CN108284970B - 一种可承载高强度拉压弯载荷火工分离机构及分离方法 - Google Patents

Abstract

一种可承载高强度拉压弯载荷火工分离机构及分离方法，主要包括点火组件、压紧组件、解锁组件、承载组件、端盖和剪切销。点火组件主要用于装填主装药，主装药点火后，输出高压气体驱动机构运动；压紧组件主要用于锁紧上连接座和下连接座，实现分离机构轴向高强度承载；承载组件主要用于上连接座、下连接座和外筒的套叠安装，实现分离机构径向高强度承载；解锁组件主要用于解除楔块和螺栓的径向约束，从而实现上连接座和下连接座的解锁分离。分离机构基于分离螺母原理进行设计，工作过程中分离冲击低，峰值冲击仅1000g，且工作后可主动产生2.5mm分离面，从而实现卫星和有效载荷的完全分离，便于后续姿态调整动作的实施。

Description

一种可承载高强度拉压弯载荷火工分离机构及分离方法

技术领域

本发明属于火工装置领域，涉及一种能够承载高强度轴向拉压力和径向弯矩载荷的火工分离机构及分离方法。

背景技术

目前常用的火工分离装置主要有爆炸螺栓、解锁螺栓和分离螺母等产品。爆炸螺栓是利用炸药爆炸产生的拉伸、剪切力学效应，使指定的部位断裂来完成解锁功能。爆炸螺栓在分离机构中的安装比较简单，通过拧紧螺母或螺栓体将两个分离体连为一体，爆炸螺栓爆炸分离后需借助外力实现分离体的分离。解锁螺栓是由爆炸螺栓演变而来，结构较爆炸螺栓稍复杂，其连接功能的实现与爆炸螺栓一样。与爆炸螺栓的不同之处在于解锁螺栓的解锁分离是通过释放钢球或楔块来实现。爆炸螺栓和解锁螺栓的轴向承载能力较强，径向承载能力稍差，在分离时产生的冲击较大。分离螺母是20世纪中后期发展起来的火工分离装置，其作用原理是在火药燃气驱动下，分离瓣沿轴向移动一定行程后解除径向约束，从而分离瓣沿径向往外移动与螺栓的螺纹脱离，释放螺栓。分离螺母轴向连接承载能力大，分离冲击较小，但其径向抗弯矩能力相对较弱，且分离后需借助外力实现分离体的分离。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种可承载高强度拉压弯载荷火工分离机构及分离方法，提供一种火工分离机构，其具备承载高强度轴向拉压力和径向弯矩的能力，并且分离过程冲击响应低，能够主动产生分离面,从而全面解决了高强度承载和低冲击自主分离的技术难题，可以广泛用于实现遥感相机、陀螺仪等精密有效载荷与卫星的连接与分离功能。

本发明解决的技术方案为：一种可承载高强度拉压弯载荷火工分离机构，包括：点火组件、压紧组件、解锁组件、承载组件、端盖(1)、剪切销(6)；

点火组件固定在承载组件上，解锁组件通过剪切销(6)与承载组件固定，压紧组件将承载组件压紧，端盖(1)安装在承载组件上；

点火组件接收到点火信号后发火，产生气体推动解锁组件剪断剪切销(6)，剪断剪切销(6)后，解锁组件开始向点火组件运动，运动一段距离后，压紧组件径向约束解除，压紧组件接触压紧；解锁组件向点火组件运动一段距离后，带动承载组件内部分离，分离机构工作完成。

点火组件，包括：点火器(7)，药壳(8)，点火器(7)螺接在药壳(8)上，药壳(8)通过螺钉螺接在承载组件上。

承载组件，包括：上连接座(2)，外筒(3)、楔块(4)、下连接座(11)，外筒(3)和下连接座(11)通过楔块(4)连接，上连接座(2)通过压紧组件压紧在外筒(3)上，下连接座(11)通过螺钉与点火组件连接，下连接座(11)过剪切销与解锁组件连接。

解锁组件，包括：内筒(12)和拉杆(13)，内筒(12)设有内螺纹，拉杆(13)设有外螺纹，内筒(12)与拉杆(13)之间为螺纹连接，内筒(12)通过剪切销与承载组件连接。

压紧组件，包括：助推块(5)、螺栓(9)，分离瓣(10)，助推块(5)和分离瓣(10)安装在内筒(12)内，上连接座(2)中心设有通孔，螺栓(9)穿过上连接座(2)的中心孔与分离瓣(10)螺纹连接。

上连接座(2)上设有多个螺钉孔，上连接座(2)通过多个螺钉孔与遥感相机相连，下连接座(11)上设有多个螺钉孔，下连接座(11)通过多个螺钉孔与卫星星体相连。

分离瓣(10)为三等分的螺纹瓣，组合以后为一个内螺纹套筒。

端盖(1)安装在上连接座(2)设有的螺纹孔内；

下连接座(11)上开有多个方孔和多个椭圆形孔，楔块(4)安装在方孔中，楔块(4)底部压紧在内筒(12)上，楔块(4)顶部卡紧在外筒(3)的楔块槽中，外筒(3)为两端开口的空心圆柱，外筒(3)的内壁上设有安装楔块的槽，外筒(3)的一端用于支撑上连接座(2)，靠近外筒(3)的另一端的筒壁上设有椭圆形孔，内筒(12)上安装有多个拉杆(13)，拉杆(13)穿过下连接座(11)的椭圆形孔后，嵌入外筒(3)的椭圆形孔中。

药壳(8)上有两个螺纹孔用于安装两个点火器(7)，两个点火器(7)相对于药壳(8)对称安装。

通过楔块(4)实现下连接座(11)与外筒(3)锁定，通过螺栓(9)实现上连接座(2)与外筒(3)锁定，从而实现上连接座(2)与下连接座(11)的高强度轴向拉力和压力承载能力。

一种可承载高强度拉压弯载荷火工分离机构的分离方法，步骤如下：

(1)点火组件接收到点火信号后发火，

(2)发火产生气体推动解锁组件剪断剪切销(6)，

(3)步骤(2)剪断剪切销(6)后，解锁组件开始向点火组件运动，

(4)步骤(3)运动一段距离后，压紧组件径向约束解除，压紧组件接触压紧；

(5)解锁组件向点火组件运动一段距离后，带动承载组件内部分离，分离机构工作完成。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明基于分离螺母和解锁螺栓工作原理，采用组合锁定结构，由楔块结构承受轴向压力载荷，通过螺栓和分离瓣作用承受轴向拉力载荷，从而实现分离机构的轴向高强度拉压载荷承载；

(2)本发明通过上连接座、外筒和下连接座的套叠结构，使分离机构能够承受较大的径向弯矩作用，从而实现分离机构的径向高强度承载。

(3)本发明基于分离螺母工作原理，通过分离瓣张开释放螺栓，实现上、下连接座分离，该分离方式产生分离冲击低，分离总冲小。

(4)本发明通过拉杆钩挂外筒向下运动，并且螺栓从分离瓣中弹出，从而在分离机构工作后能够产生2.5mm的分离面，保证两个分离体后续动作无相互干扰。

(5)本发明的分离机构具备高强度轴向拉压力和径向弯矩承载能力，工作时分离冲击低，且工作后可主动产生分离面，分离可靠。本发明可用于大型有效载荷与卫星的连接与分离。

附图说明

图1是可承载高强度拉压弯载荷火工分离机构工作示意图；

图2是可承载高强度拉压弯载荷火工分离机构工作前状态图；

图3是可承载高强度拉压弯载荷火工分离机构工作后状态图；

图4是本发明的上连接座结构示意图；

图5是本发明的下连接座结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明一种可承载高强度拉压弯载荷火工分离机构，主要包括点火组件、压紧组件、解锁组件、承载组件、端盖和剪切销。点火组件主要用于装填主装药，主装药点火后，输出高压气体机构运动；压紧组件主要用于锁紧上连接座和下连接座，实现分离机构轴向高强度承载；承载组件主要用于上连接座、下连接座和外筒的套叠安装，实现分离机构径向高强度承载；解锁组件主要用于解除楔块和螺栓的径向约束，从而实现上连接座和下连接座的解锁分离。分离机构基于分离螺母原理进行设计，工作过程中分离冲击低，峰值冲击仅1000g，且工作后可主动产生2.5mm分离面，从而实现卫星和有效载荷的完全分离，便于后续姿态调整动作的实施。

