CN214268011U - 一种基于死点锁紧原理的非火工解锁器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种基于死点锁紧原理的非火工解锁器。锁紧状态下，连杆机构处于锁紧位平衡，动瓣被滑栓顶紧与静瓣拼合，锁紧长螺栓；需要解锁时，非火工元件通电，驱动活塞右移，连杆机构的锁紧位平衡解除，滑栓失去限位，动瓣在分离单元的作用下与静瓣分离，释放长螺栓，同时复位弹簧压缩；解锁完成断电后，复位弹簧推动活塞向左移动，连杆机构在活塞喇叭口的斜面作用下推动滑栓向左移动，直至分瓣螺母的动瓣和静瓣重新拼合，连杆机构回到临近死点的锁紧位平衡状态，复位完成。本实用新型可对现有的火工切割器进行原位替代，解锁冲击小，可重复使用，质量小、体积小、安全性高，能够实现自动复位，特别适用于安装空间狭小的应用场合。
Description
技术领域
本实用新型涉及航天器解锁机构的技术领域，特别涉及一种可原位替代火工切割器的非火工解锁器。
背景技术
航天器发射过程中，太阳翼、天线等展开机构通常采用压紧释放装置锁紧在舱板上，入轨后借助火工切割器切断锁紧所用的螺杆、绳、索等连接件，从而触发解锁展开。可以说，切割器的使用可靠性直接关系到太阳翼、天线等机构能否进入正常状态，进而影响整个航天器项目的成败。
现有的最常用的火工切割分离技术的工作原理是：利用火工品爆炸产生的冲击力驱动铡刀移动，进而切断连接件触发解锁。此类产品的外形近似一个卧置的Y型结构，分叉端对称布置两个火工驱动源，主干段内部为铡刀移动的轨道，连接件从主干段端部的横向通孔穿过锁紧展开结构，需要解锁时，火工品点火爆燃，推动铡刀移动切断连接件，展开机构被释放。该技术发展成熟，典型的如Energetics Technology Ltd公司和航天科技七院692厂的火工切割器产品都得到了广泛的应用。
这种火工切割器的缺点在于：(1)火工品的工作是一次性的，地面展开测试过程中需要多次更换切割器，试验成本较高；(2)保管和使用需要遵守火工品管理规定，需专人专场地保存和管理；(3)分离过程冲击非常大，一般大于2000g，可能影响系统其他零部件的安全；(4)需要配备专用的大电流脉冲火工品电源，质量大，但完成解锁后，相关设备就无其他用处，经济性差。
发明内容
本实用新型针对现有火工切割器的不足，提供了一种非火工驱动的解锁器，其具有和火工切割器一样的机械接口、外形和承载能力，可以原位替代火工切割器，借助非火工元件和弹簧结构触发解锁并驱动连接件释放。该解锁器能够自主复位，可重复使用，解锁冲击小、安全性高，能够大幅降低航天器的研制、测试成本。
本实用新型采用的技术方案为：一种基于死点锁紧原理的非火工解锁器。解锁器主体安装在航天器舱板上，利用长螺栓与展开结构相连，并由拼合的分瓣螺母锁紧，实现开展结构在舱板上的固定。总体上，该解锁器的可分为支撑单元、锁紧单元、触发单元、驱动单元和复位单元五个部分。
其中，支撑单元的功能主要是为其他零件提供支撑和定位，主要包括壳体、左端盖、右端盖。壳体为管状结构，两端分别与左端盖和右端盖连接，支撑单元的所有连接处均采用螺纹连接。
其中，锁紧单元包括长螺栓、分瓣螺母和滑栓。其中分瓣螺母包括静瓣和动瓣，安装完成后，静瓣被壳体和左端盖卡位保持不动，动瓣可在壳体内腔滑动；锁紧状态下，动瓣被滑栓顶紧，与静瓣拼合为完整的螺纹副，从而锁紧长螺栓，实现展开机构和舱体的连接。
