CN105083593B - 一种适用于航天器火工装置爆炸缓冲吸能的抗冲击安装座 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于手性结构的抗冲击安装座，尤其涉及一种适用于航天器火工装置爆炸缓冲吸能的抗冲击安装座，属于航天器火工装置爆炸缓冲吸能技术领域。在安装座的结构本体上设置手性结构单元，且还包括与火工装置和星箭对接段固定安装的法兰。该安装座采用手性结构设计，设计结构简单、安装方便、用于连接冲击载荷较大的火工分离装置和卫星本体结构；根据缓冲吸能要求，可对手性单元在结构上的配置方向、节点及韧带的几何设计参数进行调整，达到对关注冲击载荷的有效抑制，确保精密星载设备和结构的可靠工作。

Description

一种适用于航天器火工装置爆炸缓冲吸能的抗冲击安装座

技术领域

本发明涉及一种基于手性结构的抗冲击安装座，尤其涉及一种适用于航天器火工装置爆炸缓冲吸能的抗冲击安装座，属于航天器火工装置爆炸缓冲吸能技术领域。

背景技术

随着新型航天器技术的快速发展，航天器结构呈现出“大、轻、柔”等特点，这一发展趋势导致在轨航天器受到火工装置爆炸冲击导致的风险不断增加。传统的卫星火工装置安装座设计，往往只具有承载能力，而无法有效对火工装置爆炸瞬间产生的冲击载荷有效缓冲。

随着现代航天技术发展，星载设备的灵敏度越来越高，导致对平台结构力学环境条件要求越来越苛刻。星上普遍使用的火工分离装置在爆炸瞬间会产生强烈的高频冲击。含有对冲击环境敏感元件(诸如晶振、陶瓷、环氧材料、玻璃脆性材料、焊点、继电器和微电子芯片等)的设备在火工冲击环境下会产生如脆性部件破碎、继电器抖动、导线破裂导致的电路短路等问题，直接影响卫星的工作性能。因此，有必要使用同时具备承载和缓冲吸能性能的火工装置安装座。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中无法有效缓冲火工分离装置爆炸瞬时产生的高频冲击问题，提出一种适用于航天器火工装置爆炸缓冲吸能的抗冲击安装座及抗冲击方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种适用于航天器火工装置爆炸缓冲吸能的抗冲击安装座，利用数控机床或者快速成型技术，在金属材质的带有上法兰和下法兰的实心结构本体上一次性加工形成手性结构单元的节点和韧带；实心结构本体的一侧开有安装火工装置的缺口，火工装置与下法兰固定连接，星箭对接段与下法兰固定连接，将卫星结构与上法兰固定连接；手性结构单元中的节点为空心柱体，韧带为薄板，每个节点与其相邻的节点之间均通过韧带进行连接。

手性结构单元中相邻的节点最多的节点上的韧带数量为3、4或6个，韧带位于相连两个节点的异侧或同侧，节点的横截面的形状为圆形、方形或三角形，当节点的横截面形状为圆形时，韧带与节点的外圆相切，当节点的横截面形状为方形或三角形时，韧带与节点的内圆相切，且与其边长平行，该安装座的实心结构本体为实心柱体，手性结构单元的中心轴与实心柱体的中心轴之间的夹角为0-90°，优选0、30°、60°、90°。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明在提供必须的承载功能之外，通过沿不同角度(手性结构单元的中心轴与实心柱体的中心轴之间的夹角为0-90°)设置手性结构单元实现对不同特征火工装置爆炸冲击的有效缓冲吸能；

