APARATO DE CONEXIÓN-SEPARACIÓN DE UN VEHÍCULO LANZADOR Y UN
SATÉLITE
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un aparato de conexión de un vehículo lanzador y un satélite que debe separarse al alcanzar Ia altitud adecuada en el que Ia conexión se realiza mediante una banda tensada con una pluralidad de mordazas actuando sobre los anillos de interfaz del satélite y el lanzador y en el que Ia separación se lleva a cabo mediante una orden transmitida eléctricamente y que activa un mecanismo de apertura de Ia banda.
Más en particular, Ia presente invención se refiere a un aparato de conexión-separación de un vehículo lanzador y un satélite en el que se reduzca al mínimo Ia perturbación causada por Ia apertura de dicha banda.
ANTECEDENTES
Desde los primeros tiempos del desarrollo de las tecnologías para transportar cargas al espacio exterior, se han desarrollado multitud de sistemas de conexión y separación de las diferentes estructuras ó fases que forman un vehículo de transporte y en particular de Ia que une a este con su carga de pago ó satélite. Conexiones basadas en cordones pirotécnicos ó pernos explosivos son eficaces y fiables pero generan altos niveles de perturbación vibratoria ó choque que recorre todo el vehículo hasta llegar a los elementos mas sensibles. Por eso este tipo de conexiones se reserva a separaciones de fases del vehículo que están alejadas del satélite. Para separar el satélite se necesitan sistemas que manteniendo su eficacia de unión no produzcan en Ia separación efectos perturbadores como los que se han descrito. Se han desarrollado elementos de conexión - separación basados en Ia precarga de un soporte de unión, mediante un cable ó un bulón que
posteriormente se corta con un cortador pirotécnico ó un cuchillo térmico, ó bien se separan dos extremos previamente cortados con una tuerca pirotécnica ó con una tuerca electromecánica. Estos y otros dispositivos similares son eficaces para unir - separar estructuras de poco peso como antenas ó paneles solares, pero no son los mas adecuados cuando de Io que se trata es de unir grandes estructuras con interfaces cilindricas. En estos casos se requeriría disponer en circulo, ó bien muchos de estos elementos discretos con Ia correspondiente disminución de Ia fiabilidad, ó bien pocos con el consiguiente aumento de las cargas de conexión. Uno de los sistemas mas eficaces que se está utilizando para unir grandes estructuras con simetría de revolución es el basado en una conexión referida como "Marmam Clamp Band" consistente en un conjunto de mordazas en forma de V ó cuña, que son precargadas contra los anillos interfaz de las estructuras a unir, también en forma de V, mediante Ia acción de una banda elástica que se tensa alrededor de las mordazas. La ventaja principal de este sistema frente a los anteriormente descritos es que Ia precarga se ejerce de una forma continua alrededor de Ia estructura sin sobrecargas locales y con un factor de eficacia aumentado por el efecto de Ia cuña. La desventaja en cambio es que esa misma precarga uniforme provoca una deformación elástica, con simetría axial, de los anillos de interfaz, que al ser relajada repentinamente se transforma en energía cinética de las masas elementales de esos anillos, es decir en una señal vibratoria de alta aceleración a Ia frecuencia natural correspondiente a ese modo simétrico. Por tanto, se tiene nuevamente el choque no deseado. Los sistemas basados en Ia tecnología anterior, utilizaban normalmente dos mitades de banda de tensado unidas por dos bulones a ser cortados por dos elementos pirotécnicos. Esta disposición con un plano de simetría mejora ligeramente Ia generación de perturbación al reducir Ia excitabilidad del modo de vibración de simetría axial, pero aún mantiene mucha capacidad para excitar estos modos, mas aún teniendo en cuenta que se utilizan bandas de acero de poca sección transversal y a mucha tensión, es decir muy estiradas, y por tanto
Ia relajación de Ia tensión es muy rápida y muy simétrica. Para fijar ideas, una banda tensada a 30 KN alrededor de una interfaz de algo mas de 1 m de diámetro, genera choques con aceleraciones de hasta 5000 g's.
Posteriormente, se ha desarrollado un nuevo dispositivo de tipo banda mordaza, objeto de Ia patente española n° 2 131 476, al que nos referiremos posteriormente como "CRSS", que reduce el choque inducido a valores inferiores a 2000 g's para los mismos parámetros anteriores. Para ello reduce los dos puntos de apertura a uno solo, Io que se traduce en una desaceleración de Ia velocidad de separación de Ia banda respecto a los aros de interfaz, permaneciendo mas tiempo en contacto antes de alejarse de ellos y frenando en consecuencia el comienzo de Ia vibración libre de estos aros. Además el sistema modifica el criterio de diseño de Ia banda, que pasa a ser de aluminio de mucha sección transversal, aumentando considerablemente Ia rigidez, y por tanto su eficacia para soportar carga, junto con Ia reducción de energía elástica acumulada en Ia propia banda al ser tensada. A pesar de estas ventajas, Ia orden de relajación sigue siendo instantánea al basarse en el corte del bulón que une el terminal de separación por un cortador pirotécnico, y el tiempo de relajación no es controlado, dependiendo solo de las fuerzas de fricción con Ia interfaz y de Ia dinámica del sistema. Recientemente se ha desarrollado otro dispositivo con capacidad de controlar ese tiempo de relajación, referido como "CBOD" (banda desarrollada por SAAB ERICSSON y mecanismo de apertura controlada de STARSYS). Este sistema incorpora Ia apertura de Ia banda en un solo extremo, tal como el CRSS, y añade un mecanismo de frenado y absorción de energía. El mecanismo actúa sobre Ia apertura del sistema mediante Ia retención de dos tornillos situados en los dos terminales. Estos tornillos son obligados a pasar por un roscado asociado a ruedas de inercia. La tensión de Ia banda transmitida a los tornillos, obliga a un movimiento de rotación de las ruedas inerciales para poderse liberar de ellas. La energía cinética de rotación inducida en las ruedas es Ia que permite el frenado del sistema. Con este sistema se reduce Ia aceleración de choque a valores inferiores a 1000 g's para tensiones de 60 KN.
