CN114906351A - 一种实现整齐切割的复合材料结构火工分离装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现整齐切割的复合材料结构火工分离装置，所述装置包括复合材料板、聚能切割索、缓冲套、保护罩，其中：所述复合材料板的外表面预留削弱槽，复合材料板的内表面一侧安装聚能切割索；所述削弱槽通过减少复合材料铺层数实现，铺层数需要递减或做成小台阶状并在表面铺设一层连续铺层；所述缓冲套包围在聚能切割索周围，缓冲套与复合材料板贴合面一侧留有凹槽，尺寸大小刚好放置聚能切割索；所述保护罩罩在缓冲套的外表面，保护罩的上边倚靠复合材料板凸起处以实现定位，保护罩的安装面与复合材料板通过固定螺栓连接。本发明使用的复合材料经过编织或Z‑PIN工艺增强提高整体性，从而降低切割后复合材料损伤。
Description
技术领域
本发明属于航天器舱段分离技术领域，涉及一种复合材料结构火工分离装置，具体涉及一种实现整齐切割的复合材料结构火工分离装置。
背景技术
先进复合材料的应用，对于航天飞行器结构的轻质化、多功能化和制造的整体化有着十分重要的作用。面对航天器执行任务日益复杂化的需求，复合材料优异的力学性能以及高度可设计性使得其成为航天技术领域研究的重点。但是对于将复合材料应用于主承力结构的航天器，如何在需要时实现级间分离是目前仍然存在的问题。
相较于其他类型的分离装置，航天器常用的火工分离装置具有重量轻、体积小、比能量大、技术成熟、性能可靠的优点，但是目前只能适用于金属结构，难以在复合材料结构上直接应用。这主要是因为：不同于金属材料通过塑性变形吸收能量，复合材料主要是通过产生内部损伤吸收爆炸冲击能量，导致材料在切割分离时会发生纤维拉伸断裂失效，面内沿纤维方向产生撕裂，厚度方向出现分层，结构分离区域附近材料失去承载能力，对航天飞行器的后续任务产生影响。这样的问题阻碍了复合材料在航天器结构上的进一步使用。
分离装置关系到航天器飞行任务的成败，对作用的安全性和可靠性有非常高的要求。针对复合材料的切割问题，为了避免增加结构的重量和分离装置的复杂程度，减小连接分离装置的占据空间，设计一种适用于复合材料切割的火工分离装置，简单有效地实现级间分离是当前迫切需要完成的研究内容。
发明内容
为了克服现有的火工分离装置切割复合材料后切断面不整齐，复合材料大面积撕裂并且出现分层现象的问题，本发明提供了一种实现整齐切割的复合材料结构火工分离装置，以聚能切割索切割复合材料结构实现分离，其中使用的复合材料经过编织或Z-PIN工艺增强提高整体性，从而降低切割后复合材料损伤。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种实现整齐切割的复合材料结构火工分离装置，包括复合材料板、聚能切割索、缓冲套、保护罩，其中：
所述复合材料板的外表面预留削弱槽，复合材料板的内表面一侧安装聚能切割索；
所述削弱槽通过减少复合材料铺层数实现，铺层数需要递减或做成小台阶状并在表面铺设一层连续铺层，以保证复合材料结构的强度；
所述缓冲套包围在聚能切割索周围，缓冲套与复合材料板贴合面一侧留有凹槽，尺寸大小刚好放置聚能切割索；
所述保护罩罩在缓冲套的外表面，保护罩的上边倚靠复合材料板凸起处以实现定位，保护罩的安装面与复合材料板通过固定螺栓连接。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
（1）常用的复合材料均为单层板铺叠而成的层合结构，这类复合材料由于层与层之间缺乏纤维增强，其层间性能远远低于面内性能，往往容易出现分层破坏。考虑到复合材料结构的削弱槽处截面积变化可能导致分层，本发明所设计的分离方案在削弱槽处设置复合材料铺层数递减或做成小台阶状并在表面铺设一层连续铺层。另外，为了降低由于爆炸冲击导致的分层，分离区域附近的复合材料采用编织工艺增强或Z-PIN工艺增强复合材料。编织工艺使得增强纤维之间形成了有效的缠结，贯穿于空间中的各个方向的纤维提供了增强结构的整体性和稳定性，显著增加了厚度方向上的强度；Z-PIN工艺则是将垂直的纤维束以刺针钉入叠层复合材料纤维布中，使得纤维束和面内纤维相互缠绕，相互约束，形成平面与厚度方向均有一定强度的准三维独特的网格结构。
（2）普通的复合材料的增强纤维在同一层内彼此不相交、平行的排列，靠基体的固化形成一个整体，而通过纺织和Z-PIN工艺增强，增强纤维在预制体中集束成纤维束并彼此交织形成一个整体，在分离区域被切割时，主要以纤维剪切破坏的形式吸收爆炸产生的能量并以厚度方向纤维约束变形，降低了爆炸冲击之后复合材料内外层产生的不同程度撕裂和分层现象。由于分离区域的纤维主要以剪切破坏的形式发生断裂，相较于普通复合材料结构主要以拉伸破坏的形式发生断裂，本发明所提出的方案提高了纤维切割面的整齐度，且分离之后只有极少碎片产生。
附图说明
图1为本发明复合材料结构火工分离装置的截面示意图；
图2为本发明复合材料结构火工分离装置的安装位置示意图；
图3为本发明复合材料局部铺层示意图；
图4为本发明复合材料编织工艺增强结构示意图；
图5为本发明复合材料Z-PIN工艺增强结构示意图；
图中，1-复合材料板，2-聚能切割索，3-缓冲套，4-保护罩，5-固定螺栓，6-第一舱段结构，7-第二舱段结构7，8-复合材料结构火工分离装置，9-碳纤维布，10-树脂基体，11-复合材料板沿厚度方向上的增强纤维束，12-经纱，13-纬纱，14-接结纱，15-穿刺纤维束，16-纤维布。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种实现整齐切割的复合材料结构火工分离装置，如图1所示，所述装置包括复合材料板1、聚能切割索2、缓冲套3、保护罩4，其中：
所述复合材料板1的内表面一侧安装聚能切割索2；
所述缓冲套3包围在聚能切割索2周围，缓冲套3与复合材料板1贴合面一侧留有凹槽，尺寸大小刚好放置聚能切割索2；
所述保护罩4罩在缓冲套3的外表面，保护罩4的上边倚靠复合材料板1凸起处以实现定位，保护罩4的安装面与复合材料板1通过固定螺栓5连接，需要分离时，复合材料板1由聚能切割索2产生的聚能射流切断，完成分离。
工作原理：聚能切割索2以电起爆方式引爆后，药型罩内表面金属被爆炸冲击波压垮，向药型罩轴线高速聚集，形成金属聚能射流，将复合材料板1在预置的削弱槽处切割。
如图2所示，复合材料结构火工分离装置8安装在第一舱段结构6、第二舱段结构7之间，需要时，切割复合材料结构实现第一舱段结构6、第二舱段结构7分离。
如图3所示，复合材料板1是纤维增强复合材料结构，复合材料板1的削弱槽处采用铺层数递减的方式或者做成小台阶形状，并在表面铺设一层连续铺层确保此处的结构强度。
如图3、图4和图5所示，复合材料板1在分离区域需要对其采用编织增强结构或者Z-PIN工艺增强结构在厚度方向进行局部加强以降低爆炸冲击产生的影响，减少分层现象以降低损伤。
如图4所示，复合材料编织增强结构可采用但不限于正交三向结构，正交三向结构中包含经纱12、纬纱13和接结纱14，其基本特征是：经纱12、纬纱13和接结纱14相互垂直构成一个整体，经纱12和纬纱13呈现伸直状态，二者不相互交织但是交替重叠为多层；接结纱14沿厚度方向对经纱12和纬纱13进行捆绑，保证复合材料沿厚度方向的强度。
如图5所示，复合材料Z-PIN工艺增强结构包含穿刺纤维束15和纤维布16，其基本特征是：纤维布16按照特定的方向交替重叠铺设，垂直的纤维束15从厚度方向上钉入叠层复合材料纤维布16中，使得纤维束15和面内纤维相互缠绕，相互约束，形成平面与厚度方向均有一定强度的准三维独特的网格结构。
如图1所示，聚能切割索2安装位置正对复合材料板1的削弱槽，削弱槽的截面为梯形，聚能角朝向分离面。聚能切割索2的药型罩夹角在80°至100°之间选取，药型罩夹角朝向复合材料板，平分线位于复合材料板分离面，并正对复合材料板外表面削弱槽。聚能切割索2的炸药种类可选择六硝基芪、奥克托今和黑索金，药型罩的材料可以选择铅、铜、银等材料。聚能切割索2的最佳装药量可根据切割厚度通过实验确定，在保证完全切割分离的情况下，应选择最小的装药量。
如图1所示，缓冲套3包围在聚能切割索2周围，缓冲套的截面可以选择但不限于矩形。缓冲套3紧贴复合材料板1的一侧带有凹槽，凹槽的尺寸与聚能切割索2尺寸相当，缓冲套3有着固定聚能切割索2位置，吸收爆炸冲击，减小结构振动的作用。缓冲套3的材料可以选择橡胶等抗冲击材料。
如图1所示，保护罩4安装在缓冲套3的外部，缓冲套3截面形状与保护罩4内表面形状相同，保护罩4起着支撑缓冲套、隔绝冲击物、吸收能量的作用。保护罩4的上边倚靠复合材料板1凸起处，以保证聚能切割索2的位置，中间区域放置缓冲套3，安装面通过固定螺栓5与复合材料板1相连接。依据刚度和强度的需要确定保护罩4的厚度，其材料可以选择铝合金等金属材料。
如图1所示，固定螺栓5可以实现保护罩4和复合材料板1的连接，其使用的规格大小和数量可以依照复合材料结构具体而定。
Claims (10)
1.一种实现整齐切割的复合材料结构火工分离装置，其特征在于所述装置包括复合材料板、聚能切割索、缓冲套、保护罩，其中：
所述复合材料板的外表面预留削弱槽，复合材料板的内表面一侧安装聚能切割索；
所述削弱槽通过减少复合材料铺层数实现，铺层数需要递减或做成小台阶状并在表面铺设一层连续铺层；
所述缓冲套包围在聚能切割索周围，缓冲套与复合材料板贴合面一侧留有凹槽，尺寸大小刚好放置聚能切割索；
所述保护罩罩在缓冲套的外表面，保护罩的上边倚靠复合材料板凸起处以实现定位，保护罩的安装面与复合材料板通过固定螺栓连接。
2.根据权利要求1所述的实现整齐切割的复合材料结构火工分离装置，其特征在于所述复合材料板在分离区域采用编织增强结构或者Z-PIN工艺增强结构在厚度方向进行局部加强。
3.根据权利要求1所述的实现整齐切割的复合材料结构火工分离装置，其特征在于所述编织增强结构采用正交三向结构，正交三向结构中包含经纱、纬纱和接结纱，经纱、纬纱和接结纱相互垂直构成一个整体，经纱和纬纱呈现伸直状态，二者不相互交织但是交替重叠为多层；接结纱沿厚度方向对经纱和纬纱进行捆绑，保证复合材料沿厚度方向的强度。
4.根据权利要求1所述的实现整齐切割的复合材料结构火工分离装置，其特征在于所述Z-PIN工艺增强结构包含穿刺纤维束和纤维布，纤维布交替重叠铺设，垂直的纤维束从厚度方向上钉入叠层复合材料纤维布中，使得纤维束和面内纤维相互缠绕，相互约束，形成平面与厚度方向均有一定强度的准三维独特的网格结构。
5.根据权利要求1所述的实现整齐切割的复合材料结构火工分离装置，其特征在于所述削弱槽的截面为梯形。
6.根据权利要求1所述的实现整齐切割的复合材料结构火工分离装置，其特征在于所述聚能切割索的药型罩夹角在80°至100°之间选取，药型罩夹角朝向复合材料板，平分线位于复合材料板分离面，并正对复合材料板外表面削弱槽。
7.根据权利要求6所述的实现整齐切割的复合材料结构火工分离装置，其特征在于所述聚能切割索的炸药种类为六硝基芪、奥克托今和黑索金中的一种，药型罩的材料为铅、铜、银中的一种。
8.根据权利要求1所述的实现整齐切割的复合材料结构火工分离装置，其特征在于所述缓冲套的截面为矩形。
9.根据权利要求1所述的实现整齐切割的复合材料结构火工分离装置，其特征在于所述缓冲套的截面形状与保护罩的内表面形状相同。
10.根据权利要求1所述的实现整齐切割的复合材料结构火工分离装置，其特征在于所述保护罩的材料为金属材料。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |