CN112498750B - 一种低冲击空间对接电磁密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低冲击空间对接电磁密封装置，包括设于第一飞行器对接口的极靴组件、隔磁环、永磁体、磁性流体，以及设于第二飞行器对接口的波纹管、基座、伸缩部、导磁轴。极靴组件包括至少两个极靴，极靴上设有若干极齿。相邻两个极靴之间设有永磁体。极靴组件远离第二飞行器对接口的一侧设有隔磁环，永磁体的内圆面和与其相邻的两个极靴的相邻侧面配合形成容置空间。基座与第二飞行器对接口的壳体内圆面连接，伸缩部固连于基座，其输出端与导磁轴连接。基座、伸缩部和导磁轴均内部中空且配合形成一两端开口的空腔，波纹管位于空腔内，第一端伸出空腔与基座远离导磁轴的一侧连接，第二端与导磁轴的内壁面连接。

Description

一种低冲击空间对接电磁密封装置

技术领域

本发明属于航天器空间对接领域，尤其涉及一种低冲击空间对接电磁密封装置。

背景技术

对接机构技术是指能够在太空通过接触、缓冲、捕获和刚性联接等过程将两个飞行器在结构上形成一个整体的技术。其中，在轨道上等待对接的飞行器称为目标飞行器，通过一系列变轨等运动控制与目标飞行器进行对接的飞行器称为主动飞行器。包括我国在内的各航天强国均在研制具有低冲击、高可靠性、规范性、多功能性、轻质高效以及智能化等典型技术特征的新一代航天器空间对接系统，因其最大特点为柔性对接，对接接触过程撞击载荷较小，新一代航天器空间对接系统每个国家结构形式均不相同。

密封是航天器空间交会对接过程的主要环节之一，主动飞行器和目标飞行器对齐拉紧后，两个对接系统进行密封、锁合并建立刚性连接，形成一个密封的输送通道。安装在两对接系统接口处的对接密封装置即是保证对接密封性能的主要部件，该装置除保证对接过程及完成后舱内空气等物质的极低泄漏外，还应在太空环境下具有低载荷、易对接、易分离、冗余密封以及反复使用等特性。低的泄漏率是空间对接密封装置的主要性能指标之一，在其产品研制过程中，需开发新型密封结构来满足日益发展的空间对接技术需求。为了实现空间二个航天器之间的有效对接，需要对接机构的所有部件进行隔热保温、防辐射、防泄漏处理，同时密封装置还要求能随着对接实现时的运动而保持一定的柔韧性、气密性和足够的强度。

现有技术中，为了满足空间对接飞行器低冲击对接系统对接面密封耐压性能的要求，有提出可伸缩可更换密封件的轨道舱结构，也有提出既能对对接机构进行隔热保温和防辐射处理，同时又保持一定柔韧性、气密性和强度的空间对接机构用保温隔热软罩结构。

尽管这两种关于空间对接密封技术，能够满足空间对接飞行器低冲击对接系统对接面密封要求，且可应用于空间对接的工作环境中，极大提高了密封需求，具有低载荷、易对接、易分离、冗余密封以及反复使用的特性。然而，在现有密封装置结构中，采用密封圈来实现密封连接，而密封圈无法实现零泄漏，而且使用寿命短，无法防尘，容易受到太空环境的污染，即现有的密封装置容易失效不稳定，密封耐压性能差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低冲击空间对接电磁密封装置，以解决现有技术中空间对接装置存在容易失效不稳、密封耐压性能差的问题。本发明的技术方案为：

一种低冲击空间对接电磁密封装置，包括设于第一飞行器对接口的极靴组件、隔磁环、永磁体和磁性流体，以及设于第二飞行器对接口的波纹管、基座、伸缩部和导磁轴；

所述极靴组件包括至少两个极靴，所述极靴的外圆面与所述第一飞行器对接口的壳体内圆面密封连接，所述极靴的内圆面朝向其轴线方向凸设有若干极齿，相邻两个所述极靴之间设有永磁体，且每一所述永磁体的磁极均同向设置，所述极靴组件远离所述第二飞行器对接口的一侧设有隔磁环，所述永磁体的内圆面和与其相邻的两个所述极靴的相邻侧面配合形成容置空间；

