CN113353294B - 一种基于多边形同步限位机构的非火工星箭锁紧释放装置 - Google Patents

Abstract

一种基于多边形同步限位机构的非火工星箭锁紧释放装置，包括滑动机构、分离机构、若干组锁紧机构；卫星安装在分离机构上方，分离机构周围布置滑动机构和若干组锁紧机构；滑动机构为锁紧机构提供限位，实现锁紧机构对分离机构的锁紧；滑动机构通过变形解除对锁紧机构的限位，锁紧机构对分离机构的锁紧力解除，卫星在分离机构的作用下实现分离。本发明为采用多边形同步限位连杆机构进行纯机械传动解锁的星箭锁紧释放装置，克服火工锁紧释放装置冲击大、污染多、不可重复使用等缺点。

Description

一种基于多边形同步限位机构的非火工星箭锁紧释放装置

技术领域

本发明涉及一种应用于小卫星的星箭锁紧释放机构。

背景技术

随着微机械、微电子和新材料等技术的不断进步以及商业低轨卫星星座持续加速发展，卫星的小型化成为卫星发展的一种趋势。小卫星成本低、研制周期短、发射方式灵活，在军事和民用两方面都能发挥巨大作用。

随着小卫星市场的不断发展，对于面向小卫星分离的锁紧释放装置的研发需求越来越高。星箭锁紧释放装置是实现卫星与火箭牢固连接并按需求在运行轨道上实现卫星释放和分离的机构。传统星箭锁紧释放装置主要由包带、爆炸螺栓、弹簧等几种常用的装置进行组合。这一类含火工品的锁紧释放装置的主要问题在于冲击力过大、污染较强，且本身一次性消耗、不能重复使用或进行原件试验。其中冲击力过大的问题对于小卫星尤为严重。

针对非火工分离方案，国内外的学者们已经研制了多种相关机构，如基于记忆合金装置、电驱转轴装置、石蜡驱动装置、热切割装置、热熔断装置的分离机构等。这些产品大多采用了先进材料以至于大幅增加成本，或者涉及可能产生空间污染的化学反应等。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种安全可靠的机械传动式锁紧释放装置，为采用多边形同步限位连杆机构进行纯机械传动解锁的星箭锁紧释放装置，克服火工锁紧释放装置冲击大、污染多、不可重复使用等缺点；同时解锁驱动力与连接锁紧力异向解耦，锁紧力由刚性限位结构提供，克服一些其它非火工锁紧释放装置承载能力小的缺点。

本发明所采用的技术方案是：一种基于多边形同步限位机构的非火工星箭锁紧释放装置，包括滑动机构、分离机构、若干组锁紧机构；

卫星安装在分离机构上方，分离机构周围布置滑动机构和若干组锁紧机构；滑动机构为锁紧机构提供限位，实现锁紧机构对分离机构的锁紧；滑动机构通过变形解除对锁紧机构的限位，锁紧机构对分离机构的锁紧力解除，卫星在分离机构的作用下实现分离。

分离机构包括支撑筒和分离弹簧；锁紧状态下，分离弹簧处于预压缩状态；当锁紧力解除后，卫星在分离弹簧作用下被推出，实现分离。

锁紧机构包括底座支架、连杆机构、锁紧机构拉簧；卫星通过卫星对接装置安装在支撑筒上方；沿支撑筒周向对称排布若干组锁紧机构；连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆，第一连杆、第二连杆、第三连杆依次连接，第一连杆和第三连杆分别以铰接方式与两侧的底座支架连接，第二连杆通过锁紧机构拉簧与底座连接；锁紧状态下，第三连杆端部压紧在卫星对接装置的顶压环上。

滑动机构包括底座支架、闭合多边形限位连杆机构、滑动机构拉簧、锁紧插销；若干底座支架沿支撑筒的周向分布；闭合多边形限位连杆机构包括若干连杆，若干连杆依次首尾铰接，构成多边形结构；闭合多边形限位连杆机构通过若干铰接点分别与底座支架连接，以各铰接点为轴在平面内旋转；闭合多边形限位连杆机构通过若干滑动机构拉簧与分布在底座周围的支撑杆连接；锁紧状态时，锁紧插销穿过闭合多边形限位连杆机构，将闭合多边形限位连杆机构锁紧在底座支架上。

锁紧状态下，闭合多边形限位连杆机构给第二连杆提供支撑，使得第三连杆端部压紧顶压环，锁紧机构拉簧处于拉伸状态。

当锁紧插销拔出后，闭合多边形限位连杆机构在滑动机构拉簧作用下旋转，解除对第二连杆的支撑限位，第二连杆在锁紧机构拉簧的作用下使得连杆机构变形，第三连杆端部对顶压杆的锁紧力解除。

闭合多边形限位连杆机构的旋转驱动力由滑动机构拉簧提供，旋转驱动力方向与第三连杆端部对顶压杆的锁紧力方向垂直。

使用所述的基于多边形同步限位机构的非火工星箭锁紧释放装置的锁紧释放方法，包括步骤如下：

将卫星安装在分离机构上方，在分离机构周围布置滑动机构和若干组锁紧机构；滑动机构为锁紧机构提供限位，实现锁紧机构对分离机构的锁紧，卫星处于锁紧状态；控制滑动机构变形，解除对锁紧机构的限位，使得锁紧机构对分离机构的锁紧力解除，卫星在分离机构的作用下实现分离。

锁紧状态时，将锁紧插销穿过闭合多边形限位连杆机构，将闭合多边形限位连杆机构锁紧在底座支架上；闭合多边形限位连杆机构给第二连杆提供支撑，使得第三连杆端部压紧顶压环，将卫星与支撑筒锁紧，此时，锁紧机构拉簧处于拉伸状态。

分离卫星的方法为：拔出锁紧插销，使得闭合多边形限位连杆机构在滑动机构拉簧作用下旋转，解除对第二连杆的支撑限位，第二连杆在锁紧机构拉簧的作用下使得连杆机构变形，第三连杆端部对顶压杆的锁紧力解除；卫星在分离弹簧作用下被推出，实现分离。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明采用机械传动解锁，冲击力低。本发明的分离过程不涉及产生高冲击力的火工品，而是采用冲击力小的基本机械传动部件进行解锁，能够有效地避免冲击力对卫星上精密器件产生影响，同时有助于分离后卫星的姿态控制稳定性。

2、本发明可多次使用，便于原件试验验证。与基于火工品的一次性分离装置相比，本发明中涉及的解锁分离装置可以多次使用，便于在飞行任务前进行原件试验验证，保证分离的可靠性。

3、本发明无需高新材料，价格低廉。本发明所使用的零部件全部来自于机械生产加工中常见的物料，如插销、弹簧、连杆等。这种方案有助于降低装置成本，为后期市场化开发奠定了良好的基础。

4、本发明可多点锁紧、同步解锁、解锁力与锁紧力异向解耦。本发明采用多点锁紧技术方案，锁紧点数量随任务需求改变，增加了设计灵活性；采用多边形闭合连杆旋转同步解锁的方法，避免了异步解锁方案的分离推力偏移问题；解锁驱动力与连接锁紧力方向垂直，不相互耦合，锁紧力由刚性结构提供，克服了一些其它非火工分离机构承载能力小的缺点。

附图说明

图1是本发明的锁紧释放装置的整体结构图；

图2是本发明的锁紧释放装置与卫星连接的效果图；

图3是本发明的锁紧释放装置的锁紧机构示意图；

图4是本发明的锁紧释放装置的滑动机构示意图；

图5是本发明的锁紧释放装置的分离机构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式进行描述。

请参阅图1和图5所示，为本发明基于多边形同步限位机构的锁紧释放装置的整体结构图及局部放大视图。所述的锁紧释放装置具备连接、解锁和分离的功能。

基于多边形同步限位机构的非火工星箭锁紧释放装置包括锁紧机构、滑动机构、分离机构；

连接功能由锁紧机构完成，主要包括：底座支架3、连杆机构4(连杆机构4包括第一连杆41、第二连杆42、第三连杆43)、锁紧机构拉簧6；解锁功能由滑动机构完成，主要包括：底座支架7、闭合多边形限位连杆机构8、滑动机构拉簧10、锁紧插销11；分离功能由分离机构完成，包括：

支撑筒2、分离弹簧12。

请参阅图2所示，其为本发明基于机械传动的低冲分离机构与卫星连接的效果图，该图展现了卫星与锁紧释放装置的连接关系。卫星15通过卫星对接装置13安放于支撑筒2上方，并通过锁紧机构完成连接固定。

请参阅图3所示，为本发明基于多边形同步限位机构的锁紧释放装置的锁紧机构局部示意图。图3中仅显示一个锁紧机构。在实际应用中可以根据需求在支撑筒2周围对称排布多个锁紧机构。锁紧机构主体为连杆机构，第一连杆41、第二连杆42、第三连杆43依次连接，第一连杆41和第三连杆43分别以铰接方式与两侧的底座支架3连接，第二连杆42通过锁紧机构拉簧6与底座1连接。第三连杆端部5抵在卫星对接装置13的顶压环14上。当滑动机构的连杆8提供刚性限位时，三连杆端部5压紧卫星侧对接装置13，实现锁紧；当滑动机构不提供刚性限位时，连杆机构4在拉簧6作用下松弛，锁紧力解除，解除第三连杆43对顶压环14的压紧作用。

请参阅图4所示，为本发明基于多边形同步限位机构的锁紧释放装置的滑动机构局部示意图。滑动机构的主体为闭合多边形限位连杆机构8，包括若干连杆，若干连杆依次首尾铰接，构成多边形结构；多边形限位连杆机构8通过若干铰接点9分别与底座支架7连接。底座支架7分布在支撑筒2周围，闭合多边形限位连杆机构8可以以若干铰接点9为轴在平面内旋转。闭合多边形限位连杆机构8通过多个滑动机构拉簧10与分布在底座1四周的支撑杆16连接；锁紧状态时，锁紧插销11穿过闭合多边形限位连杆机构8，将闭合多边形限位连杆机构8锁紧在底座支架7上；闭合多边形限位连杆机构8在图4所示状态时，为锁紧机构提供刚性限位，锁紧状态下，闭合多边形限位连杆机构8给第二连杆42提供支撑，使得第三连杆端部5压紧顶压环14，此时，锁紧机构拉簧6处于拉伸状态。当锁紧插销11拔出后，闭合多边形限位连杆机构8在滑动机构拉簧10作用下旋转，连杆位置改变，不再为锁紧机构提供刚性限位，锁紧力解除。解锁驱动力由滑动机构拉簧10提供，其作用力方向与锁紧力方向垂直并解耦，因此相对较小的解锁驱动力即可解除相对较大的锁紧力。

请参阅图5所示，为本发明基于多边形同步限位机构的锁紧释放装置的分离机构局部示意图。分离机构主要由支撑筒2和分离弹簧12组成。锁紧状态下，分离弹簧12处于预压缩状态。当锁紧力解除后，卫星15即在分离弹簧12作用下被平稳推出，实现安全分离。

使用上述的基于多边形同步限位机构的非火工星箭锁紧释放装置的锁紧释放方法，包括步骤如下：

将卫星15安装在分离机构上方，在分离机构周围布置滑动机构和若干组锁紧机构；滑动机构为锁紧机构提供限位，实现锁紧机构对分离机构的锁紧，卫星15处于锁紧状态；控制滑动机构变形，解除对锁紧机构的限位，使得锁紧机构对分离机构的锁紧力解除，卫星在分离机构的作用下实现分离。

锁紧状态时，将锁紧插销11穿过闭合多边形限位连杆机构8，将闭合多边形限位连杆机构8锁紧在底座支架7上；闭合多边形限位连杆机构8给第二连杆42提供支撑，使得第三连杆端部5压紧顶压环14，将卫星15与支撑筒2锁紧，此时，锁紧机构拉簧6处于拉伸状态。

分离卫星15的方法为：拔出锁紧插销11，使得闭合多边形限位连杆机构8在滑动机构拉簧10作用下旋转，解除对第二连杆42的支撑限位，第二连杆42在锁紧机构拉簧6的作用下使得连杆机构4变形，第三连杆端部5对顶压杆14的锁紧力解除；卫星15在分离弹簧12作用下被推出，实现分离。

本发明的核心优势在于，所使用的零部件全部是基本的机械传动部件，不涉及产生高冲击力的火工品，能够有效地避免解锁冲击力对卫星上的精密器件产生影响，且有助于分离后卫星的姿态控制稳定性；机械传动分离可多次使用，便于地面原件试验验证，保证锁紧释放装置的可靠性；没有采用高新材料，降低了机构成本，为后期市场化奠定基础；采用多点锁紧、同步解锁、解锁力与锁紧力异向解耦的技术方案；锁紧点数量随任务需要改变，增加了设计灵活性；采用多边形闭合连杆旋转同步解锁的方法，避免了异步解锁方案的分离推力偏移问题；解锁驱动力与连接锁紧力方向垂直，不相互耦合，锁紧力由刚性结构提供，克服了一些其它非火工分离机构承载能力小的缺点。

需要申明的是，本发明技术方案的图示中虽然采用了四个三连杆锁紧和闭合八连杆滑动同步解锁的总体方案，但是这并不代表本发明不能采用其它数量的锁紧连杆以及对应的闭合多边形连杆的布局方案。锁紧连杆的数量可以随任务需求增加，闭合多边形连杆的具体形状与锁紧连杆数量匹配。原则上，采用机构旋转同步控制锁紧连杆的总体布局方案均在本发明专利保护范围之内。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本领域专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变、修改甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (9)

1.一种基于多边形同步限位机构的非火工星箭锁紧释放装置，其特征在于，包括滑动机构、分离机构、若干组锁紧机构；

卫星(15)安装在分离机构上方，分离机构周围布置滑动机构和若干组锁紧机构；滑动机构为锁紧机构提供限位，实现锁紧机构对分离机构的锁紧；滑动机构通过变形解除对锁紧机构的限位，锁紧机构对分离机构的锁紧力解除，卫星在分离机构的作用下实现分离；

锁紧机构包括第一底座支架(3)、连杆机构(4)、锁紧机构拉簧(6)；卫星(15)通过卫星对接装置(13)安装在支撑筒(2)上方；沿支撑筒(2)周向对称排布若干组锁紧机构；连杆机构(4)包括第一连杆(41)、第二连杆(42)、第三连杆(43)，第一连杆(41)、第二连杆(42)、第三连杆(43)依次连接，第一连杆(41)和第三连杆(43)分别以铰接方式与两侧的第一底座支架(3)连接，第二连杆(42)通过锁紧机构拉簧(6)与底座(1)连接；锁紧状态下，第三连杆端部(5)压紧在卫星对接装置(13)的顶压环(14)上。

2.根据权利要求1所述的一种基于多边形同步限位机构的非火工星箭锁紧释放装置，其特征在于，分离机构包括支撑筒(2)和分离弹簧(12)；锁紧状态下，分离弹簧(12)处于预压缩状态；当锁紧力解除后，卫星(15)在分离弹簧(12)作用下被推出，实现分离。

3.根据权利要求2所述的一种基于多边形同步限位机构的非火工星箭锁紧释放装置，其特征在于，滑动机构包括第二底座支架(7)、闭合多边形限位连杆机构(8)、滑动机构拉簧(10)、锁紧插销(11)；若干第二底座支架(7)沿支撑筒(2)的周向分布；闭合多边形限位连杆机构(8)包括若干连杆，若干连杆依次首尾铰接，构成多边形结构；闭合多边形限位连杆机构(8)通过若干铰接点(9)分别与第二底座支架(7)连接，以各铰接点(9)为轴在平面内旋转；闭合多边形限位连杆机构(8)通过若干滑动机构拉簧(10)与分布在底座(1)周围的支撑杆(16)连接；锁紧状态时，锁紧插销(11)穿过闭合多边形限位连杆机构(8)，将闭合多边形限位连杆机构(8)锁紧在第二底座支架(7)上。

4.根据权利要求3所述的一种基于多边形同步限位机构的非火工星箭锁紧释放装置，其特征在于，锁紧状态下，闭合多边形限位连杆机构(8)给第二连杆(42)提供支撑，使得第三连杆端部(5)压紧顶压环(14)，锁紧机构拉簧(6)处于拉伸状态。

5.根据权利要求4所述的一种基于多边形同步限位机构的非火工星箭锁紧释放装置，其特征在于，当锁紧插销(11)拔出后，闭合多边形限位连杆机构(8)在滑动机构拉簧(10)作用下旋转，解除对第二连杆(42)的支撑限位，第二连杆(42)在锁紧机构拉簧(6)的作用下使得连杆机构(4)变形，第三连杆端部(5)对顶压环(14)的锁紧力解除。

6.根据权利要求5所述的一种基于多边形同步限位机构的非火工星箭锁紧释放装置，其特征在于，闭合多边形限位连杆机构(8)的旋转驱动力由滑动机构拉簧(10)提供，旋转驱动力方向与第三连杆端部(5)对顶压环(14)的锁紧力方向垂直。

7.使用如权利要求1～6任一所述的基于多边形同步限位机构的非火工星箭锁紧释放装置的锁紧释放方法，其特征在于，包括步骤如下：

将卫星(15)安装在分离机构上方，在分离机构周围布置滑动机构和若干组锁紧机构；滑动机构为锁紧机构提供限位，实现锁紧机构对分离机构的锁紧，卫星(15)处于锁紧状态；控制滑动机构变形，解除对锁紧机构的限位，使得锁紧机构对分离机构的锁紧力解除，卫星在分离机构的作用下实现分离。

8.根据权利要求7所述的锁紧释放方法，其特征在于，锁紧状态时，将锁紧插销(11)穿过闭合多边形限位连杆机构(8)，将闭合多边形限位连杆机构(8)锁紧在第二底座支架(7)上；闭合多边形限位连杆机构(8)给第二连杆(42)提供支撑，使得第三连杆端部(5)压紧顶压环(14)，将卫星(15)与支撑筒(2)锁紧，此时，锁紧机构拉簧(6)处于拉伸状态。

9.根据权利要求8所述的锁紧释放方法，其特征在于，分离卫星(15)的方法为：拔出锁紧插销(11)，使得闭合多边形限位连杆机构(8)在滑动机构拉簧(10)作用下旋转，解除对第二连杆(42)的支撑限位，第二连杆(42)在锁紧机构拉簧(6)的作用下使得连杆机构(4)变形，第三连杆端部(5)对顶压环(14)的锁紧力解除；卫星(15)在分离弹簧(12)作用下被推出，实现分离。

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