- A -
El inconveniente de este sistema es Ia pérdida de fiabilidad al requerir Ia salida completa y simultánea de los tornillos, para asegurar Ia separación de Ia banda de los anillos interfaz. Además, a medida que Ia tensión de banda se va relajando, Ia energía disponible para retirar el tornillo es menor y por tanto el margen de seguridad para el despliegue va disminuyendo. El sistema mantiene los valores de elasticidad de las bandas tipo Marmam con Io que se requiere un gran recorrido de tornillo dentro de Ia rueda inercial y que es mas grande para diámetros mayores de interfaz. Por otro lado el dimensionado de los tornillos puede ser crítico al soportar directamente Ia tensión de Ia banda, es decir a medida que aumenta Ia necesidad de transportar cargas mayores, Io que se consigue aumentando Ia tensión de Ia banda las cargas que pasan directamente por el mecanismo son mayores..
El sistema propuesto por Huessler descrito en US 5,157,816, resuelve muchos de los problemas arriba indicados, a Ia vez que mejora Ia prestación en Ia separación con el mecanismo de apertura controlada propuesto. El mecanismo que propone contiene un bulón al que se Ie hace trabajar en compresión, en lugar de en tracción como en los casos descritos arriba. Esto se consigue prolongando los extremos de Ia banda mas allá del punto de encuentro y uniéndolos al los extremos del bulón mediante dos articulaciones. La tensión de Ia banda es transformada en compresión en el bulón y no se requiere cortar el bulón para realizar Ia apertura del sistema, sino solo sacar del equilibrio inestable el sistema. Esto se hace instalando el sistema en una posición inestable con tendencia a Ia apertura y reteniéndola con cualquier dispositivo pirotécnico ó electromecánico que Io libere. La ventaja principal de este sistema es que se Ie añade un muelle que frena el movimiento de giro del bulón durante Ia apertura. Este muelle de frenado puede sintonizarse a las necesidades del sistema. Además a medida que el sistema abre, Ia tensión requerida para continuar Ia apertura va disminuyendo, aumentando por tanto el margen de seguridad. La desventaja del sistema es que requiere del propio mecanismo para realizar el tensado. De hecho el mecanismo en si, se propone como un sistema de tensado, Io que hace que Ia posición de partida del
mecanismo tenga una incertidumbre asociada a los resultados de Ia puesta en servicio, Io que redunda en una falta de garantía de Ia reproducibilidad del comportamiento.
La presente invención está orientada a Ia solución de los problemas descritos y a mejorar el comportamiento general de estos sistemas, tanto en Io que se refiere a las prestaciones como en Io que se refiere a Ia puesta en servicio.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
La presente invención propone un aparato de conexión-separación de un lanzador y un satélite que, como los aparatos conocidos, comprende una banda con un canal interior en el que se ubican de manera deslizable una pluralidad de mordazas que se aplica sobre los anillos que constituyen el interface de unión entre ambos vehículos y está dotada de un dispositivo de unión-separación de sus extremos que incluye un elemento bloqueador de los mismos y medios para desbloquearlo, y que, a diferencia de los aparatos conocidos:
- También comprende medios para tensar radialmente el conjunto banda- mordazas.
- El dispositivo de unión-separación también comprende un mecanismo que permite una apertura controlada de Ia banda en dos fases, en Ia primera de las cuales, los extremos de Ia banda se desplazan manteniéndose en contacto con los anillos, disipándose Ia energía elástica correspondiente al tensado de Ia banda, y en Ia segunda de las cuales Ia banda se separa de los anillos hasta alcanzar su posición de aparcamiento.
Un objetivo de Ia presente invención es minimizar el choque inducido por
Ia separación de una banda tensada sobre las estructuras que une como consecuencia de Ia repentina liberación de Ia energía elástica acumulada durante el tensado. El mecanismo de apertura controlada mencionada disipa buena parte de esa energía antes de Ia separación efectiva entre Ia banda y las
estructuras y por ello el choque resultante será solo el inducido por Ia energía residual.
