CN108298112A - 一种非火工驱动的二级压紧释放机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非火工驱动的二级压紧释放机构，该机构上施加的预紧力可借助应变片精确测量；压紧状态时，分离帽由上滚珠限位，释放销由下滚珠卡位，上滚珠位置由分离帽、上保持架及释放销确定，下滚珠位置由释放销、滑块和下保持架确定，滑块由抗冲弹簧压紧；释放时，通电使非火工驱动元件开始工作，驱动滑块向上运动，滑块上移一定距离后，下滚珠进入滑块的凹槽，释放销失去卡位并在驱动弹簧的作用下向下运动，随后上滚珠失去约束而掉入释放销的凹槽内，分离帽脱离，完成释放。该机构中采用多处球面副，避免了弯矩传递对零件配合关系和释放可靠性的影响，同时降低了安装精度要求；控制方便、抗振性强、承受载荷大、可靠性高。

Description

一种非火工驱动的二级压紧释放机构

技术领域

本发明涉及空间释放机构的技术领域，特别涉及一种非火工驱动的可承受大载荷的压紧释放机构。

背景技术

在火箭、卫星、飞船等航天器上，存在多次的分离释放需求，例如太阳能电池板的展开、多级运载火箭或逃逸塔的分离等，需要能够长时间保持压紧并可控释放的装置。目前采用较多的是火工连接与分离机构，这种装置的工作都是一次性的，在分离过程中不仅会产生较大的冲击，还会产生爆炸碎片、粉尘并留在航天器中，对系统安全及空间环境均会造成不良影响。尤其是我国下一代高精尖的航天器，如导弹精密制导设备的压紧释放、高精度导航及侦察卫星上光学设备的压紧释放、空间激光武器的锁紧释放等，这些场合均不能采用火工品连接与分离机构。因此，安全性高、无污染、可重复使用的非火工驱动的压紧释放装置，如SMA(形状记忆合金)、石蜡、电磁、燃绳、热刀等驱动方法，是发展空间释放机构的重点。目前美国等西方航天强国已经大力发展这类技术，形成了比较成熟的产品，但是相关产品对于中国进行严格封锁、禁运，所以这类技术是我国在当前国际形势以及国防战略背景下亟需突破的关键技术。

在现有的几种非火工释放技术中，基于燃绳和热刀驱动的释放机构在重复使用前需要更换部分零件，操作复杂，应用范围有限；基于SMA、石蜡和电磁驱动原理的释放机构在使用过程中无需破坏结构件，可以轻松实现复位和重复使用，是非火工驱动技术的焦点。但是，这类压紧释放机构普遍存在以下问题：

(1)采用整体式刚性锁紧件，容易将弯矩传递到机构内部，影响内部零件的配合关系，降低了解锁释放的可靠性；

(2)装配过程中预紧力的控制依赖力矩扳手，误差高达30％，容易造成过载，损坏结构件；

(3)采用普通的钢制弹簧和SMA丝配合，形成偏置驱动，在高温条件下，钢制弹簧的刚度和弹力会略微降低，而SMA丝的驱动力会显著增大，导致弹簧弹力和SMA丝驱动力不匹配，造成高温环境下的机构抗振性能下降严重；

(4)只用一根SMA丝作为驱动元件，没有冗余备份，可靠性不高；

(5)缺少反馈电路，由于对SMA丝通电加热的时间是随电流大小和环境温度变化的，无法预先给出精确的通电时间，实际工程应用时，通电时间过短，机构无法正常释放，而时间过长又会导致SMA丝性能严重下降，甚至被烧毁；

