CN113772135B - 一种气动剪切解锁机构及其应用 - Google Patents

Abstract

一种气动剪切解锁机构及其应用，属于航天技术领域，上对接环设置于下对接环的上方，上对接环的上端面固定安装在卫星A的底部，下对接环的下端面固定设置在地面或发射基座上，并且上对接环外壁的下部和下对接环外壁的上部通过包带锁紧机构连接，下对接环的底部与包带锁紧机构之间设置拉簧组件，下对接环内壁的上部设置弹簧分离组件。本发明以剪切机构代替火工品，实现无碰触、无冲击执行分离任务，不仅确保有效载荷独立、不受干扰地进入轨道并执行任务，而且具有锁紧力大、解锁冲击小的优点，同时本发明即可用于卫星的分离，也可用于其他航天器的分离。

Description

一种气动剪切解锁机构及其应用

技术领域

本发明属于航天技术领域，涉及一种运载火箭非火工解锁装置，具体涉及一种气动剪切解锁机构及其应用。

背景技术

包带分离装置是迄今为止应用最为广泛的有效载荷分离机构，具有连接刚度好、可靠性高、承载能力强等优点，主要由包带、分离元件、V形卡块及系留装置等组成。锁紧时，用以分离元件连接的、内侧安装有卡块的多条包带包围运载火箭与有效载荷的对接面外缘，加力拉紧包带后锁紧分离元件的螺母；解锁时，分离元件工作，使包带之间的连接断开或解离、释放对接能量，冲击V形卡块与对接面外缘脱离，在分离弹簧的推力作用下实现有效载荷的分离。

目前在包带分离装置主要依靠爆炸螺栓等火工分离元件实现包带间的锁紧与解锁。通过引爆火工品产生强大剪切力，使螺栓沿剪切锁或削弱槽断开，实现两分离体解锁。然而，火工冲击响应的瞬态和高量级特点可能导致其对航天器内含有冲击敏感元器件和脆性材料的仪器设备造成损伤，从而导致航天器内设备故障，甚至造成航天任务的毁灭性失败。此外，爆炸螺栓等分离火工元件属于一次性消耗品、其使用性能无法预先检测，因此针对包带分离装置可靠性的优化难以进行。随着航天任务对航天器内元件的灵敏度要求、对分离动作可靠性要求的不断提高，发展非火工装置以完成分离、弹射、展开等动作逐渐成为趋势。

现阶段，具有足够承载能力的非火工解锁装置响应时间过长，难以达到运载火箭分离任务的要求；上述装置的装配流程普遍较为复杂、可靠性差，部分装置若投入使用还需要对航天器内设备的整体结构和布局进行较大调整。从安全性、可靠性等角度考虑，亟需提供一种连接可靠、低冲击、可重复利用的非火工低冲击解锁机构，用于搭配现有包带分离装置的使用。

发明内容

本发明旨在提供一种气动剪切解锁机构及其应用，在快响应、微冲击的前提下提供足够的承载能力和可靠的分离能力，代替火工品完成有效载荷的分离，以进一步提升分离机构的可靠性、避免爆炸冲击对设备性能的影响，从而保证运载火箭发射任务的顺利执行。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种气动剪切解锁机构，它包括上对接环和下对接环，上对接环的上端面固定安装在卫星A的底部，下对接环的下端面固定设置在地面或发射基座上，其中：所述上对接环设置于下对接环的上方，并且上对接环外壁的下部和下对接环外壁的上部通过包带锁紧机构连接，下对接环的底部与包带锁紧机构之间设置拉簧组件，下对接环内壁的上部设置弹簧分离组件；

所述包带锁紧机构包括包带、卡块连接片、卡块、连接杆和锁紧块，等弧长的若干段弧形包带首尾相接组成圆环形，相邻包带的首尾连接位置处分别固定设置锁紧块，相邻锁紧块通过连接杆连接，包带剪切器竖直向下设置于相邻锁紧块连接位置处的上方，卡块通过卡块连接片固定安装在包带的内壁上，若干卡块沿圆周方向均匀布置；

所述包带剪切器包括剪切器上盖、拉杆螺母、拉杆、缸筒、剪切器下盖、活塞杆、耐磨环、密封圈和复位弹簧，缸筒的上端设置剪切器上盖，剪切器上盖的侧壁上设置介质出入口；缸筒的下端设置剪切器下盖，剪切器下盖的中部设置矩形导向孔；剪切器上盖与剪切器下盖的四角位置处通过拉杆固定连接，拉杆的首尾两端分别设置拉杆螺母；所述活塞杆设置于缸筒中，所述活塞杆的上部设置密封圈放置槽，密封圈安装于密封圈放置槽中；活塞杆的上部位于密封圈放置槽的上下两侧分别设置耐磨环放置槽，耐磨环安装于耐磨环放置槽中；所述活塞杆的中部设置为圆柱形光杆，复位弹簧设置于剪切器上盖与剪切器下盖之间并套装在光杆上，所述活塞杆的下端设置为矩形导向柱，矩形导向柱贯穿矩形导向孔延伸至缸筒的外部，矩形导向柱下端部设置剪切口，连接杆贯穿剪切口；

所述弹簧分离组件包括分离弹簧支架、分离弹簧导向筒、分离弹簧和分离弹簧导向杆，分离弹簧支架自由端端部分别设置连接孔，分离弹簧支架的心部设置放置槽，螺栓贯穿连接孔将分离弹簧支架固定安装在下对接环内壁的上部；所述分离弹簧导向筒竖直向上安装于放置槽中，分离弹簧套装在分离弹簧导向筒的外部，分离弹簧导向杆竖直向下插装于分离弹簧导向筒中；上对接环和下对接环锁紧状态时，分离弹簧导向杆的上端面与卫星A的下端面贴合，并且分离弹簧处于压紧状态；

所述拉簧组件包括拉簧环、拉簧连接片、拉簧、拉簧连接杆、连接杆安装块及耳座，拉簧环套装在所述包带上，拉簧环的外侧壁上设置拉簧连接片，拉簧的一端与拉簧连接片连接，拉簧的另一端与拉簧连接杆的上端连接，拉簧连接杆的下端贯穿下对接环的侧壁延伸至下对接环侧壁的内侧，拉簧连接杆的下端与连接杆安装块的中部螺纹连接，耳座固定设置于下对接环内壁的下部，耳座上设置方形耳孔，连接杆安装块插装于方形耳孔中。

进一步地，所述上对接环的上端面位置处向外侧翻折设置为上对接环端面，上对接环外侧壁的下部设置上对接环凸台；

所述下对接环外侧壁的上部设置下对接环凸台，下对接环的下端面位置处向内侧翻折设置为下对接环端面。

进一步地，所述上对接环凸台与下对接环凸台通过卡块连接为一体。

进一步地，耳座固定安装下对接环端面上。

进一步地，相邻所述锁紧块相对的端面上分别设置锁紧孔，连接杆的两端分别插装在对应的锁紧孔中。

进一步地，所述包带剪切器竖直向下设置于卫星A的下部并位于相邻锁紧块连接位置处的上方。

进一步地，所述连接杆安装块的中部设置内螺纹孔，拉簧连接杆下端的端部设置与内螺纹孔相配合的外螺纹。

进一步地，所述包带设置为半圆弧形状，两段半圆弧形状的包带相对设置组成圆环形，包带剪切器对应设置于两段半圆弧形状的包带的接口位置处。

上述气动剪切解锁机构应用于航天器与地面发射装置连接处包带分离装置中。

与现有技术相比本发明的有益效果为：

1、以剪切机构代替火工品，实现无碰触、无冲击执行分离任务，即可确保有效载荷独立、不受干扰地进入轨道并执行任务；各类小型化机构，也将服务于可回收火箭、新型航天器等发展构想，为未来载人飞船、航天站等装备的设计提供技术储备；

