CN103162581B - 一种箭载电场伸杆地面展开实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种箭载电场伸杆地面展开实验装置，所述装置包括：旋转平台和夹紧释放机构，其特征在于，所述实验装置还包含微重力模拟机构，该微重力模拟机构又进一步包含：中心柱，钢丝绳、尼龙绳和固定在电场伸杆每节上的卡箍，斜拉钢丝绳一端固定在中心柱上，另一端连接在电场伸杆每节的卡箍上。尼龙绳一端连接在夹紧释放机构上，另一端固定在电场伸杆顶部的压板上。所述中心柱由多节两端带法兰的空心圆柱组成，每节圆柱之间用螺钉固定连接，在每节圆柱法兰上设置一个连接钢丝绳的圆柱孔，斜拉钢丝绳的一端固定在所述中心柱上，另一端连接在电场伸杆的每节伸杆的卡箍上。

Description

一种箭载电场伸杆地面展开实验装置

技术领域

本发明涉及在地面模拟探空火箭伸杆收拢夹紧和释放展开过程的实验方法，具体涉及一种箭载电场伸杆地面展开实验装置。

背景技术

电场伸杆机构是探空火箭的关键部件，伸杆能否顺利展开及展开长度，直接影响着安装在伸杆上的重要有效载荷电场探头能否正常工作，同时对火箭上依靠电场探头探测数据的有效载荷能否正常工作也有直接关系。为保证电场伸杆展开的可靠性，在地面上应进行伸杆展开试验，模拟探空火箭上伸杆的展开过程，检验电场伸杆展开的可靠性。

目前尚没见到在地面上能够模拟探空火箭上旋转电场伸杆展开过程的实验装置，用于卫星太阳翼展开的吊架或气浮平台以及长伸杆臂的吊挂展开支架都不适应于探空火箭上旋转伸杆的地面展开性能验证，因此必须发明一种新的试验装置，该实验装置必须具备以下几个功能：

1伸杆在试验装置上的安装固定要与在火箭上的安装固定方式一致；

2伸杆要能在转台达到额定转速后再解锁释放；

3伸杆地面展开试验不能对伸杆的结构机构产生破坏；

4用该实验装置试验能够考核电场伸杆、电场探头及电缆的力学性能参数。

此外，本发明的申请人在专利号为“201010603692.0”，名称为“一种箭载电子伸杆地面展开实验装置”的申请文件中记载了电子伸杆地面展开实验装置，但是由于电子伸杆收拢和展开时长度变化不大，结构又较小，因此重力对电子伸杆的影响可以忽略。但是电场伸杆由于展开和收拢时长度变化较大，为保证伸杆工作时顺利展开，其地面试验也尽可能模拟无重力环境。因此，如何建造零重力展开实验设备以尽量反映空间的真实性也是电场伸杆研制过程中的一个亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于，为实现在地面上模拟探空火箭上的电场伸杆展开过程，本发明提供了一种箭载电场伸杆地面展开实验装置。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种箭载电场伸杆地面展开实验装置，该装置用于模拟探空火箭的头体分离对电场伸杆展开的控制，所述实验装置包含旋转平台17和夹紧释放机构3，其特征在于，所述的实验装置还包括微重力模拟机构，该微重力模拟机构包含：

固定在旋转平台17中心位置上的中心柱1、斜拉钢丝绳7、尼龙绳2和固定在电场伸杆每节上的卡箍；

所述中心柱1由多节两端带法兰的空心圆柱组成，每节圆柱之间用螺钉固定连接，在每节圆柱法兰上设置一个连接钢丝绳的圆柱孔，斜拉钢丝绳7的一端固定在所述中心柱1上，另一端连接在电场伸杆5的每节伸杆的卡箍上，所述中心柱1包含的圆柱段的数量及圆柱段的高度与展开的电场伸杆5的长度及节数有关，其具体的确定原则为：当电场伸杆5完全展开时，所述斜拉钢丝绳7应能抵消重力对电场伸杆5的影响，且斜拉钢丝绳7在电场伸杆5上的轴向分力应尽量小。