火工分离机构，包括：点火组件、压紧组件、解锁组件、承载组件、端盖1、剪切销6组成，如图1所示。

点火组件固定在承载组件上，解锁组件通过剪切销6与承载组件固定，压紧组件将承载组件压紧，端盖1安装在承载组件上；

点火组件接收到点火信号后发火，产生气体推动解锁组件剪断剪切销6，剪断剪切销6后，解锁组件开始向点火组件运动，运动一段距离后，压紧组件径向约束解除，压紧组件接触压紧；解锁组件向点火组件运动一段距离后，带动承载组件内部分离，分离机构工作完成。点火组件，包括：点火器7，药壳8，点火器7螺接在药壳8上，药壳8通过螺钉螺接在承载组件上；承载组件，包括：上连接座2，外筒3、楔块4、下连接座11，外筒3和下连接座11通过楔块4连接，上连接座2通过压紧组件压紧在外筒3上，下连接座11通过螺钉与点火组件连接，下连接座11过剪切销与解锁组件连接；解锁组件，包括：内筒12和拉杆13，内筒12设有内螺纹，拉杆13设有外螺纹，内筒12与拉杆13之间为螺纹连接，内筒12通过剪切销与承载组件连接。压紧组件，包括：助推块5、螺栓9，分离瓣10，助推块5和分离瓣10安装在内筒12内，上连接座2中心设有通孔，螺栓9穿过上连接座2的中心孔与分离瓣10螺纹连接。

上连接座2上设有多个螺钉孔，上连接座2通过多个螺钉孔与遥感相机相连，下连接座11上设有多个螺钉孔，下连接座11通过多个螺钉孔与卫星星体相连。分离瓣10为三等分的螺纹瓣，组合以后为一个内螺纹套筒。端盖1安装在上连接座2的端面上。下连接座11上开有多个方孔和多个椭圆形孔，楔块4安装在方孔中，楔块4底部压紧在内筒12上，楔块4顶部卡紧在外筒3的楔块槽中，外筒3为两端开口的空心圆柱，外筒3的内壁上设有安装楔块的槽，外筒3的一端用于支撑上连接座2，靠近外筒3的另一端的筒壁上设有椭圆形孔，内筒12上安装有多个拉杆13，拉杆13穿过下连接座11的椭圆形孔后，嵌入外筒3的椭圆形孔中。药壳8上有两个螺纹孔用于安装两个点火器7，两个点火器7相对于药壳8对称安装。通过楔块4实现下连接座11与外筒3锁定，通过螺栓9实现上连接座2与外筒3锁定，从而实现上连接座2与下连接座11的高强度轴向拉力和压力承载能力。螺栓9与分离瓣10分离后，螺栓9将弹出，实现上连接座2和下连接座11分离。

通过上连接座2、外筒3和下连接座11的套叠结构实现径向承载，具备高强度径向弯矩承载能力。装于内筒12上的拉杆13，随内筒12运动一定距离后钩挂外筒3，外筒3运动并将楔块4挤压入下连接座11，实现上连接座2和下连接座11分离。外筒3运动碰撞到下连接座11后以及螺栓9弹起缩至上连接座2后，上连接座2与下连接座11之间将产生一定间距的的分离面，保证上连接座2和下连接座11后续动作互不干涉。

点火组件中的点火器和药壳通过M14螺纹连接，药壳通过6个M5的螺钉连接在上连接座上，药壳输出端穿过内筒中心通孔，正对助推块，从而助推块、内筒、药壳和点火器形成一个密闭的容腔，分离机构工作的燃气均密封在此容腔内，从而避免产生多余物；

