CN104058103A - 一种用于航天器柔性充气展开结构的刚柔连接结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于航天器柔性充气展开结构的刚柔连接结构，属于蒙皮与刚性金属框连接技术领域，具体涉及一种用于航天器柔性充气展开结构的蒙皮与刚性金属框的连接设计，指一种应用在空间充气式舱体结构上的刚柔连接装置。本发明提出了一种气密层和增强层与刚性金属框分体式连接方案，确保充气式结构能沿轴向和径向二维展开，并且允许不拆除增强层情况下实现气密层的更换；本发明提出了浮动式密封隔离设计，能够确保气密层和其与刚性金属框间密封处具有足够的密封力，且不会对气密层产生额外的应力载荷或对气密层造成磨损。

Description

一种用于航天器柔性充气展开结构的刚柔连接结构

技术领域

本发明涉及一种用于航天器柔性充气展开结构的刚柔连接结构，属于蒙皮与刚性金属框连接技术领域，具体涉及一种用于航天器柔性充气展开结构的蒙皮与刚性金属框的连接设计，指一种应用在空间充气式舱体结构上的刚柔连接装置。

背景技术

空间柔性充气式展开结构是一种以柔性复合材料构建的，在发射时处于折叠状态，到达预定轨道后依靠气源的压力展开，并通过一定方法保持所期望构型的一种空间结构。在充气式结构设计时不可避免要设置一些舱门、对接机构等金属件，这些金属件与蒙皮的连接至关重要，既要保证连接部位的强度、气密性等性能指标，又不能对蒙皮造成损伤。所以刚柔连接设计主要考虑两个因素：1)接口处如何保持气密性；2)接口处有足够的连接强度且不会产生应力集中。

柔性充气展开结构的蒙皮由多层功能层构成，如气密层、增强层、热防护层、空间碎片防护层等，根据任务需求的差异有所取舍。但最基本构成是增强层和气密层，气密层位于增强层内部，能有效阻止气体分子的泄露。增强层用于抵抗舱内的压力应载荷。

为了解决刚性金属框(用于固定舱门、舷窗、对接机构等刚性金属构件)与蒙皮的刚柔连接问题，通常的设计思路是在两者之间设计一套法兰盘组件，将气密层和增强层通过螺栓紧紧压入到法兰的凹形槽内，实现密封和连接固定的功能。现有技术的缺点包括：

(1)为了保证蒙皮(气密层和增强层)与刚性金属框的连接强度，需要在气密层和增强层上施加极大地压缩力用于抵消舱内压力引起的拉力，而这些拉力会使增强层和气密层产生剪切应力。但气密层通常很薄、很脆弱，在压缩力及其产生的剪切力作用下易发生材料变形或破坏。即使增强层材料强度足够大，由于长期承受压缩力及剪切应力，也必须对增强层进行补强设计。

(2)由于舱内压力的存在，气密层在内压作用下向增强层移动，导致气密层与增强层间出现往复的小位移摩擦，这种相对运动还可能导致气密层因磨损而失效。

(3)由于气密层和增强层被夹在一起压进凹形槽，压紧力过小将不能确保足够的密封力，压紧力过大时增强层厚度和气密层局部会产生过大的压应力，长期作用下由于变形和蠕变，气密层和增强层会从施加压缩力的位置不断的变薄。从而导致密封间隙不断变大，造成与压缩接触应力急剧下降，进而引起密封功能丧失。

(4)充气式展开结构的优势之一是克服了火箭径向发射包络对航天器的限制，上述气密层和增强层的一体式连接固定的方式只允许充气式舱体结构沿轴线展开，不能实现沿径向展开。这大大限制了充气式结构沿径向可展开优势的发挥。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中蒙皮与刚性金属框之间刚柔连接设计技术中存在的不足，提出一种用于航天器柔性充气展开结构的刚柔连接结构，具体为一种气密层和增强层与刚性金属框分体式连接方案，确保充气式结构能沿轴向和径向二维展开；采用增强层锁紧环限位设计使得气密层上不产生额外载荷；采用浮动式密封隔离设计确保施加在气密层上的力仅仅是作用在密封接触点/线上的压缩力，既保证了密封，又消除了刚性金属框、增强层等对气密层材料的磨损。

