CN109250155B - 一种采用弹片阻尼的空间系绳释放机构 - Google Patents

Abstract

一种采用弹片阻尼的空间系绳释放机构，涉及绳系卫星设计领域；包括中心轴、挡圈、深沟球轴承、滚轮、系绳、支架、钢球、底座和弹片；支架固定安装在底座的上表面；中心轴水平固定安装在支架的中部位置；滚轮套装在中心轴轴向中部的外壁；深沟球轴承设置在滚轮与中心轴之间；挡圈固定安装在深沟球轴承的轴向两端；系绳沿周向缠绕在滚轮的周向外壁处；钢球设置在滚轮的底端轴向侧壁处；弹片水平固定安装在底座顶端；且弹片设置在滚轮轴向侧壁与底座顶端之间；本发明解决了系绳展开到位后产生的张紧冲击引起的系绳断裂及其对主体飞行器的较大冲击载荷问题，具有可靠释放、阻尼有效、结构简单、适应范围广等优点。

Description

一种采用弹片阻尼的空间系绳释放机构

技术领域

本发明涉及一种绳系卫星设计领域，特别是一种采用弹片阻尼的空间系绳释放机构。

背景技术

绳系卫星作为一种新型的太空飞行器，能满足未来太空任务多样性的要求，一经提出便受到并引起了各国研究人员的广泛关注和兴趣。绳系卫星系统是指通过系绳将卫星与其它主体飞行器(如火箭末级、空间站、大卫星)相连，可以在人工重力产生、火箭末级监控、航天器轨道转移、空间碎片清理、空间环境监测等一系列航天任务中发挥着重要作用。

用于绳系卫星与主体飞行器相连的系绳则是绳系卫星系统中的关键组件，需要设计专门的系绳释放机构进行绳系卫星的释放，以将系绳随着绳系卫星从主体飞行器中可靠释放展开，同时要避免系绳张紧时的瞬间冲击引起系绳断裂及其给主体飞行器带来较大的冲击。因此要对系绳释放机构中的系绳释放进行阻尼，使绳系卫星释放速度逐渐减小，避免因系绳展开到位后张紧瞬间冲击的产生。

国内外许多研究机构对系绳释放技术进行了研究，南京航空航天大学王加成研究了短距离绳系卫星释放与控制技术(硕士论文《短距绳系卫星释放和控制研究》，2014)，提出系绳卷绕机构方案实现对系绳的释放控制，通过控制电机输出扭矩控制系绳的张力，这种方法系统复杂、成本高，需要综合考虑绳系卫星释放速度与电机输出扭矩的配合关系。西北工业大学王长青提出一种膜片空间系绳制动器(授权号：CN 103233990B)，采用一种底面开口的圆锥形膜片压住系绳，可通过改变膜片圆锥角来产生不同的压紧制动力。西北工业大学李爱军提出空间系绳系统楔形制动机构(授权号：CN 103241387B)，通过楔形细缝的不同深度来调整对系绳的夹紧力，楔形缝隙开口一侧的宽度大于系绳直径，另一侧的宽度小于系绳直径。西北工业大学王长青提出空间系绳系统弹性夹片制动机构(授权号：CN103244581B)，采用2～3个弹性夹片对系绳进行夹紧，可通过改变弹性夹片的形状产生变化的制动力。西北工业大学所提的这三种技术都是通过摩擦作用在系绳上对系绳的释放进行阻尼减速，但易使系绳受到较大的刮擦损伤，特别是在绳系卫星释放速度较大需要较大摩擦阻尼的情况下。北京航空航天大学楚中毅提出一种应用于空间卫星系统系绳展开、回收及张力控制装置(授权号：CN 108415449A)，系绳缠绕在摩擦轮上，绳系卫星释放后，通过多个弹簧压缩摩擦片，从而对摩擦轮产生摩擦力起到缓冲阻尼作用，这种方法系统复杂，发射力学环境适应性较差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种采用弹片阻尼的空间系绳释放机构，解决了系绳展开到位后产生的张紧冲击引起的系绳断裂及其对主体飞行器的较大冲击载荷问题，具有可靠释放、阻尼有效、结构简单、适应范围广等优点。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种采用弹片阻尼的空间系绳释放机构，包括中心轴、挡圈、深沟球轴承、滚轮、系绳、支架、钢球、底座和弹片组；其中，底座为水平放置的立方体结构；支架固定安装在底座的上表面；中心轴水平固定安装在支架的中部位置；滚轮套装在中心轴轴向中部的外壁；深沟球轴承设置在滚轮与中心轴之间；通过深沟球轴承实现滚轮以中心轴为轴线旋转；挡圈固定安装在深沟球轴承的轴向两端；系绳沿周向缠绕在滚轮的周向外壁处；钢球设置在滚轮的底端轴向侧壁处；弹片组水平固定安装在底座顶端。

