CN1253898A - 一种用于改变结构连接件刚性/阻尼特性的系统 - Google Patents

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Abstract

一种改变结构连接件刚性/阻尼特性的系统,至少包括一个用于接纳两个结构的中间结构;在一偶合状态下,可释放闭锁装置将两结构和中间结构固定;第一双稳态元件组的结构阻尼特性不同于第二双稳态元件组的结构阻尼特性,第一双稳态元件组与上述结构之一和上述中间结构连接,第二双稳态元件组与上述两个结构连接,当所有上述结构都偶合在一起时,上述双稳态元件都处于一种非稳定状态。本发明可以用于宇宙飞船领域。

Description

一种用于改变结构连接件刚性/阻尼特性的系统
本发明属于结构连接件领域，更具体地说，涉及一种可以根据控制命令而改变结构连接件的特性的系统，以满足特定条件的需要。
为了满足对两个结构之间的连接件或偶合件改变结构特性的需要，例如为了减小，滤除和/或分散来自一个偶合结构而作用于另一偶合结构的机械振动，或为了满足对两结构之间的动力结构连接的改变的需要，产生了各种不同的系统并已经投入了应用，每种系统都可以满足一种具体的功能，例如粘弹性、摩擦能耗散器等；使用电动机、气动装置等的用于结构的相对定向装置；根据偶合程序进行偶合的上述结构或该结构的具体装置中的固定和释放装置。
有几种已经为人们所熟知的系统，可以使两个结构之间安全而又可拆卸地相互联结；在其中一个第一条件下，两个结构锁合在一起并实现刚性联结；至少还有一个第二条件，在此条件下，根据某一具体时刻所传递的控制命令，两结构之间的联结获得释放，两个结构相互脱离。
特别是在太空技术领域，人们已经熟知了的许多不同系统都可以完成以下工作：在进入预定轨道之前运载火箭和搭载载荷(例如人造卫星)相互锁合在一起，一旦进入预定轨道，两部分结构之间的刚性联结就被打开，允许上述搭载载荷从运载火箭上脱离。
作为现有技术的一个实例，可以介绍一下申请人所拥有的公开号为0768241的欧洲专利申请，这项专利保护的是一种卫星固定和分离技术。本申请所描述的发明目的在于简化了卫星在运载火箭上的固定以及进入轨道后的分离技术。这一目的是通过一个由螺栓联结在运载火箭适配器的上边环上的固定元件来达到的，固定元件是一个两部分金属带构成的张紧带，弯曲的金属零件将卫星的下边环固定在其上部，并将其环绕压紧。
在美国专利号3737117中，公开了用于宇宙飞船太空对接系统的两种锥体结构，其中之一构成了一艘飞船上的对接容器，另一个锥体结构在第二艘飞船上形成了一个锥状突起。当两个锥体对接元件相互偶合时，它们就挂在一起，对接产生的能量被一个密封舱中的压缩气体所吸收，密封舱的外部也就是第一艘飞船的锥体容器。所产生的反弹力被安装在锥体容器上的一组致动柱体所抵消。
1981年11月26日的法国专利申请号8122144保护了一种固定释放系统，这种系统可以使两部分，一辆汽车和一个平台暂时连接，而在真正使用期间又相互分离。这种系统允许两部分在某一特定位置联结成一体；而在某一时刻变为释放状态，此时汽车支承平台和支架处于收起位置，从而释放上述汽车部分。这种系统特别适合于航天领域。
美国专利号3564564中提到了一种用于固定太空船上的对接环的挂钩装置。这种装置包括一个与一个储能组件比如一个弹簧联在一起的固定钩，以及一个可以同时释放固定钩并在组件中储能的组件柄。它还包括可以将固定钩恰当定位并保持在组合位置直到适当的时刻加以释放的触发装置。
EP0402263“临时联结装置，特别是用于上述联结件的人造卫星的搭载和释放程序”，描述了一种可以在偶合元件之间施以机械保持张力的固定装置，以及具有可以消除上述机械张力并产生允许元件之间相对运动的释放动作的热特性的释放装置，释放装置上带有一个由形状记忆材料制成的零件，它与固定装置配合使用。
最后，在欧洲专利号0469939“两物体之间的多固定点联结装置”中，披露了上述物体之一具有由联结杆相连的活动开口零件以便同时控制它们。另一个物体具有固定开口零件。这种装置的操作分为两个步骤，第一步要通过开口零件建立联结关系，第二步对楔形零件进行调整。如果锁合系统的作用被终止，开口零件仅仅允许作转动运动。
