CN111017272A - 一种运载火箭的级间冷分离结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种运载火箭的级间冷分离结构，包括前舱体，尾端连接有分离弹簧顶杆支架；后舱体，前端通过级间分离连接解锁装置和前舱体的尾端相连；后舱体上连接有与分离弹簧顶杆支架的位置对应的分离弹簧支座；级间分离连接解锁装置用于锁定前舱体和后舱体，并在接收到分离指令后解除前舱体和后舱体之间的锁定；分离弹簧组件，弹性支撑在分离弹簧支座和分离弹簧顶杆支架之间，具有为前舱体和后舱体提供分离冲量的弹性件。通过在前舱体和后舱体之间设置分离弹簧组件，当级间分离连接解锁装置在火工作用下断开时，分离弹簧组件的弹性件产生驱使前舱体和后舱体相互远离的作用力，可以提高前舱体和后舱体的分离速度，提高箭体分离时的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，具体涉及一种运载火箭的级间冷分离结构。
背景技术
通常利用运载火箭作为运载工具将各类卫星等有效载荷送入太空，运载火箭通常是由2至4级组成的，每级都包括电气设备、承载结构、动力系统等。
每当下面级完成工作后，运载火箭必须要抛弃下面级以提高运载能力、确保有效载荷进入太空，故运载火箭均需设计级间分离结构。
当前运载火箭级间分离主要有两种方式：热分离与冷分离。热分离是指上面级发动机启动且后舱体与前舱体尚未分离时，上面级发动机推力作为分离冲量来源；冷分离是指上面级发动机启动时后舱体与前舱体尚已分离，分离冲量不是来源于上面级发动机。
现有民用火箭分离采用的是火药切割分离机构，在待分离舱体内壁中部开环形剪切槽，并在环形剪切槽内通过切割盘封装切割药，当舱体分离时，引燃切割器壳体内的剪切药，剪切药将分离舱内壁的环形剪切槽切断，实现舱体分离。
经试验表明，该结构的火药切割分离机构虽然能够实现可靠舱体分离，但分离过程的动力学扰动较大，分离速度低，前后分离体磕碰概率大。分析认为，由于分离舱体内壁中部开环形剪切槽加工误差和火药装药误差，使得剪切力不均匀，以及分离过程中分离体未采取运动轨迹约束结构，导致分离过程扰动较大；由于分离过程中没有轴向力，造成分离速度很低，使得前后分离体磕碰概率大。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中运载火箭在级间分离时存在分离速度低、前后舱体可能发生碰撞的问题，从而提供一种运载火箭的级间冷分离结构。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种运载火箭的级间冷分离结构，包括：
前舱体，其尾端连接有分离弹簧顶杆支架；
后舱体，其前端通过级间分离连接解锁装置和所述前舱体的尾端相连；所述后舱体上连接有与所述分离弹簧顶杆支架的位置对应的分离弹簧支座；
所述级间分离连接解锁装置用于锁定所述前舱体和所述后舱体，并在接收到分离指令后解除所述前舱体和所述后舱体之间的锁定；
分离弹簧组件，弹性支撑在所述分离弹簧支座和所述分离弹簧顶杆支架之间，具有为所述前舱体和所述后舱体提供分离冲量的弹性件。
进一步地，所述前舱体和所述后舱体的连接部分均为圆筒形结构，所述分离弹簧组件有多个且沿所述后舱体的周向方向均匀间隔布置在所述后舱体上。
进一步地，所述分离弹簧组件包括：
套筒，固定连接在所述分离弹簧支座上，且其轴向方向与所述后舱体的轴线方向同向；
顶杆，沿所述套筒的轴向方向活动连接于所述套筒内、且伸出所述套筒的一端与所述分离弹簧顶杆支架相抵；
弹性件，弹性压缩在所述顶杆和所述套筒之间，其弹性力驱使所述顶杆伸出所述套筒以为所述前舱体和所述后舱体提供分离冲量。
进一步地，所述套筒靠近其上端开口的内壁上设有限位台阶，所述顶杆的外壁凸出设置有可与所述限位台阶相抵以防止所述顶杆滑出所述套筒的限位凸台，所述弹性件为设置在所述限位凸台和所述套筒底壁之间的弹簧。
进一步地，所述套筒的外壁上设有销钉孔，所述顶杆上设有通孔，一卡销贯穿所述销钉孔和所述通孔以将所述顶杆锁定在所述套筒上。
进一步地，所述顶杆靠近所述套筒底壁一端的端部开设有定位孔，所述套筒的底壁上设有与所述定位孔配合以对所述顶杆进行运动导向的定位柱。
进一步地，所述前舱体的下端设有上安装槽，所述前舱体的上端设有与所述上安装槽位置对应的下安装槽；所述级间分离连接解锁装置包括：
爆炸螺栓，其螺杆自所述下安装槽伸进所述上安装槽，用于连接所述前舱体和所述后舱体；
分离螺母，螺纹连接于所述爆炸螺栓的螺杆且位于所述上安装槽内；
缓冲件，设置在所述上安装槽的内壁面和所述分离螺母之间，用于防止所述爆炸螺栓的螺杆及所述分离螺母撞击所述前舱体。
进一步地，所述前舱体上设有用于封闭所述上安装槽的分离螺母装配口盖，所述后舱体上设有用于封闭所述下安装槽的爆炸螺栓装配口盖。
进一步地，所述分离弹簧支座包括用于和所述后舱体内壁连接的连接板、用于和所述套筒连接且具有水平安装平面的承载板、以及连接在所述承载板的相对两侧和所述连接板之间的两块侧板，所述承载板、所述连接板和两块所述侧板之间形成有容纳空间；相邻两个所述套筒中的一个所述套筒连接在所述承载板面向所述容纳空间的内表面上、另一个所述套筒连接在所述承载板背面所述容纳空间的外表面上。
进一步地，所述分离弹簧顶杆支架面向所述顶杆的底面上开设有与所述顶杆顶部外形相配的槽体，所述分离弹簧顶杆支架背向所述顶杆的一侧设有加强筋。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的运载火箭的级间冷分离结构，分离前，前舱体和后舱体通过级间分离连接解锁装置连接在一起，分离弹簧组件的弹性件被压缩并积蓄弹性势能；级间分离连接解锁装置在接收到分离指令后断开，前舱体与后舱体分离；此时，分离弹簧组件的弹性件释放弹性势能，产生驱使前舱体和后舱体相互远离的作用力，完成运载火箭的级间分离；分离弹簧组件的设置可以提高前舱体和后舱体的分离速度，减少前后舱体分离后发生碰撞的概率，提高箭体分离时的安全性。
2.本发明提供的运载火箭的级间冷分离结构，多个分离弹簧组件沿后舱体的周向方向均匀间隔布置的方式，可以使前舱体和后舱体在分离时各处受到的弹性冲量更加均匀，可以更好地对前舱体和后舱体在分离过程中的运动轨迹进行约束，减少分离过程中的扰动现象。
3.本发明提供的运载火箭的级间冷分离结构，套筒与后舱体同轴向设置，且顶杆沿套筒的轴向方向活动连接于套筒内的分离弹簧组件，在分离过程中，弹性件可以为顶杆提供沿后舱体轴向方向上的分离作用力，可以提高前舱体和后舱体的分离速度，减少前后舱体分离后发生碰撞的概率。
4.本发明提供的运载火箭的级间冷分离结构，套筒内壁上的限位台阶和顶杆外壁上限位凸台相抵的结构设计，可以防止顶杆从所述套筒内弹出，保证分离弹簧组件的可靠性。
5.本发明提供的运载火箭的级间冷分离结构，在火箭发射前，卡销可以将顶杆锁定在套筒内并压缩套管内的弹性件，在前舱体和后舱体之间完成安装完级间分离连接解锁装置后，再将卡销拔出；由于卡销对顶杆的锁定作用，在前舱段和后舱段连接级间分离连接解锁装置的过程中，无需用外力迫使前舱段和后舱段保持相互紧贴的状态，使安装级间分离连接解锁装置的操作更加方便。
6.本发明提供的运载火箭的级间冷分离结构，定位柱对顶杆的运动方向起导向作用，可以使顶杆更稳定地沿后舱体的轴向方向运动，进一步提高前舱体和后舱体的分离速度。
7.本发明提供的运载火箭的级间冷分离结构，当级间分离连接解锁装置在接收到分离指令时，爆炸螺栓的螺杆在火工作用下断开，前舱体和后舱体实现分离，上安装槽内缓冲件的设置，可以吸收爆炸螺栓的螺杆及分离螺母在分离时的冲击能量、保护前舱体免受冲击损伤，同时可以减少爆炸螺栓的螺杆和分离螺母撞击前舱体对前舱体分离后飞行方向的干扰。
8.本发明提供的运载火箭的级间冷分离结构，上安装槽采用分离螺母装配口盖封闭，下安装槽采用爆炸螺栓装配口盖封闭的方式，可以防止爆炸螺栓爆炸时产生的碎片向外飞出而污染外太空。