在上述的一种采用弹片阻尼的空间系绳释放机构，所述的钢球为球体结构；钢球的侧壁设置有柱形凹槽；滚轮侧壁对应钢球柱形凹槽的位置设置有通孔；系绳的一端穿过滚轮的通孔伸入钢球的凹槽中，并固定在钢球的凹槽中；钢球的另一端与外部飞行器固定连接。

在上述的一种采用弹片阻尼的空间系绳释放机构，所述弹片组包括2个弹片；2个弹片对称设置在滚轮的两侧；且2个弹片均设置在滚轮轴向侧壁与底座顶端之间；且2个弹片的轴向外端均与底座顶端固定连接；2个弹片的轴向内端与滚轮的轴向外侧壁接触。

在上述的一种采用弹片阻尼的空间系绳释放机构，所述滚轮轴向两端的外侧壁处对称设置有减速机构；减速机构与2个弹片的轴向内端位置对应。

在上述的一种采用弹片阻尼的空间系绳释放机构，所述减速机构包括n个减速凸台；n个减速凸台呈环状均匀分布在滚轮轴向两端的外侧壁上；n为正整数。

在上述的一种采用弹片阻尼的空间系绳释放机构，1≤n≤6。

在上述的一种采用弹片阻尼的空间系绳释放机构，设定滚轮的外圆半径为r；减速凸台距滚轮轴线的距离为l，则

在上述的一种采用弹片阻尼的空间系绳释放机构，所述减速凸台包括矩形凸台和斜面凸台；其中，斜面凸台的高侧边与矩形凸台的侧边固定连接；且矩形凸台的侧壁表面设置有矩形凹槽。

在上述的一种采用弹片阻尼的空间系绳释放机构，初始状态时，弹片的轴向内端伸入凹槽内，实现对滚轮的限位；且弹片与凹槽为间隙配合。

在上述的一种采用弹片阻尼的空间系绳释放机构，所述释放机构的工作过程为：

外部飞行器运动通过系绳带动滚轮转动；弹片弹出凹槽；滚轮在外部飞行器的带动下加速旋转；滚轮每旋转一周；弹片就与减速凸台接触一次；弹片的轴向内端依次与斜面凸台的倾斜面和矩形凸台的上表面接触产生摩擦力，实现对滚轮转速的减速。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明使用深沟球轴承实现滚轮和中心轴之间的自由滑动，提高系绳释放可靠性；

(2)本发明通过对缠绕系绳的滚轮摩擦阻尼实现对系绳释放的减速，避免刮擦损伤系绳，提高系绳使用质量；

(3)本发明通过斜面凸台和矩形凸台相结合的方式实现弹片摩擦阻尼的连续性；

(4)本发明通过弹片插入凹槽的方式防止滚轮自由转动，提高系绳释放机构的力学环境适应性；

(5)本发明可以通过改变薄弹片厚度、或凸台高度、或设计多个分布式凸台结构方式实现不同大小的摩擦阻尼。本发明在结构复杂性、方案通用性、环境适应性、可靠性等方面要优于现有技术。