(6)机构内部没有自适应转动的结构，不能根据外界加载方向的变化而自适应转动，对安装精度要求苛刻。

发明内容

本发明针对空间环境下，对某些部件长时间保持压紧状态、在收到指令后迅速安全释放的应用需求，以及现有技术的不足，提供了一种非火工驱动的二级压紧释放机构。

本发明采用的技术方案为：一种非火工驱动的二级压紧释放机构，该机构包括分离帽、上保持架、上滚珠、防逃弹簧、防转销钉、驱动弹簧、内壳、弹性支撑、释放销、防逃衬套、外壳、下保持架、抗冲弹簧、下滚珠、滑块、驱动元件、端盖、应变片、控制电路等。其中，对该机构施加预紧力的过程中，通过上保持架上安装的应变片对预紧力进行精确测量，控制机构处于压紧状态，防逃弹簧、驱动弹簧和抗冲弹簧均处于压缩状态。此时，分离帽由上滚珠限位，上滚珠的位置由分离帽、上保持架以及释放销确定；防逃衬套位于上滚珠下方，套在上保持架上，可在上保持架上的长方形轨道内上下滑动；释放销由下滚珠卡位，下滚珠的位置由释放销、滑块和下保持架确定；滑块由抗冲弹簧向下压紧。释放时，通电使驱动元件开始工作，驱动滑块向上运动并压缩抗冲弹簧；当滑块上移一定距离后，下滚珠在释放销的压力作用下进入滑块的凹槽内，失去对释放销的卡位作用；释放销受驱动弹簧弹力的作用向下运动，下移一定距离后失去对上滚珠的约束；上滚珠掉入释放销的凹槽内，失去对分离帽的卡位作用，分离帽脱离，防逃衬套在防逃弹簧弹力的作用下向上运动，挡住上滚珠，控制电路检测到应变片传递的信号显示预紧力消失时，切断电流，完成释放。

其中，所述机构在压紧状态时，对于分离帽和释放销的卡位分别采用了上滚珠和下滚珠两套球锁机构，上滚珠球锁机构负责释放，下滚珠球锁机构负责触发驱动弹簧做功完成释放，这种二级滚珠卡位结构，能承受更大的释放载荷。上滚珠、下滚珠的数量，可以根据设计载荷来确定，选择2～6个滚珠，多个滚珠要在周向均布设置，保证受力平衡。

其中，所述上保持架与外壳的连接、内壳与弹性支撑的连接均采用了球面副配合连接方式，且两个接触球面的球心重合，通过球面副的自适应转动，允许被展开结构相对于安装基板有微小错动，避免因振动错位而产生弯矩，降低了振动或冲击带来的影响；此外，当机构主体在安装基板上的安装位置不精确时，还能通过球面副的自适应转动，保证机构能够正常压紧被展开结构，降低了对机构安装精度的要求。

其中，所述内壳经过绝缘处理，下端采用球面设计，其与端盖之间设有弹性支撑，弹性支撑采用弹性缓冲材料(如硅橡胶、金属橡胶)制成，增加了机构的抗振性能。

其中，所述滑块的驱动方式为非火工驱动，可根据使用场合选用不同的驱动元件，高温场合下可采用电磁、石蜡驱动，低温、狭窄空间下可采用SMA驱动。机构释放时，对驱动元件通电，分别利用电磁铁通电后产生的磁力、石蜡受热熔化膨胀后产生的液压力、SMA材料受热后内部发生相变而产生的回复力来实现滑块的驱动。

其中，对于采用SMA丝作为驱动元件的压紧释放机构中，所述抗冲弹簧采用SMA弹簧，若机构所处环境温度升高，SMA弹簧的刚度也随之增大，对滑块的压紧力变大，抵消了SMA丝驱动力因高温环境而增大的部分，力学性能匹配更好，抗冲击性能更强。当然，如果应用场合对抗冲击性能要求不高，抗冲弹簧也可选用普通的钢制弹簧，即使高温下抗冲击性能下降，也能满足使用需求。

其中，所述上保持架与外壳的连接位置设计了防转销钉，对上保持架进行防转限位，保证给分离帽上加载扭矩时(如拧入螺钉时)，上保持架能够提供足够的反力，确保有效加载，同时防止机构在承受振动时上保持架转动角度过大，出现卡死防逃弹簧或者磨损内壳等问题。

其中，所述上保持架上部均匀设置有若干个凹槽，用于嵌入对应个数的应变片，上保持架球面上布置有与凹槽位置对应的小沟槽，用于铺设传输应变片信号的引线，应变片个数为1个、2个或4个，分别组成1/4桥、半桥或全桥测量电路来测量应变，从而得到施加在机构上的预紧力，以实现对预紧力的精确控制。