上述技术方案，所述的卡箍的作用是使钢丝绳与伸杆每节嵌套管箍连接，当伸杆每节杆状圆柱筒展开到位后，受到一个向上的托力，起到保护伸杆的作用。卡箍连接在伸杆每节嵌套管箍靠近探头方向的位置。当伸杆展开后，由于嵌套管箍有一个止退锁紧机构凸台，在钢丝绳的拉力下，卡箍不会轴向移动。圆周方向定位靠手动调整后，用螺钉和螺母拧紧在嵌套管箍上，不能转动。卡箍要提前安装在电场伸杆上，在试验前，要调整每根钢丝绳的长度，使电场伸杆展开后处于水平位置。

上述的夹紧释放机构3包含：带有滑道的底座、拉伸弹簧23、螺杆孔座32、电磁铁22、圆环24、圆柱销25、销孔座33、电工纯铁30和压紧板16；

所述的底座固定在所述的旋转平台17上，该底座的左右两端相向设有螺杆孔座32和销孔座33，其中，螺杆孔座32下部与拉伸弹簧23的一端固定，上部开有安装螺杆的螺纹孔，销孔座33的下部镶嵌电磁铁22，上部对应地开有一对小孔，所述的圆环24放置于该对小孔之间，通过圆柱销25插接固定；所述的电工纯铁30呈“凸”字形，该电工纯铁30上半部加工有圆孔，用于穿套和固定圆柱销25，下半部用于固定所述的拉伸弹簧23的另一端，电工纯铁30的底部嵌套在底座上的滑道内。

上述的夹紧释放机构3还包含一螺杆21，该螺杆21在螺杆孔座32的螺纹孔内旋进和旋出，并和拉伸弹簧23平行设置，用于推移电工纯铁30和电工纯铁的限位。

尼龙绳2一端连接在夹紧释放机构3上，另一端固定在电场伸杆顶部的压紧板16上，夹紧释放机构3通电时，尼龙绳2将电场伸杆收拢固定，在旋转平台17转速达到给定的测试速度时，夹紧释放机构3断电，尼龙绳2一端被释放，电场伸杆在离心力作用下展开并锁紧定位，在地面实现并实验验证了伸杆展开过程。

本发明所述的伸杆夹紧释放展开机构，该夹紧和释放展开机构安装在电控旋转平台上，该电控旋转平台用于模拟探空火箭在不同的自旋速度下产生使伸杆展开的离心力。所述的电工纯铁、电磁铁、拉伸弹簧、圆柱销等共同构成夹紧释放机构。夹紧释放机构通电时，电磁铁将电工纯铁吸紧，圆柱销将系着尼龙绳的圆环插接固定在销孔座上部小孔之间。此时，通过连接圆环的尼龙绳及压紧板将伸杆收拢固定；在转盘转速达到给定的测试速度时，夹紧释放机构断电，电工纯铁在拉伸弹簧的拖拽下与电磁铁分离，并沿底座上的滑道后退，带动圆柱销退出销孔，圆环和尼龙绳被释放出来，伸杆在离心力作用下展开并锁紧定位，将探头送至远离箭体表面的位置上。

本发明根据探空火箭伸杆可展的要求，经济合理的设计建造零重力展开试验设备。即根据伸杆结构的特点及在火箭的压紧固定方式，设计发明了伸杆零重力环境下的展开过程，当伸杆展开到位时，使每节伸杆受到一个向上的托力，可防止伸杆转动到位时重力加速度产生的向下弯矩对伸杆结构的破坏，对伸杆起到一定的保护作用。本发明提供的设备已用该装置对子午工程探空火箭电场伸杆展开机构进行了展开试验，满足了伸杆展开试验要求。

本发明具有以下优点：

本发明在地面上成功的模拟实验了探空火箭在不同的自旋速度下，火箭上伸杆的展开过程，检验了伸杆展开的可靠性；可以检验探头电缆展开的功能；可以检验伸杆的锁定功能；可以检验伸杆与火箭仪器板的机械安装接口；可以检验电场探头在伸杆冲击载荷作用下工作的可靠性；可以检验电缆对伸杆展开的影响，插头与电缆的连接是否牢固；可以检验电场伸杆的强度和刚度是否满足展开碰撞要求。