所述基座的外圆面与所述第二飞行器对接口的壳体内圆面密封连接，所述伸缩部固连于所述基座，所述伸缩部的输出端与所述导磁轴的第一端连接；

所述基座、所述伸缩部和所述导磁轴均内部中空且配合形成一两端开口的空腔，所述波纹管位于所述空腔内，所述波纹管的第一端伸出所述空腔与所述基座远离所述导磁轴的一侧连接，所述波纹管的第二端与所述导磁轴的内壁面连接；

密封状态时，所述伸缩部伸出带动所述波纹管伸长，并驱动所述导磁轴的第二端穿设所述极靴组件，所述导磁轴的第二端的外圆面与所述极齿的内圆面之间存在密封间隙，所述磁性流体位于所述密封间隙；当非密封状态时，所述伸缩部收缩带动所述波纹管折叠，并驱动所述导磁轴的第二端离开所述极靴组件，所述磁性流体位于所述容置空间内。

优选地，所述极靴的外圆面与所述第一飞行器对接口的壳体内圆面之间、所述基座的外圆面与所述第二飞行器对接口的壳体内圆面之间均通过密封圈密封连接。

优选地，所述极靴和所述基座的外圆面均设有密封圈凹槽，所述密封圈凹槽内容置有所述密封圈。

优选地，所述基座具有远离所述第一飞行器对接口的第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，所述波纹管的第一端与所述基座的第一侧连接；

所述伸缩部为伸缩缸，所述伸缩缸的固定端与所述基座的第二侧连接，所述伸缩缸的输出端与所述导磁轴连接。

优选地，所述永磁体的数量为1至5个。

优选地，所述基座和所述极靴的总数为3至10个。

优选地，所述伸缩部的伸缩行程为10毫米至300毫米。

优选地，所述极齿为矩形齿。

优选地，所述密封间隙的大小为0.1毫米至0.8毫米。

优选地，所述极靴组件包括两个极靴。

优选地，所述第一飞行器对接口为主动飞行器对接口，所述第二飞行器对接口为目标飞行器对接口。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

(1)本发明中，在非密封状态，磁性流体在闭合磁路的作用下，位于容置空间内，在密封状态下，导磁轴的第二端穿设极靴组件，导磁轴的第二端与极齿之间的密封间隙使得整个闭合磁路的磁通减小，磁场增强，将原本位于容置空间内的磁性流体吸附在密封间隙中，将密封间隙堵住，本发明在此时形成电磁密封。而电磁密封具有稳定，密封耐压性能好等优点，因此，将电磁密封运用于空间对接技术的本发明，解决了现有技术中空间对接装置存在容易失效不稳、密封耐压性能差的问题。

(2)本发明，在飞行器对接完成后，伸缩部伸出，带动波纹管伸长，同时驱动导磁轴的第二端伸入极靴组件形成电磁密封，未密封状态(即伸缩部缩回状态)下波纹管呈现收缩状态，密封状态(即伸缩部伸出状态)下其呈现伸展状态，形成电磁密封，而波纹管内部的通道可供宇航员生活和/或工作，增大了宇航员生活和/或工作的空间。

(3)本发明，在空间服役多年期间可以通过不断加注磁性流体，从而增长对接服役的年限。

(4)本发明提供的低冲击空间对接电磁密封装置稳定、可靠性高、密封耐压性能好，能确保舱体内宇航员的安全性，同时在构建空间站保障系统安全稳定性上，可有效提高成功率，节省科研经费，节省人力物力。

(5)本发明的各部分分别设于第二飞行器对接口和第一飞行器对接口，在飞行器对接后，处于实际的舱体(即第二飞行器对接口处的壳体和第一飞行器对接口处的壳体形成的舱体)内，当出现意外故障时候，宇航员可以不需要出舱活动，在内部进行维修更换，操作程序简单靠，强度小，时间短，保障宇航员的人身安全。

(6)本发明结构简单，便于拆分安装。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1为本发明的一种低冲击空间对接电磁密封装置的未密封状态结构示意图；

图2为本发明的一种低冲击空间对接电磁密封装置的密封状态结构示意图；

图3为本发明密封状态时主动飞行器外壳处局部结构的放大示意图；

图4为本发明未密封状态时目标飞行器外壳处局部结构的放大示意图；

图5为本发明密封状态时目标飞行器外壳处局部结构的放大示意图。

附图标记说明：

1：目标飞行器对接口；2：主动飞行器对接口；3：波纹管；4：基座；5：伸缩部；6：导磁轴；7：极靴；8：永磁体；9：隔磁环；10：密封圈。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。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，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

