CN116891010A - 一种具备自解锁复位功能的电磁推射装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备自解锁复位功能的电磁推射装置及其使用方法，包括外壳，外壳内部设有空腔，具有第一弧面凹槽；推射器连接杆，推射器连接杆设置在壳体轴线位置，具有第二弧面凹槽；电驱，电驱设置在推射器连接杆一端；线圈，线圈套设在电驱和推射器连接杆相接处；滑块，滑块间隙配合套设在推射器连接杆上，紧邻线圈设置，具有第三弧面凹槽；弹簧，弹簧一端与壳体端面相连，所述弹簧另一端与滑块相连，弹簧设置远离电驱的一端；限位钢球，所述限位钢球位于滑块与推射器连接杆之间。具有通过电磁能完成自解锁和推射操作，可对目标载荷进行快速响应释放分离，其分离动能可调可控，能源可再生的优点。

Description

一种具备自解锁复位功能的电磁推射装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及机械制造和电磁推射装置技术领域，具体而言，涉及一种具备自解锁复位功能的电磁推射装置及其使用方法。

背景技术

目前，点式分离装置为分离的两个分离体在连接接触面上以分布的多点进行连接时,每个连接点处所用的连接分离装置，多用于航天和航空领域，比较有代表性的即航天发射过程中的星箭分离，即当运载火箭达到指定轨道和速度并经过姿态调控后，卫星及其它载荷在以一定的相对速度与火箭分离的过程。常见的分离方法包括弹射式分离(压缩螺旋弹簧、弹射器和气动作动器等)、制动式分离(末级辅助反推力火箭或推进剂贮箱排出的增压气体形成的反推力)和旋转式多星分离(通过轴向弹簧分离力和转动离心力实现)。

弹射式分离方法是通过势能转换为载荷提供初始动能，其势能储存方式包括压缩螺旋弹簧或者爆炸螺栓的火药燃气。通过爆炸螺栓实现星箭分离是自上个世纪五十年代以来航天工业中所使用较多的传统分离方法，每个爆炸螺栓形似普通螺栓，内部装有炸药和点火器。分离时，炸药被引爆，使剪切锁剪断或者沿螺栓削弱槽断开，实现两分离体解锁。爆炸螺栓品种多，主要有开槽式、剪切销式、钢球式爆炸螺栓和无污染爆炸螺栓等。这种装置的优点是承载能力大、结构简单、工作可靠、使用方便。此外，通过末级辅助反推力火箭等方式的制动式分离技术也是一种对大质量载荷进行姿态调控和分离的常用方式。

随着航天技术的飞速发展，尤其是火箭重复利用发射技术的突破，极大降低火箭发射成本，推动更多民用、商用等小卫星发射升空，由此，对可重复测试和使用的分离装置的需求更加迫切。

现有技术中，通过压缩螺旋弹簧等方式实现的弹射式分离方法，其提供动能的单元不具备可重复使用功能或者可重复使用性能较差，而制动式分离技术需要化学燃料的支撑，存在安全隐患且该能源在空间中非可再生。另一方面，现有技术常用的压缩螺旋弹簧推射以及燃气推射装置虽然具备高可靠性轻质量等优势，但是其初始速度完全无法调节，面对未来航天发射以及空间应用的多样化环境和任务需求时存在不足，存在连接分离系统能力问题(i:分离动能不可控；ii:重复使用难度高；iii解锁和分离功能不兼容)。

综上所述，存在如下至少一个技术问题：

分离动能不可控；

重复使用难度高；

解锁和分离功能不兼容。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种具备自解锁复位功能的电磁推射装置及其使用方法，以解决现有技术中分离动能不可控；重复使用难度高；解锁和分离功能不兼容中至少一个技术问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种具备自解锁复位功能的电磁推射装置，包括：

外壳，所述外壳内部设有空腔，具有第一弧面凹槽；

推射器连接杆，所述推射器连接杆设置在壳体轴线位置，具有第二弧面凹槽；

电驱，所述电驱设置在推射器连接杆一端；

线圈，所述线圈套设在电驱和推射器连接杆相接处；

滑块，所述滑块间隙配合套设在推射器连接杆上，紧邻线圈设置，具有第三弧面凹槽；以及

弹簧，所述弹簧一端与壳体端面相连，所述弹簧另一端与滑块相连，所述弹簧设置远离电驱的一端；

限位钢球，所述限位钢球位于滑块与推射器连接杆之间。

优选的，所述外壳内依照线圈、电枢、滑块、弹簧和推射器连接杆的结构外形设置空腔结构。

优选的，所述推射器连接杆一端与电驱柔性连接，所述推射器连接杆另一端与外部载荷紧连接。

优选的，所述滑块位于线圈轴向一侧，为环状永磁材质。

优选的，所述线圈为多匝多层铜质线圈，所述线圈由扁长铜线缠绕制成，铜线绝缘间隙材料为聚酰亚胺。

优选的，所述电枢为硅钢质柱状结构，外壳为环氧树脂材质。

优选的，所述滑块外形为圆环状，所述第三弧形面凹槽设置在圆环结构内侧面靠近线圈的一端。

优选的，所述第二弧面凹槽设置在推射器连接杆中段位置的外侧面。

优选的，当处于锁止状态时，所述限位钢球部分位于第一弧面凹槽中，部分位于第二弧面凹槽中；当处于解锁状态时，所述限位钢球部分位于第三弧面凹槽中。

根据本发明的另一方面提供了一种具备自解锁复位功能的电磁推射装置的使用方法，包括：

线圈未通电时，系统处于上锁模式，此时弹簧处于初步压缩状态，限位钢球伸出位于第一弧面凹槽和第二弧面凹槽中，将电枢和推射器连接杆约束在外壳的中部通道内；

分离释放过程中，系统根据需求输入调整放电参数，脉冲电源放电，线圈瞬间通过较大的电流，线圈内侧和周围产生强磁场，电枢受到强洛伦兹力，该作用力同样作用在推射器连接杆上，同时，滑块同样在电磁力作用下压迫弹簧并产生位移，与限位钢球连接的部分由平面变为弧形凹槽面；

限位钢球在推射器连接杆传递的推力存在径向分离，该径向分力推动钢球向径向挤压滑块凹槽面进一步推动滑块压迫弹簧产生位移，在两种推力作用下，限位钢球逐渐运动至滑块弧面凹槽内，推射器连接杆运动通道完全打开，解锁完成；

电枢继续推动推射器连接杆沿轴向运动，直至载荷完成推射；

当放电结束后，弹簧复位，推动滑块复位，在此过程中限位钢球被滑块的第三弧面凹槽挤压推动至复位状态。

应用本发明的技术方案，具有如下技术效果：

本发明采用电磁发射技术，能够将载荷以指定初速在分离面上推射出去，且该装置通过电磁发射过程中的空间磁场，能够瞬间打开载荷分离的运动通道，完成电磁推射装置的自解锁过程，该装置能源可再生，分离动能可控可调，具备快速自解锁功能，能够大大提升连接分离的工作效率和能力。即：能够通过电磁能完成自解锁和推射操作，可对目标载荷进行快速响应释放分离，其分离动能可调可控，同时装置的能源可再生，其分离机构和加速机构在工作完成后复位，装置具备重复工作的能力。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的具备自解锁复位功能的电磁推射装置的结构示意图；

图2示出了图1中的具备自解锁复位功能的电磁推射装置的俯视图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

线圈1；电驱2；外壳3；滑块4；弹簧5；推射器连接杆6；限位钢球7；第一弧面凹槽8；第二弧面凹槽9；第三弧面凹槽10。

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。

如图1至图2所示，本发明实施例提供了一种具备自解锁复位功能的电磁推射装置，包括：外壳3，所述外壳3内部设有空腔，具有第一弧面凹槽8；推射器连接杆6，所述推射器连接杆6设置在壳体轴线位置，具有第二弧面凹槽9；电驱2，所述电驱2设置在推射器连接杆6一端；线圈1，所述线圈1套设在电驱2和推射器连接杆6相接处；滑块4，所述滑块4间隙配合套设在推射器连接杆6上，紧邻线圈1设置，具有第三弧面凹槽10；弹簧5，所述弹簧5一端与壳体端面相连，所述弹簧5另一端与滑块4相连，所述弹簧5设置远离电驱2的一端；限位钢球7，所述限位钢球7位于滑块4与推射器连接杆6之间。

本实施例包括多匝多层铜质线圈1，位于线圈1内侧的硅钢质柱状电枢，G10材料推射装置外壳3，位于线圈1轴向一侧的环状永磁材质滑块4，滑块4与解锁机构外壳3的弹簧5，推射器连接杆6和限位钢球7。其中，推射器连接杆6一端与电枢柔性连接，另一端与外部载荷紧连接，弹簧5连段分别和滑块4、解锁机构外壳3紧连接，限位钢球7大部分置于外壳3第一弧面凹槽8中，部分位于推射器连接杆6第二弧面凹槽9中。线圈1、电枢、滑块4、弹簧5，推射器连接杆6和限位钢球7均受到外壳3约束，其材料为环氧树脂。

本实施例中，外壳3起到固定和连接的作用，外壳3内部设有空腔，具有第一弧面凹槽8；外壳3内依照线圈1、电枢、滑块4、弹簧5和推射器连接杆6的结构外形设置空腔结构。

本实施例中，推射器连接杆6用于推射，推射器连接杆6设置在壳体轴线位置，具有第二弧面凹槽9；推射器连接杆6一端与电驱2柔性连接，所述推射器连接杆6另一端与外部载荷紧连接。第二弧面凹槽9设置在推射器连接杆6中段位置的外侧面。推射器连接杆6材料为G10高强度复合材料，直径为24mm，中段位置有弧面凹槽，弧半径11mm。

本实施例中，电驱2用于推动推射器连接杆6，电驱2设置在推射器连接杆6一端；电枢为硅钢质柱状结构，外壳3为环氧树脂材质。电枢轴向长度50mm，直径24mm，其底端相对于线圈1底端沿轴向负向存在距离，约20-22mm。

本实施例中，线圈1用于产生电磁力，线圈1套设在电驱2和推射器连接杆6相接处；线圈1为多匝多层铜质线圈1，所述线圈1由扁长铜线缠绕制成，铜线绝缘间隙材料为聚酰亚胺。线圈1由扁长铜线缠绕制成，扁铜线符合国家标准GB/T321，窄边标称尺寸1.25mm，宽边标称尺寸2mm，圆角半径0.5mm，标称截面积2.285mm²。铜线绝缘间隙材料为聚酰亚胺，线圈1缠绕成型后，内径27mm，外径85mm，轴向长度为60mm。

本实施例中，滑块4用于与钢球配合实现对推射器连接杆6的锁止和解锁，滑块4间隙配合套设在推射器连接杆6上，紧邻线圈1设置，具有第三弧面凹槽10；滑块4位于线圈1轴向一侧，为环状永磁材质。滑块4外形为圆环状，所述第三弧形面凹槽设置在圆环结构内侧面靠近线圈1的一端。滑块4为总体外形为圆环状，轴向长度45mm，内径54mm，外径94mm，与成型线圈1存在轴向正向距离，约10mm，滑块4靠近线圈1线圈1一侧有第三弧面凹槽10，弧半径13mm。滑块4同样在电磁力作用下压迫弹簧5并产生位移，与限位钢球7连接的部分由平面变为第三弧形凹槽面，限位钢球7在推射器连接杆6传递的推力存在径向分离，该径向分力推动钢球向径向挤压滑块4第三弧面凹槽10进一步推动滑块4压迫弹簧5产生位移，在两种推力作用下，限位钢球7逐渐运动至滑块4第三弧面凹槽10内，推射器连接杆6运动通道完全打开，解锁完成，电枢继续推动推射器连接杆6沿轴向运动，直至载荷完成推射，当放电结束后，弹簧5复位，推动滑块4复位，在此过程中限位钢球7被滑块4第三弧面凹槽10挤压推动至复位状态。

本实施例中，弹簧5用于实现滑块4的复位，弹簧5一端与壳体端面相连，弹簧5另一端与滑块4相连，弹簧5设置远离电驱2的一端，弹簧5共计六个，内径3mm，弹性系数10N/mm，当放电结束后，弹簧5复位，推动滑块4复位，在此过程中限位钢球7被滑块4弧面凹槽挤压推动至复位状态。

本实施例中，限位钢球7用于实现推射器连接杆6的锁止和解锁，限位钢球7位于滑块4与推射器连接杆6之间，限位钢球7半径10mm，共计四个，大部分位于外壳3解锁部分第一弧面凹槽8中，一侧与滑块4接触，另一侧位于推射器连接杆6第二弧面凹槽9中，外壳3整体外径为104mm，长度160mm，材料为材料为环氧树脂，内部依照线圈1、电枢、滑块4、弹簧5，推射器连接杆6的结构外形存在空腔。当处于锁止状态时，限位钢球7部分位于第一弧面凹槽8中，部分位于第二弧面凹槽9中；当处于解锁状态时，限位钢球7部分位于第三弧面凹槽10中。线圈1未通电时，系统处于上锁模式，此时弹簧5处于初步压缩状态，初始压力约5N，限位钢球7伸出，位于外壳3分离机构部分第一弧面凹槽8和推射器连接杆6第二弧面凹槽9中，将电枢和推射器连接杆6约束在外壳3的中部通道内。分离释放过程中，系统根据需求输入调整放电参数，脉冲电源放电，线圈1瞬间通过较大的电流，线圈1内侧和周围产生强磁场。电枢受到强洛伦兹力F1，该作用力同样作用在推射器连接杆6上，同时，滑块4同样在电磁力作用下压迫弹簧5并产生位移，与限位钢球7连接的部分由平面变为第三弧形凹槽面，限位钢球7在推射器连接杆6传递的推力存在径向分离，该径向分力推动钢球向径向挤压滑块4第三弧面凹槽10进一步推动滑块4压迫弹簧5产生位移，在两种推力作用下，限位钢球7逐渐运动至滑块4第三弧面凹槽10内，推射器连接杆6运动通道完全打开，解锁完成，电枢继续推动推射器连接杆6沿轴向运动，直至载荷完成推射，当放电结束后，弹簧5复位，推动滑块4复位，在此过程中限位钢球7被滑块4第三弧面凹槽10挤压推动至复位状态。

本发明对连接分离系统的功能性提升主要表现在两个方面，一是该电磁推射装置具备可控初速分离释放能力，当需要以初速v_i对载荷进行分离释放时，线圈1输入来自电源系统的电流I_i，电枢受到对应洛伦兹力F_i产生轴向过载，电枢在短时间内将载荷加速到速度v_i实现指定初速分离。即该电磁推射可以通过输入电流的调节调整发射初速，其速度调控方法具备极高的响应速率。另一方面，传统的连接分离装置所采用的爆炸螺栓和记忆金属等解锁方式，前者会在分离过程中产生极大地火药燃气冲击，不利于系统安全性和稳定性，后者解锁相应速率较慢且结构复杂。本发明所涉及的电磁推射装置具备自解锁功能，且具备重复工作的能力。电磁推射解锁的能量采用和载荷动能共能的形式，通过分离器磁芯利用线圈1附近所形成的漏磁完成解锁，从而可以在分离释放的同时瞬间完成结构自解锁过程，具备极高的响应速率，而且当系统能量再生时，意味着自解锁结构的能量也可再生，从而解锁过程在空间环境可以重复实现。

本发明另一实施例中提供了一种具备自解锁复位功能的电磁推射装置的使用方法，

线圈1未通电时，系统处于上锁模式，此时弹簧5处于初步压缩状态，限位钢球7伸出位于第一弧面凹槽8和第二弧面凹槽9中，将电枢和推射器连接杆6约束在外壳3的中部通道内；

分离释放过程中，系统根据需求输入调整放电参数，脉冲电源放电，线圈1瞬间通过较大的电流，线圈1内侧和周围产生强磁场，电枢受到强洛伦兹力，该作用力同样作用在推射器连接杆6上，同时，滑块4同样在电磁力作用下压迫弹簧5并产生位移，与限位钢球7连接的部分由平面变为弧形凹槽面；

限位钢球7在推射器连接杆6传递的推力存在径向分离，该径向分力推动钢球向径向挤压滑块4凹槽面进一步推动滑块4压迫弹簧5产生位移，在两种推力作用下，限位钢球7逐渐运动至滑块4弧面凹槽内，推射器连接杆6运动通道完全打开，解锁完成；

电枢继续推动推射器连接杆6沿轴向运动，直至载荷完成推射；

当放电结束后，弹簧5复位，推动滑块4复位，在此过程中限位钢球7被滑块4的第三弧面凹槽10挤压推动至复位状态。

从以上描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

本发明采用电磁发射技术，能够将载荷以指定初速在分离面上推射出去，且该装置通过电磁发射过程中的空间磁场，能够瞬间打开载荷分离的运动通道，完成电磁推射装置的自解锁过程，该装置能源可再生，分离动能可控可调，具备快速自解锁功能，能够大大提升连接分离的工作效率和能力。即：能够通过电磁能完成自解锁和推射操作，可对目标载荷进行快速响应释放分离，其分离动能可调可控，同时装置的能源可再生，其分离机构和加速机构在工作完成后复位，装置具备重复工作的能力。

以上所述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 (10)

1.一种具备自解锁复位功能的电磁推射装置，其特征在于，包括：

外壳，所述外壳内部设有空腔，具有第一弧面凹槽；

推射器连接杆，所述推射器连接杆设置在壳体轴线位置，具有第二弧面凹槽；

电驱，所述电驱设置在推射器连接杆一端；

线圈，所述线圈套设在电驱和推射器连接杆相接处；

滑块，所述滑块间隙配合套设在推射器连接杆上，紧邻线圈设置，具有第三弧面凹槽；以及

弹簧，所述弹簧一端与壳体端面相连，所述弹簧另一端与滑块相连，所述弹簧设置远离电驱的一端；

限位钢球，所述限位钢球位于滑块与推射器连接杆之间。

2.如权利要求1所述的具备自解锁复位功能的电磁推射装置，其特征在于，所述外壳内依照线圈、电枢、滑块、弹簧和推射器连接杆的结构外形设置空腔结构。

3.如权利要求1所述的具备自解锁复位功能的电磁推射装置，其特征在于，所述推射器连接杆一端与电驱柔性连接，所述推射器连接杆另一端与外部载荷紧连接。

4.如权利要求1所述的具备自解锁复位功能的电磁推射装置，其特征在于，所述滑块位于线圈轴向一侧，为环状永磁材质。

5.如权利要求1所述的具备自解锁复位功能的电磁推射装置，其特征在于，所述线圈为多匝多层铜质线圈，所述线圈由扁长铜线缠绕制成，铜线绝缘间隙材料为聚酰亚胺。

6.如权利要求1所述的具备自解锁复位功能的电磁推射装置，其特征在于，所述电枢为硅钢质柱状结构，外壳为环氧树脂材质。

7.如权利要求1所述的具备自解锁复位功能的电磁推射装置，其特征在于，所述滑块外形为圆环状，所述第三弧形面凹槽设置在圆环结构内侧面靠近线圈的一端。

8.如权利要求1所述的具备自解锁复位功能的电磁推射装置，其特征在于，所述第二弧面凹槽设置在推射器连接杆中段位置的外侧面。

9.如权利要求1所述的具备自解锁复位功能的电磁推射装置，其特征在于，当处于锁止状态时，所述限位钢球部分位于第一弧面凹槽中，部分位于第二弧面凹槽中；当处于解锁状态时，所述限位钢球部分位于第三弧面凹槽中。

10.一种具备自解锁复位功能的电磁推射装置的使用方法，基于权利要求1-9任意一项所述的具备自解锁复位功能的电磁推射装置，其特征在于，包括：

线圈未通电时，系统处于上锁模式，此时弹簧处于初步压缩状态，限位钢球伸出位于第一弧面凹槽和第二弧面凹槽中，将电枢和推射器连接杆约束在外壳的中部通道内；

分离释放过程中，系统根据需求输入调整放电参数，脉冲电源放电，线圈瞬间通过较大的电流，线圈内侧和周围产生强磁场，电枢受到强洛伦兹力，该作用力同样作用在推射器连接杆上，同时，滑块同样在电磁力作用下压迫弹簧并产生位移，与限位钢球连接的部分由平面变为弧形凹槽面；

限位钢球在推射器连接杆传递的推力存在径向分离，该径向分力推动钢球向径向挤压滑块凹槽面进一步推动滑块压迫弹簧产生位移，在两种推力作用下，限位钢球逐渐运动至滑块弧面凹槽内，推射器连接杆运动通道完全打开，解锁完成；

电枢继续推动推射器连接杆沿轴向运动，直至载荷完成推射；

当放电结束后，弹簧复位，推动滑块复位，在此过程中限位钢球被滑块的第三弧面凹槽挤压推动至复位状态。