承载组件中的外筒3和下连接座11通过6个楔块4连接，如图5所示，楔块4底部通过内筒12支撑，从而实现外筒3与下连接座11的锁定。压紧组件中螺栓9与分离瓣10备紧后，上连接座2被螺栓9压紧在外筒3上，从而实现了上连接座2、外筒3和内筒12的锁定，如图2所示。螺栓的拧紧力矩优选为M＝k*D*F，F表示分离机构的轴向承载力，D为螺栓9的螺纹大径(即螺纹的最外边缘的半径)，k为摩擦系数，取0.1～0.2，以使分离机构在轴向拉力作用下的承载性能最佳；通过以上设计，分离机构的承载组件形成套叠结构，提高了分离机构轴向和径向的高强度承载，轴向和径向承载力均不小于45450N。承载组件中的螺栓压紧力需不小于45450N，螺栓螺纹为M24，k进一步优选取0.15时，M＝0.15X24X45450＝163.62N.m，最终确定螺栓的拧紧力矩为165N.m，以使分离机构在轴向拉力作用下的承载性能最佳。

点火器接到电信号点火后，引燃药壳内火药，火药产生的气体通过药壳输出端作用于解锁组件助推块和内筒上；内筒在燃气作用下，剪断2个连接内筒和下连接座的剪切销，开始向药壳方向运动，内筒优选运动3.5mm距离后，分离瓣失去径向约束，螺栓从分离瓣中弹出，压紧组件失去压紧功能；同时，内筒失去对楔块的支撑作用，楔块失去承载性能，至此，分离机构不再具有轴向承载能力；内筒继续运动1mm后，内筒12上的拉杆13钩挂住外筒3运动，将外筒从上连接座沟槽内拉出，外筒3挤压楔块4的斜面，楔块4向下连接座11内部的收缩，外筒3可以继续运动直至碰撞到下连接座停止，至此，分离机构不再具有径向承载能力。此时，分离机构完全分离为两部分，如图3所示，两部分之间行程2.5mm的分离面。分离机构采用分离瓣释放螺栓的方法解除轴向连接，极大的避免了结构碰撞引起的冲击，从而实现了分离机构的低冲击分离，分离冲击在1000g以下。

分离机构上连接座通过4个M8螺钉与遥感相机等有效载荷相连，具体位置如图4所示；下连接座通过4个M8螺钉与卫星相连，具体位置如图5所示。

按照以下方法进行分离：一种可承载高强度拉压弯载荷火工分离机构的分离方法，其特征在于步骤如下：

(1)点火组件接收到点火信号后发火，

(2)发火产生气体推动解锁组件剪断剪切销(6)，

(3)步骤(2)剪断剪切销(6)后，解锁组件开始向点火组件运动，

(4)步骤(3)运动一段距离后，压紧组件径向约束解除，压紧组件接触压紧；

(5)解锁组件向点火组件运动一段距离后，带动承载组件内部分离，分离机构工作完成。

分离机构研制完成后先后进行了承载性能测试和解锁性能测试。实测分离机构的轴向承载极限达到180000N，径向承载极限68000N，能够实现700kg级有效载荷的高强度连接。解锁试验实测分离机构的工作时间不大于10ms，分离总冲不大于3.5N.m，分离峰值冲击不大于1000g，因此，分离机构解锁冲击小，且在多个分离机构共同工作时，分离同步性好。

本发明的分离机构具备高强度轴向拉压力和径向弯矩承载能力，工作时分离冲击低，且工作后可主动产生分离面，分离可靠。本发明可用于大型有效载荷与卫星的连接与分离。

Claims (10)

1.一种可承载高强度拉压弯载荷火工分离机构，其特征在于包括：点火组件、压紧组件、解锁组件、承载组件、端盖(1)、剪切销(6)；

点火组件固定在承载组件上，解锁组件通过剪切销(6)与承载组件固定，压紧组件将承载组件压紧，端盖(1)安装在承载组件上；

点火组件接收到点火信号后发火，产生气体推动解锁组件剪断剪切销(6)，剪断剪切销(6)后，解锁组件开始向点火组件运动，运动一段距离后，压紧组件径向约束解除，压紧组件接触压紧；解锁组件向点火组件运动一段距离后，带动承载组件内部分离，分离机构工作完成；