附图说明

图1本发明的电场伸杆加紧释放展开机构套接圆环固定尼龙绳时的剖面图；

图2本发明电场伸杆加紧释放展开机构的销孔座和滑道的示意图；

图3是本发明提供的旋转平台转动前电场伸杆收拢状态主视图；

图4是本发明提供的电场伸杆完全展开状态立体图；

图5是本发明提供的电场伸杆完全展开状态主视图；

图6是本发明提供的电场伸杆完全展开状态俯视图；

图7是本发明微重力模拟机构的第一节卡箍主视图；

图8是本发明提供的微重力模拟机构的第一节卡箍立体图；

图9是本发明提供的电场伸杆安装卡箍前的示意图；

图10是本发明提供的电场伸杆安装卡箍后的示意图。

附图标志：

1、中心柱 2、尼龙绳 3、夹紧释放机构

4、仪器安装板 5、电场伸杆 6、电场探头

7、钢丝绳 8、螺钉 9、螺母

10、第一节卡箍 11、第二节卡箍 12、第三节卡箍

13、第四节卡箍 14、第五节卡箍 15、第六节卡箍

16、压紧板 17、旋转平台 18、电场伸杆嵌套管箍

19、电场伸杆止退锁紧机构 20、电场伸杆杆状圆柱筒 21螺杆

22、电磁铁 23、拉伸弹簧

24、圆环 25、圆柱销

30、电工纯铁 32、螺杆孔座

33、销孔座

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

(一)本发明模拟火箭在规定转速下，电场伸杆的夹紧和释放展开状态， 如图3、图4、图5和图6所示。

首先，本发明的箭载电场伸杆地面展开实验装置包含的夹紧释放展开机构3与电子伸杆包含的夹紧释放机构结构完全相同(具体如图1、图2和图5所示)，在此对该夹紧释放机构简单描述如下：所述夹紧释放机构包含：带有滑道的底座、尼龙绳2、电磁铁22、拉伸弹簧23、圆环24、圆柱销25、电工纯铁30、螺杆21、螺杆孔座32、销孔座33和压紧板16。所述的底座固定在旋转平台17上，该底座的左右两端相向设有一对钢板螺杆孔座32和销孔座33，其中，螺杆孔座32下部与拉伸弹簧的一端固定，上部开有安装螺杆的螺纹孔，销孔座33的下部镶嵌电磁铁22，上部对应地开有一对小孔，所述的圆环放置于该对小孔之间，通过圆柱销25插接固定；所述的电工纯铁30呈“凸”字形，该电工纯铁上半部加工有圆孔，用于穿套圆柱销25，下半部用于固定所述的拉伸弹簧的另一端，电工纯铁30的底部嵌套在仪器安装板4上的滑道内。所述的机构还包含一螺杆21，该螺杆21和拉伸弹簧平行设置，用于推移电工纯铁30；所述的电工纯铁30下半部分与所述的拉伸弹簧固定。

上述夹紧释放展开机构的工作过程为：首先给电磁铁22通电，旋转螺杆将电工纯铁30推向电磁铁22，使得电工纯铁30与电磁铁22吸合在一起，此时固定在电工纯铁30上的圆柱销25插入销孔和圆环24中，通过连接圆环24的尼龙绳2及压紧板16将电场伸杆5收拢固定，然后将螺杆倒回到最初位置。启动电控旋转平台17，当旋转平台17的转速达到给定的测试速度时，伸杆夹紧释放展开机构3断电，电工纯铁30在拉伸弹簧23的拖拽下与电磁铁22分离，并沿底座上的滑道后退，带动圆柱销25退出销孔，圆环24和尼龙绳2被释放出来，电场伸杆5在离心力作用下展开并锁紧定位，将电场探头6送至远离箭体表面的位置上。

然后，本发明的箭载电场伸杆地面展开实验装置还包含微重力模拟机构，如图3所示，该微重力模拟机构进一步包含：固定在旋转平台17中心位置的中心柱1，套在该中心柱1外侧用于连接钢丝绳的圆环，设置于电场伸杆上与每个圆环对应的卡箍，所述圆环上开设的孔及所述卡箍缺口处设置的螺钉分别固定钢丝绳的两端，当电场伸杆展开时每根钢丝绳均被拉紧。在伸杆完全展开后，利用绑在中心柱1上的钢丝绳提供的拉力克服伸杆的重力来提供微重力情况的模拟，防止重力产生的向下弯矩对电场伸杆5结构造成破坏。

