В современной ракетно-космической технике одним из наиболее динамически развивающихся направлений является создание автоматичес­ких космических аппаратов (КА). Особое место среди них занимают аппа­раты для фундаментальных научных исследований, которые, в зависимо­сти от поставленных задач, являются уникальными. Для обеспечения эф­фективной работы в их состав входят системы и устройства разделения, осуществляющие в процессе полета приведение в рабочее положение выносных приборов, развертывание в космосе трансформируемых конструкций, отделение выполнивших свою функцию бортовых аппаратов и уст­ройств.

Разделение конструкции осуществляется удлиненными кумулятивными зарядами взрывчатого вещества, пиромеханическими замками толкателя­ми, детонационными разрывными замками, болтами и др. Эти устройства в совокупности составляют бортовые системы разделения.

Выполнение программы полета автоматических космических аппаратов в немалой степе­ни обеспечивается надежной работой систем разделения их конструкции. Несрабатывание этих систем приводит к значительным материальным и временным потерям, отрицательно сказывается па выполнении програм­мы полета. Поэтому выбор наиболее рациональных вариантов систем и устройств разделения, их корректный расчет весьма важны при проекти­ровании космических аппаратов.

Системы разделения — это совокупность устройств и отдельных деталей, которые обеспечивают жесткое крепление частей конструк­ции космического аппарата друг к другу, осуществляют их разделение в определенный момент времени с заданными характеристиками и защиту чувстви­тельных органов космического аппарата от побочного воздействия входящих в состав системы пиромеханических элементов при срабатывании.

Описываемые устройства для срабатывания используют энергию экзотермических химических реакций особой группы веществ, спо­собных под влиянием внешних воздействий (удар, трение, тепло­вой импульс) к быстрым самопроизвольным превращениям, сопро­вождающимся выделением тепла и образованием больших объемов сильно нагретых газов.[1]

Помимо указанных систем, на борту широко применяются раз­личные пиромеханические и детонационные устройства (пирокла­паны, пироножи, разрывные болты и замки).

Широкое использование пиромеханических и детонационных систем разделения в ракетно-космической технике обусловлено рядом преимуществ, это: простота конструкции, высокая надежность срабатывания, малые масса и габариты, большое количество генерируемой энергии, приходящейся на единицу массы устройства, быстродействие.[3]

Вещества, используемые в описываемых системах разделения и пиротехнических устройствах, разделяются на три больших класса: взрывчатые вещества; ракетные топлива и пороха; пиротехнические смеси.

Взрывчатые вещества делятся на две группы: инициирующие, возбуждающие детонацию или горение, и бризантные, предназна­ченные для совершения механической работы[5]. Бризантные ВВ обладают повышенной по сравнению с инициирующими ВВ мощно­стью и пониженной чувствительностью к внешним воздействиям.

Пороха — пластифицированные системы, способные к воспла­менению и последующему горению параллельными слоями. Они используются для метания или перемещения элементов пиромеханических устройств под действием газообразных продуктов горения.

Ракетные топлива предназначены для создания реактивной силы на активных участках траекторий ракет и космических аппаратов.

Пиротехнические смеси применяются для получения того или иного пироэффекта: воспламенительного, значительного, дымово­го, светового и т.п. Чаще всего это механическая смесь неорганического окислителя, металлического горючего с добавкой какого- либо органического        вещества-цементатора.

В ракетно-космической технике, помимо упомянутых выше детонационных систем для разделения крупногабаритных частей космического аппарата, применяются пиромеханические устройства, использующие энергию горения пиросоставов. В них разделение осуществляется с помощью пиромеханических замков-толкателей, к которым рабочий высокоэнергетический газ подается по трубопроводам от пиротехническо­го газогенератора или пиропатронов.

Системы разделения отличаются большим разнообразием, обус­ловленным возможностями решать поставленные задачи по разде­лению принципиально различными устройствами. Независимо от за­ложенных в конструкцию системы разделения принципов, она должна осуществлять надежное крепление частей конструкции космического аппарата между собой в процессе эксплуатации и разделение их в определенный момент, обеспечи­вая заданные характеристики, определяемые следующими основны­ми требованиями, предъявляемыми к системе разделения: относительная линейная скорость; угловая скорость, получаемая космическим аппаратом при отделе­нии; динамические перегрузки, возникающие в конструкции космического аппарата  при отделении.[1]

Выполнение первого требования обеспечивает надежное разде­ление без соударения отделившихся частей конструкции, выполне­ние второго — стабилизацию космического аппарата в пространстве после отделения, третьего — целостность конструкции космического аппарата, в том числе чувствитель­ной оптической и электронной аппаратуры.

Эти требования и величины разделяемых масс являются основ­ными исходными данными для проектного расчета системы разделения.

Современные методы проектирования предполагают на началь­ных стадиях создания космических аппаратов выбор из множества возможных наиболее рациональных вариантов систем разделения. Формирование такого базового множества происходит в результате поиска аналогов и прототипов, для этого также привлекаются эксперты. Проведенный анализ показал, что этому способствует классификация систем разделения, которая должна охватывать подавляющее большинство типов таких систем.

Известны различные виды классификаций систем разделения и их элементов. Проектно-конструкторский анализ показал, что они либо излиш­не детализированы и не охватывают всего множества существующих исполнительных элементов, либо слишком общие и не отражают особенностей конструктивного исполнения, а также не включают в себя все множество существующих систем.

В наибольшей степени поставленной цели соответствует клас­сификация систем разделения по виду используемой энергии, которая определяет конструкцию устройства и обеспечивает ее работоспособность в различных условиях. В известных системах разделения космических аппаратов используются следующие виды энергии:

• энергия экзотермических химических реакций;
• энергия механических устройств;
• другие виды энергии (потенциальная энергия гидравличес­ких и пневматических устройств, тепловая, магнитная, электромаг­нитная энергии).

В свою очередь, системы разделения(СР), использующие энергию взрыва, включают в себя следующие группы:

• на неразрушаемых ли­нейных средствах разделения;
• на детонационных замках на удлинённых кумулятивных зарядах(УКЗ);
• с транс­ляторами детонационного импульса;

СР, использующие энергию взрыва и горения, включают в себя следующие группы:

• на разрывных болтах, гайках; на основе УКЗ и пороха;
• взрывного типа с пиротехническим замедлителем коман­ды. В этих системах необходимую скорость отделения обеспечива­ют чаще всего пружинные толкатели.

В состав СР, использующих энергию горения, входят группы:

• ствольного типа на пиропатронах;
• коллекторные на пиропатронах и пирозарядах;
• с пиротехническим газогенератором (аккумулятором давления);
• на основе безымпульсных пироустройств.

СР, использующие механическую энергию и энергию химичес­ких реакций, включают в себя группы:

• на основе УКЗ и пружинных толкателей;
• на разрывных болтах и пружинных толкателях;
• на ли­нейных узлах разделения.

СР, использующие механическую энергию, включают в себя группы:

• на пружинных толкателях;
• на рычажно-поворотных замках.

К CР, использующим энергию бортовых агрегатов, относятся группы:

• на основе пневматических устройств;
• на основе гидравлических устройств;
• использующие газовые сопла;
• на основе электромагнитных устройств;
• использующие магнитные устройства;
• на ос­нове электроустройств с плавной ленточной или ленточной связью.

СР, использующие энергию внешнего воздействия, включают в себя группы:

• с использованием аэродинамических сил;
• с использо­ванием тепловой энергии аэродинамического торможения.

Усложнение и комплексность конструкции современных космических аппаратов привели к появлению разветвленных систем, осуществляющих од­новременное разделение нескольких элементов, часто далеко отсто­ящих друг от друга. Решение такой задачи стало возможным благодаря появлению неразрушаемых трансляторов детонации, срабаты­вающих от единого инициатора.

В ряде случаев ставится задача безымпульсного разделения ча­стей конструкции космического аппарата. Этот эффект достигается соединением подлежащих разделению частей с помощью элементов, содержащих термитный пиросостав и вставки из легкоплавкого металла.

Самыми распространенными устройствами для сообщения раз­деляемым элементам конструкции космического аппарата относительной скорости яв­ляются агрегаты, использующие механическую энергию. Это преж­де всего пружинные толкатели. Они имеют три основные модифи­кации в зависимости от типа используемых пружин (сжатия, растя­жения и кручения), которые срабатывают при определенной пере­грузке, разрушающей жесткую связь, или после срабатывания дру­гих пиромеханических элементов системы.[4]

Известны также системы разделения, использующие замки с запирающими по­воротными элементами, которые соединены между собой рычага­ми, приводимыми в движение, например, пиромеханическим или пневматическим приводом в момент разделения. Они могут приме­няться для разделения по протяженным стыкам конструкции, в ча­стности в системах разделения головных обтекателей по продольному стыку.

Весьма распространены детонационные системы разделения[1]. В практике про­ектирования используются и другие типы систем разделения. Наличие на борту аппарата гидравлической или пневматической системы позволяет использовать ее потенциальную энергию (жидкость или газ высо­кого давления) для запитывания замков и толкателей.

В отдельных случаях для разделения можно использовать теп­ловую энергию, получаемую при прохождении электрического тока через соединительную проволоку либо при аэродинамическом тор­можении спускаемого аппарата.

Исполнительные устройства систем разделения в ряде слу­чаев используются индивидуально, но чаше из них формируются системы разделения. Например, пиротехническая система разделе­ния состоит из нескольких пирозамков-толкателей, пиротех­нических газогенераторов, трубчатого коллектора и трубопро­водов.

Пирозамки-толкатели обеспечивают жесткое крепление кон­струкции космического аппарата в процессе наземной и летной эксплуатации, а также их разделение в заданный момент времени.

Срабатывание систем разделения осуществляется, как правило, подачей электрическою импульса на пиропатроны или электродетонаторы, обеспечивающие воспламенение или детонацию основных зарядов. Широкое применение описываемых систем разделения определяется их быстродействием, комплектностью, малой массой, высокой надеж­ностью, малым электропотреблением и др.

Пиропатроны с проволочными мостиками накаливания являют­ся основными элементами, инициирующими воспламенение основ­ных газогенерирующих зарядов в газогенераторе. Они имеют, как правило, два мостика накаливания (для надежности). Рабочий ток срабатывания составляет 1...3 А при напряжении 27 В.[2]

Основными недостатками существующих систем разеделения являются: однора­зовость срабатывания; большие динамические перегрузки в конст­рукции космического аппарата при срабатывании;  возможный выброс в окружающее пространство продуктов горения пиросоставов.

Системы разделения относятся к служебным системам космического аппарата и служат для крепления космического аппарата к переходному отсеку ракеты-носителя или разгонному блоку ракеты-носителя в процессе транспортирования космического аппарата до места старта.

После вывода на рабочую орбиту космический аппарат(КА) необхо­димо отделить от ракеты-носителя(РН) или разгонного блока (РБ) с минимальными угловыми скоростями и необходимой относительной скоростью.

После окончания работы двигательной установки PH связка КА–PH или КА—РБ имеет остаточную угловую скорость порядка нескольких градусов в секунду. После срабатывания СР из-за воз­действия таких факторов, как трение в замках стыка, неравномер­ность усилий толкателей из-за разброса величины давления рабо­чих газов, подаваемых в пирозамок-толкатель, дополнительные поперечные угловые скорости суммируются с остаточными угловыми скоростями связ­ки.

При больших угловых скоростях тратится значительное коли­чество топлива для стабилизации КА, т.е. срок активного существо­вания КА снижается.

Системы разделения коллекторного типа имеют минимальный разброс по давлению в пиротолкателях по сравнению с системами с индивидуальными пирозамками-толкателями, поэтому сообщают КА минимальные угловые скорости при разделении.