RU2809217C1

RU2809217C1 - Pyrotechnic device for creating impact effects

Info

Publication number: RU2809217C1
Application number: RU2023121193A
Authority: RU
Inventors: Сергей Александрович Орлов; Александр Сергеевич Орлов
Original assignee: Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва"
Filing date: 2023-09-05
Publication date: 2023-12-07

Abstract

FIELD: impact testing.

SUBSTANCE: used primarily when testing high-intensity impact effects of various devices, instruments and equipment. To create impact effects, a pyrotechnic device is used, consisting of a hollow body with a thread on the outer surface, a gas generator, a piston with seals, on which a removable driver is installed using a thread, a locking element fixing the piston in the body, and the body itself with a piston, liner and gas generator is installed on a thread in the bottom of the cup and secured with a locking nut, while on the opposite end side of the glass there is a flange with holes on its outer part. In the body of the cup, in the bottom and in the flange, there are threaded holes lying in the same plane passing through the symmetry axis of the pyrotechnic device perpendicular to this axis. Moreover, eyebolts are installed in the threaded holes, to which an adjustable cable system is attached, and weights of various masses, made in the form of flat cylinders with holes, are attached to the flange using bolts, while the holes in the flat cylinders have the same diameters and coincide with the diameters of the holes in the flange of the cup.

EFFECT: enhancement of impact testing.

1 cl, 6 dwg

Description

Данное изобретение относится к оборудованию для испытаний на ударные воздействия и может быть использовано при испытаниях на высокоинтенсивные ударные воздействия различных сложных систем (например, космических аппаратов и их подсистем), а также различных приборов и оборудования, входящих в эти системы.This invention relates to equipment for impact testing and can be used in high-intensity impact testing of various complex systems (for example, spacecraft and their subsystems), as well as various instruments and equipment included in these systems.

Существует достаточно много различных стендов для испытаний на ударные воздействия, которые включают в себя устройства для создания ударных воздействий. С помощью вибрационных электродинамических стендов, стендов с падающими столами и т.п. (Вибрации в технике: Справочник в 6 томах. М.: Машиностроение т.5. Измерения и испытания. под ред. М.Д. Генкина 1981г., стр. 476-477). В настоящее время наибольшее применение находят системы на базе вибростендов. Требования к стендам, обеспечивающим необходимое ударное воздействие, достаточно высоки, особенно при воспроизведении воздействий большой интенсивности, малой длительности и сложной формы. Иногда для создания ударных воздействий в стендах используются пиротехнические устройства. Например, патент RU № 2244909, где источником ударного воздействия служит разрывной болт 8Х54. Помимо разрывных болтов, например, как в патенте US 2653504 (A), существует достаточно большой класс пиротехнических устройств, использующих для создания давления газы от сгорания порохов, с помощью которых перемещаются и/или разрушаются различные соединительные элементы. Например, патенты США: US 2575071, 3530759, 3111808 и ряд других. Каждое из этих устройств при срабатывании создает ударное воздействие определенного вида (со своей амплитудой воздействия и длительностью), и может быть использовано в качестве источника ударных воздействий для испытаний.There are quite a few different impact test benches that include devices for creating impact impacts. Using vibration electrodynamic stands, stands with falling tables, etc. (Vibrations in technology: A reference book in 6 volumes. M.: Mechanical Engineering vol. 5. Measurements and tests. edited by M.D. Genkin 1981, pp. 476-477). Currently, systems based on vibration stands are most widely used. The requirements for stands that provide the necessary impact are quite high, especially when reproducing impacts of high intensity, short duration and complex shapes. Sometimes pyrotechnic devices are used to create shock effects in stands. For example, patent RU No. 2244909, where the source of impact is an 8X54 burst bolt. In addition to explosive bolts, for example, as in US patent 2653504 (A), there is a fairly large class of pyrotechnic devices that use gases from the combustion of gunpowder to create pressure, with the help of which various connecting elements are moved and/or destroyed. For example, US patents: US 2575071, 3530759, 3111808 and a number of others. Each of these devices, when triggered, creates a shock of a certain type (with its own impact amplitude and duration), and can be used as a source of shock for testing.

