В настоящее время имеется большое количество различных устройств для соединения и последующего разделения элементов конструкций, имеющих, как правило, узкое целевое назначение. Разработка специальных пиротехнических устройств достаточно трудоемка и связана с существенными материальными затратами. Проблема еще более усложняется, когда необходимо снизить ударные нагрузки в уже существующих системах особенно, таких как ракета-носитель (РН) и стык космического аппарата (КА). Здесь помимо обычной проблемы снижения нагрузок возникает необходимость сохранения жесткости стыка, причем допускается, как правило, незначительное изменение габаритов устройства. Currently, there are a large number of different devices for connecting and subsequent separation of structural elements, which, as a rule, have a narrow purpose. The development of special pyrotechnic devices is rather laborious and is associated with significant material costs. The problem is even more complicated when it is necessary to reduce shock loads in existing systems, especially, such as a launch vehicle (LV) and a spacecraft joint (SC). Here, in addition to the usual problem of reducing loads, it becomes necessary to maintain joint rigidity, and, as a rule, a slight change in the dimensions of the device is allowed.
Большинство устройств для соединения и последующего разделения конструкций содержат различные пиротехнические элементы, обладающие небольшой массой, высокой надежностью. В то же время они являются источниками повышенных ударных воздействий на конструкцию. Например, устройство по патенту США 2653504, кл.85-1 или патент США 3200706 (прототип). Это устройство для соединения спутника с ракетой-носителем, состоящее из соединяемых элементов, двух соединяющих элементов, в одном из которых выполнено ступенчатое отверстие, внутри размещается пороховой заряд. Для разделения соединяемых элементов на пирозапал подается напряжение и воспламеняется пороховой заряд, который, воздействуя на шпонки, перемещает их и обеспечивает разделение соединяемых элементов. Существенным недостатком этого устройства является передача ударного воздействия при подрыве порохового заряда непосредственно на соединяемые элементы, в результате чего может быть повреждена бортовая аппаратура и оборудование КА, а также незначительная жесткость в боковом направлении, которая приводит к существенному увеличению механических нагрузок в низкочастотной области и уменьшает зону размещения полезного груза. Кроме того, такое устройство требует проведения специальных работ по обеспечению герметичности и надежности срабатывания, а это приводит к значительному удорожанию и существенному увеличению сроков отработки устройства. Most devices for connecting and subsequent separation of structures contain various pyrotechnic elements with a small mass, high reliability. At the same time, they are sources of increased impact on the structure. For example, the device according to US patent 2653504, CL 85-1 or US patent 3200706 (prototype). This is a device for connecting a satellite to a launch vehicle, consisting of elements to be connected, two connecting elements, in one of which a step hole is made, a powder charge is placed inside. To separate the connected elements, a voltage is applied to the pyrozapal and a powder charge is ignited, which, acting on the keys, moves them and ensures the separation of the connected elements. A significant drawback of this device is the transmission of shock when the powder charge is blown directly to the connected elements, as a result of which spacecraft and spacecraft equipment may be damaged, as well as slight lateral rigidity, which leads to a significant increase in mechanical loads in the low-frequency region and reduces the area payload placement. In addition, such a device requires special work to ensure the tightness and reliability of operation, and this leads to a significant increase in cost and a significant increase in the working time of the device.
Целью предлагаемого устройства является исключение указанных недостатков. Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид устройства; на фиг. 2 - график коэффициента гашения удара рассматриваемого устройства; на фиг.3 - график коэффициента гашения удара устройства в составе динамического макета КА. The aim of the proposed device is to eliminate these disadvantages. The essence of the invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a General view of the device; in FIG. 2 is a graph of the coefficient of shock absorption of the considered device; figure 3 is a graph of the coefficient of shock absorption of the device as part of a dynamic layout of the spacecraft.