其中，触发单元采用非火工元件-活塞-连杆机构来触发解锁过程。锁紧状态下，连杆机构的两个连杆夹角接近死点位置，左连杆右端的凸缘被活塞的内壁限位，进而向左顶紧滑栓对动瓣进行限位。需要解锁时，对非火工元件通电，驱动活塞向右移动，在活塞移动一定距离后，两连杆连接部位失去约束，滑栓的限位被解除，从而触发解锁释放过程。
其中，驱动单元设置在分瓣螺母之下，由分离弹簧和分离顶块组成。安装时，分离弹簧预压缩，其一端固定在静瓣上，另一端顶在分离顶块上；触发解锁后，滑栓失去限位，分离弹簧推动分离顶块移动，进而驱动动瓣和滑栓一起移动，分瓣螺母分离，长螺栓被释放。
其中，复位弹簧是解锁器的复位元件，安装在活塞和右端盖之间的。解锁过程中，活塞右移时压缩复位弹簧，解锁完成需要复位时，停止通电，复位弹簧储存的弹簧力推动活塞左移，滑栓、动瓣、连杆机构回到锁紧位，解锁器自动复位。
进一步地，所述连杆机构由两个连杆和三个销钉组成，左销钉将左连杆左端连接在滑栓上，右销钉将右连杆右端固定在壳体上，中销钉连接左连杆的右端和右连杆的左端。左右连杆的两端都加工成球形面，避免运动过程与其他零件摩擦和卡滞。
进一步地，所述活塞左端为喇叭口式结构，用于对左右连杆连接部位的限位，右端与非火元件连接，用于触发解锁。
进一步地，所述活塞中段侧壁面设有腰圆孔，连杆机构的右销钉穿过该孔与壳体连接，活塞左右移动时与右销钉互不干涉。
进一步地，所述连杆机构存在两个平衡位置：锁紧位平衡和解锁位平衡。其中，锁紧位平衡是指左销钉随滑栓移动至最左端的状态，此时连接部外缘被活塞内壁限位，两连杆夹角最大，连杆机构处于临近死点的位置；解锁位平衡是指左销钉随滑栓移动至最右端的状态，连接部外缘被活塞喇叭口边缘限位，此时两连杆夹角最小。
进一步地，基于死点锁紧原理，所述连杆机构中两连杆的夹角越接近180°，能够提供的锁紧力越大，但当夹角过大时，连杆机构锁死无法解锁的风险越高。经试验和计算，该夹角在170°～177°范围内，连杆机构可实现锁紧功能，且不会出现彻底锁死而无法解锁的状态，锁紧和解锁的综合效果最好。
进一步地，所述非火工元件用于驱动活塞移动，解除连杆机构的锁紧位平衡，触发解锁过程。非火工元件可以采用SMA丝、电磁铁、石蜡、压电陶瓷、电机、气动等各种非火工方式来实现这一功能，根据具体使用场合选择。
进一步地，所述分离顶块为楔状结构，其纵向截面近似直角梯形，顶块的斜腰面与动瓣下缘的斜面配合。这种结构的分离顶块可改变分离弹簧提供的驱动力的作用方向，为动瓣提供平移分离的驱动力的同时，也提供纵向的压力，从而确保动瓣沿着壳体内腔的轨道移动，避免动瓣分离过程中发生倾斜进而卡死长螺栓的情况。
进一步地，所述复位弹簧在解锁过程中被活塞压缩，解锁完成并断电后，推动活塞和连杆机构、滑栓复位，可实现自动复位。
进一步地，所述复位弹簧的弹簧力不足以驱动复位时，可经右端盖上的通孔人工操作解锁器复位。
进一步地，所述非火工元件采用SMA丝时，在壳体侧面设置斜孔连接走丝管、引线管等，SMA丝布置两根，互为备份，实现冗余驱动，两根丝分别从活塞上的两个通孔穿过，平行布置在走丝管内，丝的两端固定在走丝管的外端面上，SMA丝的供电导线经引线管连接外部电源。