El mecanismo disipador, tiene a su vez un principio de funcionamiento sencillo: al comienzo de Ia separación, se utiliza parte de Ia energía elástica acumulada en mover una masa (transformándola en energía cinética) y simultáneamente se obliga a Ia banda a no separarse de las estructuras que unía, es decir a moverse tangencialmente a ellas sin perder el contacto y friccionando (con Ia consiguiente transformación en energía calorífica) con Io que se obtiene una disminución de Ia energía residual en el momento de Ia separación efectiva.
Téngase en cuenta, además, que en toda separación de Ia banda, provocada al liberarse el elemento bloqueador mediante, por ejemplo, Ia rotura de un bulón de cierre, mediante un cortador pirotécnico, se induce un choque que se suma al previamente explicado (mas importante en frecuencias altas). En el aparato según Ia invención se reduce Ia tensión a soportar por el elemento bloqueador, tal como un bulón de cierre, mediante un sistema de palancas ó equivalente, Io que permite el uso de un elemento desbloqueador tal como un cortador de menor energía y por tanto se reduce el choque transmitido al satélite. Dicho en otras palabras, ese mecanismo obliga a los terminales de Ia banda a un movimiento inicial preferentemente tangencial y de poca velocidad, y a un movimiento posterior preferentemente radial y de mucha velocidad.
Ese mecanismo de apertura controlada añade, a un sistema de elementos del tipo propuesto por Huessler, encadenados de forma que fuerzan Ia cinemática de Ia salida retrasándola apropiadamente, un sistema de frenado de esa cinemática mediante Ia transformación en energía cinética de traslación de un elemento equivalente, pero de gran masa, al bulón de Huessler, con Io que se mejora considerablemente el rendimiento. Por otro lado se resuelve el problema de fiabilidad ligado a Ia necesidad de salida completa y simultanea de los tornillos de CBOD.
Otro objetivo de Ia presente invención, es evitar el acoplamiento de Ia puesta en servicio del mecanismo de apertura-cierre y Ia puesta en servicio de Ia banda, que se consigue mediante Ia utilización de unos medios, tales como unos empujadores, para tensionar radialmente el conjunto banda-mordazas. Estos empujadores situados entre Ia banda y las mordazas se apoyan en Ia banda y empujan a las mordazas contra los anillos de interfaz, Io que provoca Ia precarga de las mordazas sobre estos anillos.
Ello supone poner en servicio el aparato de forma completamente diferente a todos los sistemas conocidos. En ellos el tensado de Ia banda provoca Ia precarga de las mordazas. En Ia presente invención es al revés, es decir se comienza dando Ia precarga necesaria a las mordazas siendo Ia tensión una consecuencia de ello. Se resuelve con ello el problema de que los criterios de diseño de mecanismo de apertura controlada y de banda estén desacoplados como en el mecanismo CBOD pero manteniendo y mejorando las ventajas del mecanismo Huessler así como el problema de las limitaciones de tensado debido a Ia pérdida de rendimiento originado por Ia fricción entre mordazas y banda.
Otras características y ventajas de Ia presente invención se desprenderán de Ia descripción detallada que sigue de una realización ilustrativa de su objeto en relación con las figuras que se acompañan.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Figura 1 es una vista esquemática en planta de un aparato de conexión de un vehículo lanzador y un satélite según Ia presente invención.
La Figura 2 es una vista en perspectiva de un aparato de conexión de un vehículo lanzador y un satélite según Ia presente invención.
La Figuras 3a, 3b y 3c son diferentes vistas de Ia instalación de un aparato de conexión de un vehículo lanzador y un satélite según Ia presente invención.
La Figura 4 muestra dos vistas en sección de un aparato de conexión de un vehículo lanzador y un satélite según Ia presente invención instalado sobre los anillos interfaz antes y después de aplicarle tensión radial.
Las Figuras 5a y 5b muestran esquemáticamente el principio de funcionamiento del mecanismo de apertura controlada de un aparato de conexión de un vehículo lanzador y un satélite según Ia presente invención.
Las Figuras 6a, 6b y 6c muestran, respectivamente, el dispositivo de apertura-cierre de un aparato de conexión de un vehículo lanzador y un satélite según una primera realización de Ia presente invención al inicio de Ia apertura, en el momento que se inicia Ia separación de Ia banda de los anillos y en Ia posición final de aparcamiento.
Las Figuras 7a, 7b y 7c muestran vistas diferentes el dispositivo de apertura-cierre de un aparato de conexión de un vehículo lanzador y un satélite según una primera realización de Ia presente invención Las Figuras 8a y 8b muestran, respectivamente, el dispositivo de apertura-cierre de un aparato de conexión de un vehículo lanzador y un satélite según una segunda realización de Ia presente invención al inicio de Ia apertura, y en Ia posición final de aparcamiento.
Las Figuras 9a y 9b muestran, respectivamente, el dispositivo de apertura-cierre de un aparato de conexión de un vehículo lanzador y un satélite según una tercera realización de Ia presente invención al inicio de Ia apertura, y en Ia posición final de aparcamiento.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS
Como se ha dicho, Ia presente invención está centrada en dos elementos que se muestran esquemáticamente en Ia Figura 1 : un mecanismo de apertura controlada incluido en el dispositivo de apertura-cierre 41 de Ia banda 11 que permite reducir el choque inducido por Ia separación de Ia banda y un mecanismo de tensado del conjunto banda 11 - mordazas 13 mediante empujadores 19 de las mordazas 13 que permite soportar satélites mas
grandes, que están completamente desacoplados y que, consiguientemente, pueden diseñarse de manera independiente el uno del otro de acuerdo a sus propios requisitos funcionales y que al unirlos continúan cumpliendo su funcionalidad sin perturbarse mutuamente. Describiremos en primer término una realización del mecanismo de tensado del conjunto banda 1 1 - mordazas 13 en referencia a las Figuras 2-4.
El conjunto banda 1 1 - mordazas 13 se diseña de tal forma que sea capaz de proporcionar Ia máxima capacidad de unión de Ia interfaz lanzador 15 satélite 17, es decir que sea capaz de soportar las cargas mas grandes posibles con los diámetros de interfaz menores. Esto se consigue mediante Ia optimización de Ia ecuación que define Ia relación entre Ia capacidad de soportar flujos axiales inducidos por las cargas de lanzador y satélite y flujos radiales inducidos sobre el sistema banda mordaza por Ia pretensión del mismo. Esta ecuación es en primera aproximación 0a = 0r / 2 x (tag α - μ), en donde: 0a = flujo axial máximo que soportaría Ia interfaz precargada por Ia banda mordaza
0r= flujo radial inducido en las mordazas por un tensado de Ia banda α = ángulo promedio de los dos ángulos de contacto de Ia cuña de Ia mordaza con los aros de interfaz μ = coeficiente de fricción del contacto
Por tanto para un sistema de unión tipo banda mordaza, en el que esté fijado el ángulo de Ia cuña y el coeficiente de fricción del contacto, Ia única variable que permite aumentar Ia capacidad del sistema es el aumento del flujo radial inducido sobre Ia mordaza, y por tanto cualquier elemento de diseño que mejore Ia capacidad de inducir flujo radial, de mantenerlo, ó de reducir sus variaciones a Io largo del perímetro de Ia interfaz, redundará en una mejora directa de Ia capacidad del mismo.
Según Ia invención, el flujo radial, que es realmente el objetivo que se persigue al tensar, es inducido directamente, generando una fuerza F en dirección radial sobre Ia mordaza 13 de longitud Lm, es decir un flujo radial Fm
de valor 0r = F / Lm mediante tornillos 19 que avanzan apoyándose en Ia banda 11 y empujando las mordazas 13.
El flujo radial Fm sobre las mordaza 13 produce, como reacción, un flujo radial contrario Fb sobre Ia banda 11 que genera su tensado. Es decir, que aquí Ia tensión es una consecuencia del flujo radial creado para empujar Ia mordaza 13 y no al revés.
En las Figuras 2 y 3 se representa una banda 11 dotada de tres taladros 23 pasantes para cada mordaza 13 con tuercas 21 para tres tornillos 19. Los tornillos 19 se roscan en las tuercas 21 y una vez que alcanzan Ia mordaza 13 comienza Ia precarga.
El efecto de Ia precarga puede verse en Ia Figura 4 que presenta una misma sección antes y después de Ia precarga. En ella se ve como Ia separación entre Ia mordaza 13 y banda 11 crece por efecto de Ia fuerza del tornillo 19 empujador sobre Ia mordaza 13 y su reacción sobre Ia tuerca 21 apoyada en Ia mordaza 13 (Ia línea L ayuda a percibir Ia diferente separación relativa entre los distintos elementos en las dos posiciones). De esta forma se precargan los anillos interfaz 15, 17 a Ia vez que por reacción se tensa Ia banda
11. Todo esto se hace sin ningún tipo de movimiento relativo entre banda 11 y mordazas 13 ó entre mordazas 13 y anillos interfaz 15, 17, en dirección tangencial. Por tanto no existen pérdidas de tensión por fricción.
La fuerza que se necesita generar con el tornillo para crear precargas iguales a las que se crearían con un sistema convencional tensado a una tensión T, es por tanto F= Lm x T / R, siendo radio R de Ia interfaz.
Si se tiene en cuenta que para generar esa fuerza F, se requiere un tornillo de métrica D con un efectividad de transmisión C, al que se Ie aplique un par de apriete M de valor M = C x F x D.
Para cubrir Ia longitud de Ia interfaz, con mordazas de longitud Lm, el número N de ellas necesario, es N = 2 x π x R / Lm.
Y si suponemos un tornillo por mordaza, el número de tornillos necesarios es N = 2 x π x C x D x T / M.
Para dar una idea de Ia eficacia comparada del sistema propuesto, si tenemos que tensar una banda a, por ejemplo, T = 60000 N, con tornillos de eficacia C = 0.2 y métrica D = 8 mm, limitando el par de apriete a 10 N x m (10000 N x mm) se necesitarían 60 tornillos. Con este número de tornillos, el tensado sobre una interfaz de radio R = 600 mm requiere empujar 60 mordazas de longitud Lm = 62 mm (ó 30 mordazas de longitud 124 mm empujadas por dos tornillos cada una).
Este mecanismo de tensado es completamente diferente de los sistemas de tensado clásicos utilizados en los sistemas convencionales de mordaza / banda. En ellos una banda metálica situada alrededor de las mordazas que a su vez comprimen Ia interfaz de unión adaptador / satélite, es tensada, ó bien mecánicamente tirando de sus dos extremos, ó bien térmicamente, calentándola, uniendo sus extremos y posteriormente dejándola enfriar, ó con cualquier combinación de ambos. En todos estos casos, Io que se pretende con este tensado en Ia dirección de Ia banda, es decir en Io que llamaremos de ahora en adelante dirección tangencial a Ia interfaz, es inducir un flujo de carga sobre las mordazas y de estas sobre Ia interfaz de unión, en dirección perpendicular a Ia banda, es decir en Io que llamaremos dirección radial. El valor de este flujo radial 0r inducido por Ia tensión tangencial T, es directamente proporcional a Ia tensión e inversamente proporcional al radio R de Ia interfaz, es decir, 0r = T / R.
La diferencia fundamental con un sistema de tensado mecánico convencional es que en éste es necesario aumentar Ia tensión (To) en los extremos desde los que se tira, para compensar las pérdidas que se producen por fricción debido al movimiento tangencial entre Ia banda y las mordazas, que se cuantifican con Ia ley T(θ) = To x e -μθ, en donde μ es el coeficiente de fricción y θ es el ángulo en el que se mide Ia tensión respecto al punto de tensado. Así para conseguir los mismos 60000 N en el extremo contrario (θ = π radianes) al de tensado, si el coeficiente de fricción es μ = 0.1 , se requeriría aplicar 82000 N en el extremo de tensado, es decir se tendrían unas pérdidas próximas al 30%.
Por el contrario, con el sistema propuesto, al no haber movimiento tangencial entre banda y mordazas estas pérdidas serían nulas. El único factor de disminución del rendimiento está dado por Ia eficacia del propio tornillo, que depende de Ia fricción, pero este factor ya esta incluido en el cálculo del par de apriete con el valor de C.
En el caso de Ia banda tensada mediante zunchado térmico descrita en Ia patente española 2 131 476 se consigue el flujo radial por los esfuerzos de zunchado que se producen en Ia interfaz de contacto entre Ia banda y los aros que une cuando Ia primera se contrae sobre los segundos. El sistema no tiene las pérdidas anteriormente descritas puesto que no existe movimiento tangencial entre banda y aros. Sin embargo existe una pérdida de Ia eficacia del zunchado debido a Ia existencia de holguras y juegos entre los elementos que conforman Ia interfaz, a Ia falta de homogeneidad circular, local y global, y a su falta de rigidez Io que requiere un tensado mecánico inicial para aproximar los extremos de Ia banda antes de cerrarla y absorber todas estas imperfecciones, ó de Io contrario se necesitaría elevar Ia temperatura de Ia banda Io suficiente para compensar todos los juegos y flexibilidades. Por otro lado, puesto que los materiales utilizados en Ia construcción de Ia interfaz estructural y en Ia banda, normalmente aluminio en ambos, tienen un limitado coeficiente de expansión térmica, solo es posible aumentar Ia tensión objetivo a costa de aumentar Ia temperatura de zunchado, Io que a su vez tiene un límite por Ia caída de propiedades mecánicas de estos materiales.
Una ventaja adicional del sistema propuesto es que Ia precarga se induce en cada mordaza con independencia de las demás, Io que permite obtener una distribución de flujo radial todo Io uniforme que se desee, corrigiendo las desviaciones que sobre Ia geometría nominal tengan los aros de interfaz.
Otra ventaja adicional de este sistema es que para comenzar el tensado solo se requiere tener bloqueados los extremos terminales de Ia banda. Esto es Io que permite que Ia posición inicial del mecanismo de cierre que aquí se propone no queda condicionada por las necesidades de tensado del sistema ni
viceversa. Ó Io que es Io mismo el diseño del mecanismo se hace independientemente del diseño de Ia banda y viceversa. Entre otras cosas, esta independencia proporciona las siguientes características:
- El mecanismo de cierre no se utiliza para tensar Ia banda, como en Ia patente n° 2 131 476, Io que obligaría a inducir un movimiento tangencial de los extremos terminales de Ia banda durante el tensado, y por tanto a definir unas características de fricción en Ia banda compatibles con esa función.
- Los parámetros principales del mecanismo se eligen en función de Ia necesidad de atenuar el choque. Por tanto el ángulo de partida del mecanismo, las longitudes de sus elementos y Ia masa del mecanismo, se determinan de forma que se optimiza Ia prestación deseada que es Ia dinámica de despliegue, y su consecuencia principal, el choque inducido.
- La selección de los parámetros del mecanismo es válida para cualquier tensión de banda que posteriormente se aplique y asimismo para cualquier diámetro de banda
- La instalación del sistema comienza con mecanismo y banda en estado de relajación, sin cargas inducidas ni por Ia tensión de Ia banda ni por Ia posición del mecanismo, Io que permite un posicionado de los elementos de medida y control mucho mas ajustado al cero inicial. Pasamos ahora a describir el mecanismo de apertura controlada del dispositivo de apertura-cierre de Ia banda en referencia a las Figuras 5-9.