参看图1至图5，本实施例提供一种低冲击空间对接电磁密封装置，包括设于第一飞行器对接口的极靴组件、隔磁环9、永磁体8和磁性流体，以及设于第二飞行器对接口的波纹管3、基座4、伸缩部5和导磁轴6。

极靴组件包括至少两个极靴7，极靴7的外圆面与第一飞行器对接口的壳体内圆面密封连接，极靴7的内圆面朝向其轴线方向凸设有若干极齿。相邻两个极靴7之间设有永磁体8，且每一永磁体8的磁极均同向设置。极靴组件远离第二飞行器对接口的一侧设有隔磁环9，永磁体8的内圆面和与其相邻的两个极靴7的相邻侧面配合形成容置空间。

基座4的外圆面与第二飞行器对接口的壳体内圆面密封连接，伸缩部5固连于基座4，伸缩部5的输出端与导磁轴6的第一端连接。基座4、伸缩部5和导磁轴6均内部中空且配合形成一两端开口的空腔，波纹管3位于空腔内，波纹管3的第一端伸出空腔与基座4远离导磁轴6的一侧连接，波纹管3的第二端与导磁轴6的内壁面连接。

密封状态时，伸缩部5伸出带动波纹管3伸长，并驱动导磁轴6的第二端穿设极靴组件，导磁轴6的第二端的外圆面与极齿的内圆面之间存在密封间隙，磁性流体位于密封间隙。当非密封状态时，伸缩部5收缩带动波纹管3折叠，并驱动导磁轴6的第二端离开极靴组件，磁性流体位于容置空间内。

在本实施例，极靴7内圆面加工有多级极齿，形成多级密封，极齿和导磁轴6之间的密封间隙内充满磁性流体，永磁体8、极靴7、磁性流体和导磁轴6会形成封闭的磁场回路，磁性液体在强磁场的作用下被束缚在密封间隙中，沿着极齿形成数个液态的“O”型圈，起到密封作用。当密封结构的两侧空间受到压差作用时，磁性液体会变形，变形的磁性液体会受到磁场力的作用，磁场力与压力会达到新的平衡，起到对抗压差的作用。因此，本发明具有稳定性高、可靠性高、以及密封耐压性能好等优点。

本发明首次将对接与密封拆分成两个步骤来实现，完成主动飞行器和目标飞行器的对接后，再在舱体内部进行密封。

现对本实施例的结构进行说明。

第一飞行器和第二飞行器可以分别是主动飞行器和目标飞行器，也可以分别是目标飞行器和主动飞行器。在本实施例中，第一飞行器为主动飞行器，第二飞行器为被动飞行器。且，为便于说明，将靠近目标飞行器一侧设为左侧，将靠近主动飞行器一侧设为右侧。

目标飞行器和主动飞行器的对接面尺寸相同，即目标飞行器对接口1处壳体的横截面和主动飞行器对接口2处壳体的横截面相同。具体的，在本实施例中，横截面可以是圆环状。

极靴组件可以包括多个极靴7，多个极靴7具有相同的结构尺寸。在本实施例中，极靴组件包括两个极靴7。极靴7的外圆面可以通过密封圈10与主动飞行器对接口2的壳体内圆面密封连接，具体的，可以在极靴7的外圆面上开设与密封圈10相匹配的密封圈凹槽，密封圈10安装在密封圈凹槽内。极靴7的内圆面上凸设有极齿，在本实施中，两个极靴7的内圆面上分别凸设有5个极齿，且该极齿为矩形齿；当然，在其他实施例中，每个极靴7的内圆面上的极齿数量以及形状都可以有其他选择，此处不做选择。

所有相邻的两个极靴7之间均设有永磁体8，但两个相邻极靴7之间可以同时设置多个同心的永磁体8。进一步地，永磁体8的数量可以为1至5个，电磁密封的级数可以为1至6级。在本实施例中，至包含一个永磁体8，设有两个极靴7之间，且该永磁体8的外圆面与主动飞行器对接口2的壳体内圆面贴合。

两个极靴7中靠右侧的极靴7的右侧面与隔磁环9的左侧面贴合，在主动飞行器对接口2的壳体内圆面向内凸设台阶，该台阶用于安装时定位隔磁环9的位置，即隔磁环9的右侧面与该台阶贴合。

在本实施例中，极靴7的材料可以选择马氏体钢，目标飞行器对接口1处壳体、主动飞行器对接口2的壳体和隔磁环9可以采用非导磁材料制成，永磁体8可以选用铆铁硼。

基座4可以采用圆环形结构，基座4的外圆面可以同样通过密封圈10与目标飞行器对接口1的壳体内圆面密封连接，同样可以在基座4的外圆面上开设密封圈凹槽，基座4对应的密封圈10安装于该密封圈凹槽内。其中，基座4对应的密封圈10与极靴7对应的密封圈10可以是同规格的密封圈10。进一步地，基座4和极靴7的总数可以为3至10个。

基座4远离主动飞行器对接口2的外壳的一侧为第一侧，与第一侧相对的一侧为第二侧，即基座4的第一侧为左侧表面，第二侧为右侧表面。

伸缩部5可以是伸缩缸，在本实施中，具体可以是电动伸缩缸。伸缩缸的固定端可以与基座4的第二侧固定连接，伸缩缸的输出端与导磁轴6相连。进一步地，伸缩部5的伸缩行程可以为10毫米至300毫米。

导磁轴6的第二端跟随伸缩缸的伸缩穿设或离开极靴组件，当导磁轴6穿设极靴组件时，极靴7上极齿与导磁轴6的第二端的外圆面之间的密封间隙的大小可以为0.1毫米至0.8毫米。这个密封间隙可以使得整个闭合磁路的磁通减小，磁场增强，将原本位于容置空间内的磁性流体吸附在密封间隙中，将密封间隙堵住，达到密封耐压的效果。

波纹管3包括主体隔热材料和包覆在主体隔热材料内、外表面的织物，主体隔热材料由若干层低温绝热材料和防辐射材料叠合而成能够实现宇航员自由活动的安全标准需求。上述材料均可采用现有技术中公知的材料。进一步地，波纹管3可以由低温绝热材料、防泄漏材料和防辐射材料间隔叠合而成。因此，波纹管3具有隔热保温、防辐射、防泄漏的功能，且波纹管3还具有良好的伸缩性，实现良好的密封性能。

波纹管3的第一端可以与基座4的第一侧连接，第二端与导磁轴6第二端的内壁面连接，连接方式可以采用胶接或钢钉连接等。

本实施例提供的低冲击空间对接电磁密封装置具有一个整体的轴线，将该轴线称为中心轴线。极靴7、隔磁环9、永磁体8、基座4、伸缩部5、导磁轴6以及波纹管3均空心结构，它们的中心线都与中心轴线重合。

当伸缩缸伸出带动导磁轴6移动至合适位置时，实现电磁结构的密封，同时波纹管3也实现密封的功能。

本实施例提供的低冲击空间对接电磁密封装置，其中的波纹管3具有隔热保温、防辐射、防泄漏功能，且同时具有柔韧性、气密性和抗辐射性，能有效保护设备内部的仪器、仪表的正常工作从而延长其有效寿命；具有良好的柔软性和很轻的自重；具有足够的强度以保证对接时的使用寿命；具有较好的气密性；具有良好的柔顺性和稳定性以满足伸缩的要求。

本实施例在一般磁流体密封的基础上，通过设置伸缩部5，将导磁轴6输送到密封的部位，与极靴7、永磁体8形成良好的密封结构，这种密封结构具有传统密封圈不具有的可重复使用的特性，不用担心摩擦磨损的问题，克服固体密封中的磨损大、功耗大、寿命短等弊病。

本实施例方便生产与加工，同时增加了密封处的磁场强度，进一步提高了空间站极端环境下磁性流体密封的耐压能力和密封可靠性，扩大了空间舱安全工作范围。

本实施例提供的低冲击空间对接电磁密封装置，满足安装与拆卸的同时尽可能的减小密封失效时磁流体的损失，增加了低冲击空间对接电磁密封装置的二次承压能力和自修复能力，进一步提高了特殊条件下空间对接密封的耐压能力和密封可靠性，扩大了其安全工作范围。

本实施例的安装过程可以为：

首先，将一个密封圈10安装到基座4上的密封圈凹槽内，将导磁轴6安装到伸缩缸的输出端末端，实现伸缩缸的伸缩能够带动导磁轴6轴向运动，将波纹管3的两端分别与基座4和导磁轴6连接；再将波纹管3、基座4、伸缩缸、导磁轴6组合安装到目标飞行器外壳的内圆面上。

其次，将隔磁环9安装到主动飞行器对接口2的壳体内，将两个密封圈10分别安装到两个极靴7的外圆面的密封圈凹槽内，再按极靴7、永磁体8、极靴7的顺序安装至主动飞行器对接口2的壳体内，在容置空间内注入磁性流体。

最后，在主动飞行器和目标飞行器对接完成后，电动缸伸出带动导磁轴6移动至合适位置，触发磁性流体释放，形成电磁密封需要的闭合回路，从未实现低冲击空间对接电磁密封。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种低冲击空间对接电磁密封装置，其特征在于，包括设于第一飞行器对接口的极靴组件、隔磁环、永磁体和磁性流体，以及设于第二飞行器对接口的波纹管、基座、伸缩部和导磁轴；

所述极靴组件包括至少两个极靴，所述极靴的外圆面与所述第一飞行器对接口的壳体内圆面密封连接，所述极靴的内圆面朝向其轴线方向凸设有若干极齿，相邻两个所述极靴之间设有永磁体，且每一所述永磁体的磁极均同向设置，所述极靴组件远离所述第二飞行器对接口的一侧设有隔磁环，所述永磁体的内圆面和与其相邻的两个所述极靴的相邻侧面配合形成容置空间；

所述基座的外圆面与所述第二飞行器对接口的壳体内圆面密封连接，所述伸缩部固连于所述基座，所述伸缩部的输出端与所述导磁轴的第一端连接；

所述基座、所述伸缩部和所述导磁轴均内部中空且配合形成一两端开口的空腔，所述波纹管位于所述空腔内，所述波纹管的第一端伸出所述空腔与所述基座远离所述导磁轴的一侧连接，所述波纹管的第二端与所述导磁轴的内壁面连接；

密封状态时，所述伸缩部伸出带动所述波纹管伸长，并驱动所述导磁轴的第二端穿设所述极靴组件，所述导磁轴的第二端的外圆面与所述极齿的内圆面之间存在密封间隙，所述磁性流体位于所述密封间隙；当非密封状态时，所述伸缩部收缩带动所述波纹管折叠，并驱动所述导磁轴的第二端离开所述极靴组件，所述磁性流体位于所述容置空间内。

2.根据权利要求1所述的低冲击空间对接电磁密封装置，其特征在于，所述极靴的外圆面与所述第一飞行器对接口的壳体内圆面之间、所述基座的外圆面与所述第二飞行器对接口的壳体内圆面之间均通过密封圈密封连接。

3.根据权利要求2所述的低冲击空间对接电磁密封装置，其特征在于，所述极靴和所述基座的外圆面均设有密封圈凹槽，所述密封圈凹槽内容置有所述密封圈。

4.根据权利要求1所述的低冲击空间对接电磁密封装置，其特征在于，所述基座具有远离所述第一飞行器对接口的第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，所述波纹管的第一端与所述基座的第一侧连接；

所述伸缩部为伸缩缸，所述伸缩缸的固定端与所述基座的第二侧连接，所述伸缩缸的输出端与所述导磁轴连接。

5.根据权利要求1所述的低冲击空间对接电磁密封装置，其特征在于，所述永磁体的数量为1至5个。

6.根据权利要求1所述的低冲击空间对接电磁密封装置，其特征在于，所述伸缩部的伸缩行程为10毫米至300毫米。

7.根据权利要求1所述的低冲击空间对接电磁密封装置，其特征在于，所述极齿为矩形齿。

8.根据权利要求1所述的低冲击空间对接电磁密封装置，其特征在于，所述密封间隙的大小为0.1毫米至0.8毫米。

9.根据权利要求1所述的低冲击空间对接电磁密封装置，其特征在于，所述极靴组件包括两个极靴。

10.根据权利要求1所述的低冲击空间对接电磁密封装置，其特征在于，所述第一飞行器对接口为主动飞行器对接口，所述第二飞行器对接口为目标飞行器对接口。

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