CN101691139A - 星上设备分离机构 - Google Patents

Abstract

星上设备分离机构，包括安装基座本体、若干压紧夹块、连接法兰、压紧与释放机构和解锁装置，压紧与释放机构包括连接轴和连接弹簧，解锁装置包括锁舌、锁舌轴、拉力弹簧、预紧绳和火工切割器。本发明采用锁舌，锁舌的设置首先将机构本应该直接作用于压紧夹块上的预紧力的方向改变，使该预紧力方向向下，并通过连接轴将力传递至压紧夹块，较现有技术结构更简单且更易于实现；本发明采用压紧夹块的压紧配合方式不需要航天器或目标载荷在分离连接处有太高的精度，这就有效的降低了航天器或目标载荷在分离连接处的机械加工难度；本发明可以采用多组配合的方式来工作，这就可以很好的满足通用化、模块化和系列化使用的要求。

Description

星上设备分离机构

技术领域

本发明涉及一种星上设备用的分离机构，属于卫星和航天技术领域。

背景技术

卫星或其它航天器根据任务需求或由于一些约束条件的限制往往需要完成一些压紧释放的动作，如母体和子体、个体与主体之间的在轨分离等，这类动作的完成都是通过复杂的机构系统来实现的，机构系统不仅要保证航天器在地面及飞行过程中为目标载荷提供可靠的约束条件、同时还要保证航天器入轨后能够安全可靠的将目标载荷分离。

压紧和释放是这类机构系统中最主要的两个功能，同时也是最关键的两个受力作用环节。压紧就是指航天器在地面或发射过程中将目标载荷约束在指定的位置上并间接保证其所处的力学环境，由于航天器在地面或发射过程中的力学环境非常复杂、同时目标载荷对工作环境的要求较为苛刻，这就给压紧机构工作的可靠性提出了较高的要求，导致了压紧机构系统组成复杂；释放就是指航天器在进入预定轨道后将压紧机构提供给目标载荷的约束减除，完成目标载荷与航天器母体的分离或局部分开，释放机构一般都是先通过火工装置对压紧机构进行解锁，然后释放机构开始动作将目标载荷分离，由于航天器在地面和飞行过程中经受了各种各样的力学环境，这就同样给释放机构工作的可靠性提出了很高的要求，从而也导致了释放机构系统的组成较为复杂。

卫星与运载火箭的分离机构(简称星箭分离机构)是常见的一种航天器压紧释放机构，分离包带是星箭分离机构中最常用的一种，各种地面和飞行试验已经证明分离包带是一种高可靠、结构形式简单的航天器压紧释放机构，尽管如此，分离包带仍然暴露出了一些设计和使用上的缺点，具体如下：

(1)使用环境受限，根据星箭分离包带的工作原理，被连接航天器在连接处的形状只能为柱面，这就使航天器在连接处的外形和结构形式受到了严格的限制，使得分离包带的使用环境受到限制；

(2)连接面机械加工精度要求过高，根据目前星箭分离包带的使用情况可以看出其对卫星和火箭的星箭分离面的机械加工精度提出了较高的要求，这就给机械加工过程带来了难度；

(3)产品之间的通用性差，由于星箭分离包带自身结构的特点使得不同型号包带之间的通用性较差；

(4)系统组成复杂，由于设计原理和使用环境的限制使得星箭分离包带系统组成仍然非常复杂，整套系统在使用前的装配和调试过程就需要很长的时间。

上述星箭分离包带的缺点也是目前各种航天器压紧释放机构中普遍存在的问题，随着航天技术的发展以及航天任务的不断增加，航天器压紧释放机构将会被大量的使用。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种结构重量较轻、尺寸较小、装配简单、可靠性高并且适应性强，在星上可代替目前星箭分离包带，并可在星上设备之间广泛使用的星上设备分离机构。

本发明的技术解决方案是：星上设备分离机构，包括安装基座本体、若干压紧夹块、连接法兰、压紧与释放机构和解锁装置，压紧与释放机构包括连接轴和连接弹簧，解锁装置包括锁舌、锁舌轴、拉力弹簧、预紧绳和火工切割器；