La dinámica del despliegue del mecanismo de apertura controlada tiene una influencia fundamental en las prestaciones que se desean obtener de este dispositivo. Como se ha dicho antes el límite práctico en el aumento de capacidad del conjunto banda 1 1 - mordazas 13 mediante el aumento del flujo radial, es que Ia relajación repentina de Ia tensión de Ia banda induce a su vez una relajación repentina de Ia energía elástica acumulada en los aro interfaz 15, 17. Esta energía elástica se transforma en energía cinética de esos aros, que al ser circularmente continuos responden como un sistema de muelles y masas circularmente distribuidas y vibrando a un lado y otro de su estado inicial. Esta vibración, que es una señal transitoria de poca duración y que tiene
componentes de distinta aceleración en todo el espectro de frecuencias, es Io que percibe el satélite como choque inducido por Ia separación. Este choque puede dañar los equipos del satélite a partir de ciertos niveles de aceleración. Estos niveles de aceleración dependen de Ia energía que se ha liberado repentinamente, Ia cual a su vez es función directa del grado de precarga existente en el momento de Ia liberación. Por tanto Ia sensibilidad de los equipos del satélite a Ia señal vibratoria inducida por Ia separación, limita Ia precarga máxima del sistema y por tanto su capacidad.
De todos los modos de vibración del aro interfaz, que se excitan al liberar repentinamente Ia energía elástica, el más importante por ser el que responde con más aceleración y el que determina a Ia vez el resto del espectro, es el que se denomina modo de respiración del aro. Este modo es el resultado de una vibración en fase de todas las secciones del aro, tal como si se produjese una extensión y contracción del radio inicial del anillo. La frecuencia de esta vibración y Ia aceleración máxima que corresponde a este modo de vibración pueden relacionarse fácilmente con Ia precarga que el sistema tiene antes de Ia liberación repentina. Para ello se hace Ia hipótesis de que Ia energía elástica acumulada en el aro interfaz cuando se induce en el un determinado flujo radial uniforme, es transformada en energía cinética del anillo en este modo de respiración. La relación entre aceleración radial inducida y Ia tensión de banda es Ar = 0.5 T / (R x A x p), Fr = (E/ρ)° 5 / (2 x π x R), en donde:
Ar = es Ia aceleración radial inducida en el modo de simetría axial del aro Fr = es Ia frecuencia del modo de simetría axial ó modo de respiración T = es Ia tensión de Ia banda en el momento de Ia liberación repentina E = es el módulo elástico del material del aro
R = es el radio medio del aro de interfaz del satélite A = es el área de Ia sección transversal del aro del satélite p = es Ia densidad volumétrica del aro del satélite Con las expresiones anteriores se ve que Ia aceleración del choque que se induce en Ia separación es directamente proporcional a Ia tensión existente en el momento de Ia liberación repentina de esta tensión, mientras que Ia
frecuencia del movimiento vibratorio es únicamente dependiente del diámetro del aro de interfaz.
La única forma de disminuir el choque inducido es por tanto disminuyendo Ia tensión de Ia banda, pero esto va en menoscabo de Ia capacidad del sistema como se ha reflejado previamente.
Según Ia invención se realiza una relajación de Ia tensión de Ia banda en dos fases:
- Una primera fase durante Ia cual Ia tensión de Ia banda va disminuyendo lentamente hasta un valor residual. - Una segunda fase en Ia que Ia relajación de Ia tensión residual es repentina ó muy rápida.
Durante Ia primera fase, que llamaremos fase de frenado, el sistema formado por Ia banda y por el aro interfaz se moverá unido de forma que el contacto de Ia banda con el aro impide que este vibre libremente en su modo de respiración. Para ello es necesario además que Ia energía elástica que se está liberando en esta fase sea absorbida ó transformada por algún elemento del sistema. Al finalizar esta fase el sistema retendrá una energía residual y Ia banda tendrá también una tensión residual.
Durante Ia segunda fase Ia banda se separará del aro interfaz dejando que este vibre libremente en su modo de respiración natural. La tensión residual de Ia banda y Ia energía residual del aro definirán las prestaciones finales del sistema, es decir el choque finalmente inducido y Ia apertura completa para garantizar Ia salida del satélite. Cuanto más rápida sea esta segunda fase mas garantía de no perturbación de Ia salida del satélite. La optimización de los tiempos de relajación de cada fase producirá el beneficio de reducir el choque sin necesidad de haber disminuido Ia capacidad del sistema y sin perturbar Ia salida del satélite. Para gestionar los tiempos de cada fase se necesita de algún tipo de mecanismo que controle esos tiempos, es decir que convierta Ia relajación repentina que se produce en un sistema convencional del tipo de un corte de un bulón por un cortador pirotécnico, en una relajación controlada en las dos fases explicadas.
