CN112298620B - 一种火工连接解锁装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火工连接解锁装置，用于对被连接件Ⅰ与被连接件Ⅱ进行连接和解锁，包括：火工组件、活塞、活塞杆、活塞筒、剪切销、锁块、座体、预紧螺母、齿环、连接螺栓、锁母座、弹簧和锁母组件；能够接受火工组件给出的微弱刺激能量，发生快速化学反应，释放燃烧、爆燃或爆炸能量，对通过该火工连接解锁装置连接的两个被连接件实现解锁，具有高可靠、低冲击、轻量化的特点，能够广泛用于各种火箭、导弹、飞船、卫星等飞行器的连接与分离。

Description

一种火工连接解锁装置

技术领域

本发明涉及火工连接解锁技术领域，具体涉及一种火工连接解锁装置。

背景技术

火工连接解锁是一项重要的航天器技术，火工连接解锁装置作为动力源，实现航天器本体和部件之间、舱段之间、航天器与运载火箭之间的连接与解锁功能，也可以按特定需求实现载荷或设备的在轨解锁与释放功能。

随着航天技术的迅速发展，航天器系统对火工连接解锁装置的重量、承载力、冲击等性能提出了更高要求，其中，随着火星探测、载人登月等任务逐步论证实施，火工连接解锁装置在大承载情况下实现轻量化、高可靠、低冲击目标显得颇为重要，这也是系统任务实施尤为关注的重点问题，也成为了一项技术难点。为此，有必要提出一种高可靠性高荷质比低冲击火工连接解锁装置，在确保预紧力≥60kN条件下，围绕高可靠、轻量化、低冲击等目标进行了创新研发，并使其具有通用化、模块化等特点。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种火工连接解锁装置，能够接受火工组件给出的微弱刺激能量，发生快速化学反应，释放燃烧、爆燃或爆炸能量，对连接在该火工连接解锁装置上的两个被连接件实现解锁，具有高可靠、轻量化、低冲击的特点。

本发明的技术方案为：一种火工连接解锁装置，用于对被连接件Ⅰ与被连接件Ⅱ进行连接和解锁，包括：火工组件、活塞、活塞杆、活塞筒、剪切销、锁块、座体、预紧螺母、齿环、连接螺栓、锁母座、弹簧和锁母组件；

所述被连接件Ⅰ为一端开口的空腔结构，且开口端设有外翻边；连接时，被连接件Ⅰ开口端的外翻边与被连接件Ⅱ上端中心设置的盲孔内底面抵触配合，被连接件Ⅱ中心设有与盲孔同轴的通孔，连接螺栓设置在被连接件Ⅱ中心的通孔中，其两端分别设置外螺纹；连接螺栓一端从被连接件Ⅰ的开口端伸入其内部空腔中，并与锁母组件固定，锁母组件与锁母座之间支撑有弹簧；其中，锁母座固定在被连接件Ⅰ的开口端内部；连接螺栓另一端设置在座体中；

所述座体为两端开口的筒状结构，其一端固定在被连接件Ⅱ的下端，另一端沿径向设置两个同轴的通孔，两个通孔中分别设置一个锁块，每个锁块与套装在连接螺栓上的齿环啮合；与两个锁块对应的座体的两相对侧分别固定有活塞筒；活塞筒一端开口，其开口端与火工组件螺纹连接，另一端外端部与被连接件Ⅱ下端之间设有设定间距，用于提供缓冲作用；活塞筒中设有活塞和活塞杆，且活塞朝向火工组件；活塞杆上沿轴向设有两个轴肩，一个位于端部，另一个位于轴向中部，活塞杆设有轴肩的一端通过剪切销固定在活塞筒的筒壁上，另一端与活塞抵触；锁块上设有凹槽，且朝向活塞杆两个轴肩之间的凹槽，当一个以上火工组件发火时，对应侧的剪切销被剪断，对应侧的活塞杆向上运动，其两个轴肩之间的凹槽用于为对应侧的锁块沿径向向外运动让位，且锁块能够在脱离齿环后止回，随后，在弹簧的作用下，锁母组件带动连接螺栓与座体分离，从而实现被连接件Ⅰ与被连接件Ⅱ之间解锁；其中，锁母组件能够驱动连接螺栓转动，单侧解锁时，一侧锁块与齿环脱离，锁母组件使连接螺栓倾斜并绕开另一侧的锁块，实现连接螺栓与座体分离；