Имеются также специальные пиротехнические устройства для создания ударных воздействий, например, патент EP 0993598 B1, где ударные воздействия создаются в устройстве, перемещающимся по рельсам. Или устройство по патенту WO 2009000897 A1, 31.12.2015, где для создания ударных воздействий используются плиты с различными накладными зарядами, что не позволяет их использовать для испытаний сложных систем с локальным приложением ударных воздействий.There are also special pyrotechnic devices for creating shock effects, for example, patent EP 0993598 B1, where shock effects are created in a device moving on rails. Or a device according to the patent WO 2009000897 A1, 12/31/2015, where plates with various applied charges are used to create impact impacts, which does not allow them to be used for testing complex systems with local application of impact impacts.

Наиболее близким является решение по патенту RU 2781094. Пиротехническое устройство для создания ударных воздействий, состоящее из полого корпуса с резьбой на внешней поверхности, газогенератора, поршня с уплотнениями, на который с помощью резьбы установлен съемный боек. Контрящий элемент фиксирует поршень в корпусе, а сам корпус с поршнем, вкладышем и газогенератором установлен на резьбе в днище стакана и зафиксирован с помощью контрящей гайки. При этом на противоположной торцевой стороне стакана, на внешней его части, выполнен фланец с отверстиями.The closest is the solution according to patent RU 2781094. A pyrotechnic device for creating impact effects, consisting of a hollow body with a thread on the outer surface, a gas generator, a piston with seals, on which a removable firing pin is installed using a thread. The locking element fixes the piston in the body, and the body itself with the piston, liner and gas generator is installed on the thread in the bottom of the glass and secured with a lock nut. In this case, on the opposite end side of the glass, on its outer part, there is a flange with holes.

Существенным недостатком этого устройства при использовании в качестве источника ударных воздействий является то, что данное устройство может быть использовано только для испытаний относительно небольших сборок в специализированной оснастке, т.к. требуется закрепление пиротехнического устройства, либо вывеска объекта испытаний над установленными пиротехническими устройствами (например, ударные испытания по плоскости крепления космического аппарата).A significant disadvantage of this device when used as a source of impact is that this device can only be used for testing relatively small assemblies in specialized equipment, because it is required to secure the pyrotechnic device, or to display the test object above the installed pyrotechnic devices (for example, impact tests on the spacecraft mounting plane).

Для заявленного устройства выявлены следующие общие с прототипом существенные признаки: пиротехническое устройство для создания ударных воздействий в пространственных конструкциях, состоящее из полого корпуса с резьбой на внешней поверхности, газогенератора, поршня с уплотнениями, на который с помощью резьбы установлен съемный боек, контрящего элемента, фиксирующего поршень в корпусе, а сам корпус с поршнем, вкладышем и газогенератором установлен на резьбе в днище стакана и зафиксирован с помощью контрящей гайки, при этом на противоположной торцевой стороне стакана, на внешней его части, выполнен фланец с отверстиями.For the claimed device, the following essential features in common with the prototype have been identified: a pyrotechnic device for creating impact effects in spatial structures, consisting of a hollow body with a thread on the outer surface, a gas generator, a piston with seals, on which a removable striker is installed using a thread, a counter element, a fixing the piston is in the housing, and the housing itself with the piston, liner and gas generator is installed on a thread in the bottom of the glass and secured with a locking nut, while on the opposite end side of the glass, on its outer part, there is a flange with holes.

Техническими задачами данного изобретения является расширение возможностей использования заявленного устройства для испытания на ударные воздействия сложных систем и объектов; повышение качества проводимых испытаний, как силовой конструкции объекта испытаний, так и приборов и оборудования на ударные воздействия, при соблюдении граничных условий для чувствительных приборов и оборудования.The technical objectives of this invention are to expand the possibilities of using the claimed device for impact testing of complex systems and objects; improving the quality of tests carried out, both the power structure of the test object, and instruments and equipment for impact impacts, while observing the boundary conditions for sensitive instruments and equipment.