其中，所述机构的控制电路，当检测到应变片传递的信号显示预紧力消失时，能切断电流，对驱动元件进行保护。

其中，所述分离帽的上部设计为球窝，连接螺钉的一端通过该球窝与分离帽连接，另一端通过球形垫片和被展开结构连接，这两处球面配合的设计保证了整个连接螺钉的传力结构为柔性，仅传递力而不传递弯矩，避免了因为传递弯矩导致分离帽受到过大侧向力而卡住的可能；另一种可行方案是将整个连接螺钉替换成钢丝绳、凯夫拉绳或者其它高强度柔性绳索，同样能消除弯矩的传递。

其中，所述防逃衬套下端加工有向内凸起的耳片，耳片通过挤压成型，与上保持架上部外圆柱面上对应的长方形轨道配合，限定防逃衬套的运动行程。

其中，所述分离帽、上保持架、上滚珠、下滚珠、释放销、滑块的运动配合面上均喷涂润滑涂层，如二硫化钼涂层、聚四氟乙烯涂层等，起到润滑和防冷焊的作用。

本发明的原理在于：本发明的整个机构采用螺钉固定在安装基板上，其分离装置为分离帽，分离帽通过连接螺钉与被展开结构连接；对机构施加预紧力的过程中，通过控制电路采集应变片信号来精确控制预紧力的施加；压紧状态下，分离帽和上保持架连接并通过上滚珠进行限位，而上滚珠在上保持架、释放销和分离帽的共同作用下受力平衡，保持相对静止，释放销的位置则由下滚珠限定，下滚珠在释放销、下保持架和滑块的作用下受力平衡，位置保持不变，滑块的轴向位置由预压缩的抗冲弹簧和下滚珠共同决定，驱动弹簧被释放销压缩而产生向下的弹力，所以整个机构在驱动弹簧、抗冲弹簧和分离帽上的预紧力的共同作用下保持平衡，实现了压紧功能；需要释放时，通电使驱动元件开始工作，驱动滑块向上运动并压缩抗冲弹簧，滑块运动到一定位置后失去对下滚珠的约束，下滚珠在释放销的作用下掉进滑块的凹槽，从而失去对释放销的卡位作用，释放销在驱动弹簧的作用下向下运动，运动一定距离后失去对上滚珠的约束；上滚珠掉入释放销的凹槽内，失去对分离帽的卡位作用，分离帽脱离，防逃弹簧推动防逃衬套向上运动挡住上滚珠，控制电路检测到应变片传递的信号显示预紧力消失，切断电流，完成释放。

与现有的技术相比，本发明可承受较大载荷、抗振性能强、高温抗冲击性能强、可靠性高、裕度大，具体表现在以下几个方面：

(1)本机构对分离帽和释放销的卡位通过上下两套滚珠实现，上滚珠球锁机构负责释放，下滚珠球锁机构负责触发驱动弹簧动作，这种二级球锁机构设计使得机构能承受的释放载荷更大，分离释放的可靠性更高。

(2)本机构在上保持架与外壳之间、内壳与弹性支撑之间采用了球面副连接方式，这两处球心重合的接触球面，通过球面副的自适应转动，允许被展开结构相对于安装基板有微小错动，避免因振动错位而产生弯矩，降低了振动或冲击带来的影响；此外，当机构主体在安装基板上的安装位置不精确时，还能通过球面副的自适应转动，保证机构能够正常压紧被展开结构，降低了对机构安装精度的要求。

(3)本机构在上保持架与外壳的配合面设计了防转销钉，其直径小于上保持架的孔径，这种设计具有三个优点：其一，允许上保持架结构可以在一定范围内摆动，当施加在分离帽上的预紧力偏离轴向时，机构能够自适应调整，且调整的幅度可以通过开孔尺寸进行控制；其二，有效防止上保持架转动角度过大而卡死防逃弹簧或者磨损内壳等问题，提高了机构的安全性；其三，保证给分离帽上加载扭矩时(如将螺钉拧入时)，上保持架能够提供足够的反力，确保有效加载。

(4)本机构中内壳下端所采用的球面设计、内壳与端盖之间的弹性支撑，防止了内壳在振动过程中与端盖发生刚性碰撞，可以对机构在压紧状态下受到的轴向振动起到缓冲作用，提高了机构的抗振性能。