Устройство состоит (фиг. 1) из корпуса внешнего 1 и охватываемого 2. В корпусе внешнем выполнено ступенчатое осевое отверстие для пироболта с электрозапалом 3 и гайки 4. В корпусах внешнем и охватываемом в осевой части выполнены выступы (ножки) со стороны торцевых поверхностей, а сами корпуса соединены между собой болтами 5 и гайками 6. Выступ охватываемого корпуса выполнен резьбовым для соединения с одной из соединяемых элементов конструкции 7. Выступ внешнего корпуса соединен с другим соединяемым элементом конструкции 8 с помощью переходника 9, сопрягающегося с последними, и выполненным из материала с ударной жесткостью, меньшей ударной жесткости материала, соединяемого элемента конструкции 8. Отверстие со стороны гайки 4 закрыто набором пластин 10, имеющих отверстие для болта 3, и выполненных из материала с пределом текучести ниже, чем предел текучести корпуса внешнего. Между корпусами внешним и охватываемым расположен тонкостенный цилиндр 11 с чередующимися вырезами 12 в его торцах, причем каждому вырезу с одного торца соответствует цельная поверхность другого торца 13. Пластины 10 крепят к корпусу внешнему винтами 14. Сущность заявляемого изобретения поясняется следующим образом. При подрыве пироболта с электрозапалом 3 он разделяется на две части, обеспечивая разделение соединяемых элементов 7,8. В момент подрыва взрывчатого вещества по пироболту распространяется ударная волна, которая может передаваться на элемент конструкции 7, только пройдя через корпус внешний 1 и тонкостенный цилиндр 11. Из теории пластин и оболочек известно, что основная доля энергии при колебаниях переносится волнами, описываемыми безмоментной теорией оболочек, для которой преобладающими являются продольные перемещения. Скорость волн при этом соответствует "стержневой" скорости. При подрыве пироболта в нем будут распространяться как продольные волны, так и поперечные. Часть энергии взрывчатого вещества в этот момент не будет передаваться охватываемому корпусу 1, а вызовет перемещение отделившейся части болта вдоль ступенчатого отверстия. При этом начнется пластическая деформация пластин 10, закрывающих ступенчатое отверстие, и произойдет рассеяние части энергии удара. Ударное воздействие будет растянутым по сравнению со временем разрушения пироболта. Отверстие в пластинах помимо легкого соединения (нет необходимости контролировать размер канала в ножке корпуса и длину болта) обеспечивает большее перемещение гайки по сравнению со сплошными пластинами при одних и тех же нагрузках. Таким образом, ударный импульс от подрыва пироболта 3 разделится на два различных по длительности и амплитуде ударного воздействия. Но оба они смогут передаться на охватываемый корпус 2 только через тонкостенный цилиндр 11, причем в процессе распространения ударного воздействия происходит неоднократное преобразование продольных волн в поперечные волны и обратно, а также отражение волн от свободных границ. Кроме того, вторая часть болта передаст ударное воздействие через переходник 9 в основном элементу конструкции 8, так как соотношение ударных жесткостей (О.Д. Алимов и другие. Удар. Распространение волн деформаций в ударных системах. М.: Наука, 1985 г., стр. 30) способствует переходу волны деформации через переходник в этот элемент и препятствует переходу волны в обратном направлении, а выполнение переходника в виде конической пробки усиливает этот эффект. Кроме того, выполнение корпусов 1 и 2 в виде стаканов на ножке позволяет помимо расположения тонкостенного цилиндра 11, подбирая толщины стенок, использовать их в качестве динамических демпферов, так как частота ударного воздействия достаточно высока. Таким образом, амплитуда переднего фронта ударной волны при проходе через устройство будет существенно снижена. При этом в качестве разрывного элемента используется стандартный пироболт, обеспечивается необходимая надежность устройства и могут быть выполнены требования по жесткости узла соединения и герметичности. The device consists (Fig. 1) of the outer casing 1 and the male 2. In the outer casing, a stepped axial hole for pyrobolt with an electric valve 3 and nut 4. In the outer casing and covered in the axial part, protrusions (legs) are made from the end surfaces, and the casings themselves are interconnected by bolts 5 and nuts 6. The protrusion of the male housing is threaded for connection with one of the connected structural elements 7. The protrusion of the external housing is connected to another connected structural element 8 using 9, mating with the latter, and made of a material with impact stiffness less than the impact stiffness of the material to be connected to the structural member 8. The hole on the side of the nut 4 is closed by a set of plates 10 having an opening for the bolt 3 and made of material with a yield strength lower than yield strength of the outer shell. A thin-walled cylinder 11 is located between the outer and male enclosures with alternating cutouts 12 at its ends, and each cut from one end corresponds to the entire surface of the other end 13. The plates 10 are attached to the outer case with screws 14. The essence of the claimed invention is explained as follows. When a pyro-bolt with an electric valve 3 is detonated, it is divided into two parts, providing separation of the connected elements 7.8. At the moment of explosive detonation, a shock wave propagates through the pyrobolt, which can be transmitted to the structural element 7 only after passing through the body of the external 1 and thin-walled cylinder 11. It is known from the theory of plates and shells that the bulk of the energy during vibrations is transferred by waves described by the momentless shell theory for which