本发明的一种用于航天器柔性充气展开结构的刚柔连接结构，该连接结构包括柔性部件、刚性部件和连接件；柔性部件包括增强层和气密层，刚性部件包括密封法兰、基座法兰、锁定法兰和连接板，连接件包括锁紧环、防磨环、密封圈和防磨内衬；

气密层的一部分位于密封法兰和基座法兰之间，且位于密封法兰和基座法兰之间的气密层的端部为防脱端部；

在密封法兰和基座法兰的内侧相对位置各有一密封槽，密封槽内各安装一个密封圈；基座法兰上位于密封槽的下方有一槽缝，防脱端部固定在槽缝内；防脱端部的厚度大于气密层其他部分的厚度；比如防脱端部的厚度为气密层其他部分的厚度的三倍以上；

密封法兰和基座法兰之间通过螺栓进行固定连接，在拧紧螺栓时，气密层被密封法兰和基座法兰夹紧，并通过密封圈进行密封；

基座法兰上有弧形凹槽，锁定法兰上有弧形凹槽，且基座法兰上的弧形凹槽与锁定法兰上的弧形凹槽相匹配；锁紧环固定在基座法兰的弧形凹槽与锁定法兰的弧形凹槽内，增强层末端的绳套穿过锁紧环，基座法兰与锁定法兰之间通过螺栓进行固定连接，螺栓拧紧时，锁紧环被固定在基座法兰与锁定法兰的凹槽内。增强层承受的拉力通过绳套传递给锁紧环，再通过锁紧环间接传递到基座法兰与锁定法兰上；

密封法兰、基座法兰和锁定法兰通过螺钉与连接板固定连接；

在增强层和气密层之间有防磨环和防磨内衬。

有益效果

1.本发明提出了一种气密层和增强层与刚性金属框分体式连接方案，确保充气式结构能沿轴向和径向二维展开，并且允许不拆除增强层情况下实现气密层的更换；

2.本发明提出了浮动式密封隔离设计，能够确保气密层和其与刚性金属框间密封处具有足够的密封力，且不会对气密层产生额外的应力载荷或对气密层造成磨损；

3.本发明提出了增强层锁紧环限位设计，使得气密层上不产生额外载荷，从而使得刚柔连接处的刚性金属结构对增强层的损伤降至最低。

附图说明

图1是本发明的刚柔连接结构示意图；

图2是本发明的密封法兰的结构示意图；

图3是本发明的基座法兰的结构示意图，上面的图为基座法兰一侧的示意图，下面的图为基座法兰另一侧的示意图；

图4是本发明的锁定法兰的结构示意图；

图5是本发明的锁紧环的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例

如图1所示，一种用于航天器柔性充气展开结构的刚柔连接结构，该连接结构包括柔性部件、刚性部件和连接件；柔性部件包括增强层5和气密层6，刚性部件包括密封法兰1、基座法兰2、锁定法兰3和连接板10，连接件包括锁紧环4、防磨环7、密封圈8和防磨内衬9；

气密层6的一部分位于密封法兰1和基座法兰2之间，且位于密封法兰1和基座法兰2之间的气密层6的端部为防脱端部601；

如图2所示，密封法兰1的一侧有密封槽101；

如图3所示，基座法兰2的一侧有密封槽201；

密封法兰1上的密封槽101和基座法兰2上的密封槽201相匹配，密封槽内各安装一个密封圈8；基座法兰2上位于密封槽的下方有一槽缝202，防脱端部601固定在槽缝内；防脱端部601的厚度为气密层6其他部分的厚度的3倍；

密封法兰1和基座法兰2之间通过螺栓进行固定连接，在拧紧螺栓时，气密层6被密封法兰1和基座法兰2夹紧，并通过密封圈8进行密封；

如图3所示，基座法兰2的另一侧有弧形凹槽203，如图4所示，锁定法兰3上有弧形凹槽301，且基座法兰2上的弧形凹槽与锁定法兰3上的弧形凹槽相匹配；

如图5所示，锁紧环4为粗细相间的圆柱组成；

锁紧环4固定在基座法兰2的弧形凹槽与锁定法兰3的弧形凹槽内，增强层5末端的绳套穿过锁紧环4，基座法兰2与锁定法兰3之间通过螺栓进行固定连接，在拧紧螺栓时，增强层5被基座法兰2与锁定法兰3夹紧；

密封法兰1、基座法兰2和锁定法兰3通过螺钉与连接板10固定连接；

在增强层5和气密层6之间有防磨环7和防磨内衬9。

分别安装在密封法兰1与基座法兰2上的密封圈8相向挤压气密层6形成密封结构，靠螺钉的预紧力提供密封圈8的压缩力。气密层6与防脱端部601的连接形式可以为胶接、缝合、热压等多种形式。基座法兰2与锁定法兰3通过螺钉连接，在基座法兰2与锁定法兰3配合的弧形凹槽中固定锁紧环4，锁紧环4穿过增强层末端的绳套，增强层4承受的拉力通过绳套传递给锁紧环4，再通过锁紧环4间接传递到基座法兰2与锁定法兰3上。密封法兰1、基座法兰2和锁定法兰3通过螺钉与连接板10固定，四者构成可拆卸的刚性体。气密层6与增强层5之间有防磨环7和防磨内衬9，防磨环7底部有凸台，可以固定在基座法兰2顶部的弧形凹槽内，靠两者间的配合面定位。舱门、舷窗、对接机构等金属件可以根据设计需求分别与密封法兰1、基座法兰2、锁定法兰3或连接板10连接固定。

所述的密封法兰1为刚性金属结构，在与基座法兰2配合一侧开有密封圈8的凹形槽，在凹形槽所在表面的相反面上沿环向开有均布的螺钉孔，用于密封法兰1与基座法兰2的连接固定。

所述的基座法兰2的两侧面沿环向开有均布的螺钉孔，用于基座法兰2与密封法兰2或锁定法兰3的连接固定。在与密封法兰1配合一侧端面的相对位置开有安装密封圈8的凹形槽。基座法兰2顶部相应位置开有安装防磨环7的凹形槽。基座法兰2与锁定法兰3配合部位沿环向开有安装锁紧环4的通孔，沿环向开有用于增强层5进出的弧形凹槽。

所述的锁定法兰3的一侧端面上沿环向开有均布的螺钉孔，用于基座法兰2与锁定法兰4的连接固定。锁定法兰3与基座法兰2配合部位沿环向开有用于增强层5进出的弧形凹槽。

所述的锁紧环4为本发明提出的增强层锁紧环限位设计中必需组件，其结构形式为圆环状，在其圆周方向根据增强层5末端绳套数量开有相应数量的环状槽，用于绳套的固定，绳套能绕锁紧环4的中心轴线转动，从而确保充气式结构沿径向展开时增强层5的运动不受限制，实现充气式展开结构的二维展开功能。

所述的增强层5材料为本领域公知的聚合物材料，具有较高的强度。增强层5的结构形式为本领域公知的编织结构，根据使用需求的差异其编织形式、编织带宽度或厚度、编织带间距略有不同。增强层5与锁紧环4的连接端为绳套结构，绳套结构为本领域公知的技术。

所述的气密层6材料为本领域公知的聚合物材料，具有透气率低、轻薄的特性，安装在增强层5的内侧。气密层5的结构尺寸小于增强层的结构尺寸，确保气密层在内压作用下完全贴附在气密层6与增强层5之间的防磨内衬9上，将内压载荷均匀的传递给增强层5，确保气密层6承受的由内压引起的压应力和剪切力最小。

所述的防磨环7的型面结构按照气密层6与增强层5承载状态下的结构尺寸设计，靠气密层6一层有曲面圆滑过渡，靠增强层5一层为平面。防磨环5材料可根据质量要求选择，可以为轻质复合材料也可为金属材料。

所述的密封圈8为气密层6与刚性金属框连接的必需组件，靠两个相对的密封圈8将气密层6挤住形成密封结构。这种浮动式密封隔离设计可以确保气密层6不与刚性金属框直接接触，既保证了可靠密封，又消除了密封结构设计中对刚性体对柔性气密层的磨损隐患。

所述的防磨内衬9用于阻隔气密层6和增强层5的直接接触，防止气密层6与增强层5微小相对运动时磨损。防磨内衬9与气密层6和增强层5不进行任何连接，靠内压作用下气密层6向增强层5膨胀时的均匀挤压力固定。

所述的连接板10安装在密封法兰1、基座法兰2和锁定法兰3的内部，实现连接板10与密封法兰1、基座法兰2和锁定法兰3四者构成刚性整体。连接板与密封法兰1、基座法兰2和锁定法兰3的连接形式首选螺钉连接，但不限于螺钉连接。螺钉连接形式为本领域公知的技术。