(5)本机构中滑块的驱动方式为非火工驱动，可根据使用场合选用不同的驱动元件如电磁驱动、石蜡驱动、SMA驱动等，非火工驱动不会影响所使用系统的安全，也不会污染或破坏空间环境，易于进行冗余设计，保证了驱动的高可靠性。

(6)对于采用SMA丝驱动的机构，抗冲弹簧采用SMA弹簧，与普通金属材料在高温下刚度略微降低的情况不同，SMA弹簧的刚度会随环境温度的升高而增大，这样在较高温度的环境下，抗冲弹簧对滑块的压紧力更大，抵消了SMA丝驱动力因高温而增大的部分，力学性能匹配更好，机构的抗冲击性更强。

(7)本机构将应变片嵌入上保持架上的凹槽内，在不影响结构主体功能的前提下，对机构的预载荷进行测量，实现了对预紧力的精确控制。

(8)本机构的控制电路与应变片和导线相连接，当应变片传递的信号显示预紧力消失时，控制电路切断导线中的电流，对驱动元件进行保护，进一步提高了机构的安全性。

(9)本机构采用连接螺钉来连接分离帽和被展开结构，连接螺钉一端与分离帽上部的球窝面配合，另一端通过球形垫片与被展开结构连接，球窝和球形垫片的设计保证了连接螺钉的传力结构为柔性，消除了弯矩的传递，这样分离帽不会受到因弯矩而产生的侧向力，不存在卡住的可能，分离和释放过程更安全可靠。

附图说明

图1为电磁驱动的二级压紧释放机构的结构示意图；

图2为应变片安装细节图及控制电路示意图；

图3为防转销钉与上保持架配合细节图；

图4为SMA丝驱动的二级压紧释放机构的结构示意图；

图5为分离帽与被展开结构的连接示意图。

附图标号说明：1.分离帽；2.上保持架；3.上滚珠；4.防逃弹簧；5.防转销钉；6.驱动弹簧；7.内壳；8.导线；9.弹性支撑；10.释放销；11.防逃衬套；12.外壳；13.下保持架；14.抗冲弹簧；15.下滚珠；16.滑块；17.永磁体；18.电磁铁；19.端盖；20.应变片；21.引线；22.控制电路；23.连接螺钉；24.被展开结构；25.球形垫片；26.SMA丝；27.安装基板；28.螺钉。

具体实施方式

本发明中滑块的驱动方式为非火工驱动，可根据使用场合选用不同的驱动元件如电磁驱动、石蜡驱动、SMA驱动等。下面结合附图，介绍本发明的两种具体实施方式。

图1给出了本发明的一个实施例，具体是采用电磁驱动的二级压紧释放机构，选择电磁铁18作为非火工驱动元件来驱动滑块。如图1所示，分离帽1安装在上保持架2之上，由上滚珠3限位，上滚珠3的位置则由分离帽1、上保持架2以及释放销10共同决定；防逃衬套11位于上滚珠3下方，套在上保持架2上，可在上保持架2上的长方形轨道内上下滑动；释放销10由下滚珠15卡位，下滚珠15安装在释放销10、滑块16和下保持架13之间；抗冲弹簧14安装在下保持架13和滑块16之间，向下压紧滑块16，滑块16之下依次安装永磁体17和电磁铁18，电磁铁18连接导线8；内壳7经绝缘处理，其下端采用球面设计，内壳7与端盖19之间设有弹性支撑9；上保持架2与外壳12、内壳7与弹性支撑9均采用球面副配合连接，两个接触球面的球心重合；整个机构通过螺钉28与安装基板27连接固定。

如图2所示，本发明的上保持架2的外球面上均布有若干个凹槽和小沟槽，个数可以为1个、2个或4个，凹槽用以嵌入应变片20，小沟槽用于铺设传输应变片20信号的引线21，从而组成1/4桥、半桥或全桥测量电路(图2给出的是4个应变片的方案)，对预紧力进行精确测量；控制电路22连接导线8和引线21，当引线21传递的应变片20的信号显示预紧力消失时，控制电路22切断导线8中的加热电流，对驱动元件电磁铁18进行保护，进一步提高了机构的安全性。

