CN109703731A - 缓冲结构、缓冲吸能回收装置及飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种缓冲结构、缓冲吸能回收装置及飞行器，该缓冲结构包括：蜂窝芯，蜂窝芯具有多个容纳孔，多个容纳孔用于容纳飞行器级间分离过程中的爆炸螺栓残余部件；第一面板和第二面板，蜂窝芯设置在第一面板和第二面板之间，第一面板和第二面板与蜂窝芯的截面随形设计；其中，在飞行器级间分离的过程中，缓冲结构通过自身塑形变形以吸收爆炸螺栓残余部件的能量。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中无法对具有高度危害性的爆炸螺栓分离残件进行安全可靠地回收的技术问题。

Description

缓冲结构、缓冲吸能回收装置及飞行器

技术领域

本发明涉及飞行器技术领域，尤其涉及一种缓冲结构、缓冲吸能回收装置及飞行器。

背景技术

高超声速飞行器级间分离过程中，巨大的爆炸能推动爆炸螺栓残件以较大的速度前进，一般可达30m/s，高动量的撞击会引起弹体结构和舱内设备的破坏。要想在分离过程中避免这种损坏，必须在舱内设置缓冲回收装置对分离残件进行缓冲回收，此回收装置要具有安全、可靠、稳定等特征。而在现有技术中，通常采用材料断裂以作为吸能方式，此种方式无法对具有高度危害性的爆炸螺栓分离残件进行安全可靠地回收，极大地降低了飞行器的安全性能。

发明内容

本发明提供了一种缓冲结构、缓冲吸能回收装置及飞行器，能够解决现有技术中无法对具有高度危害性的爆炸螺栓分离残件进行安全可靠地回收的技术问题。

根据本发明的一方面，提供了一种用于飞行器的缓冲结构，缓冲结构包括：蜂窝芯，蜂窝芯具有多个容纳孔，多个容纳孔用于容纳飞行器级间分离过程中的爆炸螺栓残余部件；第一面板和第二面板，蜂窝芯设置在第一面板和第二面板之间，第一面板和第二面板与蜂窝芯的截面随形设计；其中，在飞行器级间分离的过程中，缓冲结构通过自身塑形变形以吸收爆炸螺栓残余部件的能量。

进一步地，缓冲结构还包括防护带，防护带设置在蜂窝芯的周缘。

进一步地，容纳孔的结构形状包括正六边形、圆形和正方形。

进一步地，蜂窝芯的材质为GH99高温合金。

进一步地，第一面板和第二面板的材质均为GH99高温合金，第一面板通过钎焊设置在蜂窝芯的一端，第二面板通过钎焊设置在蜂窝芯的另一端。

根据本发明的另一方面，提供了一种缓冲吸能回收装置，缓冲吸能回收装置包括回收盒、固定连接件和缓冲结构，缓冲结构为如上所述的缓冲结构，缓冲结构设置在回收盒和爆炸螺栓之间，回收盒通过固定连接件与舱体连接。

进一步地，固定连接件包括第一螺钉、第二螺钉和销钉，第一螺钉和第二螺钉用于承受缓冲结构变形时的弯矩，销钉用于承受缓冲结构变形时的剪切力矩。

进一步地，缓冲结构的截面载荷f应满足其中，m₁为爆炸螺栓残余部件的质量，V₀为爆炸螺栓残余部件分离时的速度，A为缓冲结构的横截面积，α为转换系数，L_d为缓冲结构的非弹性压缩量，L_e为缓冲结构的弹性压缩量。

进一步地，第一螺钉和第二螺钉的最大拉力F_P均应满足其中，L₂为爆炸螺栓的中心轴与回收盒的安装台面之间的距离，L₁为第一螺钉和第二螺钉之间的距离，F₀为缓冲结构的平均压溃力。