longitudinal displacements prevail. The speed of the waves in this case corresponds to the "core" speed. When a pyro-bolt is detonated, both longitudinal and transverse waves will propagate in it. Part of the explosive energy at this moment will not be transferred to the enclosed body 1, but will cause the separated part of the bolt to move along the stepped hole. In this case, plastic deformation of the plates 10 covering the stepped hole will begin, and part of the impact energy will be scattered. The impact will be extended compared to the time of pyrobolt destruction. The hole in the plates, in addition to easy connection (there is no need to control the size of the channel in the leg of the housing and the length of the bolt), provides a greater movement of the nut compared to solid plates at the same loads. Thus, the shock impulse from the explosion of the pyro-bolt 3 is divided into two shock effects of different duration and amplitude. But both of them can be transmitted to the enclosed body 2 only through a thin-walled cylinder 11, and in the process of propagation of the shock, the longitudinal waves repeatedly transform into transverse waves and vice versa, as well as waves are reflected from free boundaries. In addition, the second part of the bolt will transmit the impact through the adapter 9 to the main structural element 8, since the ratio of impact stiffness (O.D. Alimov and others. Impact. Propagation of deformation waves in impact systems. M .: Nauka, 1985, p. 30) facilitates the transition of the deformation wave through the adapter to this element and prevents the wave from moving in the opposite direction, and the implementation of the adapter in the form of a conical plug enhances this effect. In addition, the execution of buildings 1 and 2 in the form of cups on a leg allows, in addition to arranging a thin-walled cylinder 11, choosing wall thicknesses, to use them as dynamic dampers, since the frequency of impact is high enough. Thus, the amplitude of the leading edge of the shock wave when passing through the device will be significantly reduced. At the same time, a standard pyro-bolt is used as a bursting element, the necessary reliability of the device is provided, and the requirements for the rigidity of the joint assembly and tightness can be met.
Пример практического исполнения
Устройство, показанное на фиг.1, было использовано для защиты оборудования на КА "ЗЕЯ". В данном КА была использована разработанная ранее на базе разрывных болтов система отделения КА "Стрела". Однако уровни ударных воздействий на новую аппаратуру оказались неприемлемыми. Процедура отработки устройства разделения состояла из нескольких этапов: сначала на специальном стенде были определены уровни ударного воздействия от разрывных болтов, затем проведены испытания заявляемого устройства. Кроме того, на динамическом макете КА "ЗЕЯ" были проведены сравнительные испытания двух систем отделения: КА "ЗЕЯ" и КА "Стрела" (в этой системе отделения КА с РН напрямую соединялся с помощью разрывного болта). На фиг.2 - коэффициент гашения ударного воздействия по ударному спектру ускорений (отношение ударных спектров ускорений разрывного болта и заявляемого устройства). Как видно из графиков, снижение ударного воздействия происходит в 5-6 раз, при этом выполнены требования к системе отделения КА по жесткости и соблюдению зоны полезного груза. Еще лучшие результаты были получены при испытаниях динамического макета КА "ЗЕЯ", когда снижение ударного воздействия заявляемым устройством по сравнению с разрывным болтом системы отделения КА "Стрела" увеличилось в 10-12 раз (лучше реализовались демпфирующие свойства самого КА). Коэффициент гашения ударного воздействия для динамического макета показан на фиг.3.Practical example
The device shown in figure 1, was used to protect equipment on the spacecraft "ZEYA". In this spacecraft, the Strela spacecraft separation system developed earlier on the basis of explosive bolts was used. However, the shock levels on the new equipment were unacceptable. The procedure for testing the separation device consisted of several stages: first, shock levels from explosive bolts were determined on a special stand, then the inventive device was tested. In addition, on the dynamic model of the ZA ZA, comparative tests of two separation systems were carried out: the ZEYA spacecraft and the Strela spacecraft (in this spacecraft separation system, the spacecraft was directly connected to the LV with a burst bolt). Figure 2 - coefficient of shock absorption in the shock spectrum of accelerations (the ratio of the shock spectra of the accelerations of an explosive bolt and the claimed device). As can be seen from the graphs, the shock impact is reduced by 5-6 times, while the requirements for the spacecraft separation system for rigidity and compliance with the payload zone are met. Even better results were obtained when testing the dynamic prototype of the ZEA spacecraft, when the impact reduction of the claimed device compared to the burst bolt of the Strela spacecraft separation system increased 10-12 times (the damping properties of the spacecraft itself were better). The shock absorption coefficient for a dynamic layout is shown in FIG.
Таким образом, применение заявляемого устройства позволило снизить ударные воздействия на КА до приемлемого уровня и исключило необходимость разработки новой системы отделения (сохранены посадочные места, зона выхода КА и т.д.). Thus, the use of the inventive device allowed to reduce the impact on the spacecraft to an acceptable level and eliminated the need to develop a new separation system (saved seats, spacecraft exit area, etc.).
