CN113865821B - 球头连接模拟组件及捆绑火箭缩比模型风载试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种球头连接模拟组件及捆绑火箭缩比模型风载试验装置，其中，球头连接模拟组件的第一端与火箭的中芯级相连，球头连接模拟组件的第二端与助推相连，包括：球形螺栓，球形螺栓包括螺杆和连接盘，连接盘位于螺杆的中部，螺杆的中心轴和连接盘的中心轴相重合，连接盘朝向球头连接模拟组件的第一端的一侧为球形凹面；球碗，球碗包括球碗本体和连接部，连接部连接在球碗本体上，球碗本体与球形凹面相适配地至少部分地位于球形凹面内，球碗本体的中心具有过孔，螺杆穿设在过孔内；螺杆的第一端与螺母相连和/或螺杆的第二端与螺母相连。本发明解决了现有技术中的捆绑火箭缩比模型中的中芯级和助推连接时费时费力、成本较高的问题。

Description

球头连接模拟组件及捆绑火箭缩比模型风载试验装置

技术领域

本发明涉及火箭装置的技术领域，具体而言，涉及一种球头连接模拟组件及捆绑火箭缩比模型风载试验装置。

背景技术

风载荷是箭体结构特别是尾部结构的主要设计载荷，研究火箭的地面风载荷，无论对于结构设计还是飞行控制系统设计，都有很重要的意义。由于地面风激载荷响应为脱涡激励的非定常升力，受到箭体表面中小尺度突出物的强烈影响，流场理论分析和工程经验估算不易得到适当的载荷设计条件，即使外形轮廓相近的型号，载荷条件也不具备借用基础，工程中均依靠地面试验来确定竖立风载，大部分型号采用缩比模型的风洞试验结果。风洞试验缩比弹性模型相比实物火箭需要满足一定的相似性要求，其中捆绑结构需要按照真实传力形式进行结构设计。现有技术的结构复杂，费时费力，成本较高。

发明内容

本发明提供了一种球头连接模拟组件及捆绑火箭缩比模型风载试验装置，解决了现有技术中的捆绑火箭缩比模型中的中芯级和助推连接时费时费力、成本较高的问题。

根据本发明的一方面，提供了一种球头连接模拟组件，球头连接模拟组件的第一端与火箭的中芯级相连，球头连接模拟组件的第二端与助推相连，包括：球形螺栓，球形螺栓包括螺杆和连接盘，连接盘位于螺杆的中部，螺杆的中心轴和连接盘的中心轴相重合，连接盘朝向球头连接模拟组件的第一端的一侧为球形凹面；球碗，球碗包括球碗本体和连接部，连接部连接在球碗本体上，球碗本体与球形凹面相适配地至少部分地位于球形凹面内，球碗本体的中心具有过孔，螺杆穿设在过孔内；螺杆的第一端与螺母相连和/或螺杆的第二端与螺母相连。

进一步地，球碗本体的凹陷方向为由中芯级至助推的方向，球面主体的外壁面与球形凹面的内壁面相适配。

进一步地，球头连接模拟组件还包括球面垫块，球面垫块与球碗本体的内壁面相配合的平面为球面，球面垫块具有通孔，螺杆穿过通孔，螺杆的中心轴与球面垫块的中心轴同轴设置。

进一步地，螺杆包括锥形段，在中芯级至助推方向上锥形段的直径由小至大，通孔为与锥形段相适配的锥形通孔，锥形段位于锥形通孔内。

进一步地，球头连接模拟组件还包括内垫块，内垫块设置在中芯级的内壁面和连接部之间。

进一步地，球头连接模拟组件还包括外垫块，外垫块设置在中芯级的外壁面，第一沉头螺栓依次穿过外垫块、中芯级的壳体、内垫块和连接部固定。

进一步地，球头连接模拟组件还包括侧向外垫块，侧向外垫块挤压在连接盘和助推的壳体的外壁面之间。

进一步地，球头连接模拟组件还包括侧向内垫块，第二沉头螺栓依次穿过内垫块、助推的壳体、侧向外垫块和连接盘螺纹连接。

根据本发明的另一方面，还提供了一种捆绑火箭缩比模型风载试验装置，包括中芯级、助推和连接组件，助推通过连接组件连接在中芯级上，连接组件为上述的球头连接模拟组件。

应用本发明的技术方案，通过球形螺栓和球碗的结构特征，使得球形螺栓和球碗的连接为球面的配合，这样使得连接中芯级和助推的球头连接模拟组件释放了三个转动自由度，同时约束了两个方向的平动自由度，因此保证了球头连接模拟组件只传递力而不传递力矩。本申请的球形螺栓、球碗和螺母等通过巧妙的设计配合来实现复杂的力的传递。本发明的技术方案有效地解决了现有技术中的捆绑火箭缩比模型中的中芯级和助推连接时费时费力、成本较高的问题。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：