所述连接螺栓下端设有预紧螺母，用于将连接螺栓锁定在设定位置，从而为其提供设定大小的预紧力。

优选地，所述锁母组件包括：球铰支座和变向器；

所述变向器中心设有螺纹通孔，并与连接螺栓一端紧固连接，变向器的外表面为球面，其与球铰支座中的球窝为球面配合，球铰支座同轴设置在锁母座中，其一端与锁母座一端沿径向向内设置的凸缘抵触配合，另一端设置沿径向向外的凸缘，所述弹簧设置在锁母座的凸缘与球铰支座的凸缘之间。

优选地，还包括：簧片，所述簧片一端固定在座体和活塞筒之间，另一端设置在锁块中，并对锁块向活塞杆所在方向运动提供预紧力，用于实现锁块止回。

优选地，还包括：密封垫圈，火工组件与活塞筒对接的一端设有盲孔，盲孔内底面设有密封垫圈，用于对活塞筒起缓冲作用。

优选地，还包括：弹性环，其设置在活塞与火工组件之间，用于对活塞限位以及调节活塞筒与火工组件之间的装配深度。

优选地，还包括：O型密封圈，其设置在活塞与活塞筒之间。

优选地，还包括：缓冲环，其设置在活塞筒上端内底面，用于为活塞杆提供缓冲作用。

优选地，还包括：球形垫，其套装在连接螺栓上，并位于齿环和预紧螺母之间。

优选地，所述连接螺栓、锁块、齿环和活塞杆的材料均采用高强度合金钢。

优选地，所述活塞筒采用钛合金材料。

有益效果：

1、本发明的火工连接解锁装置，能够接受火工组件给出的微弱刺激能量，发生快速化学反应，释放燃烧、爆燃或爆炸能量，对通过该火工连接解锁装置连接的两个被连接件实现解锁，具有高可靠、低冲击、轻量化的特点，能够广泛用于各种火箭、导弹、飞船、卫星等飞行器的连接与分离。

2、本发明中锁母组件的具体设置，能够适应单边解锁时连接螺杆的转动，从而绕开另一侧的锁块，快速且准确解锁。

3、本发明中簧片的设置，能够有效对脱离齿环的锁块止回，结构设置简单且巧妙，进一步增强可靠性。

4、本发明中密封垫圈的设置，能够对活塞筒有效缓冲，进一步有效降低冲击。

5、本发明中弹性环的设置，既能够对活塞限位，又能够调节活塞筒与火工组件之间的装配深度，从而有效增加该装置的可靠性，并有效降低冲击。

6、本发明中O型密封圈的设置，能够有效增大活塞和活塞筒之间的摩擦，进而有效降低冲击。

7、本发明中缓冲环的设置，为活塞杆提供缓冲作用，能够进一步降低冲击。

8、本发明中球形垫的设置，能够自动调整连接螺栓的位置，使其轴向受力均匀，进而增强该装置的可靠性。

9、本发明中连接螺栓、锁块、齿环、活塞杆等主要承载零件的材料设置，一方面能够满足大承载连接需求，另一方面可以将连接螺栓、锁块、齿环、活塞杆等主要承载零件的直径做到最小，进而逐步在满足设定预紧力的条件下，实现传力路径上各零部件的尺寸最小化，从而进一步实现轻量化。

10、本发明中活塞筒材质的设置，不仅可以满足高承载，还可以进一步实现轻量化。

附图说明

图1为本发明火工连接解锁装置连接状态的剖视图。

图2为图1中的A-A剖视图。

图3为本发明火工连接解锁装置单边解锁的过程图。

图4为本发明火工连接解锁装置双边解锁的过程图。

其中，1-火工组件；2-弹性环；3-密封垫圈；4-活塞；5-O型密封圈；6-活塞杆；7-活塞筒；8-剪切销；9-缓冲环；10-锁块；11-座体；12-预紧螺母；13-球形垫；14-齿环；15-连接螺栓；16-锁母座；17-弹簧；18-球铰支座；19-变向器；20-被连接件Ⅰ；21-被连接件Ⅱ；22-垫片；23-螺钉；24-簧片。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种火工连接解锁装置，能够接受火工组件给出的微弱刺激能量，发生快速化学反应，释放燃烧、爆燃或爆炸能量，对连接在该火工连接解锁装置上的两个被连接件实现解锁，具有高可靠、轻量化、低冲击的特点。

