CN113353235B - 一种可实现组合体飞行器之间的锁紧分离机构及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可实现组合体飞行器之间的锁紧分离机构及其工作方法，属于航空航天技术领域，具体包括组合体飞行器组、锁紧机构和分离机构，组合体飞行器组包括主动飞行器与被动飞行器，锁紧机构位于主动飞行器内部，锁紧机构与主动飞行器箱体底部机械固连，分离机构位于被动飞行器内部，分离机构与被动飞行器箱体底部机械固连。锁紧机构包括齿轮盘、传动齿轮、锁杆、锁杆支座、法兰盘与轴用弹性挡圈，分离机构为带有四个固定销的紧固圆柱体；本发明具有结构简单可靠，体积质量较小，能源消耗较小等特点，可以实现组合体飞行器的稳定可控有序分离。

Description

一种可实现组合体飞行器之间的锁紧分离机构及工作方法

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，尤其是涉及一种可实现组合体飞行器之间的锁紧分离机构及工作方法。

背景技术

随着各国航空航天技术的不断发展，为满足复杂的飞行任务需求，作为整体飞行的单体飞行器功能越发强大复杂，体积逐渐增大，研制周期、研发成本与发射成本也显著增加。为了有效降低研制成本，缩短响应时间，组合体飞行器的概念应运而生，并已成功地在许多重要飞行任务中得到实施，相对欧美等西方国家，我国对此的研究尚处于开始阶段，因此有必要开展相关技术研究。

以组合体飞行器设计为理念，对接接口技术逐渐得以迅速发展，对接接口技术涉及机构设计、机械动力学、机电控制等多个学科领域，近30年来，国内外已广泛地开展了对对接接口技术的相关研究工作，并已取得了一定进展，但结构均较为繁琐，无疑增加了飞行器的整体质量，因此有必要设计一种新型的结构简单质量较小的一种可实现组合体飞行器对接锁紧分离机构机构。

发明内容

本发明针对现有技术中的问题，提出一种新型的结构简单质量较小的一种可实现组合体飞行器对接锁紧分离机构机构及其工作方法，该结构简单轻巧、安装方便、可以实现组合体飞行器的可靠稳定分离。

本发明是这样实现的：

一种可实现组合体飞行器之间的锁紧分离机构，该机构包括组合体飞行器以及组合体飞行器内部设置的锁紧机构、分离机构；所述的组合体飞行器包括主动飞行器与被动飞行器，所述的锁紧机构位于主动飞行器内部，所述的分离机构位于被动飞行器内部，所述的锁紧机构和分离机构通过内部锁紧/分离运动，实现组合体飞行器组的锁紧与分离；

所述的锁紧机构包括保护罩、锁杆，锁杆支座、齿轮盘、传动齿轮、轴用弹簧挡圈、法兰盘；所述的法兰盘固连在主动飞行器内侧底板上；所述的法兰盘为阶梯轴状，所述的法兰盘包括挡圈凹槽，法兰盘阶梯轴肩。

所述的齿轮盘嵌入法兰盘阶梯轴肩上，法兰盘阶梯轴肩用于支承限位齿轮盘的轴向下侧位移；所述的轴用弹簧挡圈嵌入法兰盘的挡圈凹槽内，用于限制齿轮盘的轴向上侧位移；

所述的锁杆两侧设置锁杆支座，且与锁杆支座上的轴孔过盈配合；两个锁杆支座固定于齿轮盘上表面，所述的锁杆支座与齿轮盘上侧限位槽配合；

所述的传动齿轮安装于主动飞行器底部内侧的固定销上，齿轮盘与传动齿轮齿轮配合，齿轮盘在传动齿轮的转动下做旋转运动，齿轮盘带动两个锁杆支座、锁杆做旋转运动；所述的保护罩底部与主动飞行器底部内侧凹槽固定连接，传动齿轮嵌入主动飞行器底部的销轴内，与齿轮盘啮合并提供齿轮盘旋转所需驱动力。

进一步，所述的保护罩上设置保护罩齿轮啮合窗口；所述的锁杆支座包括锁杆接孔、固定通孔；所述的齿轮盘上设置锁杆支座凹槽；所述的法兰盘上还设置有固定通孔；所述的主动飞行器上设置有对接销孔、箱体固定销；所述的分离机构上设置有凸轮槽、定位销、固定通孔。

