CN112407342B - 一种膨胀管凹槽板分离结构 - Google Patents
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Abstract
本发明一种膨胀管凹槽板分离结构，包括：上连接框、下连接框、内分离板、外分离板、扁平管、火工品和连接螺栓；上连接框、下连接框安装在结构的上下两端对称的位置；内分离板和外分离板截面为矩形，矩形长边的一侧中间位置有个U型削弱槽，为分离面；内分离板在上连接框、下连接框的右侧，内分离板无U型削弱槽的长边上、下分别与上连接框、下连接框L型右竖边贴合；外分离板在上连接框、下连接框的左侧，外分离板无U型削弱槽的长边上、下分别于上连接框、下连接框L型左竖边贴合；在内分离板和外分离板和上连接框贴合位置处，通过连接螺栓将三者连接在一起；在内分离板和外分离板和下连接框贴合位置，通过连接螺栓将三者连接在一起；扁平管内部放置火工品。
Description
技术领域
本发明属于弹箭体结构分离系统，尤其涉及膨胀管-凹槽板分离结构。
背景技术
膨胀管-凹槽板分离结构一般用于弹箭体的整流罩横向/级间分离，属于弹箭体结构分离系统。随着卫星/空间站等有效载荷外型尺寸和载荷质量的增加，以往成熟的连接解锁装置已不能满足新要求，如：包带解锁装置承载能力不足，低冲击分离装置和爆炸螺栓由于使用数量(串联环节)较多导致分离可靠性较低，类似于柔性导爆索和聚能切割索等线性分离装置都无法满足无污染要求。
膨胀管-凹槽板分离结构作为三种具有承载能力强、结构刚度连续、外型尺寸灵活和无污染等特点的连接解锁装置，可适用于有效载荷与运载火箭界面上。但现有的膨胀管-凹槽板分离结构工作时会带来较大量级的冲击，有效载荷内不少仪器设备难以适应，可能会导致单机结构破坏或精度降低等问题。针对该问题，一方面可以从单机上着手隔离冲击，另一方面可以改进结构降低冲击源的冲击。如各仪器设备单机采取隔冲措施带来很多附加问题，如安装工作量和结构质量的增加；如在有效载荷运载火箭界面上隔冲，要么会大幅度增加结构质量，要么会减小整体结构基频；如从源头上减小冲击可以从根本上解决冲击大的问题，改进的结构和方法可应用于所有的膨胀管-凹槽板分离装置。
减小源头上的冲击也有多个途径，但是很多手段会带来新的问题，如减少火工品的装药量、增加分离板与扁平管距离等会降低分离裕度，减小分离厚度会影响结构承载能力。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种膨胀管凹槽板分离结构，可在不降低分离裕度、不减小承载能力的基础上，减小装置的冲击，具有广泛的应用前景。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种膨胀管凹槽板分离结构，整体结构为空心圆柱结构，其截面相对面分离面是上下对称结构，其特征在于包括：上连接框、下连接框、内分离板、外分离板、扁平管、火工品和连接螺栓；上连接框、下连接框截面均为L型，安装在结构的上下两端对称的位置；内分离板和外分离板截面为类矩形，尺寸完全相同，矩形长边的一侧中间位置有个U型削弱槽，为分离面；内分离板在上连接框、下连接框的右侧，内分离板无U型削弱槽的长边上、下分别与上连接框、下连接框L型右竖边贴合；外分离板在上连接框、下连接框的左侧，外分离板无U型削弱槽的长边上、下分别于上连接框、下连接框L型左竖边贴合；在内分离板和外分离板和上连接框贴合位置处，通过连接螺栓将三者连接在一起；在内分离板和外分离板和下连接框贴合位置，通过连接螺栓将三者连接在一起；扁平管内部放置火工品，火工品的外形尺寸与扁平管的内腔尺寸匹配；火工品起爆后输出起爆后产生的爆轰能量使扁平管膨胀但不破裂，膨胀后的扁平管切断带有U型削弱槽的内分离板、外分离板，结构实现分离，上连接框、下连接框分别与空间站和火箭箭体连接。
所述扁平管放置在上连接框、下连接框、内分离板和外分离板围成的矩形区域内，其外形尺寸与矩形内腔匹配；扁平管左右两侧分别与内分离板和外分离板贴合或小间隙配合。
所述扁平管由两根平行等长直线和两个半圆拼接而成，扁平管上下两端分别与上连接框、下连接框贴合或小间隙配合。