La invención proporciona pues un mecanismo encargado de permitir una apertura controlada de Ia banda de forma que optimiza las relaciones de los tiempos de las dos fases de Ia apertura, realizando una fase de frenado en Ia que se puede controlar el tiempo de retardo de Ia apertura, y una fase de apertura final en Ia que se puede incluso acelerar el movimiento. La forma de alcanzar este doble propósito es mediante el mecanismo que se muestra esquemáticamente en Ia Figura 5, un mecanismo de cuatro articulaciones unidas por tres elementos rígidos: un soporte central 33 paralelo a Ia banda 11 y dos bielas laterales 35 formando un ángulo β con el soporte central. Mientras el soporte 33 tiene su movimiento bloqueado por un elemento retenedor, tal como el bulón mencionado anteriormente, el mecanismo es capaz de transmitir las cargas de un lado a otro del mismo a través de las dos bielas 35. Cuando el soporte 33 es liberado, Ia tensión T de Ia banda mueve el mecanismo de forma que el ángulo del mismo aumenta y el soporte 33 se traslada hacia fuera aumentando Ia velocidad tangencial Vt hasta un máximo que se corresponde con un determinado ángulo próximo al cual se ha relajado completamente Ia tensión, quedando únicamente Ia tensión residual Tr. A partir de aquí el soporte 33 se desacelera hasta que cambia su velocidad. En ese momento Ia inercia del mismo realiza el efecto contrario al inicial, ayudando a Ia salida en dirección radial de Ia banda a Ia velocidad Vr.
Los parámetros que determinan Ia dinámica del sistema y por tanto sus prestaciones finales son:
L = Longitud de las bielas 35 β = ángulo de las bielas 35 con el soporte 33 M= masa del soporte 33
La longitud de las bielas 33 afecta positivamente debido a Ia cinemática obligada. Cuanto mayor sea, Ia trayectoria de Ia articulación que une Ia banda 11 y Ia biela tiene una componente en Ia dirección tangencial que es inicialmente muy pequeña y posteriormente crece. Esto es Io deseable en Ia fase de frenado. Sin embargo, Ia longitud máxima posible está limitada porque a
su vez define el diámetro de Ia banda después de Ia apertura y este no puede superar los límites que Ie impone el satélite.
Cuanto menor sea el ángulo inicial, mas lenta será Ia separación inicial por Ia misma razón cinemática anterior, es decir mas eficaz será Ia frenada. El ángulo del mecanismo puede ser cero, que se correspondería con una posición de equilibrio, pero tiene un límite práctico anterior para asegurar Ia salida teniendo en cuenta las fuerzas de fricción.
Finalmente Ia masa M del soporte, despreciando el efecto del resto de masas en movimiento, es Ia que mejor determina Ia dinámica de salida de Ia banda. Cuanto mayor sea Ia masa M, mas energía absorberá en proporción al cuadrado de su velocidad, y mas fuerza inercial contraria al movimiento impondrá y propagará a través de las bielas a los extremos articulados de Ia banda, frenando su salida. El límite de esta masa es solo una cuestión relacionada con los objetivos de peso del sistema completo. Las Figuras 6 y 7 el dispositivo de apertura-cierre 41 con una primera realización del mecanismo de apertura controlada en tres posiciones. El dispositivo de apertura 41 comprende un mecanismo convencional 46 para Ia apertura-cierre de Ia banda 11 incluyendo un elemento retenedor tal como, por ejemplo, un bulón 47 que una sus extremos que puede ser liberado cuando llegue el momento de Ia separación del satélite del lanzador mediante por ejemplo un cortador pirotécnico 48 y el mecanismo de apertura controlada está formado por un soporte 43 unido articuladamente a los dos extremos 7, 9 de Ia banda 11 mediante las bielas 45.
En Ia primera de las posiciones mencionadas, de arriba abajo, se representa Ia posición de partida antes de Ia orden de separación del satélite del vehículo lanzador con los extremos 7, 9 de Ia banda muy próximos entre sí. La segunda es una posición intermedia en donde Ia banda 11 aún no se ha separado de los anillos interfaz 15, 17, pero donde su tensión se ha relajado ya que los extremos 7, 9 se han separado. Finalmente Ia tercera, presenta Ia posición de llegada, también llamada de aparcamiento, en Ia que se ve que Ia
banda 11 está completamente separada de los anillos interfaz 15, 17 y por tanto Ia salida del satélite está libre.
Siguiendo Ia Figura 7 puede observarse que el soporte 43 tiene forma curvada con sección en C y que dispone de interfaces para ensamblar las bielas 45 con sus ejes así como otros elementos del dispositivo como Ia tuerca pirotécnica 48 encargada de recibir Ia orden de separación y de soltar el retenedor 47 que bloquea el movimiento del mecanismo, y un par de grapas 51 encargadas de fijar el mecanismo respecto a Ia banda en su posición de aparcamiento. Siguiendo las Figuras 8a y 8b describimos seguidamente una segunda realización del mecanismo de apertura controlada.
