CN113834387B - 一种大直径组合化高可靠膨胀管-凹槽板分离装置 - Google Patents

Abstract

一种大直径组合化高可靠膨胀管‑凹槽板分离装置，包括上结构体、下结构体、外分离板、内分离板、扁平管、导爆索组件；多段扁平管连接后，用于容置导爆索组件，多段扁平管位于上结构体和下结构体之间，共同形成一个组合体；多块内分离板形成一个圆环位于组合体的内侧，多块外分离板形成一个圆环位于组合体的外侧；将组合体两侧的内分离板和外分离板，以及上结构体和下结构体通过紧固装置连接；相邻的两块内分离板之间的缝隙，与相邻的两块外分离板之间的缝隙错开；导爆索组件的索心为扁平形状；上结构体、下结构体分别与外部被分离结构连接。

Description

一种大直径组合化高可靠膨胀管-凹槽板分离装置

技术领域

本发明涉及一种大直径组合化高可靠膨胀管-凹槽板分离装置，用于中大直径运载火箭级间及火箭和有效载荷间的连接和分离。

背景技术

运载火箭的级间以及运载火箭和有效载荷之间通过分离装置连接，并在指定的时间实现分离功能，是全箭分离系统中的重要环节。随着运载火箭、卫星、空间站等有效载荷外形尺寸及载荷质量的增加，点式分离装置的使用数量将大大增加，相应带来可靠性降低的缺点，导致无法满足使用要求。因此，需要一种承载力强、连接刚度大、分离可靠性高的新型分离装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种大直径组合化高可靠膨胀管-凹槽板分离装置，适用于对污染较敏感的有效载荷和火箭分离部位，通过组合化的设计，降低装置的制造难度，提升装置的承载及分离可靠性，通过连接结构设计实现组合扁平管结构的可靠紧密连接，并使其适应与圆形螺纹结构的连接。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种大直径组合化高可靠膨胀管-凹槽板分离装置，包括上结构体、下结构体、外分离板、内分离板、扁平管、导爆索组件；

多段扁平管连接后，用于容置导爆索组件，多段扁平管位于上结构体和下结构体之间，共同形成一个组合体；多块内分离板形成一个圆环位于组合体的内侧，多块外分离板形成一个圆环位于组合体的外侧；将组合体两侧的内分离板和外分离板，以及上结构体和下结构体通过紧固装置连接；

相邻的两块内分离板之间的缝隙，与相邻的两块外分离板之间的缝隙错开；导爆索组件的索心为扁平形状；

上结构体、下结构体分别与外部被分离结构连接。

在本发明的一个实施例中，扁平管采用组合接头连接，组合接头包括转接块、对接块、O型圈和连接螺套；转接块与一根扁平管的一端连接；对接块与另一根扁平管的一端连接；组合接头对接时，利用连接螺套使转接块与对接块连接为一体，利用O型圈使转接块与对接块之间密封。

在本发明的一个实施例中，每个外分离板、内分离板上均设有削弱槽，用于分离装置分离时，外分离板和内分离板各自断裂。

在本发明的一个实施例中，转接块和对接块均为圆柱状，连接螺套的一端卡在转接块上，另一端与对接块上的螺纹连接，使得转接块与对接块对接。

在本发明的一个实施例中，每块外分离板的弧长或每块内分离板的弧长采用如下方法确定：

每块外分离板的弧长或每块内分离板的弧长均不超过相应的上下限，具体的上下限为：

每块外分离板或每块内分离板的弧长上限为：

每块外分离板或每块内分离板的弧长下限为：

其中，每块外分离板或每块内分离板对应的圆弧半径为R，每块外分离板或每块内分离板的弧长为L，每块外分离板或每块内分离板的弦长为l，π为圆周率。

在本发明的一个实施例中，相邻两块外分离板的间隙或相邻两块内分离板的间隙采用如下方法确定：

t≥β·α·L·△T

且满足：

其中，分离板材料的线性热膨胀系数为α，分离装置在工作之前经历的环境温差最大值为△T，修正系数为β，两块分离板之间的间隙为t，每块外分离板或每块内分离板的弧长为L。

在本发明的一个实施例中，导爆索组件的索心的长宽比，与扁平管的长轴和短轴的比值相等。

一种分离方法，采用上述的分离装置，通过引爆导爆索组件，爆炸产生的爆轰冲击力作用于外分离板和内分离板，使外分离板和内分离板断裂，进而使得上结构体与下结构体分离，最终完成外部被分离结构分离。

在本发明的一个实施例中，分离过程中，爆导爆索组件的爆轰产物仍密封在扁平管内。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)采用分段分离板内外交叉组合的分离环设计形式,内外分离板采用力学性能较优的板材分段制造后再装配成整环，解决了大直径高精度分离环制造难题；

