CN117416534B - 一种间隙保持式火工分离解锁装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种间隙保持式火工分离解锁装置，属于星箭分离或星星分离领域，包括前承力筒、套筒、活塞组件和拉环组件，套筒的后端内腔内安装有燃烧室，套筒的前端内腔内具有后承力筒，燃烧室的后端面安装有点火器，燃烧室的前端安装有连接座，活塞组件包括支撑管和活塞盘，支撑管的前端外缘设置有沉降台阶，沉降台阶上套装有单向卡环和双向卡环，双向卡环位于前承力筒和后承力筒之间，且双向卡环对前承力筒和后承力筒径向支撑。本发明的有益效果是：采用双卡环结构实现了该装置的间隙保持式分离解锁，无分离冲量，分离间隙无多余物；相较于传统无间隙分离或负间隙分离，大幅减小对前法兰端的干扰，相同轴向预紧力的情况下抗弯能力得到大幅提升。

Description

一种间隙保持式火工分离解锁装置

技术领域

本发明涉及星箭分离或星星分离，特别是一种间隙保持式火工分离解锁装置。

背景技术

航天器在轨状态下，常常伴随着星箭或星星的连接与分离。目前，该分离环节主要有火工分离与非火工分离两种分离形式。其中，火工品由于其单位重量输出能量大，能够大幅减轻航天器重量，但常规火工品工作冲击大的特点又限制了其适应范围。例如标准GJB2499A-2006便规定了基于爆炸螺栓实现的星箭包带分离机构，但这种方式靠近爆炸螺栓的部位冲击过载高达4000g以上。无论是火工分离还是非火工分离，目前常见的工作模式均为分离面解锁后，再由弹簧机构（或火工机构）提供一定冲量使其分离面产生间隙。

但是，随着航天技术的发展，在星箭或星星的解锁分离中，衍生出这样一种工况：要求解锁分离后星箭或星星停留在初始位置，即将对被分离设备的干扰降至最小，但是，为了不互相干扰，又要求在分离面需产生一定间隙。

这种工况对于解锁装置有如下功能要求：首先，要求解锁装置能够提供拉压剪三向承载与刚度保证星箭或星星能够承受周转与发射时的力学环境；其次，要求解锁装置工作时能够在分离面形成一定间隙，而不是驱动被连接物体运动来产生间隙；再次；要求工作冲击尽量小，且无碎片等多余物飞出，避免对卫星上的精密设备造成损坏；最后，要求分离冲量小，便于星箭或星星保持在初始位置。

针对上述要求，虽然基于回缩式分离螺母的结构形式能够一定程度上满足使用需要，但仍然反映出工作冲击大、产品质量大、径向承载力不足等诸多问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种间隙保持式火工分离解锁装置。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种间隙保持式火工分离解锁装置，包括带有前法兰的前承力筒、带有后法兰的套筒、活塞组件和拉环组件，套筒的后端内腔内安装有燃烧室，套筒的前端内腔内具有后承力筒，燃烧室的后端面安装有点火器，燃烧室的前端安装有连接座，活塞组件包括支撑管和活塞盘，支撑管的内腔后端密封安装有活塞盘，活塞盘密封套装在燃烧室的外筒上，且活塞盘可相对燃烧室轴向移动，支撑管的后端套装在套筒的内腔内，且活塞盘、支撑管、套筒、燃烧室之间形成后腔体，套筒上径向安装有剪力销，剪力销的端部插入支撑管的后端，当剪力销断裂后，支撑管可相对套筒轴向移动；拉环组件包括连接管和定位环，定位环安装在连接管的后端，连接座的后端密封套装在连接管的内腔内，连接管密封套装在支撑管内，连接座、连接管、支撑管、活塞盘和燃烧室的外筒形成前腔体，连接座上开设有将燃烧室内腔和前腔体连通的通气通道，支撑管的前端外缘设置有沉降台阶，沉降台阶上套装有单向卡环和双向卡环，单向卡环位于双向卡环前方，定位环的后端设置有径向外凸的拉环，拉环与单向卡环抵接，拉环和单向卡环均位于前承力筒内，且单向卡环对前承力筒径向支撑，双向卡环位于前承力筒和后承力筒之间，且双向卡环对前承力筒和后承力筒径向支撑。

