CN114313320B - 一种航天用火工部件分离多级缓冲装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种航天用火工部件分离多级缓冲装置，属于航天分离技术领域。本发明在抛片与插头之间安装钢索部件与活塞式组合缓冲部件；所述钢索部件与抛片连接，包括缓冲橡胶结构、转轴、钢环、U形钢索和活塞杆；钢环固定安装在抛片上，与U形钢索相套，有足够空间使得U形钢索与钢环能够自由活动；活塞杆可绕转轴与U形钢索径向转动；所述活塞式组合缓冲部件与插头连接，包括活塞杆、活塞筒、橡胶缓冲垫、缓冲部件、吸能部件。活塞筒固定安装在插头上；橡胶缓冲垫紧贴活塞筒内壁，缓冲部件与吸能部件固定安装在活塞筒与活塞杆之间。本发明能够降低在分离时被牵连物体冲击响应峰值，缩短响应衰减时间，进而提升航天器运行安全。
Description
技术领域
本发明涉及一种航天用火工部件分离多级缓冲装置，属于航天分离技术领域。
背景技术
火工作动装置是指通过爆炸产生的高压气体推动机构实现要求动作的火工装置。通常火工作动装置用于有特殊要求的分离面上，其使用的机构类型不同，完成的动作也各不相同。相较于其他的作动装置，火工作动机构具有质量更轻，体积更小，可靠性更高等特点。
火工分离前靠近爆炸点的航天件如抛片等，工程人员往往会在其上设计安装牵连装置与其他航天件相连。在分离时，抛片瞬时获得极大动能并开始带动所牵连的插头，直至插头分离，此加速过程通常在几毫秒内完成，现有的牵连装置，往往由于牵连拖拽结构的限制无法充分发挥缓冲装置的效果，分离过程中牵连装置会传递极大的应力波，被带动的航天件也会产生非常大的冲击响应，过大的冲击响应会影响航天仪器的正常使用，甚至会导致关键部件变形，严重影响了火工分离效率与航天器安全。
铝蜂窝结构作为一种多孔材料，具有良好的能量吸收能力、较高的比强度和比刚度，因此，被作为轻质材料和能量吸收构件在航天领域得到大量应用，但在牵连装置中由于结构的限制，几乎没有被用到。
发明内容
为了解决现有航天火工分离牵连装置在分离时被牵连物体冲击响应峰值过高，响应衰减时间过长，进而影响航天器运行安全的问题。本发明的目的主要是提供一种航天用火工部件分离多级缓冲装置，能够降低在分离时被牵连物体冲击响应峰值，缩短响应衰减时间，进而提升航天器运行安全。
本发明的目的是通过下式技术方案实现的。
本发明公开的一种航天用火工部件分离多级缓冲装置，在抛片与插头之间固定安装钢索部件和活塞式组合缓冲部件；所述钢索部件与抛片固定连接；所述活塞式组合缓冲部件与插头固定连接；
所述钢索部件包括缓冲橡胶结构、转轴、钢环、U形钢索和活塞杆；钢环固定安装在抛片上，转轴与U形钢索连接，内部留有使得U形钢索能够绕钢环摆动的空间。活塞杆与转轴活动连接，绕转轴自由摆动。
所述活塞缓冲部件包括活塞杆、活塞筒、橡胶缓冲垫、第一缓冲部件、吸能部件和第二缓冲部件。
所述活塞筒为中空、一端开口结构，所述活塞筒固定安装在插头上；橡胶缓冲垫布置在活塞筒的内壁上；活塞杆插入活塞筒中；所述第一缓冲部件、吸能部件和第二缓冲部件固定安装在活塞筒内部。
所述第一缓冲部件在吸能部件前，第二缓冲部件在吸能部件后。
所述第一缓冲部件与第二缓冲部件结构相同，即本发明中缓冲部件的数量大于1个。
作为优选，吸能部件采用正六边形铝制蜂窝，分离时活塞杆运动带动铝蜂窝两端压缩，铝蜂窝各单胞溃压塑性变形吸收大量冲击能量。作为进一步优选，单胞长度为1mm、壁厚0.5mm时吸能效果最好，通过控制铝蜂窝的高度来控制吸能量的大小。
作为优选，钢索部件在约束相互牵连两物块运动的同时给予两者最大自由度；吸能装置和应力波缓冲装置一体化线性串联在活塞中，相互紧密装配；活塞部件给吸能装置与应力波缓冲装置的工作提供空间。
作为优选，所述第一缓冲部件与第二缓冲部件采用的缓冲环为多层环状结构，每层的钢环之间由硬度较低的铜块交错支撑。该结构延长冲击载荷的传递路径。冲击应力波要经过曲折的弯曲路径传递到有效载荷，通过延长传递路径增加冲击载荷损耗；每一层支撑块与金属环弯曲梁之间均组成一个对接面。在对接面处，会对冲击波有反射、透射作用，当透射的冲击波较小时，对冲击载荷的衰减较大。同时在轴向受力时强度更低的铝蜂窝会先溃压，吸收绝大部分能量使冲击环不会变形压实失去作用。
本发明公开的一种航天用火工部件分离多级缓冲装置的工作方法为：
抛片火工分离瞬间获能产生初始速度飞出，抛片所牵连的钢索首先相撞产生冲击，应力波通过活塞杆经过吸能缓冲装置，再通过活塞筒传递到插头。钢索在碰撞时，钢索上覆盖的橡胶套不会降低此次撞击的响应峰值但会过滤掉部分撞击后的低频震荡波，碰撞后抛片继续运动开始拉动活塞杆加速，活塞杆通过与活塞筒带动第一缓冲部件与第二缓冲部件对铝蜂窝进行压缩，蜂窝溃压吸能，直至插头与抛片同速；钢索处冲击产生的应力波通过转轴经活塞杆-第二缓冲部件-铝蜂窝-第一缓冲部件-活塞筒一路衰减传递到插头。
而所优选的缓冲部件，该结构能够大大延长冲击载荷的传递路径。冲击应力波要经过曲折的路径传递，增加了冲击载荷损耗；每一层支撑块与金属环弯曲梁之间均组成一个对接面。在对接面处，冲击波有反射、透射作用，当透射的冲击波较小时，对冲击载荷的衰减较大。同时缓冲部件与吸能部件串联组合装配，在轴向受力时强度更低的铝蜂窝会先溃压，吸收绝大部分能量使冲击环不会变形压实进而使应力波传递路径改变，失去缓冲作用。
有益效果：
1、本发明公开的一种航天用火工部件分离多级缓冲装置，采用活塞式的缓冲结构，在拉伸行程中加入压缩行程，为缓冲部件提供工作空间；通过引入活塞式组合缓冲装置解决现有结构的被带动插头未达到设计速度，牵连结构便已断裂问题。
2、铝蜂窝结构作为一种多孔材料，具有良好的能量吸收能力、较高的比强度和比刚度，因此，被作为轻质材料和能量吸收构件在火工中大量运用，但铝蜂窝只能起到能量吸收的作用，对最终响应面的响应峰值的减弱影响不大，单独的铝蜂窝作为缓冲材料虽然会通过溃压吸收冲击所产生的能量，但是撞击瞬间产生的应力波通过铝蜂窝传递，传递到插头的响应峰值不会降低反而会变大。本发明公开的一种航天用火工部件分离多级缓冲装置，吸能部件采用正六边形铝制蜂窝，分离时活塞杆运动带动铝蜂窝两端压缩，铝蜂窝各单胞溃压塑性变形吸收大量冲击能量。本发明经过大量试验和分析确定，单胞长度为1mm、壁厚0.5mm时吸能效果最好，通过控制铝蜂窝的高度来控制吸能量的大小。
3、传统缓冲环状装置降冲击主要是利用隔层之间的弹性变形吸收能量，延长应力波传递路径从而达到降低响应的效果。但传统的环状缓冲结构如果直接用在这里叙述的火工分离装置上，缓冲环会直接压实，因为传统的环状缓冲结构承受的只是高频振动，轴向受力并不大，而火工分离装置缓冲环直接轴向受压，传统缓冲环会直接变形压实失去作用，本发明公开的一种航天用火工部件分离多级缓冲装置，采用的金属缓冲环与现有的卫星用的类似环状装置外观相似，但结构不同，第一缓冲部件与第二缓冲部件采用的缓冲环为多层环状结构，每层的钢环之间由硬度较低的铜块交错支撑。该结构延长冲击载荷的传递路径。冲击应力波要经过曲折的弯曲路径传递到有效载荷，通过延长传递路径增加冲击载荷损耗；每一层支撑块与金属环弯曲梁之间均组成一个对接面。在对接面处，会对冲击波有反射、透射作用，当透射的冲击波较小时，对冲击载荷的衰减较大。同时在轴向受力时强度更低的铝蜂窝会先溃压，吸收绝大部分能量使冲击环不会变形压实失去作用。与铝蜂窝的组合利用铝蜂窝的溃压变形吸收绝大部分能量，保证缓冲环不会因为变形压实而失效，缓冲环增大的径向面积也给应力波相互间的对冲整形提供充足的空间。
4、本发明公开的一种航天用火工部件分离多级缓冲装置，钢环固定安装在抛片上，转轴与U形钢索连接，内部留有使得U形钢索能够绕钢环摆动的空间。活塞杆与转轴活动连接，绕转轴自由摆动；在保证缓冲降冲击效果的同时也在一定限度内保证抛片与插头的自由度便于安装使用。
附图说明
图1是本发明公开的一种航天用火工部件分离多级缓冲装置装配图。
图2是本发明的钢索部件的结构原理图。
图3是本发明的活塞式组合缓冲部件的结构原理图。
图4为35m/s分离速度时，现有单钢索结构设计与本发明中采用的结构下，插头背部中点的时域响应与冲击响应谱(SRS)对比。其中，图a为现有结构3ms内时域响应图；图b为现有结构的冲击响应谱(SRS)；图c为本发明结构3ms内时域响应图；图d为本发明结构的冲击响应谱(SRS)；
其中：1—抛片、2—缓冲橡胶结构、3—转轴、4—钢环、5—U形钢索、6—活塞杆、7—活塞筒、8—橡胶缓冲垫、9—第一缓冲部件、10—吸能部件；11—第二缓冲部件；12—插头。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种航天用火工部件分离多级缓冲装置，如图1所示，在抛片1与插头12之间固定安装钢索部件与活塞式组合缓冲部件；所述钢索部件与抛片1固定连接，抛片1为瓦状质量块，火工爆炸后作为能量源带动插头12；所述活塞式组合缓冲部件与插头12固定连接，插头12这里是被带动的航天件，可以理解为相关仪器的启动开关等，插头12上的冲击响应峰值需要尽可能小，频率需要尽可能低，防止对仪器造成损坏；
图2是装置的钢索部件。除抛片1外包括：抛片1上安装的钢环4，U形钢索5，转轴3，缓冲橡胶结构2，活塞杆6；抛片1上有突出的钢环4与加强结构，钢环留有的空间足够自由钢索穿过，在装配完成后同时保有一定自由度；U形钢索5在端部开有两定位孔；活塞杆6靠近U形钢索5端为台状凸起，中部开有定位孔，凸台与轴身连接处有设有加强结构；U形钢索5与抛片1上钢环4嵌套装配后通过转轴3与活塞杆6铰链约束。
图3是装置的活塞式组合缓冲部件。除插头12外包括：活塞杆6、活塞筒7、橡胶缓冲结构8、第一缓冲部件9、吸能部件10、与第二缓冲部件11；活塞杆6活塞端为突起圆盘，圆盘与插头12以及活塞筒7间留有一定空隙；活塞筒7为端部带有裙边的空心圆筒，裙边一周开有定位孔，活塞筒7顶端开有圆孔，活塞杆7能够装配通过，活塞筒7内圈包裹一圈橡胶缓冲垫8，避免内部结构直接与活塞筒7壁发生刚性碰撞；插头12一端开有定位螺纹孔或其他固定装置与活塞筒6的裙边固定。
所述第一缓冲部件9在吸能部件10前，第二缓冲部件11在吸能部件10后；
所述第一缓冲部件9与第二缓冲部件11结构相同，采用的缓冲环为多层环状结构，每层的钢环之间由硬度较低的铜块交错支撑。
实施例1仿真运行环境为Abaqus/Explicit 2017，抛片1设置初始速度35m/s以模拟在火工环境下瞬间获得的动能，抛片1固连钢环4在运动过程中撞击钢索3，此时U形钢索5上产生的冲击峰值达到60000g，此实施例与现有的航天分离牵连结构工作环境大体相同。由此产生的应力波通过活塞杆6传递至活塞式组合缓冲部件，活塞式组合缓冲部件开始工作，在钢环4与U形钢索5碰撞后抛片1继续运动开始拉动活塞杆6加速，活塞杆6与活塞筒7相互运动带动第一缓冲部件9与第二缓冲部件11将吸能部件10压溃，铝蜂窝在仿真过程中呈现内凹压溃，与实验情况相同。蜂窝完全压溃后，第一缓冲部件9与第二缓冲部件11的钢片并未贴合，应力波传递路径未改变，缓冲部件工作正常。吸能部件10快速压溃的同时消耗了整个结构的能量，又为第一缓冲部件9和第二缓冲部件11提供了合适的工作环境，使插头12能够通过较小的应力波稳定加速获能。
所述缓冲部件的结构能够大大延长冲击载荷的传递路径；冲击应力波要经过曲折的路径传递，增加了冲击载荷损耗；每一层支撑块与金属环弯曲梁之间均组成一个对接面；在对接面处，冲击波有反射、透射作用，当透射的冲击波较小时，对冲击载荷的衰减较大；同时缓冲部件与吸能部件串联组合装配，在轴向受力时强度更低的铝蜂窝会先溃压，吸收绝大部分能量使冲击环不会变形压实进而使应力波传递路径改变，失去缓冲作用。
最终在本实施例中活塞式组合缓冲部件可将速度由35m/s降低到25m/s，吸能部件10吸收大量能量使第一缓冲部件9与第二缓冲部件11能够稳定工作，如图4示经过第一缓冲部件9与第二缓冲部件11作用后应力波传递到插头12的峰值仅为4000g，降峰值达到87％，并且整个冲击过程高频响应也降低了1个量级以上。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种航天用火工部件分离多级缓冲装置，其特征在于：在抛片(1)与插头(12)之间固定安装钢索部件与组合式缓冲部件；所述钢索部件与抛片(1)固定连接；所述组合式缓冲部件与插头(12)固定连接；
所述钢索部件包括缓冲橡胶结构(2)、转轴(3)、钢环(4)、U形钢索(5)和活塞杆(6)；钢环(4)固定安装在抛片上，转轴(3)与U形钢索(5)连接，内部留有使得U形钢索(5)能够绕钢环(4)摆动的空间；活塞杆(6)与转轴(3)活动连接，绕转轴(3)自由摆动；
所述组合式缓冲部件包括活塞筒(7)、橡胶缓冲垫(8)、第一缓冲部件(9)、吸能部件(10)、第二缓冲部件(11)；
所述活塞筒(7)为中空、一端开口结构，所述活塞筒(7)固定安装在插头(12)上；橡胶缓冲垫(8)布置在活塞筒(7)的内壁上；活塞杆(6)插入活塞筒(7)中；所述第一缓冲部件(9)和吸能部件(10)固定安装在活塞筒(7)内部；
所述第一缓冲部件(9)在吸能部件(10)前，第二缓冲部件(11)在吸能部件(10)后；
所述第一缓冲部件(9)与第二缓冲部件(11)结构相同；
吸能部件(10)采用正六边形铝制蜂窝，分离时活塞杆(6)运动带动铝蜂窝两端压缩，铝蜂窝各单胞溃压塑性变形吸收大量冲击能量；
钢索部件在约束相互牵连两物块运动的同时给予两者最大自由度；吸能装置和应力波缓冲装置一体化线性串联在活塞中，相互紧密装配；活塞部件用于给吸能装置与应力波缓冲装置的工作提供空间；
所述第一缓冲部件(9)与第二缓冲部件(11)采用的缓冲环为多层环状结构，每层的钢环之间由硬度较低的铜块交错支撑；该结构延长冲击载荷的传递路径；冲击应力波要经过曲折的弯曲路径传递到有效载荷，通过延长传递路径增加冲击载荷损耗；每一层支撑块与金属环弯曲梁之间均组成一个对接面；在对接面处，会对冲击波有反射、透射作用，当透射的冲击波较小时，对冲击载荷的衰减较大；同时在轴向受力时强度更低的铝蜂窝会先溃压，吸收绝大部分能量使冲击环不会变形压实失去作用。
2.如权利要求1所述的一种航天用火工部件分离多级缓冲装置，其特征在于：单胞长度为1mm、壁厚0.5mm时吸能效果最好，通过控制铝蜂窝的高度来控制吸能量的大小。
3.采用如权利要求1或2所述的装置进行缓冲的方法，其特征在于：
抛片火工分离瞬间获能产生初始速度飞出，抛片所牵连的钢索首先相撞产生冲击，应力波通过活塞杆经过吸能缓冲装置，再通过活塞筒传递到插头；钢索在碰撞时，钢索上覆盖的橡胶套不会降低此次撞击的响应峰值但会过滤掉部分撞击后的低频震荡波，碰撞后抛片继续运动开始拉动活塞杆加速，活塞杆通过与活塞筒带动第一缓冲部件与第二缓冲部件对铝蜂窝进行压缩，蜂窝溃压吸能，直至插头与抛片同速；钢索处冲击产生的应力波通过转轴经活塞杆-第二缓冲部件-铝蜂窝-第一缓冲部件-活塞筒一路衰减传递到插头；
所述缓冲部件的结构能够大大延长冲击载荷的传递路径；冲击应力波要经过曲折的路径传递，增加了冲击载荷损耗；每一层支撑块与金属环弯曲梁之间均组成一个对接面；在对接面处，冲击波有反射、透射作用，当透射的冲击波较小时，对冲击载荷的衰减较大；同时缓冲部件与吸能部件串联组合装配，在轴向受力时强度更低的铝蜂窝会先溃压，吸收绝大部分能量使冲击环不会变形压实进而使应力波传递路径改变，失去缓冲作用。
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