Решение поставленных задач достигается тем, что в корпусе стакана в днище и во фланце выполнены отверстия с резьбой, лежащие в одной плоскости, проходящей через ось симметрии пиротехнического устройства перпендикулярно этой оси. Причем в отверстия с резьбой устанавливают рымболты, к которым крепят регулируемую тросовую систему. К фланцу с помощью болтов крепят грузы различной массы, выполненные в виде плоских цилиндров с отверстиями, при этом отверстия в плоских цилиндрах имеют одинаковые диаметры и совпадают с диаметрами отверстий фланца стакана.The solution to the assigned tasks is achieved by that in the body of the glass in the bottom and in the flange there are threaded holes lying in the same plane passing through the axis of symmetry of the pyrotechnic device perpendicular to this axis. Moreover, eyebolts are installed in the threaded holes, to which an adjustable cable system is attached. Weights of various masses, made in the form of flat cylinders with holes, are attached to the flange using bolts, while the holes in the flat cylinders have the same diameters and coincide with the diameters of the holes in the flange of the glass.

Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид устройства в разрезе. Устройство (фиг.1) состоит из полого корпуса 2 с резьбой на внешней поверхности, на который устанавливают гайку в виде стакана с отверстием в днище 1. Профилированный поршень с уплотнением 3 со сменным бойком устанавливают в корпус 2 и фиксируют с помощью контрящего элемента 22. Сам корпус 2 с поршнем, вкладышем 11 и газогенератором 18 устанавливают на резьбе 10 в днище стакана 5. Фиксируют корпус 2 в днище стакана 5 с помощью контрящей гайки 4. На противоположной торцевой стороне стакана 5 на внешней его части выполнен фланец 12 с отверстиями 16. В днище стакана 5 и во фланце 12 выполнены отверстия с резьбой 9,13, лежащие в одной плоскости, проходящей через ось симметрии пиротехнического устройства перпендикулярно этой оси. В отверстия с резьбой 9,13 устанавливают рымболты 8, к которым крепят регулируемую тросовую систему 6 с регулирующим устройством 7, например, талрепом. К фланцу 12 с помощью болтов 17 крепят грузы 14 различной массы, выполненные в виде плоских цилиндров с отверстиями 15. При этом отверстия в плоских цилиндрах 15 имеют одинаковые диаметры и совпадают с диаметрами отверстий фланца стакана 16.The essence of the invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a general cross-sectional view of the device. The device (Fig. 1) consists of a hollow body 2 with a thread on the outer surface, on which a nut in the form of a glass with a hole in the bottom 1 is installed. A profiled piston with a seal 3 with a replaceable striker is installed in the body 2 and fixed using a locking element 22. The body 2 itself with the piston, liner 11 and gas generator 18 is installed on the thread 10 in the bottom of the glass 5. The body 2 is fixed in the bottom of the glass 5 using a locking nut 4. On the opposite end side of the glass 5, on its outer part there is a flange 12 with holes 16. In the bottom of the glass 5 and in the flange 12 there are holes with threads 9.13, lying in the same plane passing through the symmetry axis of the pyrotechnic device perpendicular to this axis. Eyebolts 8 are installed in the threaded holes 9.13, to which an adjustable cable system 6 with a regulating device 7, for example, a lanyard, is attached. To the flange 12 with the help of bolts 17, weights 14 of various masses are attached, made in the form of flat cylinders with holes 15. In this case, the holes in the flat cylinders 15 have the same diameters and coincide with the diameters of the holes in the flange of the cup 16.

На фиг.2 показан вид устройства со стороны фланца 12 при креплении одним болтом 17 (когда крепится небольшая масса дисков 14), а на фиг.3 крепление выполняется уже двумя болтами 17 для фиксации на фланце 12 уже больших масс. Figure 2 shows a view of the device from the side of the flange 12 when fastened with one bolt 17 (when a small mass of disks 14 is attached), and in figure 3 the fastening is performed with two bolts 17 to fix larger masses on the flange 12.

На фиг.4 показано рассматриваемое устройство в сборе 19 при его использовании для создания ударных воздействий на основании крепления антенны 20 динамического макета КА 21.Figure 4 shows the device in question assembled 19 when it is used to create impact impacts on the base of the antenna 20 mount of the dynamic mock-up of the spacecraft 21.

Сущность заявляемого изобретения поясняется следующим образом.The essence of the claimed invention is explained as follows.

Для создания локальных ударных воздействий на объекте испытаний (например, динамический макет космического аппарата) в днище 5 (фиг.1) и во фланце 12 выполняют отверстия с резьбой 9, 13, в которые устанавливают рымболты 8. Расположение отверстий (и соответственно рымболтов) в одной плоскости, проходящей через ось симметрии пиротехнического устройства перпендикулярно этой оси, позволяет создавать ударные воздействия, лежащие в этой плоскости, перпендикулярно необходимой поверхности без возникновения вращающих моментов. Кроме того, использование тросовой регулируемой системы 6 обеспечивает установку пиротехнического устройства в необходимую точку на объекте испытаний (регулировка по высоте). А наличие двух регулируемых подвесов обеспечивает более тонкую регулировку точки приложения ударного воздействия. Одинаковые отверстия 16 во фланце 12 и в грузах 14 обеспечивает их легкий монтаж (исключаются люфты, нестыковки и т.д.).To create local impact impacts on the test object (for example, a dynamic mock-up of a spacecraft), threaded holes 9, 13 are made in the bottom 5 (Fig. 1) and in the flange 12, into which eyebolts 8 are installed. The location of the holes (and, accordingly, eyebolts) in one plane passing through the axis of symmetry of the pyrotechnic device perpendicular to this axis, allows you to create impact impacts lying in this plane, perpendicular to the required surface without the occurrence of torques. In addition, the use of an adjustable cable system 6 ensures installation of the pyrotechnic device at the required point on the test object (height adjustment). And the presence of two adjustable suspensions provides finer adjustment of the impact point. Identical holes 16 in the flange 12 and in the weights 14 ensure their easy installation (no backlash, inconsistencies, etc.).

Работа устройства проводится следующим образом. Пиротехническое устройство с помощью тросовой системы 6, регулируя положение устройства по высоте и углу поворота, подводят к точке конструкции, в которой создают ударное воздействие. При подаче напряжения на газогенератор происходит его срабатывание. При этом образуются газы, растет давление внутри полости между поршнем 3 и вкладышем 11. При достижении критического давления срезается контрящий элемент 22, происходит движение поршня с бойком 3 до соударения бойка с объектом испытаний. The device operates as follows. The pyrotechnic device, using a cable system 6, adjusting the position of the device in height and angle of rotation, is brought to the point of the structure at which the impact is created. When voltage is applied to the gas generator, it is activated. In this case, gases are formed, the pressure inside the cavity between the piston 3 and the liner 11 increases. When the critical pressure is reached, the locking element 22 is cut off, the piston moves with the striker 3 until the striker collides with the test object.

Согласно закону о движении центра масс механической системы при отсутствии внешних сил: движение составных частей системы не приводит к изменению положения центра масс, если система находилась в покое. То есть при срабатывании газогенератора 18 и начале движения поршня 3 в противоположную сторону начнет двигаться стакан 5 с жестко закрепленными на нем корпусом 2, вкладышем 11 и цилиндрическими грузами 14.According to the law on the movement of the center of mass of a mechanical system in the absence of external forces: the movement of the component parts of the system does not lead to a change in the position of the center of mass if the system was at rest. That is, when the gas generator 18 is triggered and the piston 3 begins to move in the opposite direction, the glass 5 with the body 2, liner 11 and cylindrical weights 14 rigidly attached to it will begin to move.

