipped with an additional link with weakening that is destroyed only when one of the pyroelements fails and pinching this joint.

4. The device according to claim 3, characterized in that the pyroelement is made in the form of a pyro-bolt, and the washer installed on the pyro-bolt is used as an additional link with loosening on part of its surface.