所述上连接框、下连接框、内分离板、外分离板围成一个矩形的闭合区域，相对于该矩形长边中心线，上连接框、下连接框上下对称，相对于该矩形短边中心线，内分离板和外分离板左右完全对称。
上连接框、下连接框L型竖边端面相距20mm，非接触放置。
所述扁平管上下两端分别与上连接框、下连接框相对位置关系为：上连接框、下连接框与扁平管接触面为矩形锯齿状，凸台部分与扁平管上下圆弧线接触，其余部分不接触；或上连接框、下连接框中仅一件带有与扁平管接触面为矩形锯齿状，另一件与扁平管接触面为平面。
所述扁平管上下两端分别与上连接框、下连接框相对位置关系为：上连接框、下连接框与扁平管之间增加了截面为矩形的缓冲片，将扁平管与上连接框、下连接框隔开；或上连接框、下连接框仅有一侧与扁平管隔开，另一侧扁平管接触。
所述扁平管上下两端分别与上连接框、下连接框相对位置关系为：上连接框与扁平管之间不接触，预留一定的间隙，扁平管通过捕捉片与下连接框连接在一起。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
通过理论、仿真分析膨胀管-凹槽板分离结构工作过程，找到产生冲击的主要来源和各影响因素的占比，针对冲击影响占比大的因素进行多个方案的改进设计，再分析采用改进方案后分离结构降冲击的效率且对分离结构承载、刚度、重量、分离裕度等各项性能的影响，最后结合考虑设计方案和加工装配工艺性，确定几个合理可行的降冲击的方案，投产试验件开展验证试验。本发明在于准确找到冲击源产生冲击的主要影响因素和各因素占比，深入了解膨胀管-凹槽板分离结构工作过程各零件或碰撞或断裂的过程及对冲击的贡献。并针对冲击源(即膨胀管-凹槽板分离结构自身)开展行之有效的改进设计、多维分析和试验验证。本发明实现了在于不增加结构重量、不施加单机隔冲、不降低结构基频、不减少分离裕度、不减小承载能力的基础上，实现降低冲击的目标。
附图说明
图1是膨胀管-凹槽板分离结构截面示意图；
图2是减小扁平管和上端框接触面积的设计方案；其中2(a)为上连接框、下连接框与扁平管接触面均为矩形锯齿状，2(b)为上连接框与扁平管接触面为矩形锯齿状，下连接框与扁平管接触面为平面，2(c)为下连接框与扁平管接触面为矩形锯齿状，上连接框与扁平管接触面为平面。
图3是扁平管和上、下端框之间增加吸能缓冲材料的设计方案；其中3(a)为上连接框、下连接框与扁平管接触面均有缓冲片，3(b)为上连接框与扁平管接触面有缓冲片，下连接框与扁平管直接接触，3(c)为下连接框与扁平管接触面有缓冲片，上连接框与扁平管直接接触。
图4是接触面由平面变成凸凹不平的状态示意图。
图5是约束扁平管纵向位移的设计方案。
具体实施方式
本发明通过分析膨胀管-凹槽板分离结构工作全过程，找到产生冲击的主要来源和各影响因素的占比，在不影响分离结构承载、刚度、重量、分离裕度等各项性能的前提下，通过改进设计控制产生冲击的主要因素，从冲击传递路径及冲击传递接触面积着手进行了降冲击结构设计。
膨胀管-凹槽板分离结构整体为空心圆柱结构，截面示意见图1，主要包括7个部分：上连接框1、下连接框2；内分离板3、外分离板4；扁平管5；火工品6；连接螺栓7。上连接框1、下连接框2截面尺寸相同，安装在结构的上下对称的位置，两者约有20mm距离，非接触放置，内分离板3、外分离板4在上下连接框的左右，位置对称，与上、下连接框通过连接螺栓7连接，扁平管5放置在中间，上下为上连接框1、下连接框2，两侧为内分离板3、外分离板4；火工品6起爆后输出起爆后产生的爆轰能量使扁平管5膨胀但不破裂，膨胀后的扁平管切断带有U型削弱槽的内分离板3、外分离板4，结构实现分离，上连接框1、下连接框2分别与空间站(有效载荷)和火箭箭体连接。
扁平管5工作时向四周膨胀，扁平管5与上连接框1、下连接框2和内分离板3、外分离板4碰撞，冲击主要来自零件之间碰撞及分离板断裂瞬间释放的能量。从冲击产生的源头分析，不更改影响分离和承载性能等关键参数，应从避免或减少零件之间的碰撞角度开展改进工作。