进一步，所述的组合体飞行器用于对接结构部分为四棱柱构型、六棱柱构型或其他多边形棱柱构型；所述的分离机构为圆柱体结构；所述的分离机构与被动飞行器底部外侧紧固连接，所述的分离机构上的四个定位销均布于底板，用于对接时限位与承力作用，所述的分离机构上的圆柱体为厚壁筒状体结构，筒壁具有两组贯穿式凸轮槽，两组凸轮槽呈反镜像分布，用于接触限位锁杆的旋转运动，凸轮槽截面为矩形截面，为锁杆的旋转运动提供运动轨道；凸轮槽底部具有平缓阶段，平缓段作为锁杆锁止状态的受力结构。

进一步，所述的保护罩齿轮啮合窗口用于传动齿轮、限制齿轮盘之间的啮合接触。

进一步，所述的锁紧机构位于主动飞行器底部内侧，所述的齿轮盘通过固定通孔与主动飞行器底部螺纹孔实现固定连接。

进一步，所述的锁杆支座凹槽与锁杆支座接触配合，并通过固定通孔与齿轮盘实现螺栓固定连接，利用所述的锁杆接孔将锁杆支座、锁杆固定连接。

进一步，所述的主动飞行器箱体底部设置的对接销孔、箱体固定销分别与分离机构的凸轮槽、定位销间隙配合；所述的分离机构位于被动飞行器底部外侧，通过分离机构的固定通孔与被动飞行器底部实现螺栓固定连接。

本发明还公开了一种可实现组合体飞行器之间的锁紧分离机构的工作方法，当带有分离机构的被动飞行器靠近带有锁紧机构的主动飞行器时，分离机构圆柱体上的凸轮槽开口与锁杆对接，齿轮盘在传动齿轮的作用下做顺时针旋转运动，锁杆相对凸轮槽顺时针旋转，分离机构带动被动飞行器在锁杆的作用下靠近主动飞行器，同时分离机构上的固定销进入主动飞行器底部的销孔，在旋转到凸轮槽末端时，停止旋转，此过程为锁紧过程。在锁紧阶段，齿轮盘在传动齿轮的作用下，逆时针旋转，分离机构圆柱体在锁杆的推力作用下，做分离动作，当锁杆与圆柱体分离完毕，解锁过程结束。所述的方法具体为：

1)锁紧状态；

当组合体飞行器处于飞行状态时，被动飞行器靠近主动飞行器，固定在被动飞行器底部的分离机构，即分离机构上的圆柱体首先与主动飞行器底部的圆形通孔配合导向，此时主动飞行器内部的传动齿轮在电机的驱动下开始逆时针工作，带动齿轮盘顺时针运动，齿轮盘带动锁杆支座做顺时针转动，当分离机构的圆柱体与锁杆接触时，由于锁杆做顺时针旋转运动，在某一刻将嵌入圆柱体的贯穿式凸轮槽内，此时圆柱体在锁杆的旋转拉动下，将带动被动飞行器靠近主动飞行器，同时分离机构的四个定位销也在圆柱体的带动下进入销孔中，当锁杆旋转90°时达到分离机构贯穿式凸轮槽底部，传动齿轮停止转动，此时定位销全部进入到销孔内，锁紧过程完毕；

2)分离过程；

当组合体飞行器完成相关阶段飞行任务后，被动飞行器收到分离信号，传动齿轮在电机的作用下顺时针旋转，带动齿轮盘逆时针转动，齿轮盘带动锁杆支座做逆时针转动，在锁杆与贯穿式凸轮槽的相互作用力下，分离机构的四个定位销逐渐分离于主动飞行器底部的销孔，当锁杆与贯穿式凸轮槽完全脱离后，分离过程完毕。

本发明与现有技术的有益效果在于：

本发明的锁紧机构与分离机构结构简单，构件精简可靠，轴对称式的机构分布可以较大程度上满足组合体飞行器分别以90°、180°、270°的对接姿态对接，这种布置方式避免了组合体飞行器分离后各飞行器之间相互干涉问题，节省了飞行器的运载空间；

锁紧过程与分离过程满足多次在轨工作要求，且工作过程平顺，无冲击载荷变化，相较于火工分离装置，无爆炸冲击力的同时也无污染物的产生，更加稳定可靠；

锁紧过程与分离过程，作动机构仅为电机驱动传动齿轮转动，极大提高了传动效率，降低了能耗占比；

组合体飞行器之间连接的承力结构由四组定位销和圆柱体组成，其中定位销承受径向剪切载荷作用，圆柱体承受轴向拉压载荷，不同结构分工明确，很大程度上改善了一件多用的工作模式，减轻了承力部件的复杂受力环境；