附图说明

图1为本发明系绳释放机构示意图；

图2为本发明系绳释放机构剖视图；

图3为本发明钢球示意图；

图4为本发明减速机构示意图；

图5为本发明减速凸台示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

一种采用弹片阻尼的空间系绳释放机构，通过弹片插入凹槽17实现滚轮4的固定，通过滚轮4上减速机构14与弹片的摩擦实现系绳5释放速度的减速，避免系绳5释放到位后所产生的张紧冲击带来的系绳5断裂及其给主体飞行器带来的较大冲击载荷。

如图1所示为系绳释放机构示意图，如图2所示为系绳释放机构剖视图，由图可知，一种采用弹片阻尼的空间系绳释放机构，包括中心轴1、挡圈2、深沟球轴承3、滚轮4、系绳5、支架6、钢球10、底座11和弹片组12；其中，底座11为水平放置的立方体结构；支架6固定安装在底座11的上表面；中心轴1水平固定安装在支架6的中部位置；滚轮4套装在中心轴1轴向中部的外壁；深沟球轴承3设置在滚轮4与中心轴1之间；通过深沟球轴承3实现滚轮4以中心轴1为轴线旋转；挡圈2固定安装在深沟球轴承3的轴向两端；系绳5沿周向缠绕在滚轮4的周向外壁处；可以根据系绳5的长度来设计滚轮4的相关尺寸。钢球10设置在滚轮4的底端轴向侧壁处；弹片组12水平固定安装在底座11顶端。

如图3所示为钢球示意图，由图可知，钢球10为球体结构；钢球10的侧壁设置有柱形凹槽101；滚轮4侧壁对应钢球10柱形凹槽101的位置设置有通孔13；系绳5的一端穿过滚轮4的通孔13伸入钢球10的凹槽101中，并固定在钢球10的凹槽101中；钢球10的另一端与外部飞行器固定连接。

弹片组12包括2个弹片；2个弹片对称设置在滚轮4的两侧；且2个弹片均设置在滚轮4轴向侧壁与底座11顶端之间；且2个弹片的轴向外端均与底座11顶端固定连接；2个弹片的轴向内端与滚轮4的轴向外侧壁接触。

如图4所示为减速机构示意图，由图可知，滚轮4轴向两端的外侧壁处对称设置有减速机构14；减速机构14与2个弹片的轴向内端位置对应。

如图5所示为减速凸台示意图，由图可知，减速机构14包括n个减速凸台141；n个减速凸台141呈环状均匀分布在滚轮4轴向两端的外侧壁上；n为正整数，且1≤n≤6。设定滚轮4的外圆半径为r；减速凸台141距滚轮4轴线的距离为l，则

减速凸台141包括矩形凸台18和斜面凸台19；其中，斜面凸台19的高侧边与矩形凸台18的侧边固定连接；且矩形凸台18的侧壁表面设置有矩形凹槽17。

初始状态时，弹片的轴向内端伸入凹槽17内，实现对滚轮4的限位；且弹片与凹槽17为间隙配合。

释放机构的工作过程为：

外部飞行器运动通过系绳5带动滚轮4转动；弹片弹出凹槽17；滚轮4在外部飞行器的带动下加速旋转；滚轮4每旋转一周；弹片就与减速凸台141接触一次；弹片的轴向内端依次与斜面凸台19的倾斜面和矩形凸台18的上表面接触产生摩擦力，实现对滚轮4转速的减速。弹片可以在矩形凸台18和斜面凸台19滑动，依靠滑动摩擦力对滚轮4的转动进行阻尼减速。如此往复，滚轮4每转一圈，都会受到弹片的摩擦阻尼作用，从而使得滚轮4不断减速，系绳5的释放速度也随之减速，可以通过合理设计相关结构尺寸，使得系绳5释放完毕时外部飞行器的速度减到0m/s，这样系绳5不会因突然的张紧冲击发生断裂故障及其给主体飞行器带来的较大冲击载荷，同时也不会发生反弹。