图1是本实施例的球头连接模拟组件的连接结构示意图；

图2示出了图1的球形螺栓示意图；

图3示出了图1的球碗结构示意图；

图4示出了图1的球面垫块示意图；

图5示出了图1的侧向内垫块示意图；

图6示出了图1的侧向外垫块结构示意图；

图7示出了图1的内垫块结构示意图；

图8示出了图1的外垫块结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

现在，将参照附图更详细地描述根据本公开的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

如图1至图8所示，本实施例的球头连接模拟组件，球头连接模拟组件的第一端与火箭的中芯级100相连，球头连接模拟组件的第二端与助推200相连，包括：球形螺栓10、球碗20。球形螺栓包括螺杆和连接盘，连接盘位于螺杆的中部，螺杆的中心轴和连接盘的中心轴相重合，连接盘朝向球头连接模拟组件的第一端的一侧为球形凹面。球碗包括球碗本体和连接部，连接部连接在球碗本体上，球碗本体与球形凹面相适配地至少部分地位于球形凹面内，球碗本体的中心具有过孔，螺杆穿设在过孔内。螺杆的第一端与螺母相连和/或螺杆的第二端与螺母相连。

应用本实施例的技术方案，通过球形螺栓和球碗的结构特征，使得球形螺栓和球碗的连接为球面的配合，这样使得连接中芯级和助推的球头连接模拟组件释放了三个转动自由度，同时约束了两个方向的平动自由度，因此保证了球头连接模拟组件只传递力而不传递力矩。本申请的球形螺栓、球碗和螺母等通过巧妙的设计配合来实现复杂的力的传递。本实施例的技术方案有效地解决了现有技术中的捆绑火箭缩比模型中的中芯级和助推连接时费时费力、成本较高的问题。

如图1所示，在本实施例的技术方案中，球碗本体的凹陷方向为由中芯级至助推的方向，球面主体的外壁面与球形凹面的内壁面相适配。上述的凹陷方向使得结构比较稳固。

如图1所示，在本实施例的技术方案中，球头连接模拟组件还包括球面垫块，球面垫块30与球碗本体的内壁面相配合的平面为球面，球面垫块具有通孔，螺杆穿过通孔，螺杆的中心轴与球面垫块的中心轴同轴设置。上述结构使得球头连接模拟组件更加灵活。例如当球碗本体和球面垫块之间也可以相对位移而不会形成力矩。

如图1所示，在本实施例的技术方案中，螺杆包括锥形段，在中芯级至助推方向上锥形段的直径由小至大，通孔为与锥形段相适配的锥形通孔，锥形段位于锥形通孔内。锥形段的设置使得螺杆向中芯级运动受限，但是可以向助推的方向移动。

如图1所示，在本实施例的技术方案中，球头连接模拟组件还包括内垫块60，内垫块设置在中芯级的内壁面和连接部之间。内垫块的设置一方面保证了密封，另一方面保证了连接的可靠性更好。

如图1所示，在本实施例的技术方案中，球头连接模拟组件还包括外垫块70，外垫块设置在中芯级的外壁面，第一沉头螺栓依次穿过外垫块、中芯级的壳体、内垫块和连接部固定。上述结构连接方便，效果可靠。

如图1所示，在本实施例的技术方案中，球头连接模拟组件还包括侧向外垫块50，侧向外垫块挤压在连接盘和助推的壳体的外壁面之间。上述结构保证了助推的连接可靠性。

在本实施例的技术方案中，球头连接模拟组件还包括侧向内垫块40，第二沉头螺栓依次穿过内垫块、助推的壳体、侧向外垫块和连接盘螺纹连接。上述结构紧凑，连接稳固。

捆绑火箭的助推器与芯级之间通过捆绑结构相连，对于芯级支撑两点捆绑火箭上捆绑点是Z字形三连杆结构，传递径向力、环向力和轴向扭矩，下捆绑点为球头结构，只传递三个方向的力，不传递力矩，三点捆绑火箭增加了中捆绑点的Z字形三连杆结构。缩比模型按照真实传力形式进行结构设计，考虑到缩比模型芯级与助推器之间的空间有限，无法直接按照真实火箭球头结构进行缩比，需要保留其传力特点，根据缩比模型情况进行重新设计。

对现有的芯级支承捆绑火箭进行风载试验缩比模型设计时，考虑到缩比模型芯级与助推器之间的空间有限，无法直接按照真实火箭球头结构进行缩比，需要保留其传力特点，根据缩比模型情况进行重新设计，球头结构采用球形螺栓和球碗结构，能够满足传力、不传力矩的要求，准确模拟捆绑连杆装置真实传力形式。

捆绑结构中的转动部件，存在相互摩擦与滑动，为减小摩擦效应，采用高硬度的30CrMnSiA材料和高光洁度表面加工方法。由于各部段均为筒段结构，横截面为圆环，需要在捆绑连接区域设置内外垫块和连接板，将安装面由曲面转为平面，便于连接捆绑结构，另外可以达到开孔补强的设计要求。

球形捆绑接头的球形螺栓侧，结构的连续性较好，只有若干个M10螺钉光孔和一个M36螺钉光孔，并有内、外垫块的加强，承载性能较好，因此球形螺栓侧宜位于竖立承力较大筒段上，而球碗侧结构有大开孔，虽有内、外垫块的加强，但承载性能仍较差，因此球碗侧宜位于承力较小筒段上。对于芯级支撑的火箭，球形捆绑接头的球形螺栓侧应布置在芯级筒段上，球碗侧应布置在助推器筒段上。对于助推支撑的火箭则反之。

首先由于需要连接的两侧均为筒段结构，横截面为圆环，需要在捆绑连接区域设置内外垫块，将安装面由曲面转为平面，便于连接捆绑结构，另外可以达到开孔补强的设计要求。在芯级有内垫块、外垫块将芯级安装面由曲面转为平面，助推器端有侧向内、外垫块将助推端安装面由曲面转为平面。球形螺栓一端与承力较大筒段连接(助推支撑时为助推)，球碗与承力较小筒段连接(助推支撑时为芯级)，球碗内放置球面垫块，球面垫块一侧为球面，保证球碗的转动，一面为平面便于连接，通过螺帽拧紧球形螺栓压紧球面垫块，约束了两筒段之间沿球形螺栓轴向的位移，这样保证了与真实火箭传力一致，只传力不传弯矩。

本实施例提供的一种用于捆绑火箭缩比模型风载试验的球头连接模拟组件，通过球形螺栓、球碗、球面垫块，三者的球面接触释放了三个转动自由度，同时也约束了两个方向的平动自由度；又通过螺帽拧紧球形螺栓压紧球面垫块，约束了两筒段之间沿球形螺栓轴向的位移；这样保证了与真实火箭传力一致，只传力不传弯矩。这种连接模拟装置实现了对现有的捆绑运载火箭球头捆绑结构的模拟，能够在缩比模型芯级筒段与助推筒段之间的有限空间进行工作。

本实施例的用于捆绑火箭缩比模型风载试验的球头连接模拟组件，所述捆绑模拟装置设置在火箭风载试验缩比模型中芯级和助推之间的上/下捆绑点，包括球形螺栓、球碗、球面垫块、内垫块、外垫块、侧向外垫块、侧向内垫块，以及紧固件。

如附图1所示，一种用于捆绑火箭缩比模型风载试验的球头连接模拟组件，球头连接模拟组件设置在火箭风载试验缩比模型中芯级和助推之间的上、下捆绑点，如附图2～附图8所示，主要包括球形螺栓、球面垫块、球碗、内垫块、外垫块、侧向内垫块、侧向外垫块以及紧固件。

球形捆绑接头的球形螺栓侧，结构的连续性较好，只有若干个M10螺钉光孔和一个M36螺钉光孔，并有内、外垫块的加强，承载性能较好，因此球形螺栓侧宜位于竖立支承筒段上，而球碗侧结构有大开孔，虽有内、外垫块的加强，但承载性能仍较差，因此球碗侧宜位于承力较小筒段上。对于芯级支撑的火箭，球形捆绑接头的球形螺栓侧应布置在芯级筒段上，球碗侧应布置在助推器筒段上。对于助推支撑的火箭则反之。