当本发明用于较大型组合体飞行器时，可在飞行器内部多组分布，并采取皮带传送的方式进行多组锁紧分离机构同步进行，具有操作简单，高可靠性与高同步性优点。

附图说明

图1为本发明实施例所述的一种可实现组合体飞行器对接锁紧分离机构的爆炸分解视图；

图2为本发明实施例所述的一种可实现组合体飞行器对接锁紧分离机构示意图；

图3为本发明实施例所述的一种可实现组合体飞行器对接锁紧分离机构的主动飞行器与被动飞行器对接示意图；

图4为本发明实施例所述的一种可实现组合体飞行器对接锁紧分离机构中与锁紧机构固连的主动飞行器箱体的斜视图；

图5为本发明实施例所述的一种可实现组合体飞行器对接锁紧分离机构中与分离机构固连的被动飞行器箱体的斜视图；

图6为本发明实施例所述的一种可实现组合体飞行器对接锁紧分离机构中的法兰盘结构示意图；

图7为本发明实施例所述的一种可实现组合体飞行器对接锁紧分离机构中的齿轮盘结构示意图；

图8为本发明实施例所述的一种可实现组合体飞行器对接锁紧分离机构中的传动齿轮结构示意图；

图9为本发明实施例所述的一种可实现组合体飞行器对接锁紧分离机构中的锁杆支座结构示意图；

图10为本发明实施例所述的一种可实现组合体飞行器对接锁紧分离机构中分离机构结构示意图；

图11为本发明实施例所述的一种可实现组合体飞行器对接锁紧分离机构中保护罩结构示意图；

其中，1-保护罩，101-保护罩齿轮啮合窗口，2-锁杆，3-锁杆支座，301-锁杆接孔，302-固定通孔，4-齿轮盘，401-锁杆支座凹槽，5-传动齿轮，6-轴用弹簧挡圈，7-法兰盘，701-挡圈凹槽，702-法兰盘阶梯轴肩；703-固定通孔；8-主动飞行器，801-对接销孔，802-箱体固定销，803-通孔，804-法兰盘凹槽，9-分离机构，901-凸轮槽，902-定位销，903-固定通孔，10-被动飞行器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1～图11所示，本发明的一种可实现组合体飞行器对接锁紧分离机构，所述的机构包括组合体飞行器以及组合体飞行器内部设置的锁紧机构、分离机构9，具体包括保护罩1、锁杆2、锁杆支座3、齿轮盘4、传动齿轮5、轴用弹簧挡圈6、法兰盘7、主动飞行器8、分离机构9和被动飞行器10等部件。锁紧机构与主动飞行器8固定连接，分离机构与被动飞行器10固定连接，两飞行器通过固定销完成连接固定任务。

主动飞行器底部内侧具有一个通孔803，用于分离机构圆柱体进入主动飞行器实现锁紧功能，通孔周围均布四个对接销孔801，用于分离机构四个定位销902一一配合，底部内侧具有四爪型法兰盘凹槽804，用于法兰盘限位固定连接；

所述被动飞行器底部具有八个螺纹孔1001，用于分离机构与被动飞行器的固定连接。

锁紧机构位于主动飞行器8底部内侧，法兰盘7通过第二固定通孔703与主动飞行器8底部螺纹孔实现螺栓固定连接，所述的分离机构9位于被动飞行器10底部外侧，通过八个第三固定通孔903与底部实现螺栓固定连接，所述的被动飞行器10在主动飞行器8的作用下实现分离动作要求。

组合体飞行器对接结构部分为四棱柱构型、六棱柱构型或其他多边形棱柱构型。位于主动飞行器内的锁紧机构，法兰盘7通过螺栓固定于主动飞行器8底部，其中法兰盘具有挡圈凹槽701和法兰盘阶梯轴肩702，齿轮盘4套入法兰盘7后与法兰盘阶梯轴肩702限位接触，实现轴向下侧位移约束固定，所述的轴用弹簧挡圈6嵌入法兰盘7的挡圈凹槽701内，并与挡圈凹槽701卡死配合，实现齿轮盘轴向上侧位移约束固定。

