WO2016203067A1 - Atenuador pasivo ligero para naves espaciales - Google Patents

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Abstract

Atenuador pasivo ligero (1) para naves espaciales, que comprende: - dos anillos (2) de sección transversal en omega, colocados simétricamente y que definen un hueco entre ellos, siendo el camino de carga principal del atenuador pasivo ligero, y - una pluralidad de elementos de amortiguación (3) colocados en el hueco definido entre los dos anillos (2) de sección transversal en omega y no situados en el camino de carga principal del atenuador pasivo ligero (1), de tal manera que los anillos (2) de sección transversal en omega y los elementos de amortiguación (3) se montan en sus extremos por medios (4) de fijación, y los anillos (2) de sección transversal en omega tienen una parte central (5) que sobresale con una pluralidad de orificios (6) para la conexión con las estructuras adyacentes (7, 8) de la nave espacial.

Description

ATENUADOR PASIVO LIGERO PARA NAVES ESPACIALES
Campo de la invención
Esta invención se refiere a un atenuador pasivo ligero para naves espaciales, que se utiliza para reducir el choque inducido por las separaciones pirotécnicas de las lanzaderas durante el vuelo.
Antecedentes de la invención
Los choques de alto nivel generados por las separaciones pirotécnicas de las lanzaderas son un problema que se ha planteado desde hace mucho tiempo, y varios dispositivos ya han sido desarrollados por la solicitante para reducir estos choques: - Los sistemas activos que separan físicamente la carga útil del resto de la lanzadera, como el GSAD (Dispositivo Genérico de Atenuación de Choque, "Generic Shock Attenuation Device", en inglés). Típicamente estos dispositivos son activados después de las etapas en las que las cargas principales se producen y por lo tanto no son válidos para la atenuación de todos los eventos, como las separaciones horizontales de carenado. - Los sistemas pasivos que reducen la rigidez y el camino de carga, como el PSAD (Dispositivo Pasivo de Atenuación de Choque, "Passive Shock Attenuation Device", en inglés). Estos sistemas, sin embargo, tienen una baja capacidad de carga (hasta 2000 kg).
- Dispositivos de sistemas pasivos que disipan energía por el movimiento de una masa, como el MFD (Dummy de Montaje Modular, "Modular Fitting Dummy", en inglés). Otra propuesta es el sistema conocido como SASSA (Sistema de Atenuación de Choque para Naves Espaciales y Adaptador, "Shock Attenuation System for Spacecraft and Adaptor", en inglés).
Estos dispositivos de atenuación de choque limitan el nivel de los choques inducidos por las separaciones pirotécnicas de la lanzadera. El choque inducido por las separaciones pirotécnicas de las etapas de la lanzadera puede inducir daños en los equipos y en los instrumentos de la nave espacial.
Además, las vibraciones de baja frecuencia debidas a las oscilaciones de presión dentro de los cohetes de combustible sólido se pueden acoplar con frecuencias naturales de la nave espacial, lo que da como resultado amplificaciones de alta carga. Estos problemas conducen a la recalificación y al refuerzo de los equipos de la nave espacial, penalizando así el coste y la masa.
Sumario de la invención
El objeto de la presente invención es proporcionar un atenuador pasivo ligero para naves espaciales que mejore la reducción del choque inducido por las separaciones pirotécnicas de las lanzaderas durante el vuelo, y que reduzca las vibraciones de baja frecuencia, manteniendo la capacidad de carga de transporte de los atenuadores actuales.
La invención proporciona un atenuador pasivo ligero para naves espaciales, que comprende: - Dos anillos de sección transversal en omega, colocados simétricamente y que definen un hueco entre ellos, siendo el camino de carga principal del atenuador pasivo ligero, y
- Una pluralidad de elementos de amortiguación colocados en el hueco definido entre los dos anillos de sección transversal en omega, y que no se encuentra en el camino de carga principal del atenuador pasivo ligero, de tal manera que los anillos de sección transversal en omega y los elementos de amortiguación se ensamblan en sus extremos por medios de fijación, y los anillos de sección transversal en omega tienen una parte central que sobresale con una pluralidad de orificios para la conexión con las estructuras adyacentes de la nave espacial. El atenuador pasivo ligero de la invención es un sistema pasivo que disipa energía por una combinación del muelle formado por los dos anillos de sección transversal en omega y los elementos de amortiguación, trabajando en paralelo, que proporciona el aislamiento dinámico de carga útil mediante una combinación de elementos elásticos y de amortiguación. En consecuencia, esta disipación de energía contribuye a reducir la propagación del nivel de choque y las vibraciones de baja frecuencia.
Los elementos de amortiguación son dirigidos por los anillos de sección transversal en omega, y por tanto la invención se beneficia de las propiedades de amortiguación de los elastómeros pero minimizando su rigidez no lineal cuando se someten a diferentes frecuencias de niveles de excitación, temperatura y carga. Los anillos de sección transversal en omega son elementos continuos. Por consiguiente, el diseño continuo y uniforme del atenuador pasivo ligero de la invención a lo largo del perímetro no genera picos de carga a las estructuras adyacentes.
La invención también proporciona una reducción importante de la masa y de la altura del dispositivo, sin inducir sobreflujos a las estructuras adyacentes.
Otras características y ventajas de la presente invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de varias realizaciones ilustrativas de su objeto en relación con las figuras adjuntas.
Breve descripción de los dibujos La Figura 1 muestra una vista general en perspectiva del atenuador pasivo ligero para naves espaciales de la invención.
La figura 2 muestra una vista superior del atenuador pasivo ligero para naves espaciales de la invención.
La Figura 3 es un detalle de la figura 2, sin uno de los anillos de sección transversal en omega, que muestra los elementos de amortiguación de la invención.
La Figura 4 es una vista de conjunto en detalle del atenuador pasivo ligero para naves espaciales de la invención.
La Figura 5 es una sección transversal de un anillo de sección transversal en omega de la invención. La Figura 6 es una vista en perspectiva de un elemento amortiguador de la invención.
La Figura 7 es una vista en planta de un elemento amortiguador de la invención.
La Figura 8 es una vista del principio de funcionamiento del atenuador pasivo ligero de la invención.
La Figura 9 muestra los elementos de muelle y de amortiguación de la invención. La figura 10 muestra un montaje del atenuador pasivo ligero de la invención con las estructuras adyacentes.
Las figuras 11 y 12 muestran el montaje del anillo inferior de sección transversal en omega con la estructura adyacente.
La figura 13 muestra el montaje del anillo superior de sección transversal en omega con la estructura adyacente, y el montaje final del atenuador pasivo ligero de la invención.
La Figura 14 muestra los resultados de un ensayo de rigidez a nivel subescala.
La Figura 15 muestra los resultados de un ensayo de vibración sinusoidal a nivel de escala completa. La Figura 16 muestra los resultados de un ensayo de vibraciones sinusoidales a nivel de escala completa, con y sin el atenuador pasivo ligero (LPA).
Las figuras 17 y 18 muestran los resultados de pruebas de choque con y sin el atenuador pasivo ligero (LPA) de la invención.
Descripción detallada de la invención La Figura 1 muestra una vista en perspectiva del atenuador pasivo ligero 1 para naves espaciales de la invención. Está formado principalmente por dos anillos 2 de sección transversal en omega colocados simétricamente. Entre los dos anillos 2 de sección transversal en omega hay un hueco, donde se colocan una pluralidad de elementos de amortiguación 3. Los dos anillos 2 de sección transversal en omega son el camino de carga principal del atenuador pasivo ligero 1 y son los encargados de proporcionar rigidez.
Los dos anillos 2 de sección transversal en omega son elementos continuos que se montan enfrentados entre sí. Los elementos de amortiguación 3 se colocan en paralelo con los anillos 2 de sección transversal en omega, es decir, que no están en el camino de carga principal del atenuador pasivo ligero 1. El aislamiento dinámico de carga útil se obtiene mediante una combinación de elementos elásticos y de amortiguación (véanse las figuras 8 y 9, que muestran los elementos de muelle 9 y de amortiguación 10 del atenuador pasivo ligero 1).
Los anillos 2 de sección transversal en omega y los elementos de amortiguación 3 se montan en sus extremos por medios 4 de fijación (véanse, por ejemplo, las figuras 11 a 13).
Un anillo 2 de sección transversal en omega se representa en la figura 5. Tiene una parte central 5 que sobresale con una pluralidad de orificios 6 para la conexión con las estructuras adyacentes de la nave espacial.
Los anillos 2 de sección transversal en omega son preferiblemente metálicos y los elementos de amortiguación 3 pueden contener elastómeros para mejorar el comportamiento de aislamiento. Los elementos de amortiguación 3 pueden estar hechos de aluminio y de elastomero vulcanizado, trabajando a doble cizalladura (véanse las figuras 6 y 7).
Preferiblemente, existen 36 elementos amortiguadores 3 de aproximadamente 10° (véanse las figuras 3, 6 y 7). Según una realización, los anillos 2 de sección transversal en omega y los elementos de amortiguación 3 se montan en sus extremos por medio de pernos (véase la figura 4).
Según otra realización, uno de los anillos 2 de sección transversal en omega tiene al menos dos orificios de ventilación 1 1 (véase la figura 4).
En la figura 5 se puede observar que las partes de los anillos 2 de sección transversal en omega que conectan sus extremos a sus partes centrales 5 que sobresalen pueden tener un espesor variable con una porción central más delgada, y el espesor en sus extremos puede ser menor que el espesor en sus partes centrales 5 que sobresalen.
Las figuras 11 a 13 muestran el proceso de montaje de los componentes del atenuador pasivo ligero 1 , y del atenuador pasivo ligero 1 con las estructuras adyacentes 7, 8. El primer paso (figura 11) consiste en el montaje del anillo 2 inferior de sección transversal omega con la estructura adyacente 8.