如图1和图3所示，防转销钉5穿过外壳12，安装在上保持架2的圆柱孔内，销钉的直径小于圆柱孔的孔径，实现对上保持架2的转动限位，防止上保持架转动角度过大而卡死防逃弹簧或者磨损内壳，同时允许上保持架结构在一定范围内摆动以实现机构的自适应调整，并保证给分离帽1上的螺纹加载扭矩时(如拧入螺钉时)，上保持架能够提供足够的反力，确保有效加载。

如图5所示，分离帽1和被展开结构24通过连接螺钉23连接，连接螺钉23一端安装在分离帽1上部的球窝内，另一端通过球形垫片25与被展开结构24连接，球窝设计允许螺钉在分离帽1内转动，即使加力前连接螺钉23的方向如图5(a)所示，加力后，预紧力与外壳的轴向一致，如图5(b)所示，避免了弯矩的传递。

上述采用电磁驱动的二级压紧释放机构的工作过程如下：

如图1所示，对该机构施加预紧力的过程中，借助上保持架2上安装的应变片20，可对预紧力进行精确测量和控制；机构处于压紧状态时，分离帽1由上滚珠3限位，释放销10由下滚珠15卡位，上滚珠3位于分离帽1、上保持架2以及释放销10之间，下滚珠15在释放销10、滑块16和下保持架13的共同作用下保持静止，滑块16由抗冲弹簧14向下压紧。释放时，通过导线8对电磁铁18通电，使其产生与永磁体17相同的磁性，永磁体17在磁性斥力作用下推动滑块16向上运动，同时压缩抗冲弹簧14；当滑块16上移一定距离后，下滚珠15在释放销10的侧向压力作用下进入滑块16的凹槽内，从而失去对释放销10的卡位作用；释放销10在预压缩的驱动弹簧6的弹力作用向下运动，运动一定距离后失去对上滚珠3的约束；上滚珠3掉入释放销10的凹槽内，分离帽1失去限位而脱离，防逃衬套11在防逃弹簧4的作用下向上运动，挡住上滚珠3，应变片20检测到预紧力消失，控制电路22接收信号后切断导线8中的电流，完成释放。

图4是本发明的提供的另一个实施例，选择SMA丝26作为非火工驱动元件来驱动滑块，在滑块16下部的不同高度上设置两个正交的通孔，各穿入一根SMA丝，SMA丝26的两端固定在内壳7上部，利用SMA材料通电受热后收缩的特性，驱动滑块向上运动完成分离和释放功能，两根SMA丝互为备份，实现冗余驱动。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

通过上述具体实施方式，所述技术领域的技术人员可容易地实现本发明。但是应该清楚，本发明不限于这两种具体实施方式。在所公开的实施方式的基础上，改变部分技术特征，即可实现不同的技术方案，例如，采用石蜡、熔断丝、热刀、压电等其他类型的非火工驱动方式来实现滑块的驱动。对本技术领域的技术人员来讲，只要各种变化、替换、改进在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (12)

1.一种非火工驱动的二级压紧释放机构，其特征在于，包括：分离帽(1)、上保持架(2)、上滚珠(3)、防逃弹簧(4)、驱动弹簧(6)、内壳(7)、导线(8)、弹性支撑(9)、释放销(10)、防逃衬套(11)、外壳(12)、下保持架(13)、抗冲弹簧(14)、下滚珠(15)、滑块(16)、端盖(19)、应变片(20)、引线(21)、控制电路(22)、连接螺钉(23)、被展开结构(24)、安装基板(27)、螺钉(28)及非火工驱动元件；

压紧状态下，分离帽(1)安装在上保持架(2)之上，由上滚珠(3)限位；上滚珠(3)的位置则由分离帽(1)、上保持架(2)以及释放销(10)共同决定；防逃衬套(11)位于上滚珠(3)下方，套在上保持架(2)上，在特定的轨道内上下滑动；释放销(10)由下滚珠(15)卡位，下滚珠(15)安装在释放销(10)、滑块(16)和下保持架(13)之间；抗冲弹簧(14)安装在下保持架(13)和滑块(16)之间，向下压紧滑块(16)，滑块(16)之下安装非火工驱动元件；上保持架(2)与外壳(12)连接；内壳(7)经绝缘处理，下端采用球面设计，内壳(7)与端盖(19)之间设有弹性支撑(9)；上保持架(2)上安装应变片(20)；防逃弹簧(4)、驱动弹簧(6)和抗冲弹簧(14)均处于压缩状态；分离帽(1)和被展开结构(24)采用连接螺钉(23)实现连接；整个机构通过螺钉(28)与安装基板(27)连接固定；

释放时，通电使非火工驱动元件开始工作，驱动滑块(16)向上运动，同时压缩抗冲弹簧(14)，当滑块(16)上移一定距离后，下滚珠(15)在释放销(10)的侧向压力作用下进入滑块(16)的凹槽内，从而失去对释放销(10)的卡位作用，释放销(10)受驱动弹簧(6)的弹力作用而向下运动，下移一定距离后失去对上滚珠(3)的约束，上滚珠(3)掉入释放销(10)的凹槽内，分离帽(1)失去限位而脱离，防逃弹簧(4)推动防逃衬套(11)上移，挡住上滚珠(3)；控制电路(22)连接导线(8)和引线(21)，当引线(21)传递的应变片(20)的信号显示预紧力消失时，控制电路(22)切断导线(8)中的电流，完成释放。

2.根据权利要求1所述的一种非火工驱动的二级压紧释放机构，其特征在于，所述机构的上保持架(2)上均匀设置有若干个凹槽，将对应个数的应变片(20)分别嵌入凹槽内，可在确保结构主体功能的前提下，通过控制电路(22)测量应变，从而得到施加在机构上的预紧力，实现对预紧力的精确控制。

3.根据权利要求2所述的一种非火工驱动的二级压紧释放机构，其特征在于，所述机构的上保持架(2)上的凹槽个数为1个、2个或4个，贴对应个数的应变片(20)，分别组成1/4桥、半桥或全桥测量电路。

4.根据权利要求2所述的一种非火工驱动的二级压紧释放机构，其特征在于，所述机构的上保持架(2)球面上布置有小沟槽，与嵌入应变片(20)的凹槽对应，用于铺设传输应变片(20)信号的引线(21)。

5.根据权利要求1所述的一种非火工驱动的二级压紧释放机构，其特征在于，上滚珠(3)、下滚珠(15)数量可以是2～6个，根据设计载荷确定，要在周向均布设置，保证受力平衡。

6.根据权利要求1所述的一种非火工驱动的二级压紧释放机构，其特征在于，根据使用场合选用不同的非火工驱动元件，包括电磁铁(18)，SMA丝(26)或石蜡驱动器；高温场合下选用电磁驱动或石蜡驱动；低温场合和/或狭小空间下选用SMA丝驱动；若采用SMA丝驱动，可以正交布置2根，起到冗余备份作用。

7.根据权利要求1所述的一种非火工驱动的二级压紧释放机构，其特征在于，所述上保持架(2)与外壳(12)的连接、内壳(7)与弹性支撑(9)的连接，均采用了球面副配合连接方式，且两个球面的球心重合。

8.根据权利要求1所述的一种非火工驱动的二级压紧释放机构，其特征在于，根据使用场合选择不同的抗冲弹簧(14)，包括SMA弹簧或普通钢制弹簧。

9.根据权利要求1所述的一种非火工驱动的二级压紧释放机构，其特征在于，所述上保持架(2)与外壳(12)的连接位置设计了防转销钉(5)，对上保持架(2)进行防转限位。

10.根据权利要求1所述的一种非火工驱动的二级压紧释放机构，其特征在于，分离帽(1)上与连接螺钉(23)连接的部分采用球窝设计，连接螺钉(23)一端安装在分离帽(1)的球窝内，另一端通过球形垫片(25)和被展开结构(24)连接。

11.根据权利要求1所述的一种非火工驱动的二级压紧释放机构，其特征在于，所述防逃衬套(11)下端有挤压成型的向内凸起的耳片，与上保持架(2)上部外圆柱面上对应的长方形轨道配合，限定防逃衬套(11)的运动行程。

12.根据权利要求1所述的一种非火工驱动的二级压紧释放机构，其特征在于，分离帽(1)、上保持架(2)、上滚珠(3)、下滚珠(15)、释放销(10)、滑块(16)的运动配合面上均喷涂润滑涂层如二硫化钼涂层、聚四氟乙烯涂层等，起到润滑和防冷焊的作用。