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 (7)

1.一种采用弹片阻尼的空间系绳释放机构，其特征在于：包括中心轴(1)、挡圈(2)、深沟球轴承(3)、滚轮(4)、系绳(5)、支架(6)、钢球(10)、底座(11)和弹片组(12)；其中，底座(11)为水平放置的立方体结构；支架(6)固定安装在底座(11)的上表面；中心轴(1)水平固定安装在支架(6)的中部位置；滚轮(4)套装在中心轴(1)轴向中部的外壁；深沟球轴承(3)设置在滚轮(4)与中心轴(1)之间；通过深沟球轴承(3)实现滚轮(4)以中心轴(1)为轴线旋转；挡圈(2)固定安装在深沟球轴承(3)的轴向两端；系绳(5)沿周向缠绕在滚轮(4)的周向外壁处；钢球(10)设置在滚轮(4)的底端轴向侧壁处；弹片组(12)水平固定安装在底座(11)顶端；

所述滚轮(4)轴向两端的外侧壁处对称设置有减速机构(14)；减速机构(14)与2个弹片的轴向内端位置对应；

所述减速机构(14)包括n个减速凸台(141)；n个减速凸台(141)呈环状均匀分布在滚轮(4)轴向两端的外侧壁上；n为正整数；

所述减速凸台(141)包括矩形凸台(18)和斜面凸台(19)；其中，斜面凸台(19)的高侧边与矩形凸台(18)的侧边固定连接；且矩形凸台(18)的侧壁表面设置有矩形凹槽(17)。

2.根据权利要求1所述的一种采用弹片阻尼的空间系绳释放机构，其特征在于：所述的钢球(10)为球体结构；钢球(10)的侧壁设置有柱形凹槽(101)；滚轮(4)侧壁对应钢球(10)柱形凹槽(101)的位置设置有通孔(13)；系绳(5)的一端穿过滚轮(4)的通孔(13)伸入钢球(10)的凹槽(101)中，并固定在钢球(10)的凹槽(101)中；钢球(10)的另一端与外部飞行器固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种采用弹片阻尼的空间系绳释放机构，其特征在于：所述弹片组(12)包括2个弹片；2个弹片对称设置在滚轮(4)的两侧；且2个弹片均设置在滚轮(4)轴向侧壁与底座(11)顶端之间；且2个弹片的轴向外端均与底座(11)顶端固定连接；2个弹片的轴向内端与滚轮(4)的轴向外侧壁接触。

4.根据权利要求3所述的一种采用弹片阻尼的空间系绳释放机构，其特征在于：1≤n≤6。

5.根据权利要求4所述的一种采用弹片阻尼的空间系绳释放机构，其特征在于：设定滚轮(4)的外圆半径为r；减速凸台(141)距滚轮(4)轴线的距离为l，则

6.根据权利要求5所述的一种采用弹片阻尼的空间系绳释放机构，其特征在于：初始状态时，弹片的轴向内端伸入凹槽(17)内，实现对滚轮(4)的限位；且弹片与凹槽(17)为间隙配合。

7.根据权利要求6所述的一种采用弹片阻尼的空间系绳释放机构，其特征在于：所述释放机构的工作过程为：

外部飞行器运动通过系绳(5)带动滚轮(4)转动；弹片弹出凹槽(17)；滚轮(4)在外部飞行器的带动下加速旋转；滚轮(4)每旋转一周；弹片就与减速凸台(141)接触一次；弹片的轴向内端依次与斜面凸台(19)的倾斜面和矩形凸台(18)的上表面接触产生摩擦力，实现对滚轮(4)转速的减速。

Images