El segundo paso (figura 12) consiste en el montaje de los elementos de amortiguación 3 y del anillo 2 superior de sección transversal en omega con el anillo 2 inferior de sección transversal en omega. El tercer paso (figura 13) consiste en el montaje de la estructura adyacente superior 7 con el anillo 2 superior de sección transversal en omega.
Varias pruebas se han llevado a cabo para comprobar el correcto funcionamiento del atenuador pasivo ligero 1 para naves espaciales de la invención. Específicamente, se han realizado pruebas de choque y pruebas de vibración sinusoidal, comparando la transmisión con y sin el atenuador pasivo ligero 1 para evaluar su eficiencia.
La Figura 14 muestra los resultados de un ensayo de rigidez a nivel subescala. Hay una buena linealidad de la rigidez del atenuador pasivo ligero 1 con respecto al nivel de carga a pesar de que el elastomero se sitúe más allá de la carga límite (LL, "limit load", en inglés).
La Figura 15 muestra los resultados de un ensayo de vibración sinusoidal a nivel de escala completa. Como se puede ver, hay una buena estabilidad de la rigidez y de la amortiguación con respecto al nivel de carga. Se obtiene buena amortiguación (bajo factor de amplificación Q, valor <10; véase la tabla a continuación):
Nivel (g) 1a frecuencia late- Amplificación Q
ral (Hz)
0.1 43.6 8.1
0.4 43.0 8.0
5
0.8 42.4 8.0
1.2 41.7 7.8
0.1 43.6 8.1
La Figura 16 muestra los resultados de una prueba de vibración sinusoidal a nivel de escala completa con y sin LPA 1. Como se puede ver, hay una buena reducción de la amplificación en el primer modo (factor de reducción> 2).
Las figuras 17 y 18 muestran los resultados de ensayos de choque con y sin el atenuador pasivo ligero (LPA) de la invención. La eficacia de filtrado de choque se ha probado por medio del ensayo (9 dB en aceleraciones radiales y axiales). En consecuencia, el atenuador pasivo ligero 1 de la invención presenta las siguientes características:
- Diseño, fabricación e instalación muy sencillos.
- Dominio de carga útil de hasta 6.400 kg con frecuencia lateral superior a 6 Hz.
- Baja altura (menos de 75 mm) y baja masa (menos de 75 kg). - Rigidez lineal hasta la carga límite del elastómero y más allá de ella.
- No induce sobreflujos a las estructuras adyacentes.
- Buena reducción de la amplificación de los principales modos (factor de reducción> 2).
- Buena atenuación de choque (-9dB en radial y axial).
El atenuador pasivo ligero 1 se coloca preferentemente en el diámetro de interfaz de 1.780 mm. Sin embargo, su concepto podría escalarse fácilmente a otro diámetro de interfaz de la lanzadera. Aunque la presente invención se ha descrito enteramente en conexión con realizaciones preferidas, es evidente que se pueden introducir modificaciones dentro del alcance de la misma, no considerando éste como limitado por estas realizaciones, sino por el contenido de las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES
1. - Atenuador pasivo ligero (1) para naves espaciales, que comprende:
- dos anillos (2) de sección transversal en omega, colocados simétricamente y que definen un hueco entre ellos, siendo el camino de carga principal del atenuador pasivo ligero (1), y
- una pluralidad de elementos de amortiguación (3) colocados en el hueco definido entre los dos anillos (2) de sección transversal en omega y no situados en el camino de carga principal del atenuador pasivo ligero (1), de tal manera que los anillos (2) de sección transversal en omega y los elementos de amortiguación (3) se montan en sus extremos por medios (4) de fijación, y los anillos (2) de sección transversal en omega tienen una parte central (5) que sobresale con una pluralidad de orificios (6) para la conexión con las estructuras adyacentes (7, 8) de la nave espacial.
2. - Atenuador pasivo ligero (1) para naves espaciales, de acuerdo con la reivindicación 1 , en el que los anillos (2) de sección transversal en omega son metálicos.
3. - Atenuador pasivo ligero (1) para naves espaciales, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los elementos de amortiguación (3) contienen elastómeros.
4. - Atenuador pasivo ligero (1) para naves espaciales, según la reivindicación 3, caracterizado porque los elementos de amortiguación (3) están hechos de aluminio y de elastómero vulcanizado.
5. - Atenuador pasivo ligero (1) para naves espaciales, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las partes de los anillos (2) de sección transversal en omega que conectan sus extremos a sus partes centrales (5) que sobresalen tienen un espesor variable con una parte central más delgada, y el espesor en sus extremos es menor que el espesor en sus partes centrales (5) que sobresalen.
6. - Atenuador pasivo ligero (1) para naves espaciales, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende 36 elementos de amortiguación (3) de aproximadamente 10°.
7. - Atenuador pasivo ligero (1) para naves espaciales, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los anillos (2) de sección transversal en omega y los elementos de amortiguación (3) se montan en sus extremos por medio de pernos.
8. - Atenuador pasivo ligero (1) para naves espaciales, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que uno de los anillos (2) de sección transversal en omega tiene al menos dos orificios (1 1) de ventilación.
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