如上所述，所有这些文件所披露的用于偶合的固定和/或释放装置，允许两部分结构以一种锁合的方式相互联结在一起，直至某一预定时刻这种联结终止，以便上述结构之间相互分离，或者与此过程相反。适合于在这种结构之间相互联结的通用方法，是启动至少一个火药筒或打开锁合它们的机械联结件。
那么，在已知的联结技术中，防止偶合结构之一产生的冲击和振动传递到另一个结构上的装置还没有被看到，这对后者会产生机械影响；这对于比如宇宙飞船领域是十分重要的，当按照通常的火药助推方法使飞船之间产生分离时会产生严重的冲击和振动。这种冲击和振动通过所使用的偶合件直接传递到所运载的精密有效载荷(例如人造卫星)上。
在上述现有技术中，并没有涉及这些冲击和振动所带来的问题，尽管这些问题会对释放结构产生严重的影响。
总而言之，本发明的系统通过在两结构之间插入一个第三结构而使两结构联结在一体，包括至少一个偶合段，上述结构能够稳定地结合在一起是由于预紧力的作用，而预紧力是由至少一个环状机械预紧金属带所产生的，而环状预紧金属带包括一个联结上述第一结构和上述第三中间结构中至少一个偶合段的第一刚性变化元件组，和一个第二刚性变化元件组，它把上述结构联结为一体，跨越上述第三中间结构的至少一个偶合段。
还有，本发明的系统还能完成到目前为止按现有技术制造的已知偶合系统所不能完成的其它功能。例如，通过安装附件，可以使所述接头的刚性发生临时变化，以获得联结结构之间动态偶合结构的改变，从而改变运载火箭的飞行控制规程；比如，或者改变接头的外形，以达到使两偶合结构之间获得新的定向的目的，例如在折叠和调整天线的情况下，或者必须将卫星散布在轨道位置的时候。
本发明还可以用于需要对接触联结结构之间的热塑性变形和热联结进行分离或隔离的场合，就像在望远镜和/或需要可靠分离的有效载荷的组件中那样。
还有，根据本发明通过配置系统，可以通过预先限定的离散的接头在两个偶合结构之间架设载荷传递通道。
这些和其它目的通过一种如权力要求1所述的系统都可以完成，这对于专家而言在技术上是显而易见的。
图中：
图1是根据本发明的偶合系统的最简单的实施例的一个非常简化的略图；
图2是图1中偶合结构的立体示意图；
图3A-C是横剖面示意图，表示了图1中偶合系统的第一实施例的工作过程；
图4A-C是横剖面示意图，表示了图1中偶合系统的第二实施例的工作过程；
图5A-D是表示使用本发明的系统的两个偶合结构之间的应变传递情况的示意图；
图6A-E是表示根据本发明的偶合系统的不同应用情况的示意图。
以下参照附图，描述用于空间技术领域中的本发明的系统的最佳实施例，在所有插图中，相似的零件使用相同的序号，
这样，在图1中，第一结构的上面部分1表示的是比如一个运载火箭，第二结构的下面部分2表示的是由卫星或货舱组成的一个有效载荷2，1和2上面的偶合嘴1a、2a都带有法兰4，4，并且与夹在1、2之间的中间结构3相联结，结构3的两个端面带有法兰5，5。具体到这种情况，可以认为所要偶合的结构1和结构2都是回转体，尽管专家都清楚在更为一般的情况下本发明可以用于任何其它轮廓横截面的结构。
上述结构1、2和3相互锁合，以便形成所需机械特性的组合；这种锁合可以通过环绕上述法兰或适配环4、5安装一些预紧带6来实现(见图2)，例如在西班牙专利申请号9501994和9702028中就是采用的这种方法，这里以申请人的名义引述其中的描述作为参考。上述金属预紧带6产生一个预紧力，从而提供足够的联结张力。
然而，任何其它类型的已知偶合技术都可以用来实现这一目的。
为了描述之便，下面设想一个由三个大致呈圆柱状的结构和两个预紧带组成的偶合系统。
在这种系统的内部，至少带有一个用于改变刚性的第一组联结件7，每个联结件7的端部都分别联结着下部结构1的内表面和构成中间结构3的偶合段的内表面。还有，在上述中间结构3的内表面和上述上部结构2的内表面之间，带有第二组联结件7。第一组和第二组中联结件7的数目以及它们的机械性能是由每种情况下的具体应用决定的。
在每对联结件的内侧，还带有一组可变刚性联结件8，其端部跨越中间结构3联结在结构1和2上。这些联结件8的数量和机械特性同样取决于具体的应用场合。