При этом центр масс системы останется на месте, т.к. вызывающие движение элементов устройства газы от сработавшего газогенератора 18 являются внутренними силами системы. Таким образом, зная необходимое расстояние, которое нужно пройти бойку до соударения с объектом испытаний, массу бойка, и всего пиротехнического устройства, допустимое перемещение фланца 12, подбирают массу грузов. А зная необходимую скорость соударения бойка с объектом испытаний, определяют давление и, соответственно, массу пиросостава газогенератора.In this case, the center of mass of the system will remain in place, because The gases from the activated gas generator 18 causing the movement of the device elements are internal forces of the system. Thus, knowing the required distance that the striker must travel before colliding with the test object, the mass of the striker and the entire pyrotechnic device, and the permissible movement of the flange 12, the mass of the loads is selected. And knowing the required speed of impact of the striker with the test object, the pressure and, accordingly, the mass of the pyrochemical composition of the gas generator are determined.

То есть, используя предложенное пиротехническое устройство, можно создавать ударные воздействия в различных точках сложных, в том числе пространственных конструкций. Это позволит качественней проводить испытания, как силовой конструкции объекта испытаний, так и приборов и оборудования на ударные воздействия. При проведении испытаний на макете КА соблюдаются граничные условия для чувствительных приборов и оборудования. Кроме того, при ударных испытаниях пиротехническое устройство позволяет создавать как эксплуатационные, так и квалификационные (повышенные) воздействия, включающие в себя коэффициенты безопасности.That is, using the proposed pyrotechnic device, it is possible to create impact effects at various points of complex, including spatial structures. This will allow for better testing of both the load-bearing structure of the test object and the instruments and equipment for impact impacts. When conducting tests on a spacecraft mock-up, the boundary conditions for sensitive instruments and equipment are observed. In addition, during impact tests, a pyrotechnic device makes it possible to create both operational and qualification (increased) impacts, including safety factors.

Пример практического исполнения Practical example

На предприятии в настоящее время для проведения ударных испытаний инженерных макетов космических аппаратов и приборов применяется специальное пиротехническое устройство (СПУ) 7670-5911, показанное на фиг.1. Используются газогенераторы с массой заряда 0,4г, 0,7г, 1г. Максимальный ход поршня составляет около 60 мм, диаметр фланца стакана 150мм, толщина днища стакана и фланца 20мм, максимальный размер 302мм, масса СПУ около 3700г, масса поршня с бойком 1480г. Основной применяемый боек выполнен из бронзы АЖ9, остальные силовые элементы устройства выполнены из стали 30ХГСА, уплотнительное кольцо из алюминиевого сплава АМг6. На фиг.4 показана схема испытаний на ударное воздействие с помощью СПУ 19 по имитации ударных воздействий на узел крепления рефлектора 20 к силовой конструкции КА. СПУ через рымболты 8 вывешено на регулируемых тросах 6. Дополнительная регулировка выполнялась с помощью талрепов 7. Требуемый ударный спектр ускорений (УСУ) приведен в таблице 1 (фиг.5).The enterprise currently uses a special pyrotechnic device (SPU) 7670-5911, shown in Fig. 1, to carry out shock tests of engineering mock-ups of spacecraft and instruments. Gas generators with a charge mass of 0.4 g, 0.7 g, 1 g are used. The maximum stroke of the piston is about 60 mm, the diameter of the cup flange is 150 mm, the thickness of the bottom of the cup and flange is 20 mm, the maximum size is 302 mm, the weight of the SPU is about 3700 g, the weight of the piston with the striker is 1480 g. The main firing pin used is made of AZh9 bronze, the remaining power elements of the device are made of 30KhGSA steel, the sealing ring is made of AMg6 aluminum alloy. Figure 4 shows a diagram of impact tests using SPU 19 to simulate impact impacts on the attachment point of the reflector 20 to the power structure of the spacecraft. The SPU is hung through eyebolts 8 on adjustable cables 6. Additional adjustment was performed using turnbuckles 7. The required acceleration shock spectrum (ASS) is given in Table 1 (Fig. 5).