安装基座本体的下端面与卫星固连，目标载荷与连接法兰固定连接并与安装基座本体的上端面相连，压紧夹块一端嵌入连接法兰并安装在安装基座本体内，压紧与释放机构和解锁装置安装在安装基座本体内部，连接轴的上端斜面与压紧夹块的一个斜面配合，连接轴的下端插入安装基座本体中心的连接轴套中，连接轴在连接轴套内可上下滑动，从而带动整个机构上下运动，连接弹簧安装在连接轴和连接轴套外部，锁舌轴穿过锁舌上的连接孔并与安装基座本体连接，锁舌能绕锁舌轴转动，拉力弹簧的两端分别安装在锁舌和安装基座本体上，预紧绳一端穿过锁舌与拉力弹簧相连接的转动轴，另一端与火工切割器连接，预紧绳拉紧锁舌使其顶在连接轴的下端面上，使连接轴处于预紧状态，拉力弹簧拉伸使其为整个机构提供解锁后所必需的拉力，连接轴将预紧力传递给压紧夹块将目标载荷压紧，解锁时火工切割器切断预紧绳，锁舌围绕锁舌轴反向旋转，锁舌与连接轴脱开，使其加在连接轴上的预紧力消除，连接轴在连接弹簧的作用下与压紧夹块脱开，压紧夹块成自由状态，不再对目标载荷拥有压紧固定作用。

所述的压紧夹块为楔形，一个斜面上加工有弧形凹槽，另一个斜面与连接轴配合。

所述的连接法兰内侧加工环形凹槽，压紧夹块在环形凹槽内均匀分布。

所述的连接法兰可与目标载荷加工成一整体。

所述的连接轴与安装基座本体的连接轴套同轴。

所述的连接轴、压紧夹块和锁舌采用铝、钢或钛合金材料制成。

所述的锁舌的数量是1个或1个以上。

所述的星上设备分离机构可多个组合使用。

本发明的原理是：目标载荷安装在安装基座本体的上端面，压紧夹块在压紧与释放机构与目标载荷之间，通过压紧与释放机构对压紧夹块的压力来实现与目标载荷压紧。压紧与释放机构另一端与解锁装置连接，通过解锁装置提供的预紧力与压紧与释放机构所受的拉力弹簧的拉力进行平衡，实现对目标载荷的压紧锁定；解锁时，解锁装置释放所述的预紧力，此预紧力与拉力弹簧拉力的平衡被破坏，压紧与释放机构对压紧夹块的压力消失，压紧与释放机构被连接弹簧拉入安装基座本体内部，同时压紧夹块解除对目标载荷的约束，目标载荷成功与星体分离。

通过锁舌、预紧绳和拉力弹簧的配合可以完成对各种结构形式目标载荷对星体的压紧；锁舌通过杠杆原理，有效的减小预紧绳和拉力弹簧一端承受的约束力。此外还可以通过多组星上设备分离机构配合的方式来满足更大、更复杂目标载荷的需求。

对目标载荷压紧的过程就是系统静力平衡的过程，压紧夹块是直接对目标载荷产生约束力的部件，该约束力的数值将会很大，锁舌通过预紧绳利用杠杆原理为系统的提供的预紧力就是为了加强此约束力，此预紧力通过连接轴传递至压紧夹块。这一设计使得系统在初始平衡位置时压紧夹块与目标载荷之间仅有摩擦力、同时锁舌可以对连接轴微量位移进行约束，这样两者之间的摩擦力和位移约束就可以使其各自处于静力平衡状态。

整套机构在装配过程中可以通过对锁舌进行调整以满足目标载荷所需的压力，同时也可以根据目标载荷的特性以及所处的力学环境对压紧夹块的形式以及其它配合环节进行调整。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明采用锁舌，锁舌的设置首先将机构本应该直接作用于压紧夹块上的预紧力的方向改变，使该预紧力方向向下，并通过连接轴将力传递至压紧夹块，较现有技术结构更简单且更易于实现；

