Пиротехническая установка для стыковки частей космических аппаратов снижающая удар элементов и исключающая разлет осколков

Уcтрoйcтвo для coединения разделяемых элементoв летательнoгo аппарата

Автoры: Орлoв Алекcандр Сергеевич, Орлoв Сергей Алекcандрoвич


В настоящее время известны устройства разделения с использованием пиропатронов, например, патенты РФ 2281234, 2096275, 2144892, 2224693, пирошнуров, например, по патентам США 3362290, 3336868 кл.102-24. Устройство по патенту США 3362290 представляет собой вилкообразный элемент, закрепленный к створке с помощью заклепок. На ответной створке закреплен элемент, точно входящий во внутреннюю полость элемента, в которой установлен детонирующий удлиненный заряд (ДУЗ).

Устройство по патенту США 3336868 кл.102-24 состоит из разделяемых частей конструкции, связанных между собой металлической полосой. Линейный заряд расположен по центру полосы. Заряд уложен вдоль всей линии разделения. Вдоль всего заряда проходит ДУЗ. Все пиротехническое устройство по всей длине закрыто кожухом, состоящим из двух взаимно перекрывающихся частей.

Наиболее близким к заявляемому решению является «Устройство для соединения разделяемых элементов летательного аппарата» патент РФ 2327130. Устройство содержит крепежные элементы, вставку с лапками, соединяющими ее с разделяемыми элементами летательного аппарата, которая установлена с зазорами между поперечными гранями лапок и поперечными гранями разделяемых элементов, а в центральной части вставки выполнены сквозные каналы, в которых через один размещены удлиненные детонирующие заряды.

Общим недостатком применяемых в настоящее время пиротехнических устройств разделения остается достаточно большой импульс, передаваемый на конструкцию при разделении, а также существенное снижение жесткости соединения и увеличение габаритов устройства при использовании различных амортизаторов.

Устройство по патенту РФ 2327130 не обеспечивает полного исключения передачи ударных воздействий на соединяемые элементы конструкций, поэтому необходимы дополнительные меры, обеспечивающие снижение ударного воздействия без ухудшения эксплуатационных качеств устройства.

Предлагаемое решение позволяет создать устройство, значительно снижающее ударное воздействие на конструкцию, исключающее разлет осколков и не меняющее жесткость соединения.

Указанный эффект достигается благодаря тому, что лапки вставки выполнены из многослойного материала, слои которого имеют различную акустическую податливость, которая убывает в направлении торцов лапок. Дополнительный эффект снижения ударного воздействия достигается тем, что части разделяемых элементов, сопрягаемые с лапками вставки, выполнены из многослойного материала, слои которого имеют различную акустическую податливость, которая возрастает в направлении торцов лапок.

Суть заявленного решения поясняется чертежами, где на фиг.1-3 показано устройство для соединения разделяемых элементов летательного аппарата.


Устройство состоит из соединяемых деталей 1, 2, вставки 3 с выполненными в ней сквозными отверстиями 4, 5. В отверстиях 4 располагается ДУЗ 6. Между вставкой 3 и соединяемыми деталями 1, 2 обеспечены зазоры 7, 8 и установлены прокладки 9. Соединение вставки 3 с деталями 1, 2 выполняется с помощью крепежных элементов 10 (например, заклепок, винтов и т.д.), а подрыв ДУЗ осуществляется с помощью электродетонаторов 11. Закрываются ДУЗ и электродетонаторы защитными кожухами 12, прикрепленными к вставке 3 и состоящими из двух перекрывающихся частей, прикрепленных к вставке. Вставка 3 выполнена в виде центральной части с отверстиями 4, 5 и лапками 13 из материалов с различной акустической податливостью.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

До подрыва ДУЗ вставка 3 прочно соединяется с помощью заклепочных швов с соединяемыми деталями 1, 2.

При подаче напряжения на детонаторы 11 происходит подрыв ДУЗ 6 и в сквозных отверстиях 4 повышается давление и происходит разрушение стенок между отверстиями 4, 5. Связь между соединяемыми элементами 1, 2 разрывается по плоскости расположения заряда. Осколки, образующиеся при разрушении стенок, остаются в сквозных отверстиях 5, и их разлета не происходит. Осколки системы электроподрыва улавливаются защитными кожухами 12. Ударные воздействия, возникающие при подрыве ДУЗа, на соединяемые детали 1, 2 передаются через лапки 13 вставки 3. На фиг.3 показан дополнительный вариант устройства, где части 14 соединяемых деталей 1, 2 выполнены из многослойного материала.

Рассмотрим теперь механизм снижения ударного воздействия после срабатывания ДУЗа. Ударное воздействие (фиг.4) на элемент II может передаться лишь в том случае, если волны будут распространяться в створе углов СОЕ и FOG. Волны распространяются в створе угла СОЕ на границе раздела DC, так как акустическая податливость слоя лапки с импедансом P₂C₂ меньше акустической податливости самой вставки с импедансом Р₁С₁, то будет происходить как проникновение волн в материал с импедансом P₂C₂, так и их отражение от границы раздела сред.

Соотношение между отражением и прохождением определяется акустической податливостью слоев (см., например, А.Ф.Лепендин «Акустика». М.: Высшая школа, 1978, стр.180-192). Характеристиками такого эффекта служат коэффициенты отражения и прохождения волны.

Рассмотрим, например, формулы для коэффициентов отражения и прохождения по давлению.





- коэффициент отражения,

t_p - коэффициент прохождения по давлению,

приведенное волновое сопротивление второй среды (в которую входит волна), а и с - плотность и скорость звука в средах.

- акустическая податливость i-го слоя.

Особенностью прохождения волн через границу раздела является то, что при переходе волны из среды с большей акустической податливости в меньшую коэффициент прохождения по давлению падает. При переходе из среды с меньшей акустической податливостью в большую все происходит наоборот: коэффициент прохождения по давлению возрастает. Таким образом, варьируя акустическими характеристиками сред, можно получить необходимое снижение амплитуд волн, а меняя толщины слоев (т.е. регулируя задержку по времени прохождения волны через разделы сред), можно обеспечить и необходимый частотный состав воздействия. Особо следует обратить внимания на слои с максимальной акустической податливостью. В этом случае на границе раздела наблюдаются эффекты, близкие к полному отражению от свободной границы (акустическая податливость ).

Основой расчета параметров волн деформаций может, например, служить широко известный метод кусочных волн. Согласно этому методу прежде всего рассчитываются параметры кусочных волн деформаций, возникающих при прохождении волны через границу сред. Далее производится суммирование всех кусочных волн, проходящих через границу сред.

Алгоритм подбора материалов вкладышей, их размеров, количества относится к «ноу-хау» изобретения и в материалах заявки не рассматривается.

Ударные волны, возникшие во вставке, направлены в поперечном направлении, а продольные волны после разрушения стенки между полостями и многократного отражения от границ раздела и преобразования поперечных волн в продольные волны перейдут в соединяемые детали 1, 2 с существенным уменьшением амплитуды, как за счет рассеяния (в меньшей степени), так и за счет увеличения длительности пиков волн. Все это приводит к дополнительному снижению ударного воздействия.

Изготовление законцовок соединяемых элементов из материалов с различной акустической податливостью приводит к дополнительному отражению и рассеянию волн, так как при прохождении волн из лапок вставки в законцовки соединяемых деталей 1, 2 также создаются границы разделения сред. Кроме того, существенно "растягивается" сам ударный импульс, что также приводит к значительному снижению амплитуд ударных волн.

Пример практического исполнения

Проверка эффективности разделения была проведена на вставке, показанной на фиг.5. Материал вставки сталь 3, ее ширина 40 мм. Для изготовления лапок на стальной брусок с двух сторон сваркой взрывом были приварены слои из Al, стали 30ХГСА, Cu, после чего было изготовлено устройство, показанное на фиг.5. Для подрыва использовался ДУЗ диаметром 1,3 мм на основе гексогена. Было проведено 3 срабатывания. Зарегистрировано снижение уровней ударных воздействий на 15-20%, что подтверждает правильность предложенного решения.

Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленных объектов.