本实用新型的工作原理是：锁紧状态下，连杆机构处于锁紧位平衡，动瓣被滑栓顶紧与静瓣拼合；需要解锁时，对非火工元件通电，驱动活塞向右移动，连杆机构的锁紧位平衡被打破，滑栓失去限位；动瓣在分离弹簧、分离顶块的作用下与静瓣分离，实现对长螺栓的释放，同时滑栓带动左销钉右移，直至连杆机构进入解锁位平衡，复位弹簧压缩；解锁完成断电后，复位弹簧推动活塞向左移动，左连杆右端凸缘在活塞喇叭口的斜面作用下向下运动，进而推动左销钉、滑栓向左移动，直至分瓣螺母的动瓣和静瓣重新拼合，连杆机构回到临近死点的锁紧位平衡状态，解锁器自动复位。
本实用新型的有益效果表现在：本实用新型的解锁器具有与现有的火工切割器相同的机械接口、外形尺寸和承载能力，可原位替代现有的火工切割器进行实际飞行或地面测试，能有效降低产品研制和测试的成本；解锁冲击小，可重复使用，质量小、体积小、安全性高，能够实现自动复位，特别适用于安装空间狭小的应用场合。
附图说明
图1为本实用新型一种实施方式的外观示意图；
图2为本实用新型一种实施方式的横向剖视图；
图3为本实用新型一种实施方式处于锁紧状态的纵向剖视图；
图4为本实用新型一种实施方式处于解锁状态的纵向剖视图；
图5为本实用新型另一种实施方式处于锁紧状态的横向剖视图。
附图标号说明：1.长螺栓；2.静瓣；3.动瓣；4.滑栓；105.活塞；6.左销钉；7.左连杆；8.中销钉；9.右连杆；10.右销钉；11.SMA丝；13.复位弹簧；14分离弹簧；15.分离顶块；16.壳体；17.左端盖；18.右端盖；19.走丝管；20.引线管；21.导线；22.护线套；205.活塞；23.电磁铁外壳；24.衔铁；25.线圈。
具体实施方式
本实用新型提供一种卧式非火工解锁器，包括支撑单元、锁紧单元、触发单元、驱动单元和复位单元。以下结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。
基于本实用新型的一种实施方式，如图1～图4所示。其外观与现有技术的火工切割器相同，呈卧置的Y型结构。
支撑单元由壳体16、左端盖17、右端盖18、走丝管19、引线管20组成。壳体16近似管状结构，其中部设有安装法兰边，可与航天器舱体连接；壳体16左右两端分别与左端盖17和右端盖18配合，靠近右端盖一端侧面对称设置有两个斜孔，用于安装走丝管19，走丝管19的另一端连接引线管20。壳体16和左端盖17、右端盖18、走丝管19的连接以及走丝管19和引线管20的连接，均为螺纹配合。
锁紧单元包括长螺栓1、分瓣螺母的静瓣2和动瓣3、滑栓4。安装完成后，静瓣2被壳体16和左端盖17卡位保持不动，动瓣3可在壳体16的内腔中左右滑动；锁紧状态下，动瓣3被滑栓4向左顶紧，与静瓣2拼合为完整的螺纹副，从而锁紧长螺栓1。
触发单元包括连杆机构、活塞105、SMA丝11、导线21等。连杆机构由两个连杆(左连杆7和右连杆9)和三个销钉(左销钉6、中销钉8、右销钉10)组成，其中，左销钉6将左连杆7和滑栓4连接，右销钉10将右连杆9右端固定在壳体16上，中销钉8连接左连杆7的右端和右连杆9的左端。活塞105左端为喇叭口式结构，SMA丝11从活塞105上的两个通孔穿过，沿走丝管19平行布置；导线21经引线管20端部的引线套22引出，连接电源。锁紧状态下，两连杆处于最大夹角状态，(最大夹角范围为170°～177°，本实施例取175°)，左连杆7的右端凸缘被活塞105的内壁限位，连杆机构处于临近死点的锁紧位，将滑栓4向左顶紧，确保动瓣3与静瓣2拼合。需要解锁时，经导线21对任一根SMA丝11通电使其收缩，拉动活塞105向右移动，左连杆7的凸缘失去限位，两连杆的连接部位向活塞105的喇叭口边缘滑动，解除对滑栓4的限位，解锁过程被触发。