锁杆2与对称分布的两个锁杆支座3通过轴孔配合连接，锁杆支座3与锁杆支座凹槽401接触配合并通过第一固定通孔302与齿轮盘实现螺栓固定连接。传动齿轮5与对接销孔801配合连接，并与齿轮盘4啮合对接，实现动力传输功能。保护罩1与主动飞行器8箱底凹槽配合，并通过螺栓连接固定，实现对解锁机构的保护作用，其中保护罩齿轮啮合窗口101用于传动齿轮5与齿轮盘啮合接触。

一种可实现组合体飞行器对接锁紧分离机构的工作方法，包括以下步骤：

1、锁紧状态：

当组合体飞行器处于飞行状态时，被动飞行器10靠近主动飞行器8，固定在被动飞行器底部的分离机构9上的圆柱体首先与主动飞行器8底部的圆形通孔配合导向，此时主动飞行器8内部的传动齿轮5在电机的驱动下开始逆时针工作，带动齿轮盘4顺时针运动，齿轮盘4带动锁杆支座3做顺时针转动，当分离机构9的圆柱体与锁杆2接触时，由于锁杆2做顺时针旋转运动，在某一刻将嵌入圆柱体的贯穿式凸轮槽901内，此时圆柱体在锁杆2的旋转拉动下，将带动被动飞行器10靠近主动飞行器8，同时分离机构9的四个定位销902也在圆柱体的带动下进入对接销孔801中，当锁杆2旋转90°时达到分离机构贯穿式凸轮槽901底部，传动齿轮5停止转动，此时定位销902全部进入到对接销孔801内，结构完成锁紧工作。

2、分离过程

当组合体飞行器完成相关阶段飞行任务后，被动飞行器10收到分离信号，传动齿轮5在电机的作用下顺时针旋转，带动齿轮盘4逆时针转动，齿轮盘4带动锁杆支座3做逆时针转动，在锁杆2与贯穿式凸轮槽901的相互作用力下，锁杆2挤压凸轮槽901使其做轴向后移运动，进而带动分离机构9上的四个定位销902与主动飞行器底部的对接销孔801分离，当锁杆2与贯穿式凸轮槽901做旋转运动完成后，锁杆2与凸轮槽901解除约束，完全脱离后完成分离工作。

并且，当飞行器体积相对较大时，可分布多组本发明机构，并通过皮带传动实现解锁分离控制的同步性。本发明的组合体飞行器对接锁紧分离机构，满足组合体飞行器在飞行任务当中组装对接任务，同时满足异体小型飞行器空中对接要求，可实现对接锁紧与对接分离的多次相关阶段飞行任务要求，并保证高可靠性与高同步性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种可实现组合体飞行器之间的锁紧分离机构，其特征在于，所述的机构包括组合体飞行器以及组合体飞行器内部设置的锁紧机构、分离机构（9）；

所述的组合体飞行器包括主动飞行器（8）与被动飞行器（10），所述的锁紧机构位于主动飞行器（8）内部，所述的分离机构（9）位于被动飞行器（10）内部，所述的锁紧机构和分离机构（9）通过内部锁紧/分离运动，实现组合体飞行器组的锁紧与分离；

所述的锁紧机构包括保护罩（1）、锁杆（2），锁杆支座（3）、齿轮盘（4）、传动齿轮（5）、轴用弹簧挡圈（6）、法兰盘（7）；所述的法兰盘（7）固连在主动飞行器（8）内侧底板上；所述的法兰盘（7）为阶梯轴状，所述的法兰盘（7）包括挡圈凹槽（701），法兰盘阶梯轴肩（702），

所述的齿轮盘（4）嵌入法兰盘阶梯轴肩（702）上，法兰盘阶梯轴肩（702）用于支承限位齿轮盘（4）的轴向下侧位移；所述的轴用弹簧挡圈（6）嵌入法兰盘（7）的挡圈凹槽（701）内，用于限制齿轮盘（4）的轴向上侧位移；

所述的锁杆（2）两侧设置锁杆支座（3），且与锁杆支座（3）上的轴孔过盈配合；两个锁杆支座（3）固定于齿轮盘（4）上表面，所述的锁杆支座（3）与齿轮盘（4）上侧限位槽配合；

所述的传动齿轮（5）安装于主动飞行器（8）底部内侧的固定销上，齿轮盘（4）与传动齿轮（5）齿轮配合，齿轮盘（4）在传动齿轮（5）的转动下做旋转运动，齿轮盘（4）带动两个锁杆支座（3）、锁杆（2）做旋转运动；所述的保护罩（1）底部与主动飞行器（8）底部内侧凹槽固定连接；

所述的保护罩（1）上设置保护罩齿轮啮合窗口（101）；所述的锁杆支座（3）包括锁杆接孔（301）、第一固定通孔（302）；所述的齿轮盘（4）上设置锁杆支座凹槽（401）；所述的法兰盘（7）上还设置有第二固定通孔（703）；所述的主动飞行器（8）上设置有对接销孔（801）、箱体固定销（802）、通孔（803）、法兰盘凹槽（804）；所述的分离机构（9）上设置有凸轮槽（901）、定位销（902）、第三固定通孔（903）；

所述的组合体飞行器用于对接结构部分为四棱柱构型、六棱柱构型或其他多边形棱柱构型；所述的分离机构（9）为圆柱体结构；所述的分离机构（9）与被动飞行器（10）底部外侧紧固连接，所述的分离机构（9）上的四个定位销（902）均布于底板，用于对接时限位与承力作用，所述的分离机构（9）上的圆柱体为厚壁筒状体结构，筒壁具有两组贯穿式凸轮槽（901），两组凸轮槽（901）呈反镜像分布，用于接触限位锁杆的旋转运动，凸轮槽（901）截面为矩形截面，为锁杆的旋转运动提供运动轨道；凸轮槽（901）底部具有平缓阶段，平缓段作为锁杆锁止状态的受力结构。

2.根据权利要求1所述的一种可实现组合体飞行器之间的锁紧分离机构，其特征在于，所述的保护罩齿轮啮合窗口（101）用于传动齿轮（5）、限制齿轮盘（4）之间的啮合接触。

3.根据权利要求1所述的一种可实现组合体飞行器之间的锁紧分离机构，其特征在于，所述的锁紧机构位于主动飞行器（8）底部内侧，所述的齿轮盘（4）通过第二固定通孔（703）与主动飞行器（8）底部螺纹孔实现固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种可实现组合体飞行器之间的锁紧分离机构，其特征在于，所述的锁杆支座凹槽（401）与锁杆支座（3）接触配合，并通过第一固定通孔（302）与齿轮盘实现螺栓固定连接，利用所述的锁杆接孔（301）将锁杆支座（3）、锁杆（2）固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种可实现组合体飞行器之间的锁紧分离机构，其特征在于，所述的主动飞行器（8）箱体底部设置的对接销孔（801）、箱体固定销（802）分别与分离机构（9）的凸轮槽（901）、定位销（902）间隙配合；所述的分离机构（9）位于被动飞行器（10）底部外侧，通过分离机构（9）的第三固定通孔（903）与被动飞行器（10）底部实现螺栓固定连接。

6.根据权利要求1~5任一所述的一种可实现组合体飞行器之间的锁紧分离机构的工作方法，其特征在于，所述的方法具体为：

1）锁紧状态；

当组合体飞行器处于飞行状态时，被动飞行器（10）靠近主动飞行器（8），固定在被动飞行器（10）底部的分离机构（9），即分离机构（9）上的圆柱体首先与主动飞行器（8）底部的圆形通孔配合导向，此时主动飞行器（8）内部的传动齿轮（5）在电机的驱动下开始逆时针工作，带动齿轮盘（4）顺时针运动，齿轮盘（4）带动锁杆支座（3）做顺时针转动，当分离机构（9）的圆柱体与锁杆（2）接触时，由于锁杆（2）做顺时针旋转运动，在某一刻将嵌入圆柱体的贯穿式凸轮槽内，此时圆柱体在锁杆（2）的旋转拉动下，将带动被动飞行器（10）靠近主动飞行器（8），同时分离机构（9）的四个定位销也在圆柱体的带动下进入销孔中，当锁杆（2）旋转90°时达到分离机构（9）贯穿式凸轮槽底部，传动齿轮（5）停止转动，此时定位销全部进入到销孔内，锁紧过程完毕；

2）分离过程；

当组合体飞行器完成相关阶段飞行任务后，被动飞行器（10）收到分离信号，传动齿轮（5）在电机的作用下顺时针旋转，带动齿轮盘（4）逆时针转动，齿轮盘（4）带动锁杆支座（3）做逆时针转动，在锁杆（2）与贯穿式凸轮槽的相互作用力下，分离机构（9）的四个定位销逐渐分离于主动飞行器（8）底部的销孔，当锁杆（2）与贯穿式凸轮槽完全脱离后，分离过程完毕。

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