(2)本发明采用压紧夹块的压紧配合方式不需要航天器或目标载荷在分离连接处有太高的精度，这就有效的降低了航天器或目标载荷在分离连接处的机械加工难度；

(3)本发明可以采用多组配合的方式来工作，这就可以很好的满足通用化、模块化和系列化使用的要求；

(4)本发明由于体积小、安装位置灵活等特点，故可以通过多组配合的方式来使用，这就使得该机构可以满足各种结构形式航天器或目标载荷的压紧和释放，使用环境不受限制；

(5)本发明组成简单，使用前的装配和调试过程所需时间很短；

(6)本发明机构承载能力较大，由于可以采用多组配合的方式来工作，这就使得本机构在理论上可以承载各种载荷；

(7)本发明采用预紧绳和火工解锁器，有效提高了传统的爆炸螺栓在解锁过程中的安全性，使整个机构安全性得到提高。

附图说明

图1为本发明安装载荷的立体图；

图2为本发明整体结构示意图；

图3为图2的从剖线AA右视的结构示意图；

图4为图2的从剖线AA左视的结构示意图；

图5为图2的B处的放大图；

图6为本发明立体图；

图7为本发明压紧夹块主视图；

图8为本发明压紧夹块仰视图；

图9为本发明压紧夹块立体图。

具体实施方式

以典型单套星上设备分离机构的使用方式具体说明本发明，至于具体应用过程中具体选择几组压紧释放机构，要根据目标载荷的形状和要求来确定。

图1为本发明实施过程中的立体图，图1中上部的方形设备为模拟的目标载荷9，目标载荷9的下方结构即为本发明的星上设备分离机构。

如图2～5所示，本发明包括安装基座本体1、若干压紧夹块2、连接法兰8、压紧与释放机构和解锁装置。压紧与释放机构包括连接轴6和连接弹簧7，解锁装置包括锁舌3、锁舌轴4、拉力弹簧5、预紧绳和火工切割器。

安装基座本体1的下端面与卫星固连，目标载荷9与连接法兰8固定连接并与安装基座本体1的上端面相连，压紧夹块2一端嵌入连接法兰8并安装在安装基座本体1内，压紧与释放机构和解锁装置安装在安装基座本体1内部，连接轴6的上端斜面与压紧夹块2的斜面配合，连接轴6的下端插入安装基座本体1中心的连接轴套11中，使连接轴6在连接轴套11可上下滑动，从而带动整个机构上下运动，连接弹簧7安装在连接轴6和连接轴套11外部，锁舌轴4穿过锁舌3上的连接孔并与安装基座本体1连接，锁舌3能绕锁舌轴4转动，拉力弹簧5的两端分别安装在锁舌3和安装基座本体1上，预紧绳一端穿过锁舌3与拉力弹簧5相连接的转动轴12，另一端与火工切割器连接，预紧绳拉紧锁舌3使其顶在连接轴6的下端面上，使连接轴6处于预紧状态，拉力弹簧5拉伸使其为整个机构提供解锁后所必需的拉力，连接轴6将预紧力传递给压紧夹块2将目标载荷9压紧，解锁时火工切割器切断预紧绳，锁舌3围绕锁舌轴4反向旋转，锁舌3与连接轴6脱开，使其加在连接轴6上的预紧力消除，连接轴6在连接弹簧7的作用下与压紧夹块2脱开，压紧夹块2成自由状态，不再对目标载荷9拥有压紧固定作用。

压紧夹块2如图7、8、9所示，为楔形结构，一侧斜面上加工有弧形凹槽，用来安装连接法兰8的外端与安装基座本体1的上端，另一侧斜面与连接轴6上部的斜面配合，在连接轴6处于预紧状态时，压紧夹块2和连接轴6靠两斜面之间的静摩擦力，将压紧夹块2与目标载荷9压紧固定。

连接法兰8内侧加工环形凹槽，如图6所示，压紧夹块2在环形凹槽内均匀分布。根据目标载荷9的形状、体积等参数以及要求，转接法兰8可以与目标载荷做成一体，使目标载荷同时拥有转接法兰8的功能。

连接轴6与安装基座本体1同轴，并由安装基座本体1中心的连接轴套11对连接轴6施加作用力使其拥有竖直方向的一个自由度，在其它方向处于受力平衡状态，带动机构上下滑动。

连接轴6、压紧夹块2和锁舌3的材料根据其所承受的作用力，可以采用铝、钢、钛合金等材料，并且根据具体情况，调整压紧夹块的形状与大小以适应目标载荷的要求。锁舌3可根据所需预紧力的大小以及自身的强度做出数量上的变更，本实施例中的锁舌的数量为两个。

调整锁舌3可以调整连接轴6对压紧夹块2的压紧状态，拉力弹簧5的两端分别安装在锁舌3和安装基座本体1上，连接绳一端穿过锁舌3与拉力弹簧5相连接的连接轴，另一端与火工切割器连接，连接绳拉动锁舌3使其处于对连接轴6的预紧状态，同时将拉力弹簧5拉伸使其为整个机构提供解锁后所必需的拉力，此时整套机构就处于初始位置的合力为零的状态，即受力平衡状态。