承载组件，包括：上连接座(2)，外筒(3)、楔块(4)、下连接座(11)，外筒(3)和下连接座(11)通过楔块(4)连接，上连接座(2)通过压紧组件压紧在外筒(3)上，下连接座(11)通过螺钉与点火组件连接，下连接座(11)过剪切销与解锁组件连接。

2.根据权利要求1所述的一种可承载高强度拉压弯载荷火工分离机构，其特征在于：点火组件，包括：点火器(7)，药壳(8)，点火器(7)螺接在药壳(8)上，药壳(8)通过螺钉螺接在承载组件上。

3.根据权利要求1所述的一种可承载高强度拉压弯载荷火工分离机构，其特征在于：解锁组件，包括：内筒(12)和拉杆(13)，内筒(12)设有内螺纹，拉杆(13)设有外螺纹，内筒(12)与拉杆(13)之间为螺纹连接，内筒(12)通过剪切销与承载组件连接。

4.根据权利要求1所述的一种可承载高强度拉压弯载荷火工分离机构，其特征在于：压紧组件，包括：助推块(5)、螺栓(9)，分离瓣(10)，助推块(5)和分离瓣(10)安装在内筒(12)内，上连接座(2)中心设有通孔，螺栓(9)穿过上连接座(2)的通孔与分离瓣(10)螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的一种可承载高强度拉压弯载荷火工分离机构，其特征在于：上连接座(2)上设有多个螺钉孔，上连接座(2)通过多个螺钉孔与遥感相机相连，下连接座(11)上设有多个螺钉孔，下连接座(11)通过多个螺钉孔与卫星星体相连。

6.根据权利要求4所述的一种可承载高强度拉压弯载荷火工分离机构，其特征在于：分离瓣(10)为三等分的螺纹瓣，组合以后为一个内螺纹套筒。

7.根据权利要求3所述的一种可承载高强度拉压弯载荷火工分离机构，其特征在于：端盖(1)安装在上连接座(2)设有的螺纹孔内；

下连接座(11)上开有多个方孔和多个椭圆形孔，楔块(4)安装在方孔中，楔块(4)底部压紧在内筒(12)上，楔块(4)顶部卡紧在外筒(3)的楔块槽中，外筒(3)为两端开口的空心圆柱，外筒(3)的内壁上设有安装楔块的槽，外筒(3)的一端用于支撑上连接座(2)，靠近外筒(3)的另一端的筒壁上设有椭圆形孔，内筒(12)上安装有多个拉杆(13)，拉杆(13)穿过下连接座(11)的椭圆形孔后，嵌入外筒(3)的椭圆形孔中。

8.根据权利要求2所述的一种可承载高强度拉压弯载荷火工分离机构，其特征在于：药壳(8)上有两个螺纹孔用于安装两个点火器(7)，两个点火器(7)相对于药壳(8)对称安装。

9.根据权利要求4所述的一种可承载高强度拉压弯载荷火工分离机构，其特征在于：通过楔块(4)实现下连接座(11)与外筒(3)锁定，通过螺栓(9)实现上连接座(2)与外筒(3)锁定，从而实现上连接座(2)与下连接座(11)的高强度轴向拉力和压力承载能力。

10.根据权利要求1所述的一种可承载高强度拉压弯载荷火工分离机构的分离方法，其特征在于步骤如下：

(1)点火组件接收到点火信号后发火，

(2)发火产生气体推动解锁组件剪断剪切销(6)，

(3)步骤(2)剪断剪切销(6)后，解锁组件开始向点火组件运动，

(4)步骤(3)运动一段距离后，压紧组件径向约束解除，压紧组件接触压紧；

(5)解锁组件向点火组件运动一段距离后，带动承载组件内部分离，分离机构工作完成。

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