上述可变刚性联结件7和8构成了双稳态元件，这得益于极限或欧拉载荷原理。这些双稳态元件中的每一个，都是基于预紧带具有两种状态的特性：一个受力弯曲而没有超过极限载荷(如图2中所示的条件)的第一非稳态；和一个第二稳态或静态，此时没有超过上述载荷，而上述元件仍回复原有的长度。
同样，上述元件7和8提供了根据本发明的系统所需的特性，比如满足刚性功能，启动释放锁合结构，消振，隔热以及改变偶合外形的能力。
以下，将参照图3A-C和图5A-C，解释根据本发明的偶合系统的第一实施例的工作过程。
图3A表示了结构1和结构2通过第三结构3刚性联结的起始状态，这种联结是通过两个环6与成对的法兰4、5相互联结来实现的。在该图中，根据本发明的第一实施例，可变刚性元件7和8理想化为双稳态线性组件，在其第一非稳态条件下，由序号9指示上述元件7和8相对于结构1和2的内表面的固定位置，由序号10指示元件7相对于上述中间结构3的固定位置。上述元件7和8的某些理想联结位置是通过序号11来指示的。
图5A中显示的也是这种第一状态，其中粗箭头表示的是作用在偶合结构之一上的载荷向处于另一端的结构传递的方向标。这种初始结构是有意义的，例如，在受到载荷时，满足所需要的结构特性。
现在来看图3B和图5B，图中表示了偶合结构的状态和一个预紧带6打开偶合时的状态，例如，那个使下部结构1和中间结构3保持偶合的预紧带6。下部预紧带6以一种为人们所熟知的技术从法兰4、5上脱离，具体细节在这里就不再描述，以便允许双稳态元件7恢复到静态，从而使法兰4、5相互脱离。在图5B中，可以看到载荷在偶合结构中的传递路线(粗箭头)。
这样，在这一阶段，结构特性是由新的载荷传递路线所决定的，进一步说，是根据具体应用所决定的新的结构联结件所确定的。通常情况下，使得结构1和结构2、3组件之间构成较大刚性联结的元件7的尺寸和数量的确定，要保证获得低于预定的起始结构特性(较低的刚性)。
最后，参考图3C和图5C。图中，采用了根据本发明的系统的偶合结构状态，并展示了新的载荷传递路线，如果是在结构1和3分离之后，就必须恢复到一个较大值的结构特性，这可以通过使得第二预紧带6脱离来实现，结果使双稳态元件8恢复到静态，从而使结构3和2之间相互分离。
这样，双稳态元件8比元件7具有较大的结构特性(较大的刚性)，这将满足此后结构1、2之间的最终偶合要求。在上述图5C中，结构1、2、3之间所保持的相互联结关系以及结构1、2之间的载荷传递路线是可以实现的。
另一方面，在图4A-C，5A、5B和5D中，介绍了本发明的第二最佳实施例的工作过程，相比之下省去了最大的搭扣8，取而代之的是第二组搭扣7′。在这种情况下，对比图4A和5A、4B和5B、4C和5D，可以看出偶合结构之间不同的载荷传递路线，象以前一样，如本发明的第一实施例中所描述的那样，取决于张力环的释放顺序。
本发明的最佳应用是作为一种用来将卫星送入轨道的运载火箭级间助推分离装置的消振系统，它包括由两个预紧带6联结在一起的三个柱体1、2、3；一个联结中间柱体和下部柱体2，3的双稳态可变刚性第一组元件7，包括比如三个可变元件；和一个联结下部和上部柱体1，2的双稳态可变刚性第二组元件8。其工作过程如下。
在发射和飞行过程中，直至第一级即将从运载火箭上脱落的瞬间，六个可变刚性元件7，8都保持在非稳定状态，所有的结构都在预紧带6的作用下一直保持接触，整个组件都保持初始结构特性。
当收到相应的指令时，下部的预紧带脱落，于是释放开相互接触的结构1，3的法兰；在这种情况下，双稳态元件组7转换到一个稳定的静态位置，这样就引起一个第一结构特性变化，变得低于起始特性(刚性变小)。在这种推进器和有效载荷之间偶合刚性较小的状态下，发射级的助推分离所产生的振动对后者的影响被减低到最小。
一旦发生了上述分离，就必须恢复或至少部分恢复接近初始特性的结构特性(刚性)，在此刚性下一旦发出相应的指令，第二上部预紧带6就发生分离，从而释放开中间和上部结构3，2的法兰5，4。一旦发生这种情况，双稳态元件8处于稳态静止位置，这样就恢复了先前运行中的失去的部分刚性。
最后，参照图6A至6E，说明了根据本发明的系统的几项应用，其中6A表示用于消除所受到的箭头CH方向的冲击的消振结构；图6B表示用作一个具有可变刚性/阻尼的缓冲结构；而图6C是把本发明的系统用作可变几何结构的略图，它允许对偶合结构之一的顶端加以改变，例如改变一个θ角；在图6E中，联结元件7、8的具体排列允许载荷的传递在两个结构之间转换。
关于剩下的图6D，给出了本发明的系统的一种变化的实施例，其中中间偶合元件3由一个波纹管状的结构所取代，这样可以确保满足至少对于一组联结元件7在两被偶合结构之间提供连续/不连续的偶合。
可以证明，本发明允许制成一种集现有技术系统的所有功能于一体的主动式的或“智能的”联结结构，而其实际制作却十分简单，并且可以包含于任何类型的偶合结构中。

Claims (9)

1、一种用于改变结构连接件刚性/阻尼特性的系统，其特征在于，它包括：
至少一个中间偶合结构(3)，可以在其两端接纳两个被偶合的结构(1、2)的接合部位；
第一和第二可释放闭锁装置(6)，在一种相互偶合关系中用于固定所述结构(1、2)中的第一结构与中间结构(3)中的第一部分，而所述两结构中的第二结构与所述中间结构的第二相对部分相偶合；
一组具有第一结构阻尼特性的第一可伸展双稳态元件(7)，分布在所述结构的内圆周表面上，这些双稳态元件的一端固定在所要偶合的所述第一结构(1)的内表面上，而其另一端则固定在所述中间偶合结构(3)的内表面上，当由于所述第一可释放闭锁装置(6)的作用使得所述第一结构与所述中间结构锁合为一体时，每个所述第一双稳态元件(7)都处于一种局部弯曲的状态；
一组第二可伸展双稳态元件(8)，其第二结构阻尼特性大于所述第一双稳态元件(7)的第一结构阻尼特性，分布在所述结构的内圆周表面上，这些双稳态元件(8)的一端固定在所要偶合的所述第一结构(1)的内表面上，而其另一端固定在所述结构(2)的内表面上，当所述第一结构(1)通过所述中间结构(3)与所述第二结构(2)闭锁偶合时，且由于所述第一和第二可释放闭锁装置(6)的作用，每个所述第二双稳态元件(8)都处于一种局部弯曲状态，这样就确定了一系列初始结构特性。
2、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一和第二结构(1，2)的偶合端上都带有一个法兰部分(4)，而所述中间结构3的两端都分别带有一个类似的偶合法兰(5)，并且每个第一和第二可释放闭锁装置(6)中都包含两个预紧环，用于沿圆周环绕固定所述第一和第二结构(1、2)与所述中间结构(3)的接头，把相邻结构的所述法兰部分(4、5)包在其中。
3、根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，在所述第一和第二可释放闭锁装置(6)中提供可以在预定的时刻打开所述偶合结构的闭锁关系的装置。
4、根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述闭锁关系的打开在所述第一和/或第二可释放闭锁装置中是相互独立的。
5、根据前述任何一项权利要求所述的系统，其特征在于，当打开所述第一可释放闭锁装置(6)的闭锁时，所述第一双稳态元件组(7)恢复到非弯曲的静止状态，因而成为被偶合的所述第一结构(1)和所述中间偶合结构(3)之间的唯一连接。
6、根据权利要求1至5中任何一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述第一双稳态元件(7)在非弯曲的静止状态下的结构特性低于其初始状态的结构特性。
7、根据权利要求5或6所述的系统，其特征在于，当所述中间结构(3)和被偶合的所述第二结构(2)之间的所述第二可释放闭锁装置(6)的闭锁状态被打开时，所述第二双稳态元件组(8)恢复到非弯曲的静止状态，因而成为被偶合的所述第一和第二结构之间的唯一连接。
8、根据权利要求5至7中任何一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述第二双稳态元件(8)在非弯曲的静止状态时比所述第一双稳态元件(7)在同样状态下的结构特性要好，但要低于其初始状态的结构特性。
9、根据前述任何一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述第一偶合结构包括一个波纹管状的结构。
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