9.本发明提供的运载火箭的级间冷分离结构，相邻两个套筒中的一个套筒连接在承载板面向容纳空间的内表面上、另一个套筒连接在承载板背面所述容纳空间的外表面上的方式，连接结构更加多样，多个套筒的连接结构稳定性更高。
10.本发明提供的运载火箭的级间冷分离结构，分离弹簧顶杆支架上的槽体对顶杆起约束作用，分离弹簧顶杆支架背向的加强筋可以保证分离弹簧顶杆支架本体的支撑刚度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例中运载火箭级间分离前的结构示意图；
图2为本发明实施例中运载火箭级间分离后的结构示意图；
图3为本发明实施例中运载火箭级间分离前半剖结构示意图；
图4为本发明实施例中分离弹簧组件在运载火箭上的安装结构示意图；
图5为本发明实施例中分离弹簧组件的结构示意图；
图6为本发明实施例中分离弹簧组件的半剖结构示意图；
图7为本发明实施例中分离弹簧顶杆支架的结构示意图。
附图标记说明：1、前舱体；2、后舱体；3、分离弹簧维护口盖；4、爆炸螺栓装配口盖；5、分离螺母装配口盖；6、分离弹簧组件；7、分离弹簧顶杆支架；8、分离弹簧支座；9、套筒；10、顶杆；11、弹性件；12、卡销；13、爆炸螺栓；14、分离螺母；15、缓冲件。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
现有技术中的运载火箭级间分离结构，采用火药切割分离机构的方式以实现舱体的可靠分离，但舱体分离过程的动力学扰动较大，分离速度低，前后分离体磕碰概率大。分析认为，由于分离舱体内壁中部开环形剪切槽加工误差和火药装药误差，使得剪切力不均匀，以及分离过程中分离体未采取运动轨迹约束结构，导致分离过程扰动较大；由于分离过程中没有轴向力，造成分离速度很低，使得前后分离舱体磕碰概率大。
如图1－7所示的一种运载火箭的级间冷分离结构，包括前舱体1和后舱体2，在火箭向上飞行过程中，前舱体1位于后舱体2的上方。前舱体1的尾端连接有分离弹簧顶杆支架7，后舱体2的前端通过级间分离连接解锁装置和前舱体1的尾端相连；后舱体2上连接有与分离弹簧顶杆支架7的位置对应的分离弹簧支座8。级间分离连接解锁装置用于锁定前舱体1和后舱体2，并在接收到分离指令后解除前舱体1和后舱体2之间的锁定。分离弹簧支座8和分离弹簧顶杆支架7之间弹性支撑有分离弹簧组件6，分离弹簧组件6包括为前舱体1和后舱体2提供分离冲量的弹性件11。
分离前，前舱体1和后舱体2通过级间分离连接解锁装置连接在一起，分离弹簧组件6的弹性件11被压缩并积蓄弹性势能；级间分离连接解锁装置在接收到分离指令后断开，前舱体1与后舱体2分离；此时，分离弹簧组件6的弹性件11释放弹性势能，产生驱使前舱体1和后舱体2相互远离的作用力，完成运载火箭的级间分离；分离弹簧组件6的设置可以提高前舱体1和后舱体2的分离速度，减少前后舱体2分离后发生碰撞的概率，提高箭体分离时的安全性。
具体的，前舱体1和后舱体2的连接部分均为圆筒形结构，分离弹簧组件6有多个且沿后舱体2的周向方向均匀间隔布置在后舱体2上。多个周向均匀间隔布置的分离弹簧组件6，可使前舱体1和后舱体2在分离时各处受到的弹性冲量更加均匀，进而更好地对前舱体1和后舱体2在分离过程中的运动轨迹进行约束，减少箭体分离过程中的扰动现象。
在本实施例中，分离弹簧组件6还包括套筒9和顶杆10；套筒9固定连接在分离弹簧支座8上，且其轴向方向与后舱体2的轴线方向同向；顶杆10沿套筒9的轴向方向活动连接于套筒9内、且伸出套筒9的一端与分离弹簧顶杆支架7相抵。弹性件11弹性压缩在顶杆10和套筒9之间，其弹性力驱使顶杆10伸出套筒9以为前舱体1和后舱体2提供分离冲量。套筒9与后舱体2同轴向设置，且顶杆10沿套筒9的轴向方向活动连接于套筒9内的分离弹簧组件6，在箭体分离过程中，弹性件11可以为顶杆10提供沿后舱体2轴向方向上的分离作用力，可以提高前舱体1和后舱体2的分离速度，减少前后舱体2分离后发生碰撞的概率。
在本实施例中，套筒9靠近其上端开口的内壁上设有限位台阶，顶杆10的外壁凸出设置有可与限位台阶相抵以防止顶杆10滑出套筒9的限位凸台，弹性件11具体为设置在限位凸台和套筒9底壁之间的弹簧。套筒9内壁上的限位台阶和顶杆10外壁上限位凸台相抵的结构设计，可以防止顶杆10从套筒9内弹出，保证分离弹簧组件6的可靠性。
在本实施例中，套筒9的外壁上设有销钉孔，顶杆10上设有通孔，一卡销12贯穿销钉孔和通孔以将顶杆10锁定在套筒9上。在火箭发射前，卡销12可以将顶杆10锁定在套筒9内并压缩套管内的弹性件11，在前舱体1和后舱体2之间完成安装完级间分离连接解锁装置后，再将卡销12拔出；由于卡销12对顶杆10的锁定作用，在前舱段和后舱段连接级间分离连接解锁装置的过程中，无需用外力迫使前舱段和后舱段保持相互紧贴的状态，使安装级间分离连接解锁装置的操作更加方便。
在本实施例中，顶杆10靠近套筒9底壁一端的端部开设有定位孔，套筒9的底壁上设有与定位孔配合以对顶杆10进行运动导向的定位柱。定位柱对顶杆10的运动方向起导向作用，可以使顶杆10更稳定地沿后舱体2的轴向方向运动，进一步提高前舱体1和后舱体2的分离速度。
在本实施例中，前舱体1的下端设有上安装槽，前舱体1的上端设有与上安装槽位置对应的下安装槽。级间分离连接解锁装置包括爆炸螺栓13、分离螺母14和缓冲件15；爆炸螺栓13的螺杆自下安装槽伸进上安装槽，用于连接前舱体1和后舱体2；分离螺母14螺纹连接于爆炸螺栓13的螺杆且位于上安装槽内；缓冲件15设置在上安装槽的内壁面和分离螺母14之间，用于防止爆炸螺栓13的螺杆及分离螺母14撞击前舱体1。当级间分离连接解锁装置在接收到分离指令时，爆炸螺栓13的螺杆在火工作用下断开，前舱体1和后舱体2实现分离，上安装槽内缓冲件15的设置，可以吸收爆炸螺栓13的螺杆及分离螺母14在分离时的冲击能量、保护前舱体1免受冲击损伤，同时可以减少爆炸螺栓13的螺杆和分离螺母14撞击前舱体1对前舱体1分离后飞行方向的干扰。
在本实施例中，前舱体1上设有用于封闭上安装槽的分离螺母装配口盖5，后舱体2上设有用于封闭下安装槽的爆炸螺栓装配口盖4。上安装槽采用分离螺母装配口盖5封闭，下安装槽采用爆炸螺栓装配口盖4封闭的方式，可以防止爆炸螺栓13爆炸时产生的碎片向外飞出而污染外太空。
在本实施例中，分离弹簧支座8包括用于和后舱体2内壁连接的连接板、用于和套筒9连接且具有水平安装平面的承载板、以及连接在承载板的相对两侧和连接板之间的两块侧板，承载板、连接板和两块侧板之间形成有容纳空间；相邻两个套筒9中的一个套筒9连接在承载板面向容纳空间的内表面上、另一个套筒9连接在承载板背向容纳空间的外表面上。相邻两个套筒9中的一个套筒9连接在承载板面向容纳空间的内表面上、另一个套筒9连接在承载板，背向容纳空间的外表面上的方式，连接结构更加多样，多个套筒9的连接结构稳定性更高。
在本实施例中，分离弹簧顶杆支架7面向顶杆10的底面上开设有与顶杆10顶部外形相配的槽体，分离弹簧顶杆支架7背向顶杆10的一侧设有加强筋。分离弹簧顶杆支架7上的槽体对顶杆10起约束作用，分离弹簧顶杆支架7背向的加强筋可以保证分离弹簧顶杆支架7本体的支撑刚度。
综上所述，本发明实施例提供的一种运载火箭的级间冷分离结构，在前舱体1和后舱体2之间设置分离弹簧组件6，当级间分离连接解锁装置在火工作用下断开时，分离弹簧组件6的弹性件11释放弹性势能，产生驱使前舱体1和后舱体2相互远离的作用力，完成运载火箭的级间分离；分离弹簧组件6的设置可以提高前舱体1和后舱体2的分离速度，减少前后舱体2分离后发生碰撞的概率，提高箭体分离时的安全性。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种运载火箭的级间冷分离结构，其特征在于，包括：
前舱体(1)，其尾端连接有分离弹簧顶杆支架(7)；
后舱体(2)，其前端通过级间分离连接解锁装置和所述前舱体(1)的尾端相连；所述后舱体(2)上连接有与所述分离弹簧顶杆支架(7)的位置对应的分离弹簧支座(8)；
所述级间分离连接解锁装置用于锁定所述前舱体(1)和所述后舱体(2)，并在接收到分离指令后解除所述前舱体(1)和所述后舱体(2)之间的锁定；
分离弹簧组件(6)，弹性支撑在所述分离弹簧支座(8)和所述分离弹簧顶杆支架(7)之间，具有为所述前舱体(1)和所述后舱体(2)提供分离冲量的弹性件(11)。
2.根据权利要求1所述的运载火箭的级间冷分离结构，其特征在于，所述前舱体(1)和所述后舱体(2)的连接部分均为圆筒形结构，所述分离弹簧组件(6)有多个且沿所述后舱体(2)的周向方向均匀间隔布置在所述后舱体(2)上。
3.根据权利要求2所述的运载火箭的级间冷分离结构，其特征在于，所述分离弹簧组件(6)包括：
套筒(9)，固定连接在所述分离弹簧支座(8)上，且其轴向方向与所述后舱体(2)的轴线方向同向；
顶杆(10)，沿所述套筒(9)的轴向方向活动连接于所述套筒(9)内、且伸出所述套筒(9)的一端与所述分离弹簧顶杆支架(7)相抵；
弹性件(11)，弹性压缩在所述顶杆(10)和所述套筒(9)之间，其弹性力驱使所述顶杆(10)伸出所述套筒(9)以为所述前舱体(1)和所述后舱体(2)提供分离冲量。
4.根据权利要求3所述的运载火箭的级间冷分离结构，其特征在于，所述套筒(9)靠近其上端开口的内壁上设有限位台阶，所述顶杆(10)的外壁凸出设置有可与所述限位台阶相抵以防止所述顶杆(10)滑出所述套筒(9)的限位凸台，所述弹性件(11)为设置在所述限位凸台和所述套筒(9)底壁之间的弹簧。
5.根据权利要求3所述的运载火箭的级间冷分离结构，其特征在于，所述套筒(9)的外壁上设有销钉孔，所述顶杆(10)上设有通孔，一卡销(12)贯穿所述销钉孔和所述通孔以将所述顶杆(10)锁定在所述套筒(9)上。
6.根据权利要求3所述的运载火箭的级间冷分离结构，其特征在于，所述顶杆(10)靠近所述套筒(9)底壁一端的端部开设有定位孔，所述套筒(9)的底壁上设有与所述定位孔配合以对所述顶杆(10)进行运动导向的定位柱。
7.根据权利要求1所述的运载火箭的级间冷分离结构，其特征在于，所述前舱体(1)的下端设有上安装槽，所述前舱体(1)的上端设有与所述上安装槽位置对应的下安装槽；所述级间分离连接解锁装置包括：
爆炸螺栓(13)，其螺杆自所述下安装槽伸进所述上安装槽，用于连接所述前舱体(1)和所述后舱体(2)；
分离螺母(14)，螺纹连接于所述爆炸螺栓(13)的螺杆且位于所述上安装槽内；
缓冲件(15)，设置在所述上安装槽的内壁面和所述分离螺母(14)之间，用于防止所述爆炸螺栓(13)的螺杆及所述分离螺母(14)撞击所述前舱体(1)。
8.根据权利要求7所述的运载火箭的级间冷分离结构，其特征在于，所述前舱体(1)上设有用于封闭所述上安装槽的分离螺母装配口盖(5)，所述后舱体(2)上设有用于封闭所述下安装槽的爆炸螺栓装配口盖(4)。
9.根据权利要求3所述的运载火箭的级间冷分离结构，其特征在于，所述分离弹簧支座(8)包括用于和所述后舱体(2)内壁连接的连接板、用于和所述套筒(9)连接且具有水平安装平面的承载板、以及连接在所述承载板的相对两侧和所述连接板之间的两块侧板，所述承载板、所述连接板和两块所述侧板之间形成有容纳空间；相邻两个所述套筒(9)中的一个所述套筒(9)连接在所述承载板面向所述容纳空间的内表面上、另一个所述套筒(9)连接在所述承载板背面所述容纳空间的外表面上。
10.根据权利要求1所述的运载火箭的级间冷分离结构，其特征在于，所述分离弹簧顶杆支架(7)面向所述顶杆(10)的底面上开设有与所述顶杆(10)顶部外形相配的槽体，所述分离弹簧顶杆支架(7)背向所述顶杆(10)的一侧设有加强筋。
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