如图1和2所示，该装置包括：火工组件1、弹性环2、密封垫圈3、活塞4、O型密封圈5、活塞杆6、活塞筒7、剪切销8、缓冲环9、锁块10、座体11、预紧螺母12、球形垫13、齿环14、连接螺栓15、锁母座16、弹簧17、球铰支座18、变向器19、被连接件120、被连接件Ⅱ21、垫片22、螺钉23和簧片24。

该装置的连接关系为：被连接件Ⅰ20为一端开口、另一端开孔的空腔结构，且开口端设有外翻边；被连接件Ⅰ20开口端的外翻边与被连接件Ⅱ21一端中心设置的盲孔内底面抵触配合，被连接件Ⅱ21中心设有与盲孔同轴的通孔，连接螺栓15设置在被连接件Ⅱ21中心的通孔中，其两端分别设置外螺纹；连接螺栓15一端从被连接件Ⅰ20的开口端伸入其内部空腔中，并与变向器19中心的螺纹通孔紧固连接，变向器19的外表面为球面，其与球铰支座18中的球窝为球面配合，球铰支座18同轴设置在锁母座16中，其一端与锁母座16一端沿径向向内设置的凸缘抵触配合，球铰支座18另一端设置沿径向向外的凸缘，锁母座16的凸缘与球铰支座18的凸缘之间设置弹簧17(弹簧17的两端分别与锁母座16的凸缘和球铰支座18的凸缘抵触配合)，连接螺栓15下压锁紧时，弹簧17储能，连接螺栓15解锁后，弹簧17能够将连接螺栓15连同球铰支座18和变向器19弹出锁母座16；其中，锁母座16外表面固定在被连接件Ⅰ20的开口端内部；连接螺栓15另一端设置在座体11中；

座体11为两端开口的筒状结构，其一端固定在被连接件Ⅱ21的下端(即被连接件Ⅱ21设置盲孔一端的相对端)，另一端沿径向设置两个同轴的通孔，两个通孔中分别设置一个锁块10，每个锁块10与套装在连接螺栓15另一端的齿环14啮合；与两个锁块10对应的座体11的两相对侧分别通过螺钉23固定有活塞筒7，且螺钉23与活塞筒7之间设有垫片22；活塞筒7一端开口、另一端开孔，其开孔端外端部与被连接件Ⅱ21下端之间设置为设定间距(如0.5mm)，用于提供缓冲作用，其开口端与火工组件1螺纹连接(火工组件1与活塞筒7对接的一端设有盲孔，盲孔内底面设有密封垫圈3，用于对活塞筒7起缓冲作用)，活塞筒7中从下往上依次设置活塞4和活塞杆6(活塞4和活塞杆6分别与活塞筒7内壁面滑动配合，且活塞4与活塞筒7之间设置O型密封圈5)，活塞4与火工组件1之间设置弹性环2，用于对活塞4限位以及调节活塞筒7与火工组件1之间的装配深度；活塞杆6上沿轴向设有两个轴肩，一个轴肩位于端部，另一个轴肩位于轴向中部，活塞杆6端部未设轴肩的一端与活塞4抵触，端部设有轴肩的一端通过剪切销8固定在活塞筒7的筒壁上；锁块10上设有凹槽，且朝向活塞杆6两个轴肩之间的凹槽，当剪切销8被剪断时，活塞杆6向上运动，其两个轴肩之间的凹槽用于为锁块10沿径向向外运动让位；

活塞筒7上端内底面设有缓冲环9，用于为活塞杆6提供缓冲作用；齿环14之下的连接螺栓15上还设有预紧螺母12，用于将连接螺栓15锁定在设定位置，从而为其提供设定大小的预紧力(如60kN)；

簧片24一端固定在活塞筒7和座体11上，另一端设置在锁块10中，并对锁块10向活塞杆6所在方向运动提供预紧力，用于对锁块10起止回作用(即防止锁块10向齿环14运动)。

该装置的工作原理为：连接时，通过连接螺栓15与预紧螺母12配合施加60kN预紧力，实现被连接件120和被连接件Ⅱ21之间的强连接，保证被连接件120和被连接件Ⅱ21连接状态下可承受发射过程的载荷；

解锁时，采用双冗余执行机构设计，一侧以上火工组件1通电点火，均可实现解锁功能，确保装置的高可靠性，通过试验验证，该装置可靠性指标能够达到0.99995(r＝0.95)；

其中，单边解锁时，一侧火工组件1通电发火，另一侧的火工组件1、活塞杆6、锁块10等均维持原位；如图3所示，左侧火工组件1通电发火后引燃其中的主装药产生高温高压气体，推动左侧的活塞4、活塞杆6运动，活塞杆6剪断剪切销8向缓冲环9所在方向运动，解除对左侧锁块10的径向约束，60kN预紧力产生的应变能瞬间释放驱动左侧锁块10沿径向快速弹向活塞杆6，并与齿环14脱开，随后通过左侧两个簧片24分别实现左侧锁块10的止回，此时，变向器19与球铰支座18在弹簧17的作用下带着连接螺栓15、齿环14、预紧螺母12的组合体偏转绕开右侧锁块10，然后与座体11分离，实现被连接件120和被连接件Ⅱ21的解锁；

双边解锁时，如图4所示，两个火工组件1同时通电发火，引燃其内主装药产生高温高压气体，推动两侧的活塞4和活塞杆6运动，活塞杆6剪断剪切销8向缓冲环9方向运动，同时解除对两侧锁块10的径向约束力，60kN预紧力产生的应变能瞬间释放驱动两侧的锁块10同时快速向活塞杆方向回弹，并与齿环14脱开，随后通过两侧的簧片24分别实现两侧锁块10的止回，此时，变向器19与球铰支座18在弹簧17的作用下带着连接螺栓15、齿环14、预紧螺母12的组合体一起与座体11分离，实现被连接件120和被连接件Ⅱ21的解锁；

解锁过程，为了实现低冲击，在“强连接、弱解锁”结构原理基础上了，综合采用缓冲环9、空心化活塞4以及活塞筒7与被连接件Ⅱ21预置0.5mm间隙三个措施，进一步降低火工冲击；其中，活塞4与火药接触的端面内置圆柱空腔，为了调节火药波形，在保持输出威力不变的前提条件下，增加火药瞬态燃烧压力曲线的波形脉宽，避免产生瞬态的超高峰值，进而从源头大幅降低瞬态高频冲击幅值；

缓冲环9是在保证活塞杆6运动解锁行程前提下，实现活塞杆6运动末端的高速撞击缓冲防护，进一步降低内部机构高速撞击产生的冲击源；活塞筒7与被连接件Ⅱ21预置0.5mm间隙，能够将火工冲击传力路径设计成“折弯间接传递”形式(首先由火工冲击先传递至活塞筒7，然后活塞筒7通过与座体11连接的四个螺钉23进行一次缓冲，将火工冲击传递至座体11，再由座体11将火工冲击传递至被连接件Ⅱ21)，该形式通过拦截方式实现冲击传递过程的快速衰减，进而避免了“线性直接传递”(即由活塞筒7直接将火工冲击传递至被连接结构2)；通过试验验证，该形式可以将分离面的火工冲击控制在2000g以内。

进一步地，齿环14和预紧螺母12之间设置球形垫13，其套装在连接螺栓15上，能够自动调整连接螺栓15的位置，使其轴向受力均匀。

进一步地，连接螺栓15、锁块10、齿环14、活塞杆6、螺钉23等主要承载零件的材料均采用高强度TM210A合金钢，一方面满足大承载连接需求，另一方面可以将连接螺栓15、锁块10、齿环14、活塞杆6、螺钉23的直径做到最小，进而逐步在满足60kN预紧力的条件下，实现传力路径上各零部件的尺寸最小化。

进一步地，活塞筒7采用钛合金材料作为火药燃烧腔室，其不仅可以满足高承载，还可以进一步实现轻量化，进一步确保实现高荷质比(单位重量下的预紧力)。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (7)

1.一种火工连接解锁装置，用于对被连接件Ⅰ(20)与被连接件Ⅱ(21)进行连接和解锁，其特征在于，包括：火工组件(1)、活塞(4)、活塞杆(6)、活塞筒(7)、剪切销(8)、锁块(10)、座体(11)、预紧螺母(12)、齿环(14)、连接螺栓(15)、锁母座(16)、弹簧(17)和锁母组件；

所述被连接件Ⅰ(20)为一端开口的空腔结构，且开口端设有外翻边；连接时，被连接件Ⅰ(20)开口端的外翻边与被连接件Ⅱ(21)上端中心设置的盲孔内底面抵触配合，被连接件Ⅱ(21)中心设有与盲孔同轴的通孔，连接螺栓(15)设置在被连接件Ⅱ(21)中心的通孔中，其两端分别设置外螺纹；连接螺栓(15)一端从被连接件Ⅰ(20)的开口端伸入其内部空腔中，并与锁母组件固定，锁母组件与锁母座(16)之间支撑有弹簧(17)；其中，锁母座(16)固定在被连接件Ⅰ(20)的开口端内部；连接螺栓(15)另一端设置在座体(11)中；