根据本发明的又一方面，提供了一种飞行器，飞行器包括如上所述的缓冲吸能回收装置。

应用本发明的技术方案，提供了一种用于飞行器的缓冲结构，该缓冲结构能够利用自身的塑形变形消耗残余部件的动能，同时约束爆炸螺栓残件的回弹。此外，本发明的缓冲结构延长了爆炸螺栓残件对舱体的作用时间，减弱了舱体的冲击应力。本发明所提供的缓冲结构与现有技术中利用材料断裂作为吸能方式相比，稳定性及可靠性更高，结构简单且成本低。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的缓冲结构的侧视图；

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的缓冲结构的主视图；

图3示出了根据本发明的具体实施例提供的缓冲结构在被压溃前的结构示意图；

图4示出了根据本发明的具体实施例提供的缓冲结构在被压溃后的结构示意图；

图5示出了根据本发明的具体实施例提供的缓冲吸能回收装置的结构示意图；

图6示出了根据本发明的具体实施例提供的缓冲结构的力与位移之间的曲线关系图；

图7示出了根据本发明的具体实施例提供的非线性弹簧的力与位移之间的曲线关系图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、蜂窝芯；10a、容纳孔；20、第一面板；30、第二面板；100、回收盒；200、固定连接件；201、第一螺钉；202、第二螺钉；203、销钉；300、爆炸螺栓；400、螺母。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1至图4所示，根据本发明的具体实施例提供了一种用于飞行器的缓冲结构，该缓冲结构包括蜂窝芯10、第一面板20和第二面板30，蜂窝芯10具有多个容纳孔10a，多个容纳孔10a用于容纳飞行器级间分离过程中的爆炸螺栓残余部件，蜂窝芯10设置在第一面板20和第二面板30之间，第一面板20和第二面板30与蜂窝芯10的截面随形设计；其中，在飞行器级间分离的过程中，缓冲结构通过自身塑形变形以吸收爆炸螺栓残余部件的能量。

应用此种配置方式，提供了一种用于飞行器的缓冲结构，该缓冲结构能够利用自身的塑形变形消耗残余部件的动能，同时约束爆炸螺栓残件的回弹。此外，本发明的缓冲结构延长了爆炸螺栓残件对舱体的作用时间，减弱了舱体的冲击应力。本发明所提供的缓冲结构与现有技术中利用材料断裂作为吸能方式相比，稳定性及可靠性更高，结构简单且成本低。

进一步地，在本发明中，为了防止蜂窝芯边缘和突起物划伤操作者，可将缓冲结构配置为还包括防护带，防护带设置在蜂窝芯10的周缘。作为本发明的一个具体实施例，可采用胶带作为防护带，胶带缠绕在蜂窝芯10的侧面，以防止蜂窝芯10的边缘和突起物划伤操作者。

此外，在本发明中，为了能够实现对爆炸螺栓残余部件的有效回收，可将容纳孔10a的结构形状配置为包括正六边形、圆形和正方形。作为本发明的其他实施例，也可采用其他不规则形状的容纳孔10a。作为本发明的一个具体实施例，如图2所示，容纳孔10a的结构形状为正六边形，正六边形的边长为6mm，各个边的厚度为1.2mm，蜂窝芯10的高度为27mm。

进一步地，在本发明中，为了能够有效吸收爆炸螺栓残余部件的能量，可将蜂窝芯10的材质配置为GH99高温合金。应用此种配置方式，通过将蜂窝芯10的材质配置为GH99高温合金，此材料的体积比吸能大，能够达到6J/cm³，初始压溃力仅为22000N左右，因此具有在小空间吸收大冲量的性能。

此外，在本发明中，为了进一步地吸收爆炸螺栓残余部件的能量，可将第一面板20和第二面板30的材质均配置为GH99高温合金，第一面板20通过钎焊设置在蜂窝芯10的一端，第二面板30通过钎焊设置在蜂窝芯10的另一端。作为本发明的一个具体实施例，第一面板20和第二面板30的厚度均为1mm，第一面板20和第二面板30与蜂窝芯10的截面随形，以确保蜂窝芯10能够均匀承载，变形可控。

为了对本发明有进一步地了解，下面结合图3和图4对本发明的缓冲结构进行详细说明。

爆炸螺栓解锁之前，缓冲结构的结构如图3所示。在爆炸螺栓300解锁后，爆炸螺栓残件以一定初速撞击蜂窝缓冲结构上，蜂窝缓冲结构先后经过弹性变形阶段，此时爆炸螺栓残件的部分动能转化为蜂窝的弹性势能；然后经过塑性变形阶段，此时蜂窝缓冲结构被压溃，如图4所示，爆炸螺栓残件和蜂窝存储的弹性势能全部被蜂窝耗散掉。在整个耗散阶段，爆炸螺栓残件对弹体的冲击载荷被限定于蜂窝的压溃力之内，避免了残件对弹体产生大应力载荷，且残件最终被压溃变形后的蜂窝缓冲结构包裹，实现了蜂窝缓冲结构对爆炸螺栓残件的安全、可靠回收。

在本实施例中，爆炸螺栓残件的高动能被蜂窝缓冲结构完全吸收并通过塑性变形耗散掉，未对弹体结构和功能设备形成有害冲击和振动。蜂窝缓冲结构作为吸能元件，通过蜂窝芯结构的塑性变形消耗残余部件的动能，同时约束爆炸螺栓残件的回弹；同时，蜂窝缓冲结构延长了爆炸螺栓残件对舱体的作用时间，减弱了舱体的冲击应力。因此，应用本发明的缓冲结构，能够在飞行器级间火工分离过程中，实现高速大冲量爆炸螺栓的稳定、可靠回收。

根据本发明的另一方面，提供了一种缓冲吸能回收装置，该缓冲吸能回收装置包括回收盒100、固定连接件200和缓冲结构，缓冲结构为如上所述的缓冲结构，缓冲结构设置在回收盒100和爆炸螺栓之间，回收盒100通过固定连接件200与舱体连接。应用此种配置方式，由于本发明的缓冲结构能够利用自身的塑形变形消耗残余部件的动能，同时约束爆炸螺栓残件的回弹。此外，本发明的缓冲结构延长了爆炸螺栓残件对舱体的作用时间，减弱了舱体的冲击应力。因此，将本发明的缓冲结构运用到缓冲吸能回收装置中，能够极大地提高缓冲吸能回收装置的工作性能。

进一步地，在本发明中，为了提高缓冲结构的连接可靠性，可将固定连接件200配置为包括第一螺钉201、第二螺钉202和销钉203，第一螺钉201和第二螺钉202用于承受缓冲结构变形时的弯矩，销钉203用于承受缓冲结构变形时的剪切力矩。

此外，在本发明中，为了能够确保缓冲结构的吸能性能的可靠性，需要对蜂窝缓冲结构进行受力分析。在使用理论分析方法进行蜂窝缓冲结构的选择时，依据达朗贝尔原理，在缓冲吸能回收装置中加入惯性力，使结构由不平衡的动力系统变成平衡的惯性系统，运用静载荷的计算方法计算高温合金蜂窝缓冲结构的变形能，根据蜂窝缓冲结构的变形能以确定蜂窝缓冲结构的截面载荷。

具体地，在本发明中，缓冲吸能回收装置的缓冲收集过程可简化为：质量为m₁的爆炸螺栓残件，在分离后以V₀的速度向前飞出，行程为L₀，作用到截面积为A的蜂窝缓冲结构上。蜂窝缓冲结构在平均压溃力F₀的作用下吸收爆炸螺栓残件的动能。

依据达朗贝尔原理，在缓冲吸能回收装置中加入惯性力，使结构由不平衡的动力系统变成平衡的惯性系统，以便运用静载荷的计算方法计算变形能。这种简化方法可以用于缓冲吸能回收装置参数的估算。缓冲吸能回收装置的蜂窝缓冲结构在爆炸螺栓残件的冲击力下发生压溃变形，力与位移曲线如图6所示。如果忽略冲击过程的能量损失，蜂窝缓冲结构的变形与非线性弹簧相似，非线性弹簧的力与位移曲线如图7所示。因此，可以将蜂窝缓冲结构的冲压变形简化为图7中的力与位移曲线。

当压缩量x≤L_d时，T₀≤W_j(公式一)，W_j＝αW₀(公式二)

其中，T₀为爆炸残余螺杆与螺母400的动能，W_j为动态冲击下高温合金蜂窝缓冲结构压缩量为L_d时的势能，W₀为静态冲击下蜂窝缓冲结构的压缩量为L_e时的势能，α为转换系数。作为本发明的一个具体实施例，动态撞击与准静态压缩相比，各规格蜂窝缓冲结构的平台强度、比载荷、质量比吸能、体积比吸能均有所提升，平均提升约33％，所以可取α＝1.33。

由W_j＝αW₀可知，

根据公式一、三、五可得

令F₀＝f×A，可得：

其中，f为高温合金蜂窝截面载荷。

由上可知，蜂窝缓冲结构的截面载荷f应满足其中，m₁为爆炸螺栓残余部件的质量，V₀为爆炸螺栓残余部件分离时的速度，A为蜂窝缓冲结构的横截面积，α为转换系数，L_d为蜂窝缓冲结构的非弹性压缩量，L_e为蜂窝缓冲结构的弹性压缩量。

作为本发明的一个具体实施例，爆炸螺栓起爆解锁后，其冲量I为18N·s，爆炸螺栓残件的质量m₁为545g，爆炸螺栓残件的冲击速度为其动量与质量的比值，即冲击速度为：

L_e≈3.1％L₀～5.8％L₀≈1.3mm

L_d≈78％L₀～90％L₀≈19mm

高温合金蜂窝缓冲件的横截面A为50mm×50mm，即A＝2500mm²

将上述各参数代入公式七可得f≥4.9J/cm³。

在本发明中，为了避免爆炸螺栓残件对舱体造成破坏，残件的缓冲吸能和回收过程中产生的冲击力不能过大，所选主吸能结构的体积比吸能不小于4.9J/cm³。高温合金蜂窝缓冲件体积比吸能高达6J/cm³，初始压溃力约为22000N，满足作为缓冲吸能回收装置主吸能结构的要求，因此可确定为主吸能结构。作为本发明的一个具体实施例，蜂窝芯10的材料选择GH99，内切圆直径为10mm，蜂窝芯10的厚度为0.12mm，前后蒙皮均为1mm的GH99面板，通过钎焊实现蒙皮和蜂窝芯的连接。根据舱内缓冲空间限制，高温合金蜂窝的厚度取30mm。

进一步地，为了能够确保缓冲结构的连接可靠性，需要对固定连接件的连接可靠性进行分析。作用在高温合金蜂窝缓冲结构上的平均压溃力产生的弯矩由回收盒100上的第一螺钉201和第二螺钉202承受，第一螺钉201和第二螺钉202承受的最大拉力F_P，爆炸螺栓中心轴距回收盒安装台面L₂，第一螺钉和第二螺钉之间的距离为L₁。

为确保缓冲结构的可靠连接，高温合金蜂窝缓冲结构被压缩时平均压溃力F₀产生的弯矩M_L应小于蜂窝支撑支架安装螺钉的最大拉力F_P产生的弯矩M_P，因此：

M_P≥M_L (公式八)

F_PL₁≥F₀L₂ (公式九)

由上可知，为了保证缓冲结构的连接可靠性，选择第一螺钉201和第二螺钉202以用于承受高温合金蜂窝缓冲件30结构变形时的弯矩，选择销钉以用于承受高温合金蜂窝缓冲件结构变形时的剪切力矩，第一螺钉201和第二螺钉202的最大拉力F_P均应满足其中，L₂为爆炸螺栓的中心轴与回收盒的安装台面之间的距离，L₁为第一螺钉和第二螺钉之间的距离，F₀为高温合金蜂窝缓冲件的平均压溃力。

作为本发明的一个具体实施例，L₁＝25mm，L₂＝27mm，按照高温合金蜂窝缓冲件的平均压溃载荷F₀为15000N获得的螺钉平均拉力为：

F_P≥16200N

如果按照瞬间压缩时高温合金蜂窝缓冲件的峰值压溃载荷F₀为22000N并对峰值载荷取1.25的安全系数，则螺钉设计能承受的最大拉力为：

F_P≥29700N

在本发明中，缓冲吸能回收装置通过连接螺钉和承剪销钉实现和飞行器舱体的连接。9310钢抗拉强度1200MPa以上，冲击功在180J以上，冲击韧性在2.3J/mm2以上，用其制成的M6螺钉承载力可达33.9kN。因此，9310钢满足缓冲吸能回收装置对固定连接结构强度高、抗冲击的要求。螺钉能承受的最大拉力为33912N，则M6的螺钉拉断时，GH99蜂窝的初始压溃力为31400N，满足静态承载要求。

根据本发明的又一方面，提供了一种飞行器，该飞行器包括如上所述的缓冲吸能回收装置。由于本发明的缓冲吸能回收装置更加安全可行，能够对具有高度危害性的爆炸螺栓分离残件进行安全可靠地回收，适用于空间狭小的飞行器中爆炸螺栓高速分离后大冲量残件的缓冲、吸能和回收。因此，将本发明的缓冲吸能回收装置应用到飞行器中，能够极大地提高飞行器的工作性能。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于飞行器的缓冲结构，其特征在于，所述缓冲结构包括：

蜂窝芯(10)，所述蜂窝芯(10)具有多个容纳孔(10a)，多个所述容纳孔(10a)用于容纳飞行器级间分离过程中的爆炸螺栓残余部件；

第一面板(20)和第二面板(30)，所述蜂窝芯(10)设置在所述第一面板(20)和所述第二面板(30)之间，所述第一面板(20)和所述第二面板(30)与所述蜂窝芯(10)的截面随形设计；

其中，在飞行器级间分离的过程中，所述缓冲结构通过自身塑形变形以吸收爆炸螺栓残余部件的能量。

2.根据权利要求1所述的用于飞行器的缓冲结构，其特征在于，所述缓冲结构还包括防护带，所述防护带设置在所述蜂窝芯(10)的周缘。

3.根据权利要求1所述的用于飞行器的缓冲结构，其特征在于，所述容纳孔(10a)的结构形状包括正六边形、圆形和正方形。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于飞行器的缓冲结构，其特征在于，所述蜂窝芯(10)的材质为GH99高温合金。

5.根据权利要求4所述的用于飞行器的缓冲结构，其特征在于，所述第一面板(20)和所述第二面板(30)的材质均为GH99高温合金，所述第一面板(20)通过钎焊设置在所述蜂窝芯(10)的一端，所述第二面板(30)通过钎焊设置在所述蜂窝芯(10)的另一端。

6.一种缓冲吸能回收装置，其特征在于，所述缓冲吸能回收装置包括回收盒(100)、固定连接件(200)和缓冲结构，所述缓冲结构为权利要求1至5中任一项所述的缓冲结构，所述缓冲结构设置在所述回收盒(100)和爆炸螺栓之间，所述回收盒(100)通过固定连接件(200)与舱体连接。

7.根据权利要求6所述的缓冲吸能回收装置，其特征在于，所述固定连接件(200)包括第一螺钉(201)、第二螺钉(202)和销钉(203)，所述第一螺钉(201)和所述第二螺钉(202)用于承受所述缓冲结构变形时的弯矩，所述销钉(203)用于承受所述缓冲结构变形时的剪切力矩。

8.根据权利要求7所述的缓冲吸能回收装置，其特征在于，所述缓冲结构的截面载荷f应满足其中，m₁为爆炸螺栓残余部件的质量，V₀为爆炸螺栓残余部件分离时的速度，A为所述缓冲结构的横截面积，α为转换系数，L_d为所述缓冲结构的非弹性压缩量，L_e为所述缓冲结构的弹性压缩量。

9.根据权利要求8所述的缓冲吸能回收装置，其特征在于，所述第一螺钉(201)和所述第二螺钉(202)的最大拉力F_P均应满足其中，L₂为爆炸螺栓的中心轴与回收盒的安装台面之间的距离，L₁为第一螺钉(201)和第二螺钉(202)之间的距离，F₀为所述缓冲结构的平均压溃力。

10.一种飞行器，其特征在于，所述飞行器包括如权利要求6至9中任一项所述的缓冲吸能回收装置。