此外，本发明实施例提供的微重力模拟机构具体包含：中心柱1及中心柱1上的6个圆环，和电场伸杆上各节伸杆相连接处的第一节卡箍10(该卡箍的立体图如图7和图8所示)、第二节卡箍11、第三卡箍12、第四节卡箍13、第五节卡箍14、第六卡箍15，所述卡箍为一个开口的圆环，且开口处通过一螺钉8和固定于螺钉8端部的螺母9相连，钢丝绳固定于螺钉8和所述每个圆环上设置的孔中，电场伸杆安装卡箍前后的示意图分别如图9和图10所示。

上述的电场伸杆的各节电场伸杆杆状圆柱筒20之间通过电场伸杆嵌套管箍18相互连接，所述嵌套管箍18上设置电场止退锁紧机构19。所述电场伸杆的嵌套管箍18和止退锁紧机构19的具体结构与申请号为“200910244495.1”且名称为“一种箭载套筒式伸杆展开机构”的申请文件上记载的嵌套管箍和止退锁紧机构的结构相同，在此不做赘述。

为模拟火箭的夹紧和释放状态，在规定的转速下展开，工装主要由电磁铁、弹簧夹紧机构、零重力展开中心柱、钢丝绳、仪器板等部件组成。展开试验利用航天四院的转台在西安进行，工装按照转台台面的机械接口进行设计。电子伸杆由于收拢和展开长度变化不是很大，结构又较小，展开试验不用零重力展开中心柱和钢丝绳保护，直接展开。电场伸杆展开必须在零重力环境下展开，用绳系结构与伸杆每节连接，当伸杆展开到位时，每节伸杆受到一个向上的托力，可防止伸杆转动到位时重力加速度产生的向下弯矩对伸杆结构的破坏。

电场伸杆试验工作原理：

伸杆模拟固定在箭上位置上，在伸杆压紧板与火箭对接的位置上系一根尼纶绳，尼纶绳的另一端系一环形零件，套在被电磁铁吸合的圆柱销上。试验转台转动前，给电磁铁和探头加电，然后试验转台按要求转速旋转，在电磁铁断电前，伸杆在尼纶绳的拉力下，处于收拢状态。当转台达到平稳转速后，电磁铁断电，圆柱销在拉力弹簧的作用下直线运动，释放尼纶绳的环形零件，伸杆在离心力的作用下展开并锁紧定位，将探头送至远离箭体表面的位置上。