结合理论、仿真和试验验证，扁平管5在受到内部爆轰波及高压作用时，以约200m/s的速度向四周做膨胀运动，膨胀后与相邻结构上连接框1、下连接框2、内分离板3、外分离板4碰撞，内分离板3、外分离板4在扁平管5的撞击下产生速度，同时在扁平管尺寸作用下变形，最终实现断裂，该部分能量为有效做功能量。扁平管5与上连接框1、下连接框2高速碰撞产生冲击属于无效做功，且是引起的冲击占比较大的主要因素之一。扁平管5向上、下两方向的速度和位移分别是200m/s和2～3mm。从截面上看是扁平管5和上连接框1或下连接框2接触点是两个点，整环状态是两个整圈的线接触。通过三种方法减小冲击：
1、缩短接触线的长度，减少冲击的传递的路径，如图2所示。长度减小得越多降冲击的效果越好；设计要点：扁平管5在矩形上连接框1、下连接框2、内分离板3和外分离板4围成的矩形区域内不能晃动。上连接框1或下连接框2与扁平管5接触由连续变成间歇，即上连接框1或下连接框2与扁平管5接触面由平面变成凸凹不平的状态，见图4。凸台的高度需大于扁平管5工作时纵向膨胀位移，但也不能太高，剩余结构高度需满足静力承载要求。凸台不能有明显的锐角，防止厚度仅1mm左右扁平管5高速碰撞时破裂。
2、通过增加缓冲片减小降低刚性零件之间的碰撞速度，如图3；设计要点：缓冲片8需具有良好的吸能效果，缓冲片8压缩后的剩余厚度+扁平管5纵向膨胀位移应小于扁平管5与上连接框1或下连接框2之间的距离。缓冲片8能够与结构件有稳固的连接关系，确保工作前后不脱落。
3、扁平管5膨胀变形后不与上连接框1或下连接框2碰撞，见图5；设计要点：将碰撞位置上连接框1或下连接框2的高度减短，减短的高度大于再扁平管5纵向膨胀位移，但也不能太高，剩余结构高度需满足静力承载要求。增加的捕捉片9需承受扁平管5膨胀变形而不断裂，环向数量不能过少，应满足在扁平管5工作时，控制纵向位移不能与上连接框1或下连接框2碰撞，数量不能过多，否则影响分离结构的承载能力。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种膨胀管凹槽板分离结构，整体结构为空心圆柱结构，其截面相对面分离面是上下对称结构，其特征在于包括：上连接框（1）、下连接框（2）、内分离板（3）、外分离板（4）、扁平管（5）、火工品（6）和连接螺栓（7）；上连接框（1）、下连接框（2）截面均为L型，安装在结构的上下两端对称的位置；内分离板（3）和外分离板（4）截面为类矩形，尺寸相同，长边的一侧中间位置有个U型削弱槽，为分离面；内分离板（3）在上连接框（1）、下连接框（2）的右侧，内分离板（3）无U型削弱槽的长边上、下分别与上连接框（1）、下连接框（2）L型右竖边贴合；外分离板（4）在上连接框（1）、下连接框（2）的左侧，外分离板（4）无U型削弱槽的长边上、下分别于上连接框（1）、下连接框（2）L型左竖边贴合；在内分离板（3）和外分离板（4）与上连接框（1）贴合位置处，通过连接螺栓（7）将三者连接在一起；在内分离板（3）和外分离板（4）与下连接框（2）贴合位置，通过连接螺栓（7）将三者连接在一起；所述扁平管（5）放置在上连接框（1）、下连接框（2）、内分离板（3）和外分离板（4）围成的矩形区域内，其外形尺寸与矩形内腔匹配；扁平管（5）左右两侧分别与内分离板（3）和外分离板（4）贴合或小间隙配合；扁平管（5）内部放置火工品（6），火工品（6）的外形尺寸与扁平管（5）的内腔尺寸匹配；火工品（6）起爆后输出起爆后产生的爆轰能量使扁平管（5）膨胀但不破裂，膨胀后的扁平管切断带有U型削弱槽的内分离板（3）、外分离板（4），结构实现分离，上连接框（1）、下连接框（2）分别与空间站和火箭箭体连接；
所述扁平管（5）上下两端分别与上连接框（1）、下连接框（2）相对位置关系为：上连接框（1）与扁平管（5）之间不接触，预留一定的间隙，扁平管（5）通过捕捉片（9）与下连接框（2）连接在一起。
2.根据权利要求1所述的一种膨胀管凹槽板分离结构，其特征在于：所述上连接框（1）、下连接框（2）、内分离板（3）、外分离板（4）围成一个矩形的闭合区域，相对于该矩形长边中心线，上连接框（1）、下连接框（2）位置上下对称，相对于该矩形短边中心线，内分离板（3）和外分离板（4）左右完全对称。
3.根据权利要求1所述的一种膨胀管凹槽板分离结构，其特征在于：上连接框（1）、下连接框（2）L型竖边端面相距20mm，非接触放置。
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