(2)分离装置在环向刚度连续，一根导爆索实现整环分离，相对于点式分离装置减少火工品数量90％以上；

(3)分块的弧板减小了分离板的弧度，单块分离板两侧为自由边，减少环向刚度对其变形的限制，显著提高其可靠性和分离同步性；

(4)内外分离板交错排列，两块内分离板之间的间隙与两块外分离板之间的间隙错开，提高装置的扭转刚度，使其能承受更大的扭矩；

(5)导爆索组件的炸药索索心设计为扁平型，与扁平管的形状相适应，由于炸药索索心与扁平管扁平方向距离较近，其爆炸产生的爆轰冲击力可能使其破坏，将索心设计成扁平形状，不改变药量的情况下，对扁平管的冲击力减小，但输出的能量不变，仍可保证分离板的断裂和分离，使得相同尺寸的扁平管可适应更大药量的导爆索；

(6)采用分段组合接头连接的两段扁平管组合设计的形式，解决了大直径扁平管的制造难题，两段扁平管相接处设计连接接头，实现扁平管可靠紧密连接，分离过程中不会有爆轰产物泄露，实现了分离装置的无污染设计；

(7)接头的设计使得扁平管由扁平形状过渡为圆形，可以实现结构间的螺纹连接，使得结构连接适应性加强，该方案使得扁平管由扁平形状过渡为圆形，进而可与其他结构进行螺纹连接。

附图说明

图1为分离板构型。

图2为分离板俯视图受力分析。

图3膨胀管-凹槽板分离装置截面示意图。

图4为分段式分离环结构组合形式示意图。

图5为扁平管对接组合形式示意图。

图6为转接块与扁平管连接示意图。

附图标记：1-上结构体，2-下结构体，3-外分离板，4-内分离板，5-扁平管，6-导爆索组件，7-O型圈，8-转接块，9-对接块，10-连接螺套。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

一种大直径组合化高可靠的膨胀管-凹槽板分离装置，采用组合化的分离装置结构形式，采用分段分离板内外交叉组合的分离环设计形式,内外分离板采用力学性能较优的板材分段制造后再装配成整环，整个分离环由多块内分离板和多块外分离板交错排列组成，解决了大直径高精度分离环制造难题，刚度连续，减少火工品数量90％以上。且分块的弧板减小了分离板的弧度，单块分离板两侧为自由边，减少环向刚度对其变形的限制，显著提高其可靠性和分离同步性；分离板构型如图1所示，其俯视图的受力分析如图2所示。

分离板的弧长为L，半径为R，其在火工品的作用力F_火的作用下向外弯曲至破裂，对于一块弧板，若其两侧仍为连续的结构材料，则在弧长L分离板的边界承受材料的内力F_内，分离板承受的使其分离的合力为：

F_合＝F_火-2F_内sin(L/2R) (1)

若弧长为L的弧板边界为自由边，则

F′_合＝F_火＞F_合 (2)

因此，有自由边界的分离板更易分离。

分离板的半径为R，弧长为L，弦长为l，为减少环形刚度对分离板变形的影响，要求分离板的弧长不能比弦长大太多，且弧长不能太短，以免装置中分离板分块过多导致缝隙过多，影响装置承载，本实施例按(3)式确定弧长L的尺寸上限，(4)式确定分离板弧长L的尺寸下限。

两块分离板之间的间隙为t需满足在使用环境的温度变化范围内，两块分离板不会接触产生内应力，其计算方法为：分离板材料的线性热膨胀系数为α，分离装置在工作之前经历的环境温差最大值为△T，考虑分离板与端框之间的螺栓连接及分离板与端框之间的变形协调关系，采用地面试验获得修正系数β，则

t≥β·α·L·△T (5)

此外考虑缝隙过大对于承载的影响，整圈装置中缝隙所占比例不能超过一定值，一般按式(6)计算缝隙t的上限。

根据L的实际取值，则可计算得到t的上限。

此外，内外分离板交错排列，两块内分离板之间的间隙与两块外分离板之间的间隙错开，提高装置的扭转刚度，使其能承受更大的扭矩。

导爆索组件的炸药索索心设计为扁平型，与扁平管的形状相适应，其最佳长宽比为与扁平管长轴和短轴的比值相等，由于炸药索索心与扁平管扁平方向距离较近，其爆炸产生的爆轰冲击力可能使其破坏，将索心设计成扁平形状，不改变药量的情况下，对扁平管的冲击力减小，但输出的能量不变，仍可保证分离板的断裂和分离，使得相同尺寸的扁平管可适应更大药量的导爆索。

同样，提供分离能量源的扁平管难以一体成型，采用分段组合接头连接的两段扁平管组合设计的形式，解决了大直径扁平管的制造难题，两段扁平管相接处设计连接接头，实现扁平管可靠紧密连接，分离过程中不会有爆轰产物泄露，实现了分离装置的无污染设计，接头的设计使得扁平管由扁平形状过渡为圆形，可以实现结构间的螺纹连接，使得结构连接适应性加强，可与圆形的起爆装置通过螺纹连接。

本发明的结构详见图3。分离时，扁平管5中的导爆索组件6工作，输出爆轰和高温高压气体，通过扁平管5对外分离板3及内分离板4做功，导致外分离板3及内分离板4在中间处预置的削弱槽断裂，进而实现上结构体1和下结构体2之间的分离。

外分离板3和内分离板4均采用分段分离板排列组合，如图4所示，内外分离板交错排列，整个分离环由多块内分离板和多块外分离板交错排列组成，两块分离板之间有一定间隙。通过分段式分离板，大幅降低了制造难度，保证了制备的精度，且提高了容损能力。每两块外分离板3之间的间隙与每两块内分离板4之间的间隙交错排布，提高装置的扭转刚度，提高装置承受扭矩的能力。

采用组合化式的分离板，使得整环多块分离板增加了环向的自由边数量，每块分离面环向为自由边，减少环向的刚度约束，使得分离板在扁平管的挤压下更易变形实现结构分离。增加分离可靠性。

导爆索组件6的索心为扁平形状，适应扁平管的外形，减少爆炸作用过程中对扁平管窄端的冲击力，但输出的总能量不变，使得相同尺寸的扁平管5可内装药量更大的导爆索组件6，不会发生破裂。

扁平管5采用两个半环扁平管组合而成，如图5所示，组合位置接头由O型圈7、转接块8、对接块9和连接螺套10组成，通过图示的连接接头，将分段的扁平管组合连接成一体，在接头位置通过转接块8与对接块9之间的插接配合实现对中定位，防止两段之间的错位和扭转，同时通过密封圈密封，避免工作时燃气泄漏。

扁平管5与转接块8的连接截面如图6所示，扁平截面的扁平管5与外部位带有螺纹的圆形结构、内部扁平孔的转接块8焊接在一起，进而使得扁平管可以与其它有螺纹连接结构的圆形部件实现连接。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种大直径组合化高可靠膨胀管-凹槽板分离装置，其特征在于，包括上结构体、下结构体、外分离板、内分离板、扁平管、导爆索组件；

多段扁平管连接后，用于容置导爆索组件，多段扁平管位于上结构体和下结构体之间，共同形成一个组合体；多块内分离板形成一个圆环位于组合体的内侧，多块外分离板形成一个圆环位于组合体的外侧；将组合体两侧的内分离板和外分离板，以及上结构体和下结构体通过紧固装置连接；

每块外分离板的弧长或每块内分离板的弧长采用如下方法确定：

每块外分离板的弧长或每块内分离板的弧长均不超过相应的上下限，具体的上下限为：

每块外分离板或每块内分离板的弧长上限为：

每块外分离板或每块内分离板的弧长下限为：

其中，每块外分离板或每块内分离板对应的圆弧半径为R，每块外分离板或每块内分离板的弧长为L，每块外分离板或每块内分离板的弦长为l，π为圆周率；

相邻的两块内分离板之间的缝隙，与相邻的两块外分离板之间的缝隙错开；导爆索组件的索心为扁平形状；

上结构体、下结构体分别与外部被分离结构连接。

2.根据权利要求1所述的分离装置，其特征在于，扁平管采用组合接头连接，组合接头包括转接块、对接块、O型圈和连接螺套；转接块与一根扁平管的一端连接；对接块与另一根扁平管的一端连接；组合接头对接时，利用连接螺套使转接块与对接块连接为一体，利用O型圈使转接块与对接块之间密封。

3.根据权利要求1所述的分离装置，其特征在于，每个外分离板、内分离板上均设有削弱槽，用于分离装置分离时，外分离板和内分离板各自断裂。

4.根据权利要求2所述的分离装置，其特征在于，转接块和对接块均为圆柱状，连接螺套的一端卡在转接块上，另一端与对接块上的螺纹连接，使得转接块与对接块对接。

5.根据权利要求1所述的分离装置，其特征在于，相邻两块外分离板的间隙或相邻两块内分离板的间隙采用如下方法确定：

t≥β·α·L·△T

且满足：

其中，分离板材料的线性热膨胀系数为α，分离装置在工作之前经历的环境温差最大值为△T，修正系数为β，两块分离板之间的间隙为t，每块外分离板或每块内分离板的弧长为L。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的分离装置，其特征在于，导爆索组件的索心的长宽比，与扁平管的长轴和短轴的比值相等。

7.一种分离方法，其特征在于，采用权利要求1至4中任一项所述的分离装置，通过引爆导爆索组件，爆炸产生的爆轰冲击力作用于外分离板和内分离板，使外分离板和内分离板断裂，进而使得上结构体与下结构体分离，最终完成外部被分离结构分离。

8.根据权利要求7所述的分离方法，其特征在于，分离过程中，导爆索组件的爆轰产物仍密封在扁平管内。

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