(二)具体试验内容及步骤：

试验状态：电场伸杆垂直放置下有电缆、探头连接的展开试验

1.将仪器板支撑架、设备安装仪器板安装好。

2.将伸杆展开释放机构及电场伸杆保护装置安装在仪器板上。

3.将电场仪探头装在电场伸杆上，电场探头电缆与探头连接好。

4.将伸杆安装在仪器板上，伸杆放倒在水平位置。

5.将电缆卷线放入伸杆内，走线口采用胶带封住，防止卷线掉出并确保不影响卷线在伸杆展开过程中被拉伸。

6.将伸杆竖直放置。

7.将伸杆展开释放机构、伸杆微重力保护装置与伸杆的连接安装好。

8.查实各安装联接，确保转台上无多余物。

9.慢慢提高转台转速，当转速达到试验转速时，电磁铁放开控制伸杆展开的尼龙绳。

10.对整个伸杆展开试验过程进行录像。

11.伸杆展开过程结束后，转台断电，记录试验结果。

模拟试验的数据记录：

在伸杆完全展开时，伸杆各节均被锁紧，完全展开效果图如图7所示。当伸杆未完全展开时，记录伸杆根部到探头几何中心的实际展开距离。

记录伸杆各节间是否实现自锁时以探头到伸杆根部的方向进行顺序编排，共有1-7各自锁点。

伸杆展开时间通过录像视频获取，读取伸杆展开过程所需要的帧数，依靠录像30帧/s的性能参数，按公式一获得近似的实际展开时间。

实际展开时间＝展开所需帧数/30(单位：秒)公式一

电场伸杆实验——电场伸杆垂直放置下有电缆连接的展开试验，记录如表1所示。

表1 电场伸杆展开试验

模拟试验的结论：

1.电场伸杆展开功能正常。在1.3r/s到2.6r/s的转速范围内，电场伸杆能正常展开，且结构强度可靠，能满足探空火箭对电场伸杆展开的要求。

2.电场伸杆的自锁锁定功能正常。

3.电场探头及电缆展开功能正常且对电场伸杆的展开基本无影响。

4.电场探头与电缆连接牢固，伸杆展开不影响电场探头的正常工作。

本实验装置已成功实现和完成了子午工程探空火箭电场伸杆在地面上的展开试验考核。子午工程首枚探空火箭2011年5月7日7时在中国科学院海南探空部发射场成功发射,当火箭发射后高度升至60公里时，箭头与箭体分离，电场伸杆成功展开，再次验证了套筒式伸杆展开机构设计方案及地面试验方案的合理性和可行性。需要说明的是，以上介绍的本发明的实施方案而并非限制。本领域的技术人员应当理解，任何对本发明技术方案的修改或者等同替代都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (4)

1.一种箭载电场伸杆地面展开实验装置，该装置用于模拟探空火箭的头体分离对电场伸杆展开的控制，所述实验装置包含旋转平台(17)和夹紧释放机构(3)，其特征在于，所述的实验装置还包括微重力模拟机构，该微重力模拟机构包含：

固定在旋转平台(17)中心位置上的中心柱(1)、斜拉钢丝绳(7)、尼龙绳(2)和固定在电场伸杆每节上的卡箍(10,11,12,13,14,15)；

所述中心柱(1)由多节两端带法兰的空心圆柱组成，每节圆柱之间用螺钉固定连接，在每节圆柱法兰上设置一个连接钢丝绳的圆柱孔，斜拉钢丝绳(7)的一端固定在所述中心柱(1)上，另一端连接在电场伸杆(5)的每节伸杆的卡箍(10,11,12,13,14,15)上，所述中心柱(1)包含的圆柱段的数量及圆柱段的高度与展开的电场伸杆(5)的长度及节数有关，其具体的确定原则为：当电场伸杆(5)完全展开时，所述斜拉钢丝绳(7)应能抵消重力对电场伸杆(5)的影响，且斜拉钢丝绳(7)在电场伸杆(5)上的轴向分力应尽量小；

所述尼龙绳(2)一端连接在夹紧释放机构(3)上，另一端固定在电场伸杆顶部的压板紧(16)上，夹紧释放机构(3)通电时，尼龙绳(2)将电场伸杆收拢固定，在旋转平台(17)转速达到给定的测试速度时，夹紧释放机构(3)断电，尼龙绳(2)一端被释放，电场伸杆在离心力作用下展开并锁紧定位，在地面实现并实验验证了伸杆展开过程。

2.根据权利要求1所述的箭载电场伸杆地面展开实验装置，其特征在于，卡箍连接在电场伸杆每节嵌套管箍靠近探头方向的位置。

3.根据权利要求1所述的箭载电场伸杆地面展开实验装置，其特征在于，所述的夹紧释放机构(3)包含：带有滑道的底座、拉伸弹簧(23)、螺杆孔座(32)、电磁铁(22)、圆环(24)、圆柱销(25)、销孔座(33)、电工纯铁(30)和压紧板(16)；

所述的底座固定在所述的旋转平台(17)上，该底座的左右两端相向设有螺杆孔座(32)和销孔座(33)，其中，螺杆孔座(32)下部与拉伸弹簧(23)的一端固定，上部开有安装螺杆的螺纹孔，销孔座(33)的下部镶嵌电磁铁(22)，上部对应地开有一对小孔，所述的圆环(24)放置于该对小孔之间，通过圆柱销(25)插接固定；所述的电工纯铁(30)呈“凸”字形，该电工纯铁(30)上半部加工有圆孔，用于穿套和固定圆柱销(25)，下半部用于固定所述的拉伸弹簧(23)的另一端，电工纯铁(30)的底部嵌套在底座上的滑道内。

4.根据权利要求1所述的箭载电场伸杆地面展开实验装置，其特征在于，所述的夹紧释放机构(3)还包含一螺杆(21)，该螺杆(21)在螺杆孔座(32)的螺纹孔内旋进和旋出，并和拉伸弹簧(23)平行设置，用于推移电工纯铁(30)和电工纯铁的限位。