所述座体(11)为两端开口的筒状结构，其一端固定在被连接件Ⅱ(21)的下端，另一端沿径向设置两个同轴的通孔，两个通孔中分别设置一个锁块(10)，每个锁块(10)与套装在连接螺栓(15)上的齿环(14)啮合；与两个锁块(10)对应的座体(11)的两相对侧分别固定有活塞筒(7)；活塞筒(7)一端开口，其开口端与火工组件(1)螺纹连接，另一端外端部与被连接件Ⅱ(21)下端之间设有设定间距，用于提供缓冲作用；活塞筒(7)中设有活塞(4)和活塞杆(6)，且活塞(4)朝向火工组件(1)；活塞杆(6)上沿轴向设有两个轴肩，一个位于端部，另一个位于轴向中部，活塞杆(6)设有轴肩的一端通过剪切销(8)固定在活塞筒(7)的筒壁上，另一端与活塞(4)抵触；锁块(10)上设有凹槽，且朝向活塞杆(6)两个轴肩之间的凹槽，当一个以上火工组件(1)发火时，对应侧的剪切销(8)被剪断，对应侧的活塞杆(6)向上运动，其两个轴肩之间的凹槽用于为对应侧的锁块(10)沿径向向外运动让位，且锁块(10)能够在脱离齿环(14)后止回，随后，在弹簧(17)的作用下，锁母组件带动连接螺栓(15)与座体(11)分离，从而实现被连接件Ⅰ(20)与被连接件Ⅱ(21)之间解锁；其中，锁母组件能够驱动连接螺栓(15)转动，单侧解锁时，一侧锁块(10)与齿环(14)脱离，锁母组件使连接螺栓(15)倾斜并绕开另一侧的锁块(10)，实现连接螺栓(15)与座体(11)分离；

所述连接螺栓(15)下端设有预紧螺母(12)，用于将连接螺栓(15)锁定在设定位置，从而为其提供设定大小的预紧力；

两个所述火工组件(1)的端部分别设置有电极；

所述火工连接解锁装置还包括：缓冲环(9)，其设置在活塞筒(7)上端内底面，用于为活塞杆(6)提供缓冲作用，且缓冲环(9)与活塞杆(6)的剪切销(8)所在端的端面留有空间；

所述连接螺栓(15)、锁块(10)、齿环(14)和活塞杆(6)的材料均采用TM210A高强度合金钢，所述活塞筒(7)采用钛合金材料。

2.如权利要求1所述的火工连接解锁装置，其特征在于，所述锁母组件包括：球铰支座(18)和变向器(19)；

所述变向器(19)中心设有螺纹通孔，并与连接螺栓(15)一端紧固连接，变向器(19)的外表面为球面，其与球铰支座(18)中的球窝为球面配合，球铰支座(18)同轴设置在锁母座(16)中，其一端与锁母座(16)一端沿径向向内设置的凸缘抵触配合，另一端设置沿径向向外的凸缘，所述弹簧(17)设置在锁母座(16)的凸缘与球铰支座(18)的凸缘之间。

3.如权利要求1所述的火工连接解锁装置，其特征在于，还包括：簧片(24)，所述簧片(24)一端固定在座体(11)和活塞筒(7)之间，另一端设置在锁块(10)中，并对锁块(10)向活塞杆(6)所在方向运动提供预紧力，用于实现锁块(10)止回。

4.如权利要求1所述的火工连接解锁装置，其特征在于，还包括：密封垫圈(3)，火工组件(1)与活塞筒(7)对接的一端设有盲孔，盲孔内底面设有密封垫圈(3)，用于对活塞筒(7)起缓冲作用。

5.如权利要求1所述的火工连接解锁装置，其特征在于，还包括：弹性环(2)，其设置在活塞(4)与火工组件(1)之间，用于对活塞(4)限位以及调节活塞筒(7)与火工组件(1)之间的装配深度。

6.如权利要求1所述的火工连接解锁装置，其特征在于，还包括：O型密封圈(5)，其设置在活塞(4)与活塞筒(7)之间。

7.如权利要求1所述的火工连接解锁装置，其特征在于，还包括：球形垫(13)，其套装在连接螺栓(15)上，并位于齿环(14)和预紧螺母(12)之间。

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