驱动单元由分离弹簧14和分离顶块15组成，安装在分瓣螺母之下。分离弹簧14预压缩安装，其左端固定在静瓣2下部的台阶上，右端抵住分离顶块15；解锁触发后，分离弹簧14推动分离顶块15右移，进而驱动动瓣3和滑栓4一起向右移动，分瓣螺母分离，长螺栓1被释放，同时左销钉6随滑栓4移动，带动左连杆7逆时针旋转、右连杆9顺时针旋转，两连杆的连接部位上滑入活塞105的喇叭口边缘，连杆机构的夹角最小，进入解锁位平衡。
本实用新型具备自动复位和人工复位两种方式。自动复位依靠复位弹簧13实现，其安装在右端盖18和活塞105右端面之间。解锁过程中，活塞105右移时压缩复位弹簧13，解锁完成后，SMA丝11停止通电，其冷却后应力下降，当其驱动力下降至小于复位弹簧13的弹簧力时，复位弹簧13推动活塞105左移，滑栓4、动瓣3、连杆机构回到锁紧位，SMA丝11被重新拉长，解锁器复位完成。若解锁器所处环境温度较高，SMA丝11冷却较慢或难以冷却，可将工具从右端盖18中心的通孔伸入，推动活塞105左移，人工操作解锁器复位。
所述SMA丝11与活塞105、走丝管19之间需要进行绝缘处理。绝缘方式可以在SMA丝11外设置聚四氟乙烯耐高温绝缘套管，也可以通过绝缘氧化、陶瓷基绝缘涂层、高分子绝缘涂层等工艺对活塞105、SMA丝11、走丝管19进行整体绝缘，此处不作具体限制。
基于本实用新型的另一种实施方式，如图5所示，非火工元件采用电磁铁，电磁铁外壳23与壳体16连接，衔铁24与活塞205连接。需要解锁时，对电磁铁的线圈25通电，衔铁24在磁力作用下向右缩回，带动活塞205右移触发解锁过程，同时压缩复位弹簧13。解锁完成后，电磁铁断电使磁力消失，复位弹簧13的弹簧力推动活塞205左移复位。这种方式采用了技术成熟的电磁铁元件，研制简单，单元化结构便于更换维护，解锁器的整体尺寸更小，特别适用于安装空间狭小的场合。
可以理解，本实用新型的触发单元的作用在于驱动活塞右移，解除连杆机构的锁紧位平衡状态，因此，这种非火工的触发方式也可以采用SMA丝、电磁铁以外的其他非火工方式，如石蜡、压电陶瓷、电机、气动驱动等，根据使用需求选择，此处不作赘述。
需要说明的是，以上所述涉及方位的表述，如纵、横、左、右、上、下等，均基于附图所示方向和位置关系，仅为了便于描述，而不是指示或暗示所涉及的零件必须具有特定的方位、构造或操作。
以上所述，仅是本实用新型的实施例子，并非对本实用新型作任何形式上的限制。本实用新型未详细阐述的属于本领域公知技术。凡是依据本实用新型原理和技术实质对以上实施例子所做的任何修改、等同变化与修饰、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于死点锁紧原理的非火工解锁器，其特征在于，具体包括支撑单元、锁紧单元、触发单元、驱动单元和复位单元；其中，
所述支撑单元包括壳体(16)、左端盖(17)、右端盖(18)；壳体(16)为管状结构，两端分别与左端盖(17)和右端盖(18)连接；
所述锁紧单元包括长螺栓(1)、滑栓(4)、分瓣螺母；分瓣螺母的静瓣(2)被壳体(16)和左端盖(17)卡位保持不动，分瓣螺母的动瓣(3)可在壳体(16)的内腔左右滑动；静瓣(2)和动瓣(3)拼合时可形成完整的螺纹副与长螺栓(1)配合；