所述的防脱端部601连接在气密层6的末端，安装在基座法兰2专门设计的弧形凹槽内，防脱端部601的厚度为气密层6厚度的3倍以上，能有效防止气密层在拉力作用下气密层从密封法兰1和基座法兰2之间脱出。防脱端部601的材料可以与气密层6的材料相同或不同，连接形式可以是缝合、胶接、热合，但不限于上述三种形式。

更换气密层6时，仅需拆卸密封法兰1与基座法兰2和连接板10的螺钉即可实现。更换增强层5时拆卸锁定法兰3与基座法兰2和连接板10的螺钉即可实现。

Claims (7)

1.一种用于航天器柔性充气展开结构的刚柔连接结构，其特征在于：该连接结构包括柔性部件、刚性部件和连接件；

柔性部件包括增强层(5)和气密层(6)，刚性部件包括密封法兰(1)、基座法兰(2)、锁定法兰(3)和连接板(10)，连接件包括锁紧环(4)、防磨环(7)、密封圈(8)和防磨内衬(9)；

气密层(6)的一部分位于密封法兰(1)和基座法兰(2)之间，且位于密封法兰(1)和基座法兰(2)之间的气密层(6)的端部为防脱端部(61)；

在密封法兰(1)和基座法兰(2)的内侧相对位置各有一密封槽，密封槽内各安装一个密封圈(8)；基座法兰(2)上位于密封槽的下方有一槽缝，气密层(6)的防脱端部(61)固定在槽缝内；防脱端部(61)的厚度大于气密层(6)其他部分的厚度；

密封法兰(1)和基座法兰(2)之间通过螺栓进行固定连接，在拧紧螺栓时，气密层(6)被密封法兰(1)和基座法兰(2)夹紧，并通过密封圈(8)进行密封；

基座法兰(2)上有凹槽，锁定法兰(3)上有凹槽，且基座法兰(2)上的凹槽与锁定法兰(3)上的凹槽相匹配；锁紧环(4)固定在基座法兰(2)的凹槽与锁定法兰(3)的凹槽内，增强层(5)末端的绳套穿过锁紧环(4)，基座法兰(2)与锁定法兰(3)之间通过螺栓进行固定连接，在拧紧螺栓时，增强层(5)被基座法兰(2)与锁定法兰(3)夹紧；

密封法兰(1)、基座法兰(2)和锁定法兰(3)通过螺钉与连接板(10)固定连接；

在增强层(5)和气密层(6)之间有防磨环(7)和防磨内衬(9)。

2.根据权利要求1所述的一种用于航天器柔性充气展开结构的刚柔连接结构，其特征在于：锁紧环(4)的结构形式为圆环状，在其圆周方向根据增强层(5)末端绳套数量开有相应数量的环状槽，用于绳套的固定，绳套能绕锁紧环(4)的中心轴线转动，使航天器柔性充气展开结构沿径向展开时增强层(5)的运动不受限制。

3.根据权利要求1所述的一种用于航天器柔性充气展开结构的刚柔连接结构，其特征在于：防磨环(7)的型面结构按照气密层(6)与增强层(5)承载状态下的结构尺寸设计，靠气密层(6)一层有曲面圆滑过渡，靠增强层(5)一层为平面。

4.根据权利要求1所述的一种用于航天器柔性充气展开结构的刚柔连接结构，其特征在于：防磨环(5)材料为轻质复合材料或金属材料。

5.根据权利要求1所述的一种用于航天器柔性充气展开结构的刚柔连接结构，其特征在于：所述的防磨内衬(9)用于阻隔气密层(6)和增强层(5)的直接接触，防止气密层(6)与增强层(5)微小相对运动时磨损。

6.根据权利要求1所述的一种用于航天器柔性充气展开结构的刚柔连接结构，其特征在于：防磨内衬(9)与气密层(6)和增强层(5)不进行任何连接，靠内压作用下气密层(6)向增强层(5)膨胀时的均匀挤压力固定。

7.根据权利要求1所述的一种用于航天器柔性充气展开结构的刚柔连接结构，其特征在于：防脱端部(61)的厚度为气密层(6)其他部分的厚度的3倍以上。