Для создания необходимого УСУ перпендикулярно плоскости крепления рефлектора (по оси Z) СПУ подводилось к узлу крепления рефлектора. Зазор между бойком СПУ и панелью составлял 10мм. Для создания ударного воздействия применялся газогенератор с массой пиросостава 0.4г. На фиг.6 показаны график “а” - требуемый УСУ и график “b” полученный при ударном воздействии с помощью рассматриваемого пироустройства.To create the necessary control system, the SPU was brought perpendicular to the reflector mounting plane (along the Z axis) to the reflector mounting unit. The gap between the SPU striker and the panel was 10mm. To create an impact effect, a gas generator with a mass of pyrochemical composition of 0.4 g was used. Figure 6 shows graph “a” - the required USU and graph “b” obtained during impact using the pyroelectric device in question.

Режим ударного нагружения (расстояние между бойком и объектом испытаний, перемещение фланца 12, масса пиросостава газогенератора) отрабатывался на специальном стенде. Процедура подбора режима нагружения относится к ноу-хау изобретения и в данной заявке не рассматривается.The shock loading mode (the distance between the striker and the test object, the movement of flange 12, the mass of the gas generator pyrochemical composition) was tested on a special stand. The procedure for selecting the loading mode relates to the know-how of the invention and is not discussed in this application.

Как видно из рисунка (фиг.6) с помощью разработанного СПУ получен требуемый УСУ с погрешностью по амплитуде ускорений не превышающей 50% (около ±3дБ). Это позволило создать требуемое ударное воздействия без использования дорогостоящих одноразовых пирозамков, получить уровни нагружения на приборы КА, снизить требуемую величину ударных воздействий для автономной отработки ряда чувствительных к ударным воздействиям приборов, упростить схему проведения ударных испытаний, т.е. повысить качество отработки КА и приборов.As can be seen from the figure (Fig. 6), using the developed SPU, the required control system was obtained with an error in the acceleration amplitude not exceeding 50% (about ±3 dB). This made it possible to create the required impact impact without the use of expensive disposable pyroelectric locks, to obtain load levels on spacecraft instruments, to reduce the required magnitude of impact impacts for autonomous testing of a number of shock-sensitive devices, to simplify the scheme for conducting impact tests, i.e. improve the quality of testing of spacecraft and instruments.

Таким образом, техническим результатом настоящего изобретения является возможность более точного воспроизведения ударной нагрузки, созданием регулируемого в широком амплитудном и частотном диапазонах пиротехнического устройства для формирования ударных воздействий необходимого вида в различных точках сложных систем.Thus, the technical result of the present invention is the possibility of more accurately reproducing an impact load, creating a pyrotechnic device that is adjustable in a wide amplitude and frequency range to generate impact impacts of the required type at various points in complex systems.

Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленных объектов.From sources of information and patent materials known to the authors, a set of features similar to the set of features of the claimed objects is not known.

Claims

A pyrotechnic device for creating impact effects in spatial structures, consisting of a hollow body with a thread on the outer surface, a gas generator, a piston with seals, on which a removable firing pin is installed using a thread, a locking element that fixes the piston in the body, and the body itself with a piston, liner and the gas generator is installed on the thread in the bottom of the glass and fixed with a locking nut, while on the opposite end side of the glass on its outer part there is a flange with holes, characterized in that in the body of the glass in the bottom and in the flange there are threaded holes located in one plane passing through the axis of symmetry of the pyrotechnic device perpendicular to this axis, and eyebolts are installed in the threaded holes, to which an adjustable cable system is attached, and weights of various masses, made in the form of flat cylinders with holes, are attached to the flange using bolts, and the holes in flat cylinders they have the same diameters and coincide with the diameters of the holes in the flange of the glass.