2、本发明即可用于卫星的分离，也可用于其他航天器的分离。

附图说明

图1为本发明装配结构立体图；

图2为本发明零件爆炸图；

图3为本发明主视剖视结构示意图；

图4为上对接环立体结构示意图；

图5为下对接环立体结构示意图；

图6为包带锁紧机构装配结构立体图；

图7为包带锁紧机构零件爆炸图；

图8为锁紧块立体结构示意图；

图9为包带剪切器立体结构示意图；

图10为包带剪切器零件爆炸图；

图11为包带剪切器主视剖视结构示意图；

图12为剪切器下盖立体结构示意图；

图13为活塞杆立体结构示意图；

图14为弹簧分离组件零件爆炸图；

图15为弹簧分离组件主视剖视结构示意图；

图16为分离弹簧支架立体结构示意图；

图17为拉簧组件装配结构立体图；

图18为拉簧组件零件爆炸图；

图19为本发明锁紧状态示意图；

图20为本发明分离状态示意图。

图中：1为上对接环，1a为上对接环端面，1b为上对接环凸台，2为下对接环，3为包带锁紧机构，3-1为包带，3-2为卡块连接片，3-3为卡块，3-4为连接杆，3-5为锁紧块，3-5a为锁紧孔，4为包带剪切器，4-1为剪切器上盖，4-1a为介质出入口，4-2为拉杆螺母，4-3为拉杆，4-4为缸筒，4-5为剪切器下盖，4-5a为矩形导向孔，4-6为活塞杆，4-6a为矩形导向柱，4-6b为光杆，4-6c为密封圈放置槽，4-6d为耐磨环放置槽，4-6e为剪切口，4-7为耐磨环，4-8为密封圈，4-9为复位弹簧，5为弹簧分离组件，5-1为分离弹簧支架，5-1a为连接孔，5-1b为放置槽，5-2为分离弹簧导向筒，5-3为分离弹簧，5-4为分离弹簧导向杆，6为拉簧组件，6-1为拉簧环，6-2为拉簧连接片，6-3为拉簧，6-4为拉簧连接杆，6-4a为外螺纹，6-5为连接杆安装块，6-5a为内螺纹孔，6-6为耳座，6-6a为方形耳孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种气动剪切解锁机构，可以应用于航天器与地面发射装置连接处包带分离装置中，它包括上对接环1和下对接环2，上对接环1的上端面固定安装在卫星A的底部，下对接环2的下端面固定设置在地面或发射基座上，其中：如图1~图3所示，所述上对接环1设置于下对接环2的上方，如图4所示，所述上对接环1的上端面位置处向外侧翻折设置为上对接环端面1a，上对接环1外侧壁的下部设置上对接环凸台1b；如图5所示，所述下对接环2外侧壁的上部设置下对接环凸台2a，下对接环2的下端面位置处向内侧翻折设置为下对接环端面2b。上对接环1外壁的下部和下对接环2外壁的上部通过包带锁紧机构3连接，下对接环2的底部与包带锁紧机构3之间设置拉簧组件6，下对接环2内壁的上部设置弹簧分离组件5；

如图6、图7所示，所述包带锁紧机构3包括包带3-1、卡块连接片3-2、卡块3-3、连接杆3-4和锁紧块3-5，等弧长的若干段弧形包带3-1首尾相接组成圆环形，

在本实施例中，所述包带3-1设置为半圆弧形状，两段半圆弧形状的包带3-1相对设置组成圆环形；如图8所示，相邻所述锁紧块3-5相对的端面上分别设置锁紧孔3-5a，连接杆3-4的两端分别插装在对应的锁紧孔3-5a中，相邻锁紧块3-5通过连接杆3-4连接，包带剪切器4竖直向下设置于相邻锁紧块3-5连接位置处的上方，在本实施例中包带剪切器4对应设置于两段半圆弧形状的包带3-1的接口位置处，卡块3-3通过卡块连接片3-2固定安装在包带3-1的内壁上，若干卡块3-3沿圆周方向均匀布置，上对接环凸台1b与下对接环凸台2a通过卡块3-3连接为一体；

如图9~图11所示，所述包带剪切器4包括剪切器上盖4-1、拉杆螺母4-2、拉杆4-3、缸筒4-4、剪切器下盖4-5、活塞杆4-6、耐磨环4-7、密封圈4-8和复位弹簧4-9，缸筒4-4的上端设置剪切器上盖4-1，剪切器上盖4-1的侧壁上设置介质出入口4-1a；缸筒4-4的下端设置剪切器下盖4-5，如图13所示，剪切器下盖4-5的中部设置矩形导向孔4-5a；剪切器上盖4-1与剪切器下盖4-5的四角位置处通过拉杆4-3固定连接，拉杆4-3的首尾两端分别设置拉杆螺母4-2；所述活塞杆4-6设置于缸筒4-4中，所述活塞杆4-6的上部设置密封圈放置槽4-6c，密封圈4-8安装于密封圈放置槽4-6c中；活塞杆4-6的上部位于密封圈放置槽4-6c的上下两侧分别设置耐磨环放置槽4-6d，耐磨环4-7安装于耐磨环放置槽4-6d中；所述活塞杆4-6的中部设置为圆柱形光杆4-6b，复位弹簧4-9设置于剪切器上盖4-1与剪切器下盖4-5之间并套装在光杆4-6b上，所述活塞杆4-6的下端设置为矩形导向柱4-6a，矩形导向柱4-6a贯穿矩形导向孔4-5a延伸至缸筒4-4的外部，矩形导向柱4-6a下端部设置剪切口4-6e，连接杆3-4贯穿剪切口4-6e；

如图14、图15所示，所述弹簧分离组件5包括分离弹簧支架5-1、分离弹簧导向筒5-2、分离弹簧5-3和分离弹簧导向杆5-4，如图16所示，分离弹簧支架5-1自由端端部分别设置连接孔5-1a，分离弹簧支架5-1的心部设置放置槽5-1b，螺栓贯穿连接孔5-1a将分离弹簧支架5-1固定安装在下对接环2内壁的上部；所述分离弹簧导向筒5-2竖直向上安装于放置槽5-1b中，分离弹簧5-3套装在分离弹簧导向筒5-2的外部，分离弹簧导向杆5-4竖直向下插装于分离弹簧导向筒5-2中；上对接环1和下对接环2锁紧状态时，分离弹簧导向杆5-4的上端面与卫星A的下端面贴合，并且分离弹簧5-3处于压紧状态；

如图17、图18所示，所述拉簧组件6包括拉簧环6-1、拉簧连接片6-2、拉簧6-3、拉簧连接杆6-4、连接杆安装块6-5及耳座6-6，拉簧环6-1套装在所述包带3-1上，拉簧环6-1的外侧壁上设置拉簧连接片6-2，拉簧6-3的一端与拉簧连接片6-2连接，拉簧6-3的另一端与拉簧连接杆6-4的上端连接，拉簧连接杆6-4的下端贯穿下对接环2的侧壁延伸至下对接环2侧壁的内侧，所述连接杆安装块6-5的中部设置内螺纹孔6-5a，拉簧连接杆6-4下端的端部设置与内螺纹孔6-5a相配合的外螺纹6-4a，拉簧连接杆6-4的下端与连接杆安装块6-5的中部螺纹连接，耳座6-6固定设置于下对接环2内壁的下部，耳座6-6上设置方形耳孔，连接杆安装块6-5插装于方形耳孔6-6a中。

作为另一种可供选择的方式，耳座6-6可以固定安装下对接环端面2b上。

作为另一种可供选择的方式，所述包带剪切器4竖直向下设置于卫星A的下部并位于相邻锁紧块3-5连接位置处的上方。

本发明的使用过程如下：

如图19、图20所示，上对接环平面1a固装至卫星A的下部后，通过包带锁紧机构3的卡块3-3将上对接环凸台1b和下对接环凸台2a连接为一体，再将连接杆3-4穿过锁紧孔3-5a及活塞杆4-6的剪切口4-6e后用螺母锁紧，从而实现上对接环1的和下对接环2的连接。弹簧分离组件5可通过螺栓设置在下对接环2上，此时，分离弹簧导向杆5-4的上端正好与卫星A的下端贴合且分离弹簧5-3处于压紧状态。同时，拉簧组件6固装在下对接环2的下对接环平台2b上；

星箭需要分离时，将介质通过剪切器上盖4-1上的介质出入口4-1a输送至缸筒4-4内，此时，介质推动活塞杆4-6压紧复位弹簧4-9移动将连接杆3-4切断。同时，在拉簧6-3的拉力作用下，包带3-1及卡块3-3会脱离上对接环凸台1b和下对接环凸台2a。同时，处于压紧状态的分离弹簧5-3通过推动分离弹簧导向杆5-4将卫星A连同固装在其下方的上对接环1一同弹出，实现与下对接环2分的分离，至此星箭分离完成，分离完成后状态如图20所示。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种气动剪切解锁机构，它包括上对接环（1）和下对接环（2），上对接环（1）的上端面固定安装在卫星A的底部，下对接环（2）的下端面固定设置在地面或发射基座上，其特征在于：所述上对接环（1）设置于下对接环（2）的上方，并且上对接环（1）外壁的下部和下对接环（2）外壁的上部通过包带锁紧机构（3）连接，下对接环（2）的底部与包带锁紧机构（3）之间设置拉簧组件（6），下对接环（2）内壁的上部设置弹簧分离组件（5）；

所述包带锁紧机构（3）包括包带（3-1）、卡块连接片（3-2）、卡块（3-3）、连接杆（3-4）和锁紧块（3-5），等弧长的若干段弧形包带（3-1）首尾相接组成圆环形，相邻包带（3-1）的首尾连接位置处分别固定设置锁紧块（3-5），相邻锁紧块（3-5）通过连接杆（3-4）连接，包带剪切器（4）竖直向下设置于相邻锁紧块（3-5）连接位置处的上方，卡块（3-3）通过卡块连接片（3-2）固定安装在包带（3-1）的内壁上，若干卡块（3-3）沿圆周方向均匀布置；

所述包带剪切器（4）包括剪切器上盖（4-1）、拉杆螺母（4-2）、拉杆（4-3）、缸筒（4-4）、剪切器下盖（4-5）、活塞杆（4-6）、耐磨环（4-7）、密封圈（4-8）和复位弹簧（4-9），缸筒（4-4）的上端设置剪切器上盖（4-1），剪切器上盖（4-1）的侧壁上设置介质出入口（4-1a）；缸筒（4-4）的下端设置剪切器下盖（4-5），剪切器下盖（4-5）的中部设置矩形导向孔（4-5a）；剪切器上盖（4-1）与剪切器下盖（4-5）的四角位置处通过拉杆（4-3）固定连接，拉杆（4-3）的首尾两端分别设置拉杆螺母（4-2）；所述活塞杆（4-6）设置于缸筒（4-4）中，所述活塞杆（4-6）的上部设置密封圈放置槽（4-6c），密封圈（4-8）安装于密封圈放置槽（4-6c）中；活塞杆（4-6）的上部位于密封圈放置槽（4-6c）的上下两侧分别设置耐磨环放置槽（4-6d），耐磨环（4-7）安装于耐磨环放置槽（4-6d）中；所述活塞杆（4-6）的中部设置为圆柱形光杆（4-6b），复位弹簧（4-9）设置于剪切器上盖（4-1）与剪切器下盖（4-5）之间并套装在光杆（4-6b）上，所述活塞杆（4-6）的下端设置为矩形导向柱（4-6a），矩形导向柱（4-6a）贯穿矩形导向孔（4-5a）延伸至缸筒（4-4）的外部，矩形导向柱（4-6a）下端部设置剪切口（4-6e），连接杆（3-4）贯穿剪切口（4-6e）；

所述弹簧分离组件（5）包括分离弹簧支架（5-1）、分离弹簧导向筒（5-2）、分离弹簧（5-3）和分离弹簧导向杆（5-4），分离弹簧支架（5-1）自由端端部分别设置连接孔（5-1a），分离弹簧支架（5-1）的心部设置放置槽（5-1b），螺栓贯穿连接孔（5-1a）将分离弹簧支架（5-1）固定安装在下对接环（2）内壁的上部；所述分离弹簧导向筒（5-2）竖直向上安装于放置槽（5-1b）中，分离弹簧（5-3）套装在分离弹簧导向筒（5-2）的外部，分离弹簧导向杆（5-4）竖直向下插装于分离弹簧导向筒（5-2）中；上对接环（1）和下对接环（2）锁紧状态时，分离弹簧导向杆（5-4）的上端面与卫星A的下端面贴合，并且分离弹簧（5-3）处于压紧状态；

所述拉簧组件（6）包括拉簧环（6-1）、拉簧连接片（6-2）、拉簧（6-3）、拉簧连接杆（6-4）、连接杆安装块（6-5）及耳座（6-6），拉簧环（6-1）套装在所述包带（3-1）上，拉簧环（6-1）的外侧壁上设置拉簧连接片（6-2），拉簧（6-3）的一端与拉簧连接片（6-2）连接，拉簧（6-3）的另一端与拉簧连接杆（6-4）的上端连接，拉簧连接杆（6-4）的下端贯穿下对接环（2）的侧壁延伸至下对接环（2）侧壁的内侧，拉簧连接杆（6-4）的下端与连接杆安装块（6-5）的中部螺纹连接，耳座（6-6）固定设置于下对接环（2）内壁的下部，耳座（6-6）上设置方形耳孔，连接杆安装块（6-5）插装于方形耳孔（6-6a）中。

2.根据权利要求1所述的一种气动剪切解锁机构，其特征在于：所述上对接环（1）的上端面位置处向外侧翻折设置为上对接环端面（1a），上对接环（1）外侧壁的下部设置上对接环凸台（1b）；

所述下对接环（2）外侧壁的上部设置下对接环凸台（2a），下对接环（2）的下端面位置处向内侧翻折设置为下对接环端面（2b）。

3.根据权利要求2所述的一种气动剪切解锁机构，其特征在于：所述上对接环凸台（1b）与下对接环凸台（2a）通过卡块（3-3）连接为一体。

4.根据权利要求2所述的一种气动剪切解锁机构，其特征在于：耳座（6-6）固定安装下对接环端面（2b）上。

5.根据权利要求1所述的一种气动剪切解锁机构，其特征在于：相邻所述锁紧块（3-5）相对的端面上分别设置锁紧孔（3-5a），连接杆（3-4）的两端分别插装在对应的锁紧孔（3-5a）中。

6.根据权利要求1所述的一种气动剪切解锁机构，其特征在于：所述包带剪切器（4）竖直向下设置于卫星A的下部并位于相邻锁紧块（3-5）连接位置处的上方。

7.根据权利要求1所述的一种气动剪切解锁机构，其特征在于：所述连接杆安装块（6-5）的中部设置内螺纹孔（6-5a），拉簧连接杆（6-4）下端的端部设置与内螺纹孔（6-5a）相配合的外螺纹（6-4a）。

8.根据权利要求1所述的一种气动剪切解锁机构，其特征在于：所述包带（3-1）设置为半圆弧形状，两段半圆弧形状的包带（3-1）相对设置组成圆环形，包带剪切器（4）对应设置于两段半圆弧形状的包带（3-1）的接口位置处。

9.一种如权利要求1所述气动剪切解锁机构在航天器与地面发射装置连接处包带分离装置中的应用。