(2)本发明手性结构单元中的节点和韧带的几何参数、韧带数量灵活多变，可有效抑制不同形式的冲击载荷；

(3)本发明手性结构单元中相邻节点的韧带位于异侧或者同侧，可实现受载过程中，韧带绕节点旋转，将载荷均匀分布于结构各处；

(4)本发明手性结构单元节点为空心柱体，可减轻结构重量，降低发射成本；

(5)本发明手性结构单元节点的横截面形状不限，只要韧带可以绕节点旋转即可实现手性的力学特征；

(6)本发明安装座通过缺口尤其是切槽方式为火工装置提供匹配的安装接口，有效节省安装空间。

附图说明

图1为本发明的安装座结构主视图，其中手性结构单元的中心轴与安装座结构本体的中心轴之间的夹角为0°，简称0°安装座；

图2为图1的俯视图；

图3是本发明的安装座结构主视图，其中手性结构单元的中心轴与安装座结构本体的中心轴之间的夹角为90°，简称90°安装座；

图4为图3的俯视图是否正确；

图5为本发明正向三韧带手性结构示意图；

图6为本发明正向四韧带手性结构示意图；

图7为本发明反向三韧带手性结构示意图；

图8为本发明反向四韧带手性结构示意图；

图9是本发明的安装座与卫星结构、火工装置、星箭对接段的连接示意图；

图10是火工装置在爆炸瞬间输出的冲击载荷谱图；

图11是本发明0°安装座对火工装置爆炸冲击载荷的缓冲示意图；

图12是本发明90°安装座对火工装置爆炸冲击载荷的缓冲示意图。

具体实施方式

本发明的一种适用于航天器火工装置爆炸缓冲吸能的抗冲击安装座，该安装座的结构本体为实心柱体，实心柱体的顶端带有外翻边法兰称为上法兰，上法兰与星体结构进行固定连接；实心柱体的底端带有外翻边法兰称为下法兰，实心柱体的一侧有缺口，火工装置固定安装在所述的缺口处并位于下法兰上方，下法兰与星箭对接段固定连接；

手性结构单元的中心轴与实心柱体的中心轴垂直或平行；

手性结构单元包括节点和韧带；相邻的节点之间通过韧带进行连接；韧带为薄板，围绕在节点的周围，并且韧带与节点外圆周相切；连接相邻节点之间的韧带数量为3个、4个或是6个，按照韧带位于两个连接节点的位置划分，韧带位于两个连接节点的异侧为正向手性单元，分别有正向六韧带、正向三韧带、正向四韧带；当韧带位于两个连接节点的同侧时则为反向手性单元，分别有反向六韧带、反向三韧带、反向四韧带；节点为空心柱体，其横截面的形状为圆形、方形或三角形。

本发明安装座根据缓冲性能要求优化设计，可以调整节点上韧带数目，如三韧带手性结构、四带手性结构和六韧带手性结构；同时，还可以调整单元节点的半径，节点壁厚和韧带长度。其中，受载荷作用时，节点带动韧带发生旋转，由此使得载荷在手性结构各单元间均匀分配，有利于提高其承载能力。另外，改变节点半径、韧带长度和节点、韧带的厚度均对其缓冲性能产生影响，并存在最优值。

本安装座可使用金属一体化快速成型，针对不同的结构缓冲性能要求研制了两种手性结构单元配置形式，其中纵向抗冲击安装座为手性芯子单元法线方向与圆柱形通孔法线方向平行。横向抗冲击安装座为手性芯子单元法线方向与圆柱形通孔法线方向垂直。

该安装座采用手性结构设计，设计结构简单、安装方便、用于连接冲击载荷较大的火工分离装置和卫星本体结构；根据缓冲吸能要求，可对手性单元在结构上的配置方向、节点及韧带的几何设计参数进行调整，达到对关注冲击载荷的有效抑制，确保精密星载设备和结构的可靠工作。

本发明通过对安装座结构本体上设置手性单元的配置方向、节点和韧带几何参数、韧带数量的优化设计，可以对目标频段的冲击能量实现高效抑制。本发明抗冲击安装座具有结构简单、安装方便、适用于空间极端环境条件等优点。

一种适用于航天器火工装置爆炸缓冲吸能的抗冲击方法，步骤为：

(1)利用数控机床或者快速成型技术，在金属材质的带有上法兰和下法兰的实心圆柱体上一次性加工形成手性单元的节点和韧带；

(2)在步骤(1)得到的实心圆柱体的一侧开有缺口，将火工装置安装在缺口处，并与下法兰固定连接；将星箭对接段与下法兰固定连接，将卫星结构与上法兰固定连接；

(3)当火工装置点火爆炸瞬时产生高能冲击载荷，冲击能量从距离最近的手性结构单元开始，依次传递从而起到能量隔离吸收的目的。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1、图2和图9所示，一种适用于航天器火工装置爆炸缓冲吸能的抗冲击安装座，该安装座的结构本体为实心圆柱体1，实心圆柱体1的顶端带有外翻边法兰称为上法兰101，上法兰101与卫星结构进行固定连接；实心圆柱体1的底端带有外翻边法兰称为下法兰102，实心圆柱体1的一侧有三角形缺口，火工装置固定安装在所述的三角形缺口处并位于下法兰102上方，下法兰102与星箭对接段固定连接；

在实心圆柱体1上有正向六韧带手性结构单元，手性结构单元的中心轴与实心柱体的中心轴重合；

手性结构单元包括节点2和韧带3；节点2为空心圆柱体；

节点2的半径为30mm，壁厚为1mm，节点2的高与实心圆柱体1的高度相同；

韧带3为薄板，厚度为1mm，高与实心圆柱体1的高度相同，韧带3的长度为12mm；

连接相邻节点之间的韧带为平滑过渡；

对上述连接有卫星结构、火工装置和星箭对接段的安装座进行数值仿真分析，输入条件为实际火工装置爆炸瞬间冲击载荷谱如图10所示，得到的缓冲效果如图11所示，由图11可知，在安装座上增加手性结构单元可有效抑制火工装置爆炸冲击载荷。

工作过程中，火工装置爆炸解锁瞬间产生高频冲击波，通过安装座下法兰102传递到中间柱体，然后在中间柱体上设置的手性单元的作用下，冲击波经历反射、叠加的过程被隔离和消耗，最终实现缓冲吸能的目的。

实施例2

如图3和图4所示，一种适用于航天器火工装置爆炸缓冲吸能的抗冲击安装座，该安装座的结构本体为实心圆柱体1，实心圆柱体1的顶端带有外翻边法兰称为上法兰101，上法兰101与卫星结构进行固定连接；实心圆柱体1的底端带有外翻边法兰称为下法兰102，实心圆柱体1的一侧有三角形缺口，火工装置固定安装在所述的三角形缺口处并位于下法兰102上方，下法兰102与星箭对接段固定连接；

在实心圆柱体1上有正向六韧带手性结构单元，手性结构单元的中心轴与实心柱体的中心轴垂直；

手性结构单元包括节点2和韧带3；节点2为空心圆柱体；

节点2的半径为30mm，壁厚为1mm，节点2从一侧穿透空心圆柱体；

韧带3为薄板，厚度为1mm，韧带3的长度为12mm；

当火工装置点火爆炸瞬时产生高能冲击载荷，冲击能量从距离最近的手性结构单元开始，依次传递从而起到能量隔离吸收的目的。

对上述连接有卫星结构、火工装置和星箭对接段的安装座进行数值仿真分析，输入条件为实际火工装置爆炸瞬间冲击载荷谱如图10所示，得到的缓冲效果如图12所示，由图12可知，在安装座上增加手性结构单元可有效抑制火工装置爆炸冲击载荷。

此外，除了在结构本体上单方向设置多韧带手性结构单元外，还可以同时沿两个方向或三个防线设置多韧带手性结构单元实现双向或者三向缓冲的目的。

此外，除了实例中在实心圆柱体1上有正向六韧带手性结构单元外还可以替换为正向三韧带手性结构单元如图5所示，正向四韧带手性结构单元如图6所示，反向三韧带手性结构单元如图7所示，反向四韧带手性结构单元如图8所示。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种用于航天器火工装置爆炸缓冲吸能的抗冲击安装座，其特征在于：该安装座的结构本体为实心圆柱体，实心圆柱体的顶端带有外翻边法兰称为上法兰，上法兰与卫星结构进行固定连接；实心圆柱体的底端带有外翻边法兰称为下法兰，实心圆柱体的一侧有三角形缺口，火工装置固定安装在所述的三角形缺口处并位于下法兰上方，下法兰与星箭对接段固定连接；

在实心圆柱体上一次性加工形成正向六韧带手性结构单元的节点和韧带，所述的正向六韧带手性结构单元其韧带位于两个连接节点的异侧；手性结构单元的中心轴与实心圆柱体的中心轴重合；

手性结构单元包括节点和韧带；节点为空心圆柱体；

节点的半径为30mm，壁厚为1mm，节点的高与实心圆柱体的高度相同；

韧带为薄板，厚度为1mm，高与实心圆柱体的高度相同，韧带的长度为12mm；

连接相邻节点之间的韧带为平滑过渡；

连接有卫星结构、火工装置和星箭对接段的安装座能够有效抑制火工装置爆炸冲击载荷；

工作过程中，火工装置爆炸解锁瞬间产生高频冲击波，通过安装座下法兰传递到中间实心圆柱体，然后在中间实心圆柱体上设置的手性结构单元的作用下，冲击波经历反射、叠加的过程被隔离和消耗，最终实现缓冲吸能的目的。