由于需要连接的两侧均为筒段结构，横截面为圆环，需要在捆绑连接区域设置内、外垫块，将安装面由曲面转为平面，便于连接捆绑结构，另外可以达到开孔补强的设计要求。在芯级有内、外垫块(附图7、附图8)将芯级安装面由曲面转为平面，助推器端有侧向内、外垫块(附图5、附图6)将助推端安装面由曲面转为平面。球碗(附图3)内放置球面垫块(附图4)，球面垫块一侧为球面，保证球碗的转动，一面为平面便于连接。

球头连接模拟组件中球形螺栓(附图2)、球碗(附图3)、球面垫块(附图4)之间是存在相互摩擦与滑动，为减小摩擦效应，采用高硬度的30CrMnSiA材料和高光洁度表面加工方法。三者的球面接触释放了三个转动自由度，同时也约束了两个方向的平动自由度；又通过螺帽拧紧球形螺栓压紧球面垫块，约束了两筒段之间沿球形螺栓轴向的位移；这样保证了与真实火箭传力一致，只传力不传弯矩。这种球头连接模拟组件实现了对现有的捆绑运载火箭球头捆绑结构的模拟，能够在缩比模型芯级筒段与助推筒段之间的有限空间进行工作。

本申请还提供了一种捆绑火箭缩比模型风载试验装置，包括中芯级、助推和连接组件，助推通过连接组件连接在中芯级上，连接组件为上述的球头连接模拟组件。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种球头连接模拟组件，所述球头连接模拟组件的第一端与火箭的中芯级相连，所述球头连接模拟组件的第二端与助推相连，其特征在于，包括：

球形螺栓，所述球形螺栓包括螺杆和连接盘，所述连接盘位于所述螺杆的中部，所述螺杆的中心轴和所述连接盘的中心轴相重合，所述连接盘朝向所述球头连接模拟组件的第一端的一侧为球形凹面；

球碗，所述球碗包括球碗本体和连接部，所述连接部连接在所述球碗本体上，所述球碗本体与所述球形凹面相适配地至少部分地位于所述球形凹面内，所述球碗本体的中心具有过孔，所述螺杆穿设在所述过孔内；

所述螺杆的第一端与螺母相连和/或所述螺杆的第二端与螺母相连。

2.根据权利要求1所述的球头连接模拟组件，其特征在于，所述球碗本体的凹陷方向为由所述中芯级至所述助推的方向，所述球碗本体的外壁面与所述球形凹面的内壁面相适配。

3.根据权利要求2所述的球头连接模拟组件，其特征在于，所述球头连接模拟组件还包括球面垫块，所述球面垫块与所述球碗本体的内壁面相配合的平面为球面，所述球面垫块具有通孔，所述螺杆穿过所述通孔，所述螺杆的中心轴与所述球面垫块的中心轴同轴设置。

4.根据权利要求3所述的球头连接模拟组件，其特征在于，所述螺杆包括锥形段，在所述中芯级至所述助推方向上所述锥形段的直径由小至大，所述通孔为与所述锥形段相适配的锥形通孔，所述锥形段位于所述锥形通孔内。

5.根据权利要求1所述的球头连接模拟组件，其特征在于，所述球头连接模拟组件还包括内垫块，所述内垫块设置在所述中芯级的内壁面和所述连接部之间。

6.根据权利要求5所述的球头连接模拟组件，其特征在于，所述球头连接模拟组件还包括外垫块，所述外垫块设置在所述中芯级的外壁面，第一沉头螺栓依次穿过所述外垫块、中芯级的壳体、内垫块和所述连接部固定。

7.根据权利要求1所述的球头连接模拟组件，其特征在于，所述球头连接模拟组件还包括侧向外垫块，所述侧向外垫块挤压在所述连接盘和所述助推的壳体的外壁面之间。

8.根据权利要求7所述的球头连接模拟组件，其特征在于，所述球头连接模拟组件还包括侧向内垫块，第二沉头螺栓依次穿过所述内垫块、助推的壳体、侧向外垫块和所述连接盘螺纹连接。

9.一种捆绑火箭缩比模型风载试验装置，包括中芯级、助推和连接组件，所述助推通过所述连接组件连接在中芯级上，其特征在于，所述连接组件为权利要求1至8中任一项所述的球头连接模拟组件。

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