所述触发单元包括非火工元件、活塞、连杆机构；所述活塞左端为喇叭口式结构；
所述驱动单元由分离弹簧(14)和分离顶块(15)组成，设置在分瓣螺母之下；分离弹簧(14)预压缩，其左端固定在静瓣(2)下部的台阶上，右端顶在分离顶块(15)上，楔形的分离顶块(15)与动瓣(3)下部的斜面配合；
所述复位单元包括复位弹簧(13)，安装在活塞和右端盖(18)之间；
锁紧状态下，连杆机构受滑栓(4)和活塞限位而保持锁紧位平衡，滑栓(4)被活塞限位，动瓣(3)被滑栓(4)顶紧，长螺栓(1)被锁紧；需要解锁时，对非火工元件通电，驱动活塞向右移动，连杆机构的锁紧位平衡被打破，滑栓(4)失去限位；动瓣(3)在分离弹簧(14)、分离顶块(15)的作用下向右移动，与静瓣(2)分离，实现对长螺栓(1)的释放，同时滑栓(4)推动连杆机构进入解锁位平衡，复位弹簧(13)压缩；解锁完成并断电后，复位弹簧(13)推动活塞向左移动，连杆机构在活塞喇叭口的斜面作用下推动滑栓(4)向左移动，直至分瓣螺母重新拼合，连杆机构回到临近死点的锁紧位平衡状态，解锁器自动复位。
2.根据权利要求1所述的基于死点锁紧原理的非火工解锁器，其特征在于：所述活塞中段侧壁面设有腰圆孔。
3.根据权利要求1所述的基于死点锁紧原理的非火工解锁器，其特征在于：所述连杆机构由左连杆(7)、右连杆(9)、左销钉(6)、中销钉(8)和右销钉(10)组成，左销钉(6)将左连杆(7)左端连接在滑栓(4)上，右销钉(10)将右连杆(9)右端固定在壳体(16)上，左连杆(7)和右连杆(9)通过中销钉(8)连接。
4.根据权利要求3所述的基于死点锁紧原理的非火工解锁器，其特征在于：所述左连杆(7)和右连杆(9)的两端都加工成球形面，避免运动过程与其他零件摩擦和卡滞。
5.根据权利要求3所述的基于死点锁紧原理的非火工解锁器，其特征在于：所述连杆机构存在锁紧位和解锁位两个平衡位置；锁紧位平衡时两连杆夹角最大，连杆机构处于临近死点的位置，解锁位平衡时两连杆夹角最小。
6.根据权利要求3所述的基于死点锁紧原理的非火工解锁器，其特征在于：所述连杆机构的最大夹角为170°～177°范围。
7.根据权利要求1所述的基于死点锁紧原理的非火工解锁器，其特征在于：所述非火工元件，可以采用多种不同的非火工驱动方式，包括SMA丝、电磁铁、石蜡、压电陶瓷、电机、气动。
8.根据权利要求1所述的基于死点锁紧原理的非火工解锁器，其特征在于：所述非火工元件采用SMA丝方案时，设置主、备两根SMA丝，分别从活塞上的两个通孔穿过，平行布置在走丝管(19)内，丝的两端固定在走丝管(19)的外端面上。
9.根据权利要求1所述的基于死点锁紧原理的非火工解锁器，其特征在于：所述分离顶块(15)为楔形结构，其纵向截面近似直角梯形，分离顶块(15)的斜腰面与动瓣(3)下缘的斜面配合。
10.根据权利要求1所述的基于死点锁紧原理的非火工解锁器，其特征在于：所述右端盖(18)中心设有通孔，用于人工操作复位。
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| CN114194416B (zh) * | 2021-01-26 | 2024-06-18 | 北京灵翼航宇科技有限公司 | 一种基于死点锁紧原理的非火工解锁器 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |