CN114194416B - 一种基于死点锁紧原理的非火工解锁器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于死点锁紧原理的非火工解锁器。锁紧状态下，连杆机构处于锁紧位平衡，动瓣被滑栓顶紧与静瓣拼合，锁紧长螺栓；需要解锁时，非火工元件通电，驱动活塞右移，连杆机构的锁紧位平衡解除，滑栓失去限位，动瓣在分离单元的作用下与静瓣分离，释放长螺栓，同时复位弹簧压缩；解锁完成断电后，复位弹簧推动活塞向左移动，连杆机构在活塞喇叭口的斜面作用下推动滑栓向左移动，直至分瓣螺母的动瓣和静瓣重新拼合，连杆机构回到临近死点的锁紧位平衡状态，复位完成。本发明可对现有的火工切割器进行原位替代，解锁冲击小，可重复使用，质量小、体积小、安全性高，能够实现自动复位，特别适用于安装空间狭小的应用场合。
Description
技术领域
本发明涉及航天器解锁机构的技术领域，特别涉及一种可原位替代火工切割器的非火工解锁器。
背景技术
航天器发射过程中，太阳翼、天线等展开机构通常采用压紧释放装置锁紧在舱板上，入轨后借助火工切割器切断锁紧所用的螺杆、绳、索等连接件，从而触发解锁展开。可以说，切割器的使用可靠性直接关系到太阳翼、天线等机构能否进入正常状态，进而影响整个航天器项目的成败。
现有的最常用的火工切割分离技术的工作原理是：利用火工品爆炸产生的冲击力驱动铡刀移动，进而切断连接件触发解锁。此类产品的外形近似一个卧置的Y型结构，分叉端对称布置两个火工驱动源，主干段内部为铡刀移动的轨道，连接件从主干段端部的横向通孔穿过锁紧展开结构，需要解锁时，火工品点火爆燃，推动铡刀移动切断连接件，展开机构被释放。该技术发展成熟，典型的如Energetics Technology Ltd公司和航天科技七院692厂的火工切割器产品都得到了广泛的应用。
这种火工切割器的缺点在于：(1)火工品的工作是一次性的，地面展开测试过程中需要多次更换切割器，试验成本较高；(2)保管和使用需要遵守火工品管理规定，需专人专场地保存和管理；(3)分离过程冲击非常大，一般大于2000g，可能影响系统其他零部件的安全；(4)需要配备专用的大电流脉冲火工品电源，质量大，但完成解锁后，相关设备就无其他用处，经济性差。
发明内容
本发明针对现有火工切割器的不足，提供了一种非火工驱动的解锁器，其具有和火工切割器一样的机械接口、外形和承载能力，可以原位替代火工切割器，借助非火工元件和弹簧结构触发解锁并驱动连接件释放。该解锁器能够自主复位，可重复使用，解锁冲击小、安全性高，能够大幅降低航天器的研制、测试成本。
本发明采用的技术方案为：一种基于死点锁紧原理的非火工解锁器。解锁器主体安装在航天器舱板上，利用长螺栓与展开结构相连，并由拼合的分瓣螺母锁紧，实现开展结构在舱板上的固定。总体上，该解锁器的可分为支撑单元、锁紧单元、触发单元、驱动单元和复位单元五个部分。
其中，支撑单元的功能主要是为其他零件提供支撑和定位，主要包括壳体、左端盖、右端盖。壳体为管状结构，两端分别与左端盖和右端盖连接，支撑单元的所有连接处均采用螺纹连接。
其中，锁紧单元包括长螺栓、分瓣螺母和滑栓。其中分瓣螺母包括静瓣和动瓣，安装完成后，静瓣被壳体和左端盖卡位保持不动，动瓣可在壳体内腔滑动；锁紧状态下，动瓣被滑栓顶紧，与静瓣拼合为完整的螺纹副，从而锁紧长螺栓，实现展开机构和舱体的连接。
其中，触发单元采用非火工元件-活塞-连杆机构来触发解锁过程。锁紧状态下，连杆机构的两个连杆夹角接近死点位置，左连杆右端的凸缘被活塞的内壁限位，进而向左顶紧滑栓对动瓣进行限位。需要解锁时，对非火工元件通电，驱动活塞向右移动，在活塞移动一定距离后，两连杆连接部位失去约束，滑栓的限位被解除，从而触发解锁释放过程。
其中，驱动单元设置在分瓣螺母之下，由分离弹簧和分离顶块组成。安装时，分离弹簧预压缩，其一端固定在静瓣上，另一端顶在分离顶块上；触发解锁后，滑栓失去限位，分离弹簧推动分离顶块移动，进而驱动动瓣和滑栓一起移动，分瓣螺母分离，长螺栓被释放。
其中，复位弹簧是解锁器的复位元件，安装在活塞和右端盖之间的。解锁过程中，活塞右移时压缩复位弹簧，解锁完成需要复位时，停止通电，复位弹簧储存的弹簧力推动活塞左移，滑栓、动瓣、连杆机构回到锁紧位，解锁器自动复位。
进一步地，所述连杆机构由两个连杆和三个销钉组成，左销钉将左连杆左端连接在滑栓上，右销钉将右连杆右端固定在壳体上，中销钉连接左连杆的右端和右连杆的左端。左右连杆的两端都加工成球形面，避免运动过程与其他零件摩擦和卡滞。
进一步地，所述活塞左端为喇叭口式结构，用于对左右连杆连接部位的限位，右端与非火元件连接，用于触发解锁。
进一步地，所述活塞中段侧壁面设有腰圆孔，连杆机构的右销钉穿过该孔与壳体连接，活塞左右移动时与右销钉互不干涉。
进一步地，所述连杆机构存在两个平衡位置：锁紧位平衡和解锁位平衡。其中，锁紧位平衡是指左销钉随滑栓移动至最左端的状态，此时连接部外缘被活塞内壁限位，两连杆夹角最大，连杆机构处于临近死点的位置；解锁位平衡是指左销钉随滑栓移动至最右端的状态，连接部外缘被活塞喇叭口边缘限位，此时两连杆夹角最小。
进一步地，基于死点锁紧原理，所述连杆机构中两连杆的夹角越接近180°，能够提供的锁紧力越大，但当夹角过大时，连杆机构锁死无法解锁的风险越高。经试验和计算，该夹角在170°～177°范围内，连杆机构可实现锁紧功能，且不会出现彻底锁死而无法解锁的状态，锁紧和解锁的综合效果最好。
进一步地，所述非火工元件用于驱动活塞移动，解除连杆机构的锁紧位平衡，触发解锁过程。非火工元件可以采用SMA丝、电磁铁、石蜡、压电陶瓷、电机、气动等各种非火工方式来实现这一功能，根据具体使用场合选择。
进一步地，所述分离顶块为楔状结构，其纵向截面近似直角梯形，顶块的斜腰面与动瓣下缘的斜面配合。这种结构的分离顶块可改变分离弹簧提供的驱动力的作用方向，为动瓣提供平移分离的驱动力的同时，也提供纵向的压力，从而确保动瓣沿着壳体内腔的轨道移动，避免动瓣分离过程中发生倾斜进而卡死长螺栓的情况。
进一步地，所述复位弹簧在解锁过程中被活塞压缩，解锁完成并断电后，推动活塞和连杆机构、滑栓复位，可实现自动复位。
进一步地，所述复位弹簧的弹簧力不足以驱动复位时，可经右端盖上的通孔人工操作解锁器复位。
进一步地，所述非火工元件采用SMA丝时，在壳体侧面设置斜孔连接走丝管、引线管等，SMA丝布置两根，互为备份，实现冗余驱动，两根丝分别从活塞上的两个通孔穿过，平行布置在走丝管内，丝的两端固定在走丝管的外端面上，SMA丝的供电导线经引线管连接外部电源。
本发明的工作原理是：锁紧状态下，连杆机构处于锁紧位平衡，动瓣被滑栓顶紧与静瓣拼合；需要解锁时，对非火工元件通电，驱动活塞向右移动，连杆机构的锁紧位平衡被打破，滑栓失去限位；动瓣在分离弹簧、分离顶块的作用下与静瓣分离，实现对长螺栓的释放，同时滑栓带动左销钉右移，直至连杆机构进入解锁位平衡，复位弹簧压缩；解锁完成断电后，复位弹簧推动活塞向左移动，左连杆右端凸缘在活塞喇叭口的斜面作用下向下运动，进而推动左销钉、滑栓向左移动，直至分瓣螺母的动瓣和静瓣重新拼合，连杆机构回到临近死点的锁紧位平衡状态，解锁器自动复位。
本发明的有益效果表现在：本发明的解锁器具有与现有的火工切割器相同的机械接口、外形尺寸和承载能力，可原位替代现有的火工切割器进行实际飞行或地面测试，能有效降低产品研制和测试的成本；解锁冲击小，可重复使用，质量小、体积小、安全性高，能够实现自动复位，特别适用于安装空间狭小的应用场合。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的外观示意图；
图2为本发明一种实施方式的横向剖视图；
图3为本发明一种实施方式处于锁紧状态的纵向剖视图；
图4为本发明一种实施方式处于解锁状态的纵向剖视图；
图5为本发明另一种实施方式处于锁紧状态的横向剖视图。
附图标号说明：1.长螺栓；2.静瓣；3.动瓣；4.滑栓；105.活塞；6.左销钉；7.左连杆；8.中销钉；9.右连杆；10.右销钉；11.SMA丝；13.复位弹簧；14分离弹簧；15.分离顶块；16.壳体；17.左端盖；18.右端盖；19.走丝管；20.引线管；21.导线；22.护线套；205.活塞；23.电磁铁外壳；24.衔铁；25.线圈。
具体实施方式
本发明提供一种卧式非火工解锁器，包括支撑单元、锁紧单元、触发单元、驱动单元和复位单元。以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
基于本发明的一种实施方式，如图1～图4所示。其外观与现有技术的火工切割器相同，呈卧置的Y型结构。
支撑单元由壳体16、左端盖17、右端盖18、走丝管19、引线管20组成。壳体16近似管状结构，其中部设有安装法兰边，可与航天器舱体连接；壳体16左右两端分别与左端盖17和右端盖18配合，靠近右端盖一端侧面对称设置有两个斜孔，用于安装走丝管19，走丝管19的另一端连接引线管20。壳体16和左端盖17、右端盖18、走丝管19的连接以及走丝管19和引线管20的连接，均为螺纹配合。
锁紧单元包括长螺栓1、分瓣螺母的静瓣2和动瓣3、滑栓4。安装完成后，静瓣2被壳体16和左端盖17卡位保持不动，动瓣3可在壳体16的内腔中左右滑动；锁紧状态下，动瓣3被滑栓4向左顶紧，与静瓣2拼合为完整的螺纹副，从而锁紧长螺栓1。
触发单元包括连杆机构、活塞105、SMA丝11、导线21等。连杆机构由两个连杆(左连杆7和右连杆9)和三个销钉(左销钉6、中销钉8、右销钉10)组成，其中，左销钉6将左连杆7和滑栓4连接，右销钉10将右连杆9右端固定在壳体16上，中销钉8连接左连杆7的右端和右连杆9的左端。活塞105左端为喇叭口式结构，SMA丝11从活塞105上的两个通孔穿过，沿走丝管19平行布置；导线21经引线管20端部的引线套22引出，连接电源。锁紧状态下，两连杆处于最大夹角状态，(最大夹角范围为170°～177°，本实施例取175°)，左连杆7的右端凸缘被活塞105的内壁限位，连杆机构处于临近死点的锁紧位，将滑栓4向左顶紧，确保动瓣3与静瓣2拼合。需要解锁时，经导线21对任一根SMA丝11通电使其收缩，拉动活塞105向右移动，左连杆7的凸缘失去限位，两连杆的连接部位向活塞105的喇叭口边缘滑动，解除对滑栓4的限位，解锁过程被触发。
驱动单元由分离弹簧14和分离顶块15组成，安装在分瓣螺母之下。分离弹簧14预压缩安装，其左端固定在静瓣2下部的台阶上，右端抵住分离顶块15；解锁触发后，分离弹簧14推动分离顶块15右移，进而驱动动瓣3和滑栓4一起向右移动，分瓣螺母分离，长螺栓1被释放，同时左销钉6随滑栓4移动，带动左连杆7逆时针旋转、右连杆9顺时针旋转，两连杆的连接部位上滑入活塞105的喇叭口边缘，连杆机构的夹角最小，进入解锁位平衡。
本发明具备自动复位和人工复位两种方式。自动复位依靠复位弹簧13实现，其安装在右端盖18和活塞105右端面之间。解锁过程中，活塞105右移时压缩复位弹簧13，解锁完成后，SMA丝11停止通电，其冷却后应力下降，当其驱动力下降至小于复位弹簧13的弹簧力时，复位弹簧13推动活塞105左移，滑栓4、动瓣3、连杆机构回到锁紧位，SMA丝11被重新拉长，解锁器复位完成。若解锁器所处环境温度较高，SMA丝11冷却较慢或难以冷却，可将工具从右端盖18中心的通孔伸入，推动活塞105左移，人工操作解锁器复位。
所述SMA丝11与活塞105、走丝管19之间需要进行绝缘处理。绝缘方式可以在SMA丝11外设置聚四氟乙烯耐高温绝缘套管，也可以通过绝缘氧化、陶瓷基绝缘涂层、高分子绝缘涂层等工艺对活塞105、SMA丝11、走丝管19进行整体绝缘，此处不作具体限制。
基于本发明的另一种实施方式，如图5所示，非火工元件采用电磁铁，电磁铁外壳23与壳体16连接，衔铁24与活塞205连接。需要解锁时，对电磁铁的线圈25通电，衔铁24在磁力作用下向右缩回，带动活塞205右移触发解锁过程，同时压缩复位弹簧13。解锁完成后，电磁铁断电使磁力消失，复位弹簧13的弹簧力推动活塞205左移复位。这种方式采用了技术成熟的电磁铁元件，研制简单，单元化结构便于更换维护，解锁器的整体尺寸更小，特别适用于安装空间狭小的场合。
可以理解，本发明的触发单元的作用在于驱动活塞右移，解除连杆机构的锁紧位平衡状态，因此，这种非火工的触发方式也可以采用SMA丝、电磁铁以外的其他非火工方式，如石蜡、压电陶瓷、电机、气动驱动等，根据使用需求选择，此处不作赘述。
需要说明的是，以上所述涉及方位的表述，如纵、横、左、右、上、下等，均基于附图所示方向和位置关系，仅为了便于描述，而不是指示或暗示所涉及的零件必须具有特定的方位、构造或操作。
以上所述，仅是本发明的实施例子，并非对本发明作任何形式上的限制。本发明未详细阐述的属于本领域公知技术。凡是依据本发明原理和技术实质对以上实施例子所做的任何修改、等同变化与修饰、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于死点锁紧原理的非火工解锁器，其特征在于，具体包括支撑单元、锁紧单元、触发单元、驱动单元和复位单元；其中，
所述支撑单元包括壳体（16）、左端盖（17）、右端盖（18）；壳体（16）为管状结构，两端分别与左端盖（17）和右端盖（18）连接；
所述锁紧单元包括长螺栓（1）、滑栓（4）、分瓣螺母；分瓣螺母的静瓣（2）被壳体（16）和左端盖（17）卡位保持不动，分瓣螺母的动瓣（3）可在壳体（16）的内腔左右滑动；静瓣（2）和动瓣（3）拼合时可形成完整的螺纹副与长螺栓（1）配合；
所述触发单元包括非火工元件、活塞、连杆机构；活塞左端为喇叭口式结构；连杆机构由左连杆（7）、右连杆（9）、左销钉（6）、中销钉（8）和右销钉（10）组成，左销钉（6）将左连杆（7）左端连接在滑栓（4）上，右销钉（10）将右连杆（9）右端固定在壳体（16）上，左连杆（7）和右连杆（9）通过中销钉（8）连接；所述左连杆（7）和右连杆（9）的两端都加工成球形面，避免运动过程与其他零件摩擦和卡滞；连杆机构的最大夹角为170º~177º;
所述驱动单元由分离弹簧（14）和分离顶块（15）组成，设置在分瓣螺母之下；分离弹簧（14）预压缩，其左端固定在静瓣（2）下部的台阶上，右端顶在分离顶块（15）上，楔形的分离顶块（15）与动瓣（3）下部的斜面配合；
所述复位单元包括复位弹簧（13），安装在活塞和右端盖（18）之间；
锁紧状态下，连杆机构受滑栓（4）和活塞限位而保持锁紧位平衡，滑栓（4）被活塞限位，动瓣（3）被滑栓（4）顶紧，长螺栓（1）被锁紧；需要解锁时，对非火工元件通电，驱动活塞向右移动，连杆机构的锁紧位平衡被打破，滑栓（4）失去限位；动瓣（3）在分离弹簧（14）、分离顶块（15）的作用下向右移动，与静瓣（2）分离，实现对长螺栓（1）的释放，同时滑栓（4）推动连杆机构进入解锁位平衡，复位弹簧（13）压缩；解锁完成并断电后，复位弹簧（13）推动活塞向左移动，连杆机构在活塞喇叭口的斜面作用下推动滑栓（4）向左移动，直至分瓣螺母重新拼合，连杆机构回到临近死点的锁紧位平衡状态，解锁器自动复位。
2.根据权利要求1所述的基于死点锁紧原理的非火工解锁器，其特征在于：所述活塞中段侧壁面设有腰圆孔。
3.根据权利要求1所述的基于死点锁紧原理的非火工解锁器，其特征在于：所述连杆机构存在锁紧位和解锁位两个平衡位置；锁紧位平衡时两连杆夹角最大，连杆机构处于临近死点的位置，解锁位平衡时两连杆夹角最小。
4.根据权利要求1所述的基于死点锁紧原理的非火工解锁器，其特征在于：所述非火工元件，可以采用多种不同的非火工驱动方式，包括SMA丝、电磁铁、石蜡、压电陶瓷、电机、气动。
5.根据权利要求1所述的基于死点锁紧原理的非火工解锁器，其特征在于：所述非火工元件采用SMA丝方案时，设置主、备两根SMA丝，分别从活塞上的两个通孔穿过，平行布置在走丝管（19）内，丝的两端固定在走丝管（19）的外端面上。
6.根据权利要求1所述的基于死点锁紧原理的非火工解锁器，其特征在于：所述分离顶块（15）为楔形结构，其纵向截面近似直角梯形，分离顶块（15）的斜腰面与动瓣（3）下缘的斜面配合。
7.根据权利要求1所述的基于死点锁紧原理的非火工解锁器，其特征在于：所述右端盖（18）中心设有通孔，用于人工操作复位。
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