CN105711856A - 多功能星箭适配器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多功能星箭适配器，包括用于与卫星相连接的上接口、用于与运载火箭相连接的下接口以及多根阻尼杆。所述星箭适配器安装于卫星与运载火箭之间，既能传递火箭提供的推力，实现结构承载功能，又能起到隔振作用，即在发射过程中隔离或降低从火箭传递到卫星上的各种振动和冲击载荷，从而有效改善卫星的动力学环境，实现对卫星的保护。本发明集承载和隔振功能于一体，且质量轻，无需外界供能，适于航天工程应用。

Description

多功能星箭适配器

技术领域

本发明涉及卫星被动隔振技术领域，具体的涉及一种多功能星箭适配器。

背景技术

在火箭发射过程中，多种动态载荷，如火箭发动机推力脉动、涡轮泵等引起的低频振动、级间分离、发动机点火和关机、火工品爆炸等，产生突发性的载荷冲击，从而导致卫星的电子器件、机械装置的结构损伤或破坏。与卫星在轨运行时的振动环境相比，发射过程中的振动环境更为恶劣，是造成卫星失效的主要原因。

要解决这个问题，现行的一般做法是：(1)加强卫星的结构，并对敏感部位采取局部隔振措施；(2)在原有适配器与火箭界面之间加入一套隔振系统，以减小卫星整体在发射时所承受的环境载荷。但第一种做法会导致笨重的卫星结构设计，增加了卫星的发射成本，降低了卫星的有效载荷能力，并给卫星的结构设计带来很大的难度；而第二种做法额外增加了隔振系统，不单会增加系统不必要的赘重，而且由于增加了隔振系统与适配器之间的二次连接，还会降低系统的可靠性。

此外，现有的星箭连接过渡段主要由金属材料制备，存在结构重量大的问题，该问题成为了制约航天类武器装备发展的瓶颈。如何设计和制备出轻质高强的适配器已成为亟待解决的紧迫问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多功能星箭适配器，该发明解决了现有技术中火箭发射过程中产生的振动和冲击载荷易对卫星造成的不良影响的技术问题。

本发明提供一种多功能星箭适配器，包括：用于与卫星相连接的上接口、用于与运载火箭相连接的下接口、以及多根阻尼杆，阻尼杆的两端分别与所述上接口和所述下接口相连接，能够抵消火箭产生的振动和冲击载荷向卫星传递；阻尼杆组成并联拓扑构型。

进一步地，阻尼杆包括活塞连接杆、复合材料管和金属橡胶，活塞连接杆的第一端上设有金属橡胶，并以预压缩量容纳于复合材料管的容纳端内，活塞连接杆的第二端伸出复合材料管外并与上接口相连接；复合材料管的另一端与下接口相连接。

进一步地，容纳端内设有支撑板，金属橡胶的一端抵接于支承板上。

进一步地，活塞连接杆为T字型推杆。

进一步地，活塞连接杆的一端设有圆柱状金属橡胶，并间隔设有环形金属橡胶。

本发明的技术效果：

本发明提供多功能星箭适配器，一方面能实现对卫星的承载，传递火箭提供的稳态上升推力，另一方面还能起到隔振的作用，使实际通过适配器传递到卫星的振动和冲击载荷小于火箭作用于适配器的振动和冲击载荷，实现对卫星的保护。

本发明提供多功能星箭适配器，集承载和减振功能于一体，且质量小，无需外部能源供应，可靠性高，能有效地进行卫星整体隔振，降低对卫星的结构设计要求，适用于航天工程应用。

具体请参考根据本发明的多功能星箭适配器提出的各种实施例的如下描述，将使得本发明的上述和其他方面显而易见。

附图说明

图1是本发明优选实施例多功能星箭适配器立体剖视示意图；

图2是本发明优选实施例多功能星箭适配器主视示意图；

图3是本发明优选实施例阻尼杆主视剖视示意图；

图4是本发明优选实施例活塞连杆与金属橡胶装配立体示意图；

图5是本发明优选实施例金属橡胶实物光学照片；

图6是本发明优选实施例多功能星箭适配器的有限元模型示意图；

图7是阻尼杆隔振试验结果示意图。

图例说明：

100、上接口；200、阻尼杆；210、安装组件；220、活塞连接杆；230、金属橡胶；240、复合材料管；241、支撑板；300、下接口。

具体实施方式

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

本发明提供的多功能星箭适配器在保证该适配器可靠性的前提下，尽可能地降低其质量。使其在具有上述功能的前提下，在轨工作过程中，能有效减小火箭发射过程中所产生的振动和冲击载荷对卫星的不良影响。

参见图1～2，本发明提供的多功能星箭适配器，包括与卫星连接的上接口100、阻尼杆200和与火箭连接的下接口300。阻尼杆200的两端分别通过安装组件210与上接口100的底面和下接口300的顶面相连接。阻尼杆200的两端分别连接与卫星连接的上接口100和下接口300。连接上接口100和下接口300的多根阻尼杆200组成并联拓扑构型，提供卫星的支撑刚度，传递运载火箭产生的推力，并衰减有害的振动和冲击载荷。

优选的，参见图3～4，阻尼杆200包括活塞连接杆220、复合材料管240和金属橡胶230。活塞连接管的第一端容纳于复合材料管240的容纳端内，第二端伸出复合材料管240外。复合材料管240的容纳端内设有密封的支撑板241。活塞连接管的第一端上套设有金属橡胶230，金属橡胶230的端面抵接于支撑板241上。活塞连接管的第二端用于与上接口100的底面相连接。复合材料管240的另一端与下接口300相连接。阻尼杆200体积小，质量轻，所能承受的刚度和阻尼性能可根据需要进行调节，从而使其能适应在轨环境的使用需要。在实现隔振的同时，保证在轨使用的安全性，并降低了整个适配器的重量，从而实现对卫星的整星隔振，隔离或减小发射时火箭产生的振动和冲击载荷对卫星的影响。

活塞连接杆220装有金属橡胶230的一端以一定预压缩量封装于容纳端内。在火箭引起的振动载荷激励下，活塞连接杆220在复合材料管240的容纳端内作往复振动，反复压缩其两侧的金属橡胶230，使振动能量转化为金属橡胶230的结构内能，达到衰减振动的目标。

优选的，活塞连接杆220为T字型推杆。采用该构型，能增大活塞连接杆220受力面积，提高对有害载荷的抵消作用。

优选的，活塞连接杆220的一端设有圆柱状金属橡胶230，并间隔设有环形金属橡胶230。通过按此设置金属橡胶230，可以提高阻尼杆200对载荷的抵消。

本文中的下接口300是指火箭能通过该接口，本发明提供的适配器相连接的部件。该接口作为卫星与适配器的连接界面，其尺寸参数由实际所需连接的卫星的接口要求确定。与卫星连接的上接口100的定义与其类似，为通过该接口，本发明提供的适配器能与卫星相连接的部件，可以为平台等具有较大接触面积的接口部件。作为适配器与运载火箭的连接界面，下接口300的尺寸参数由实际所需连接的火箭的接口要求确定。此处的安装组件210，可以为螺钉螺母配合，也可以在使用螺钉螺母的同时增加固定块。

优选的，复合材料管240为市售碳纤维增强有机材料。该材料以碳纤维纱作为增强材料，以E-44环氧、E-51环氧、双酚F型环氧三种基体树脂的一种作为基体材料，采用缠绕工艺制成的。复合材料管240的刚度大，质量轻，主要起承载的作用。

参见图5，金属橡胶230为市售。该材料记录于《国防工业出版社》出版的，契戈达耶夫(俄)等著.李中郢等于2000年译于北京的《金属橡胶230构件的设计》[M].中。金属橡胶230中不含任何普通橡胶，其内部是用金属螺旋卷的各种铺层，缠绕和压制形成的空间网状结构来模拟橡胶的大分子结构。金属螺旋卷之间的相互勾联相当于橡胶中分子链的作用，并且它具有橡胶般的弹性和大阻尼特性。金属橡胶230材料具有阻尼大、吸收冲击能、在真空中不挥发、不惧怕辐射环境、不惧高低温作用、不易老化等特点。使其能适应在轨工作的各类极端条件。

以下以具体实例和试验对本发明提供的适配器的隔振性能进行证明：

建立多功能星箭适配器的有限元模型，如图6所示。模型中复合材料管240的密度为1.6g/mm³，弹性模量为95.2Gpa，剪切模量为10.3Gpa。金属橡胶230的密度为0.4g/mm³，阻尼系数为0.3。适配器配重200kg，采用6g加速度激励，激励范围5Hz～300Hz。仿真结果表明多功能星箭适配器可以隔离频率高于46Hz时的振动激励，当振动频率为300Hz时，多功能星箭适配器对振动的衰减达到70％以上。加工多功能星箭适配器阻尼杆200试验件，对其振动衰减效果进行测试，测试结果如图7所示。图7给出了在5kg配重，6g加速度激励下，采用相对密度为0.25的金属橡胶230时，从阻尼杆200一端输入的振动加速度经过阻尼杆200后从另一端输出的振动加速度的相对变化曲线。由图7可知，当振动频率大于40Hz时，经过阻尼杆200衰减后的振动加速度的最大值小于2g，相比输入减小了三分之二；当振动频率大于100Hz时，经过阻尼杆200衰减后的振动加速度小于1g，相比输入减小了83％；在200Hz处，经过阻尼杆200衰减后的振动加速度小于0.5g，衰减率大于90％。综合以上分析可知，仿真和试验结果都证明了多功能星箭适配器对振动激励的衰减效果，具有减小火箭发射时卫星振动量级的功能。多功能星箭适配器多功能星箭适配器。

本发明集承载和减振功能于一体，且质量小，无需外部能源供应，可靠性高，降低了对卫星的结构设计要求，适用于航天工程应用。

本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。

通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素，而不定冠词“一个”或“一种”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。

Claims (5)

1.一种多功能星箭适配器，其特征在于，包括：用于与卫星相连接的上接口、用于与火箭相连接的下接口以及多根阻尼杆，所述阻尼杆用于抵消火箭产生的振动和冲击载荷向卫星传递，其两端分别与所述上接口和所述下接口相连接；

所述阻尼杆组成并联拓扑构型。

2.根据权利要求1所述的多功能星箭适配器，其特征在于，所述阻尼杆包括活塞连接杆、复合材料管和金属橡胶，所述活塞连接杆的第一端上设有所述金属橡胶，并以预压缩量容纳于所述复合材料管的容纳端内，所述活塞连接杆的第二端伸出所述复合材料管外并与所述上接口相连接；

所述复合材料管的另一端与所述下接口相连接。

3.根据权利要求2所述的多功能星箭适配器，其特征在于，所述容纳端内设有支撑板，所述金属橡胶的一端抵接于所述支承板上。

4.根据权利要求3所述的多功能星箭适配器，其特征在于，所述活塞连接杆为T字型推杆。

5.根据权利要求4所述的多功能星箭适配器，其特征在于，所述活塞连接杆的一端设有圆柱状金属橡胶，并间隔设有环形金属橡胶。