可选的，单向卡环后端面具有第一圆锥面，前承力筒的前端内腔设置有径向凸环，径向凸环的前端面开设有与第一圆锥面匹配的第一锥形面。

可选的，双向卡环的前端面具有第二圆锥面，双向卡环的后端面具有第三圆锥面，径向凸环的后端面上开设有与第二圆锥面匹配的第二锥形面，后承力筒的前端面上开设有与第三圆锥面匹配的第三锥形面。

可选的，支撑管的内腔设置有内凸环，内凸环套装在连接管上，且内凸环上安装有O形密封圈，连接管的后管设置有径向外凸的外挡环。

可选的，连接管的后端内腔设置有内挡环，内挡环的内径大于燃烧室的外筒直径。

可选的，燃烧室的后端具有螺纹头，螺纹头与套筒螺纹连接，且螺纹头的前端面上安装有缓冲件。

可选的，套筒的后端还开设有台阶圆，支撑管的后端外圆上还安装有处于弹性收缩状态的钢丝挡圈，钢丝挡圈位于剪力销的后侧，当活塞盘与缓冲件接触后，钢丝挡圈依靠自身弹力外张卡在台阶圆内。

可选的，单向卡环和双向卡环为开口的圆环结构，在自然状态下，单向卡环的外径小于前承力筒的内径，双向卡环的外径小于前承力筒和后承力筒的内径。

可选的，前法兰和前承力筒为螺纹连接。

可选的，定位环和连接管为螺纹连接。

本发明具有以下优点：

1、本发明采用双卡环结构实现了该装置的间隙保持式分离解锁，无分离冲量，分离间隙无多余物；相较于传统无间隙分离或负间隙分离，无需额外提供位移即可保证被固定物体的彻底脱离，大幅减小对前法兰端的干扰；

2、本发明采用的双卡环承力结构，相较于传统分瓣螺母结构，承载件的包络圆更大，相同轴向预紧力的情况下抗弯能力得到大幅提升；同时，采用多层管状结构共同抗剪，相较于分离螺母单螺杆受剪，径向承载力更强。

附图说明

图1 为本发明未解锁时的结构示意图；

图2 为本发明为完成卡环解锁时刻的结构示意图；

图3 为本发明为完全解锁分离后的结构示意图；

图4 为活塞组件拉动拉环组件轴向移动的结构示意图；

图5 为前承力筒在前法兰内的安装示意图；

图6 为单向卡环的结构示意图；

图7 为双向卡环的结构示意图；

图中，1-前法兰、2-前承力筒、3-单向卡环、4-双向卡环、5-后承力筒、6-支撑管、7-剪力销、8-钢丝挡圈、9-活塞盘、10-连接座、11-燃烧室、12-缓冲件、13-后法兰、14-点火器、15-连接管、16-定位环，17-内凸环，18-外挡环，19-拉环，20-前腔体，21-后腔体，22-套筒，23-通气通道，24-径向凸环，25-内挡环，26-台阶圆。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，一种间隙保持式火工分离解锁装置，包括带有前法兰1的前承力筒2、带有后法兰13的套筒22、活塞组件和拉环组件，在本实施例中，如图5所示，前法兰1与前承力筒2通过螺纹连接，当该解锁装置装配完成后，前法兰1和前承力筒2的螺纹连接处通过涂胶固定，如图1、图2和图3所示，套筒22和后法兰13为一体加工件，在套筒22的后端内腔内安装有燃烧室11，而燃烧室11的后端具有螺纹头，螺纹头与套筒22螺纹连接，且螺纹头的前端面上安装有缓冲件12，套筒22的前端内腔内具有后承力筒5，进一步的，如图1、图2和图3所示，套筒22与后承力筒5为螺纹可拆卸连接，在燃烧室11的后端面安装有点火器14，燃烧室11的前端安装有连接座10，连接座10与燃烧室11为螺纹连接，活塞组件包括支撑管6和活塞盘9，支撑管6的内腔后端密封安装有活塞盘9，活塞盘9密封套装在燃烧室11的外筒上，且活塞盘9可相对燃烧室11轴向移动，进一步的，如图1、图2、图3和图4所示，活塞盘9与支撑管6之间为螺纹可拆卸连接，在活塞盘9与支撑管6接触的端面安装有密封圈，从而实现活塞盘9与支撑管6之间的密封，而活塞盘9的内孔侧壁上也安装有密封圈，从而实现活塞盘9与燃烧室11外筒的密封，进一步的，如图1、图2和图3所示，支撑管6的后端套装在套筒22的内腔内，且活塞盘9、支撑管6、套筒22、燃烧室之间形成后腔体21，在本实施例中，如图1所示，套筒22上径向安装有剪力销7，剪力销7的端部插入支撑管6的后端，从而实现支撑管6与套筒22位置的相对固定，如图2所示，当剪力销7断裂后，支撑管6可相对套筒22轴向移动；如图1、图2、图3和图4所示，拉环组件包括连接管15和定位环16，定位环16安装在连接管15的后端，优选的，定位环16和连接管15为螺纹连接，在实际装配过程中，定位环16和连接管15螺纹连接后，在其螺纹连接处通过涂胶固定，连接座10的后端密封套装在连接管15的内腔内，连接管15密封套装在支撑管6内，如图1、图2和图3所示，连接座10、连接管15、支撑管6、活塞盘9和燃烧室11的外筒形成前腔体20，连接座10上开设有将燃烧室11内腔和前腔体20连通的通气通道23，燃烧室11内腔与前腔体20组成密封腔体，点燃点火器14，从而使得燃烧室11内产生高压燃气，高压燃气进入前腔体20并作用于活塞盘9，活塞盘9则带动支撑管6剪断剪力销7后往后运动。

在本实施例中，如图1、图2、图3和图4所示，支撑管6的前端外缘设置有沉降台阶，如图1所示，沉降台阶上套装有单向卡环3和双向卡环4，单向卡环3位于双向卡环4前方，如图4所示，定位环16的后端设置有径向外凸的拉环19，如图1所示，拉环19与单向卡环3抵接，拉环19和单向卡环3均位于前承力筒2内，且单向卡环3对前承力筒2径向支撑，双向卡环4位于前承力筒2和后承力筒5之间，且双向卡环4对前承力筒2和后承力筒5径向支撑，进一步的，如图6所示，单向卡环3后端面具有第一圆锥面，如图5所示，前承力筒2的前端内腔设置有径向凸环24，如图1所示，径向凸环24的前端面开设有与第一圆锥面匹配的第一锥形面，如图7所示，双向卡环4的前端面具有第二圆锥面，双向卡环4的后端面具有第三圆锥面，如图5所示，径向凸环24的后端面上开设有与第二圆锥面匹配的第二锥形面，如图1所示，后承力筒5的前端面上开设有与第三圆锥面匹配的第三锥形面，在设计时，当定位环16旋紧后，此时定位环16与支撑管6抵接，并且定位环16也与单向卡环3抵接，而定位环16给单向卡环3一推力，从而使得第一圆锥面与第一锥形面抵接，进而使得前承力筒2的径向凸环24径向外张，进而使得径向凸环24产生弹性回复力，而弹性回复力作用在双向卡环4上，进而使得双向卡环4的第二圆锥面与第二锥形面抵接、第三圆锥面与第三锥形面抵接，进而实现装置的轴向预紧，并且由于圆锥面接触，轴向预紧力还将产生径向分力实现装置的径向预紧。”

在本实施例中，如图6和图7所示，单向卡环3和双向卡环4为开口的圆环结构，在自然状态下，单向卡环3的外径小于前承力筒2的内径，双向卡环4的外径小于前承力筒2和后承力筒5的内径，安装时需要撑大后套入支撑管6，而在失去支撑后可由自身弹力作用回缩，当支撑管在高压燃气往后推动的过程中，支撑管的沉降台阶依次脱离单向卡环3和双向卡环4，如图2所示，而当沉降台阶脱离单向卡环3和双向卡环4后，单向卡环3和双向卡环4则失去径向支撑，受弹力作用回缩，从而解除前法兰1和后法兰13的初始锁定。

在本实施例中，如图4所示，支撑管的内腔设置有内凸环17，内凸环17套装在连接管15上，且内凸环17上安装有O形密封圈，连接管15的后管设置有径向外凸的外挡环18，如图3所示，支撑管6运动一定位移后，内凸环17与外挡环18接触，带动连接管15与定位环16往后端运动，同时定位环16上的拉环19将单向卡环3与双向卡环4拉入套筒22内部，由于单向卡环3、双向卡环4外径均小于前承力筒2、后承力筒5的内径，故在回缩过程中，不会对前承力筒2造成干扰，实现无冲量间隙分离。

在本实施例中，如图4和图3所示，连接管15的后端内腔设置有内挡环25，内挡环25的内径大于燃烧室11的外筒直径，在初始状态下，内挡环25与连接座10的后端部抵接，从而在旋紧定位环16的过程中，避免连接管15轴向前移，而内挡环25的内径大于燃烧室11的外筒直径，从而使得内挡环25与燃烧室11的外筒之间具有高压燃气通过的间隙，在本实施例中，在高压燃气产生的初期，此时前腔体20的体积小，高压燃气作用在前腔体20内，进而使得活塞盘9获得较大的启动力，从而能够将剪力销7剪短，并且克服单向卡环3和双向卡环4对支撑管6的摩擦力，从而使得活塞盘9带动支撑管6往后移动，也就是说，在解锁过程中，高压燃气有效作用面积等于支撑管6内径与活塞盘9内径组成的环形面积，而当解锁后，支撑管6的内凸环17与连接管15的内挡环25接触后，燃气有效作用面积为连接座10外径与活塞盘9内径组成环形面积，该面积远小于解锁过程的燃气作用面积，从而减小部件回缩过程中产生的动能，进而使得单向卡环3和双向卡环4能够缓慢退入到套筒22内。此外，连接管15的内挡环25内径略大于燃烧室11内侧外筒的外径，此处缝隙能够降低燃气流速，进一步控制回缩时燃气驱动力。

在本实施例中，如图3所示，套筒22的后端还开设有台阶圆26，支撑管6的后端外圆上还安装有处于弹性收缩状态的钢丝挡圈8，钢丝挡圈8位于剪力销7的后侧，当活塞盘9与缓冲件12接触后，缓冲件12变形吸收活塞盘9动能，大幅削弱降低结构撞击产生的冲击能量，而此时钢丝挡圈8受自身弹性作用外扩落入台阶圆26，使的支撑管6无法反向位移，使得活塞盘9、支撑管6、连接管15、定位环16、单向卡环3、双向卡环4组成的整体完全包覆在套筒22的容腔内，保证分离间隙无多余物。

本发明的工作过程如下：将该间隙保持式火工分离解锁装置组装好后，在未工作时，通过连接管15、定位环16、连接座10的螺纹副即可对整个装置内部施加轴向预紧力，而通过支撑管6、单向卡环3、双向卡环4、连接管15与定位环16的多层圆管结构实现径向承载；

在工作时，点火器14输出高压燃气，作用于活塞盘9，活塞盘9带动支撑管6剪断剪力销7后往后运动，随着支撑管6运动，单向卡环3、双向卡环4先后失去径向支撑，受弹力作用回缩，解除前后法兰13的初始锁定，当支撑管6运动一定位移后，其内凸环17与连接管15的外挡环18接触，带动连接管15与定位环16往点火器14端运动，同时定位环16的拉环19将单向卡环3与双向卡环4拉入套筒22内部，由于单向卡环3、双向卡环4外径小于前、后承力筒5内径，故在回缩过程中，不会对前承力筒2造成干扰，实现无冲量间隙分离。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,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 (10)

1.一种间隙保持式火工分离解锁装置，其特征在于：包括带有前法兰的前承力筒、带有后法兰的套筒、活塞组件和拉环组件，

所述套筒的后端内腔内安装有燃烧室，所述套筒的前端内腔内具有后承力筒，所述燃烧室的后端面安装有点火器，所述燃烧室的前端安装有连接座，

所述活塞组件包括支撑管和活塞盘，所述支撑管的内腔后端密封安装有活塞盘，所述活塞盘密封套装在所述燃烧室的外筒上，且所述活塞盘可相对所述燃烧室轴向移动，所述支撑管的后端套装在所述套筒的内腔内，且所述活塞盘、所述支撑管、所述套筒、所述燃烧室之间形成后腔体，所述套筒上径向安装有剪力销，所述剪力销的端部插入所述支撑管的后端，当所述剪力销断裂后，所述支撑管可相对所述套筒轴向移动；

所述拉环组件包括连接管和定位环，所述定位环安装在所述连接管的后端，所述连接座的后端密封套装在所述连接管的内腔内，所述连接管密封套装在所述支撑管内，所述连接座、所述连接管、所述支撑管、所述活塞盘和所述燃烧室的外筒形成前腔体，所述连接座上开设有将所述燃烧室内腔和所述前腔体连通的通气通道，

所述支撑管的前端外缘设置有沉降台阶，所述沉降台阶上套装有单向卡环和双向卡环，所述单向卡环位于所述双向卡环前方，所述定位环的后端设置有径向外凸的拉环，所述拉环与所述单向卡环抵接，所述拉环和所述单向卡环均位于所述前承力筒内，且所述单向卡环对所述前承力筒径向支撑，所述双向卡环位于所述前承力筒和所述后承力筒之间，且所述双向卡环对所述前承力筒和所述后承力筒径向支撑。

2.根据权利要求1所述的一种间隙保持式火工分离解锁装置，其特征在于：所述单向卡环后端面具有第一圆锥面，所述前承力筒的前端内腔设置有径向凸环，所述径向凸环的前端面开设有与所述第一圆锥面匹配的第一锥形面。

3.根据权利要求2所述的一种间隙保持式火工分离解锁装置，其特征在于：所述双向卡环的前端面具有第二圆锥面，所述双向卡环的后端面具有第三圆锥面，所述径向凸环的后端面上开设有与所述第二圆锥面匹配的第二锥形面，所述后承力筒的前端面上开设有与所述第三圆锥面匹配的第三锥形面。

4.根据权利要求1~3任意一项所述的一种间隙保持式火工分离解锁装置，其特征在于：所述支撑管的内腔设置有内凸环，所述内凸环套装在所述连接管上，且所述内凸环上安装有O形密封圈，所述连接管的后管设置有径向外凸的外挡环。

5.根据权利要求4所述的一种间隙保持式火工分离解锁装置，其特征在于：所述连接管的后端内腔设置有内挡环，所述内挡环的内径大于所述燃烧室的外筒直径。

6.根据权利要求1~3任意一项所述的一种间隙保持式火工分离解锁装置，其特征在于：所述燃烧室的后端具有螺纹头，所述螺纹头与所述套筒螺纹连接，且所述螺纹头的前端面上安装有缓冲件。

7.根据权利要求6所述的一种间隙保持式火工分离解锁装置，其特征在于：所述套筒的后端还开设有台阶圆，所述支撑管的后端外圆上还安装有处于弹性收缩状态的钢丝挡圈，所述钢丝挡圈位于所述剪力销的后侧，当所述活塞盘与所述缓冲件接触后，所述钢丝挡圈依靠自身弹力外张卡在所述台阶圆内。

8.根据权利要求1~3任意一项所述的一种间隙保持式火工分离解锁装置，其特征在于：所述单向卡环和所述双向卡环为开口的圆环结构，在自然状态下，所述单向卡环的外径小于所述前承力筒的内径，所述双向卡环的外径小于所述前承力筒和所述后承力筒的内径。

9.根据权利要求1所述的一种间隙保持式火工分离解锁装置，其特征在于：所述前法兰和所述前承力筒为螺纹连接。

10.根据权利要求1所述的一种间隙保持式火工分离解锁装置，其特征在于：所述定位环和所述连接管为螺纹连接。