CN107031871A - 一种纤维增强复合材料结构的切割分离装置 - Google Patents

Abstract

一种纤维增强复合材料结构的切割分离装置，包括复合材料板(1)；聚能切割索(2)；缓冲护套(3)；保护罩(4)；复合材料板(1)的分离面一侧安装聚能切割索(2)，缓冲护套(3)的底边带有凹槽，凹槽的尺寸与聚能切割索(2)的背部尺寸匹配；保护罩(4)的主体部分罩在缓冲护套(3)的外表面，通过一侧延伸的安装面与复合材料板(1)的切割分离部分固定；通过聚能切割索(2)产生的聚能射流切断复合材料板(1)，完成分离。

Description

一种纤维增强复合材料结构的切割分离装置

技术领域

本发明属于运载火箭级间、星箭分离和有效载荷释放等结构技术领域，具体是涉及一种能够实现两结构件之间的有效连接与解锁的装置。

背景技术

为了提高航天飞行器的运载能力，国外很早就在飞行器的主承力结构中应用轻质复合材料结构，从而实现航天器结构的轻质化，有效的提高航天飞行器的载荷比，降低发射成本。轻质复合材料的应用满足了航天结构整体性和轻量化的要求，但对于多级航天运载器而言，面临着如何对以轻质复合材料为主承力结构进行级间切割分离的问题。

国内外的初步研究结果已表明，直接将切割金属材料的分离技术用于切割复合材料是不合适的，其分离技术存在着一些技术难点，这主要是因为复合材料结构不同于金属结构，其内部发生塑性变形的能力受到了很大的限制，爆炸冲击能量的吸收常常会导致材料大面积的损伤及破坏，因此直接将切割金属材料的分离技术用于切割复合材料常常会造成分离面不整齐、材料分层及撕裂现象比较严重等。由于存在这些技术难点，复合材料切割分离装置在国内外运载器上均没有应用。

如果复合材料结构切割分离技术得不到妥善解决，只能在航天运载器复合材料主承力结构中另外增加金属分离环壳段作为级间的连接与分离结构，以便利用成熟的金属材料切割分离技术，但这会增加了结构的重量及复杂性。因此，突破复合材料主承力结构的切割分离技术，是实现结构减重和简化设计必要的技术基础，也是未来航天运载器级间分离技术发展方向之一。

发明内容

本发明的技术解决问题是：解决了现有的航天运载器复合材料主承力结构中另外增加金属分离环壳段作为级间的连接与分离结构，难以实现减重和简化设计的问题，从而达到全面的轻质化。

本发明的技术解决方案是：一种纤维增强复合材料结构的切割分离装置，包括复合材料板；聚能切割索；缓冲护套；保护罩；

复合材料板的分离面一侧安装聚能切割索，缓冲护套的底边带有凹槽，凹槽的尺寸与聚能切割索的背部尺寸匹配；保护罩的主体部分罩在缓冲护套的外表面，通过一侧延伸的安装面与复合材料板的切割分离部分固定；通过聚能切割索产生的聚能射流切断复合材料板，完成分离。

还包括压板；通过压板进一步固定保护罩的位置。

压板的截面可以为梯形、异型或者矩形。

缓冲护套的缓冲护套的截面积应不小于装药截面积的12倍。

复合材料板结构外表面无或预置单个或多个凹槽。

凹槽的截面可以是三角形、矩形或半圆形。

缓冲护套的截面是等腰三角形，半圆形或者矩形。

聚能切割索的炸高要求在到达复合材料板前，聚能射流已形成并汇聚。

聚能切割索的聚能射流汇聚点正好位于复合材料板的预分离线或面，并与复合材料板外表面凹槽位置对中。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明采用聚能切割索进行复合材料切割分离与金属材料的切割分离，其分离面断裂都是由射流侵彻和爆轰崩裂两部分组成。但是不同材料切割分离时射流侵彻厚度和爆轰崩裂厚度的占比是不同的。一般来说复合材料的射流侵彻深度占比应比金属材料大。此外，削弱槽附近结构设计实现了相同的聚能切割索药量下，复合材料与金属材料相当的切割分离厚度。实现了碳纤维增强复合材料切割面整齐，无撕裂、无分层、无多余物；

(2)本发明缓冲护套在结构中起到吸收爆轰能量的作用。其材料和体积是影响吸能作用的主要因素。不同药量的聚能切割索产生的爆轰能量不同，对应需要的缓冲护套的材料和体积不同。控制聚能切割索预置炸高，使聚能切割索产生的爆轰能量在结构内合理分配，实现了碳纤维复合材料整齐切割的效果，且结构设计简单，工艺性好，无附加重量。

(3)本方案在结构设计上无附加质量、结构形式简单，装配工艺性好。以直径Φ1700、高度150mm的分离环结构为例计算可知：采用本方案比采用金属分离环方案的质量少约4kg，同时少一整圈螺栓连接(工艺连接面用)的工作量。

附图说明

图1为本发明结构截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明做详细说明。

一种纤维增强复合材料结构的切割分离装置，包括复合材料板1；聚能切割索2；缓冲护套3；保护罩4；复合材料板1的切割面一侧安装聚能切割索2，缓冲护套3的底边带有凹槽，凹槽的尺寸与聚能切割索2的背部尺寸匹配；保护罩4的主体部分罩在缓冲护套3的外表面，通过一侧延伸的安装面与复合材料板1的切割分离部分通过连接螺栓Ⅰ6固定；工作原理：聚能切割索2被引爆后产生聚能射流和高温高压气体，将复合材料板1(环)在预置凹槽处切割分离，实现子级之间的分离。

复合材料板1为可以是碳纤维增强材料为代表的纤维增强复合材料，结构外表面无或预置单个或多个凹槽数量，凹槽的截面可以是三角形(进一步的可以为等腰三角形或者等边三角形)、矩形或半圆形，分离厚度根据承载要求确定。

聚能切割索2是常规意义上的做功火工品，常用于切割分离或者自毁装置。其聚能角与1-复合材料板凹槽位置对中；聚能罩材料可以是铅、铜或者铝，也可是铅锑合金等材料，装药量与被切割厚度匹配，其聚能角与复合材料板1预置分离线/面对齐；

缓冲护套3位于聚能切割索2背部，缓冲护套截面为等腰三角形，半圆形或者矩形，其底边一侧带有凹槽，凹槽的尺寸与聚能切割索2的背部尺寸匹配，缓冲护套3一方面用于固定聚能切割索2的位置和控制炸高，一方面可缓冲聚能切割索2工作时产生的冲击；缓冲护套3可以是橡胶、硅橡胶、海绵、聚氨酯泡沫、蜂窝等低密度材料。

保护罩4截面呈“勺子”型，缓冲护套3正好可放置于“勺”内，保护罩用于固定3-缓冲护套的位置，保护罩4“勺柄”通过连接螺栓Ⅰ6与复合材料板1连接；保护罩4的材料可以是金属或非金属等材料；设计时需要考虑保护罩4的刚度和强度，以实现良好的爆轰能量有效利用和释放比，达到分离后结构完整，保护罩轻度变形的效果。因为若保护罩刚度和强度过大，使爆轰时的全部能量封闭在结构内部，可能导致结构在切割分离面以外的薄弱区域出现非预期破坏，若保护罩刚度和强度太小，爆轰时变形太大，大量能量外协，结构无法实现切割分离。

梯形压板5的有无及其尺寸可根据结构需要维持的刚度以及与保护罩刚度确定。截面可以梯形、异型或者矩形，压板材料可以是金属，也可以是与结构一体成型的复合材料；梯形压板5通过连接螺栓Ⅱ7与复合材料板1连接。梯形压板5位于保护罩“勺头”一侧，截面为梯形，梯形压板一方面可控制保护罩变形，另一方面分离后仍保持上端结构的刚度；

连接螺栓Ⅰ6和连接螺栓Ⅱ7分别实现保护罩4、梯形压板5和复合材料板1的连接。连接螺栓Ⅰ6规格和数量根据具体结构确定；连接螺栓Ⅱ7规格和数量与结构持尺寸匹配即可，无特殊要求，一体成型的情况下可不配套该螺栓。

本发明装置可以依据下列步骤进行设计。

根据结构的承载要求确定复合材料板厚度，在满足承载的前提下，分离厚度越小越有利于切割分离

确定复合材料板分离厚度后，选择相应的聚能切割索装药量。一般来说，聚能切割索切割铝合金材料和碳纤维增强复合材料的能力相当，可按照成熟的金属材料的分离厚度选择装药量。确定聚能切割索的型面和炸高，炸高选择时，要求在到达被切割板前(复合材料板)聚能射流已形成并汇聚。

聚能切割索确定后，切割索截面积随之确定。一般来说，缓冲护套的截面积应不小于装药截面积的12倍。

保护罩的尺寸与缓冲护套匹配即可。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种纤维增强复合材料结构的切割分离装置，其特征在于：包括复合材料板(1)；聚能切割索(2)；缓冲护套(3)；保护罩(4)；

复合材料板(1)的分离面一侧安装聚能切割索(2)，缓冲护套(3)的底边带有凹槽，凹槽的尺寸与聚能切割索(2)的背部尺寸匹配；保护罩(4)的主体部分罩在缓冲护套(3)的外表面，通过一侧延伸的安装面与复合材料板(1)的切割分离部分固定；通过聚能切割索(2)产生的聚能射流切断复合材料板(1)，完成分离。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括压板(5)；通过压板(5)进一步固定保护罩(4)的位置。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：压板(5)的截面可以为梯形、异型或者矩形。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：缓冲护套(3)的缓冲护套的截面积应不小于装药截面积的12倍。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：复合材料板(1)结构外表面无或预置单个或多个凹槽。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：凹槽的截面可以是三角形、矩形或半圆形。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：缓冲护套的截面是等腰三角形，半圆形或者矩形。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：聚能切割索(2)的炸高要求在到达复合材料板前，聚能射流已形成并汇聚。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：聚能切割索(2)的聚能射流汇聚点正好位于复合材料板的预分离线或面，并与复合材料板外表面凹槽位置对中。