Устройство разделения ступеней ракеты (варианты)

 

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к системам разделения ступеней ракет и отделения полезной нагрузки. Согласно изобретению, устройство содержит стыковочные фитинги разделяемых частей ракеты, расположенные по плоскости стыка, пироэлементы и средства разведения отделяемых частей. По крайней мере одна из полок каждой пары фитингов выполнена с ослаблением, обеспечивающим ее механическое разрушение при защемлении стыка вследствие разворота разделяемых частей относительно отказавшего пироэлемента (пироболта). Фитинги могут быть выполнены с увеличенным плечом защемления стыка. Устройство может быть снабжено дополнительным звеном, например, ослабленной шайбой, установленной на пироболте. Изобретение направлено на повышение надежности устройств разделения. 3 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к системам разделения ступеней ракет и отделения полезной нагрузки.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

Предлагаемoе изобретениe как раз и направленo на снижение угловых возмущений при механическом разрушении элементов стыка и отказе одного из пироэлементов.

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.

Формула изобретения

1. Устройство разделения ступеней ракеты, содержащее стыковочные фитинги отделяемых друг от друга частей ракеты, расположенные по плоскости стыка, пироэлементы и средства разведения отделяемых частей друг от друга, отличающееся тем, что по крайней мере одна из полок каждой стыковочной пары фитингов выполнена с ослаблением, обеспечивающим ее механическое разрушение при защемлении стыка данного фитинга вследствие разворота разделяемых частей относительно отказавшего пироэлемента.

2. Устройство разделения ступеней ракеты, содержащее стыковочные фитинги отделяемых друг от друга частей ракеты, расположенные по плоскости стыка, пироэлементы и средства разведения отделяемых частей друг от друга, отличающееся тем, что фитинги выполнены с увеличенным, по сравнению с конструктивным при нормальном срабатывании пироэлементов, плечом защемления, отсчитываемым от линии разворота стыка до оси пироэлемента и обеспечивающим механическое разрушение наиболее слабого элемента стыка при отказе пироэлемента и защемлении данного стыка вследствие разворота разделяемых частей относительно отказавшего пироэлемента.

3. Устройство разделения ступеней ракеты, содержащее стыковочные фитинги отделяемых друг от друга частей ракеты, расположенные по плоскости стыка, пироэлементы и средства разведения отделяемых частей друг от друга, отличающееся тем, что устройство снабжено дополнительным звеном с ослаблением, разрушаемым только при отказе одного из пироэлементов и защемлении данного стыка.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что пироэлемент выполнен в виде пироболта, а в качестве дополнительного звена использована установленная на пироболте шайба с ослаблением на части ее поверхности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4