工作原理：如图3所示，压紧锁定时，目标载荷放置在安装基座本体1结构的上端面，目标载荷通过压紧夹块2对其的压紧实现压紧，压紧夹块2嵌入转接法兰8上的凹槽实现对目标载荷的定位；连接轴6将锁舌3对其作用的预紧力传递给压紧夹块2变成对目标载荷9的压紧力；如图4所示，当火工切割器解锁后，连接绳就被解锁同时将其提供给锁舌3的约束力消除，锁舌3的受力平衡被破坏，将围绕锁舌轴4沿约束力的反向旋转，由于锁舌的旋转，锁舌加在连接轴6上的预紧力消除，连接轴6在连接弹簧7的作用下脱出，此时压紧夹块2成自由状态，不再对目标载荷拥有压紧固定作用。到此为止，本机构对目标载荷的解锁释放。

星上设备分离机构可根据目标载荷的具体尺寸、重量和形状多个组合使用。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1.星上设备分离机构，其特征在于包括：安装基座本体(1)、若干压紧夹块(2)、连接法兰(8)、压紧与释放机构和解锁装置，压紧与释放机构包括连接轴(6)和连接弹簧(7)，解锁装置包括锁舌(3)、锁舌轴(4)、拉力弹簧(5)、预紧绳和火工切割器；

安装基座本体(1)的下端面与卫星固连，目标载荷(9)与连接法兰(8)固定连接并与安装基座本体(1)的上端面相连，压紧夹块(2)一端嵌入连接法兰(8)并安装在安装基座本体(1)内，压紧与释放机构和解锁装置安装在安装基座本体(1)内部，连接轴(6)的上端斜面与压紧夹块(2)的一个斜面配合，连接轴(6)的下端插入安装基座本体(1)中心的连接轴套(11)中，连接轴(6)在连接轴套(11)内可上下滑动，从而带动整个机构上下运动，连接弹簧(7)安装在连接轴(6)和连接轴套(11)外部，锁舌轴(4)穿过锁舌(3)上的连接孔并与安装基座本体(1)连接，锁舌(3)能绕锁舌轴(4)转动，拉力弹簧(5)的两端分别安装在锁舌(3)和安装基座本体(1)上，预紧绳一端穿过锁舌(3)与拉力弹簧(5)相连接的转动轴(12)，另一端与火工切割器连接，预紧绳拉紧锁舌(3)使其顶在连接轴(6)的下端面上，使连接轴(6)处于预紧状态，拉力弹簧(5)拉伸使其为整个机构提供解锁后所必需的拉力，连接轴(6)将预紧力传递给压紧夹块(2)将目标载荷(9)压紧，解锁时火工切割器切断预紧绳，锁舌(3)围绕锁舌轴(4)反向旋转，锁舌(3)与连接轴(6)脱开，使其加在连接轴(6)上的预紧力消除，连接轴(6)在连接弹簧(7)的作用下与压紧夹块(2)脱开，压紧夹块(2)成自由状态，不再对目标载荷(9)拥有压紧固定作用。

2.根据权利要求1所述的星上设备分离机构，其特征在于：所述的压紧夹块(2)为楔形，一个斜面上加工有弧形凹槽，另一个斜面与连接轴(6)配合。

3.根据权利要求1所述的星上设备分离机构，其特征在于：所述的连接法兰(8)内侧加工环形凹槽，压紧夹块(2)在环形凹槽内均匀分布。

4.根据权利要求1或3所述的星上设备分离机构，其特征在于：所述的连接法兰(8)可与目标载荷加工成一整体。

5.根据权利要求1所述的星上设备分离机构，其特征在于：所述的连接轴(6)与安装基座本体(1)的连接轴套(11)同轴。

6.根据权利要求1所述的星上设备分离机构，其特征在于：所述的连接轴(6)、压紧夹块(2)和锁舌(3)采用铝、钢或钛合金材料制成。

7.根据权利要求1所述的星上设备分离机构，其特征在于：所述的锁舌(3)的数量是1个或1个以上。

8.根据权利要求1所述的星上设备分离机构，其特征在于：所述的星上设备分离机构可多个组合使用。

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