El dispositivo de apertura-cierre 61 incluye en este caso un soporte 63 que incluye dos ranuras 65 que definen el movimiento que deben seguir dos ejes 67 asociados a los extremos de Ia banda 11. La forma y dimensiones de las ranuras 65 se diseñan de forma que contienen dos tramos 68, 69 de pendiente diferente y una transición entre ellos. El primer tramo 68 es definido con una pendiente muy alta para ralentizar el movimiento de separación de los extremos de Ia banda 11. El ángulo que forma este tramo con Ia vertical, es un parámetro de diseño equivalente al ángulo inicial de Ia biela en Ia primera realización de Ia invención. Cuanto mas pequeño es ese ángulo mas lenta es Ia separación inicial. La compatibilidad cinemática obliga al soporte principal a desplazarse verticalmente, es decir de dentro a fuera, para permitir Ia separación de los dos ejes. Para ello es necesario invertir en el movimiento de ese soporte Ia correspondiente energía cinética, Ia cual es proporcional a su masa y al cuadrado de Ia velocidad de esa masa. Por tanto se tiene un mecanismo de disipación y freno totalmente equivalente al del mecanismo de Ia primera realización de Ia invención. El segundo tramo 69 de Ia ranura 65 se define de forma que se acelere el movimiento Io que se requiera para aparcar el sistema en el momento deseado. La transición entre ambos se hace mediante una curva que define el movimiento de transición. El final del recorrido sobre Ia
ranura define el modo abierto de Ia banda, es decir su geometría respecto al modo cerrado.
Otra forma de entender este mecanismo es Ia siguiente. La distancia horizontal entre los ejes cuando estos están al comienzo del primer tramo de Ia ranura se corresponde con el sistema a su tensión máxima. La distancia horizontal entre ellos cuando están al final del primer tramo se corresponde con el sistema a su tensión mínima, en particular puede ser cero si así se requiere. La diferencia de distancias es Ia que se requiere para tensar y destensar el sistema. La longitud de ese tramo ha de recorrerse por los ejes entre esas dos posiciones y por reacción por el soporte, y por tanto junto con Ia masa del soporte y Ia tensión, define el tiempo en que se reduce Ia tensión desde Ia inicial a Ia final, por tanto el tiempo de frenado. El segundo tramo se define de forma que entre el punto de tensión mínima y el final de este segundo tramo se produzca Ia separación de Ia banda de los anillos interfaz y su aparcamiento en el diámetro del modo abierto.
En definitiva el diseño de Ia ranura 65 permite gestionar el movimiento que se va a obtener y por tanto Ia dinámica de Ia separación y en consecuencia el choque inducido por esta.
Al igual que en Ia primera realización del Ia invención, el dispositivo el mecanismo de referencia, este otro tiene que disponer de los elementos que permiten bloquear y desbloquear el movimiento relativo entre el soporte principal y Ia banda, y al ser equivalentes se pueden utilizar exactamente los mismos componentes descritos anteriormente.
De Ia misma forma, el sistema de tensado debe de permitir definir una posición de partida sin alterarla ni depender de ella. Esta posición de partida es precisamente Ia que posiciona los ejes al inicio del primer tramo. A partir de esta posición se puede iniciar el tensado con el mismo procedimiento definido para el sistema de referencia, es decir aproximando las mordazas a los aros interfaz mediante tornillos empujadores. Siguiendo las Figuras 9a y 9b describimos seguidamente una tercera realización del mecanismo de apertura controlada.
El dispositivo de apertura-cierre 71 incluye en este caso un soporte 73 que incluye dos ranuras 75 que definen el movimiento que deben seguir dos ejes 77 asociados a los extremos 7, 9 de Ia banda 11
El soporte 73 tiene cierta elasticidad Io que permite gestionar los tiempos dos tramos similares a las de Ia realización anterior. Por su parte, el dispositivo de apertura-cierre 71 contiene elementos de bloqueo y desbloqueo similares.
En este caso, el soporte 73 es una única pieza metálica que debido a su elasticidad y a Ia presencia de un separador 79 en cada ranura 75, permite dos posiciones 78, 79 de su parte inferior. En una de ellas, Ia correspondiente a su estado natural 79, (posición abierta), deja una holgura suficiente para que los ejes 77 pasen a través de ella. En Ia otra, Ia correspondiente a su estado deformado 78, (posición cerrada), esta holgura se cancela deformándola hasta tocar Ia parte superior y reteniéndola en esa posición por Ia precarga que ejerce un tornillo que se mantiene unido a Ia tuerca pirotécnica que activará Ia separación.
Partiendo de esta última posición, el movimiento de los ejes 77 está bloqueado, mientras Ia tuerca pirotécnica retiene el tornillo asociado. Cuando se da Ia orden de separación, los ejes recorren Ia pared inclinada que los retenía cuyo ángulo y longitud definen Ia relajación de tensión y el tiempo de frenado de Ia misma forma que en el mecanismo con ranura. Cuando alcanzan Ia apertura liberada se desplazan rápidamente en un movimiento horizontal hasta que son retenidos por el final del soporte 73.
Aunque Ia presente invención se ha descrito enteramente en conexión con realizaciones preferidas, es evidente que estas realizaciones no son limitativas, pudiéndose introducir modificaciones comprendidas dentro del alcance definido por las reivindicaciones siguientes.