CN214325405U - 一种卧式非火工解锁器 - Google Patents

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付佳丽
刘婧莹
白志兵
孙瑞杰
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Abstract

本实用新型提供了一种卧式非火工解锁器。锁紧状态下,钢球在滑栓、导向架、活塞之间保持锁紧位平衡,滑栓被钢球限位,动瓣被滑栓顶紧与静瓣拼合,锁紧长螺栓;需要解锁时,对非火工驱动元件通电,驱动活塞右移,当活塞上的梯形槽达到导向架圆孔处时,钢球掉进梯形槽内,解除对滑栓的限位,动瓣在分离弹簧、分离顶块的作用下右移,与静瓣分离,释放长螺栓,进入解锁状态;需要复位时,借助工具操作滑栓复位,解除钢球的解锁位平衡,复位单元驱动活塞复位,钢球再次进入锁紧位平衡状态,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,在锁紧和解锁两个状态均能保持稳定,解锁冲击小,可重复使用,质量小,安全性高,经济性好。

Description

一种卧式非火工解锁器
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:一种卧式非火工解锁器。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。
支撑单元的功能主要是为其他零件提供支撑和定位,具体由壳体、端盖、底盖、导向架等组成。壳体为管状结构,两端分别与端盖和底盖配合,导向架安装在壳体内腔,支撑单元的所有连接处均采用螺纹连接。
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。
触发单元采用非火工元件-钢球-活塞结构来触发解锁过程。锁紧状态下,钢球在滑栓、导向架、活塞之间保持平衡;需要解锁时,对非火工元件通电,驱动活塞沿导向架内腔移动,在活塞移动一定距离后,钢球失去平衡并掉入活塞上的梯形槽,滑栓的限位被解锁,从而触发解锁释放过程。
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。
复位单元在需要解锁器复位时安装,其包括复位顶杆、复位套、复位弹簧和调节螺柱。复位套为阶梯状的圆管状结构,小径段带外螺纹,大径段带内螺纹,复位套小径段从底盖的中心螺纹孔拧入壳体内腔;T型复位杆为传力元件,其穿过复位套小径段后伸入壳体内与活塞连接,为活塞的复位传递驱动力;复位弹簧安装在复位套大径段中,弹簧一端压紧复位顶杆,另一端由调节螺柱压紧。复位时,复位弹簧驱动复位顶杆进而推动活塞归位,复位完成。
进一步地,所述滑栓上设有复位孔,可插入金属杆或者类似工具,操作滑栓复位。
进一步地,所述壳体中部侧壁上对称设置两个通孔,通孔的位置与滑栓复位孔对应,为滑栓复位提供操作空间。
进一步地,所述滑栓的功能是对分瓣螺母的动瓣进行限位,根据实际使用需求,可以选择滑栓与动瓣直接接触的限位方式、也可以采用增加滚珠结构进行间接限位的方式。
进一步地,所述钢球的数量可以是2、3、4、5、6个,沿周向均匀布置,以确保受力平衡。所述导向架上圆孔的数量、所述活塞上梯形凹槽的数量与钢球数量一致。
进一步地,所述钢球存在两个平衡状态:一是锁紧状态下,钢球在滑栓凹槽、导向架圆孔、活塞之间保持平衡,称之为锁紧位平衡;二是解锁后,钢球在滑栓内壁面、导向架圆孔、活塞梯形槽之间保持平衡,称之为解锁位平衡。前者可确保解锁器稳定在锁紧状态直至通电触发解锁;后者可确保解锁器稳定在解锁状态直至进行复位操作。
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,所述调节螺柱的外螺纹与复位套大径段的内螺纹配合,控制调节螺柱在复位套中的拧入深度,可以调节复位弹簧的受压缩程度,进而改变复位驱动力的大小。
进一步地,所述非火工元件用于驱动活塞移动,解除刚球的锁紧位平衡状态,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丝布置主、备两根,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,钢球在滑栓、导向架、活塞的共同作用下保持锁紧位平衡,滑栓被钢球限位,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,驱动动活塞移动,当活塞上的梯形槽达到导向架圆孔处时,钢球掉进梯形槽内,解除对滑栓的限位;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;需要复位时,安装复位单元,调整调节螺柱使复位弹簧充分压缩,然后操作滑栓复位,解除钢球的解锁位平衡,从而触发解锁器进入复位过程,复位弹簧的弹性势能转化为动能,经复位顶杆推动活塞复位,直至钢球再次进入锁紧位平衡状态,复位完成。
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,可对现有的火工切割器进行原位替代,在锁紧和解锁两个状态均能保持稳定,解锁冲击小,可重复使用,质量小,安全性高,经济性好。可用于实际飞行、也可用于在地面测试中替代火工切割器,能有效降低产品研制和测试的成本。
附图说明
图1为本实用新型第一实施方式的外观示意图;
图2为本实用新型第一实施方式的横向剖视图;
图3为本实用新型第一实施方式中,处于锁紧状态的纵向剖视图;
图4为本实用新型第一实施方式中,处于解锁状态的纵向剖视图;
图5为本实用新型第一实施方式中,滑栓复位孔的示意图;
图6为本实用新型第二实施方式的结构示意图;
图7为本实用新型第三实施方式的结构示意图。
附图标号说明:1.长螺栓;2.静瓣;3.动瓣;104.滑栓一;105.壳体一;6.活塞;7.钢球;8.主SMA丝;9.备SMA丝;10.分离弹簧;11.分离顶块;12.导向架;13.端盖;14底盖;15.复位顶杆;16.复位套;17.复位弹簧;18.调节螺柱;19.走丝管;20.引线管;21.护线套;22.导线;23.顶紧滚珠;204.滑栓二;205.壳体二;4-1.滑栓复位孔;5-1.通孔;304.滑栓三;305.壳体三;306.活塞三;24电磁铁外壳;25.线圈;26.衔铁。
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。
基于本实用新型第一实施方式,如图1~图5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。
支撑单元由壳体一105、端盖13、底盖14、导向架12、走丝管19、引线管20组成。壳体一105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;壳体一105左右两端分别与端盖13和底盖14配合,靠近右端的侧面上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,导向架12安装在壳体一105的内腔。壳体一105 和端盖13、底盖14、导向架12、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、滑栓一104和分瓣螺母的静瓣2、动瓣3。安装完成后,静瓣2被壳体一105和端盖13卡位保持不动,动瓣3可在壳体一105的内腔中左右滑动;锁紧状态下,动瓣3被滑栓一104向左顶紧,与静瓣3拼合为完整的螺纹副,从而锁紧长螺栓1。
触发单元包括活塞6、钢球7、主SMA丝8、备SMA丝9以及SMA通电用的导线 22等。两根SMA丝从活塞6上的两个通孔穿过,沿走丝管19平行布置;导线22经引线管 20端部的引线套21引出,连接电源。锁紧状态下,钢球7在滑栓一104的凹槽、导向架12 的圆孔和活塞6的共同作用下处于锁紧位平衡状态;需要解锁时,经导线22对任一根SMA 丝通电使其收缩,拉动活塞6沿导向架12内腔向右移动,在活塞6移动一定距离后,钢球7 失去平衡并掉入活塞6上的梯形槽,滑栓一104的限位被解锁,从而触发解锁释放过程。
驱动单元由分离弹簧10和分离顶块11组成,设置在分瓣螺母之下。分离弹簧10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11;触发解锁后,滑栓一104失去限位,分离弹簧10推动分离顶块11右移,进而驱动动瓣3和滑栓一104一起向右移动,分瓣螺母分离,长螺栓1被释放。
复位单元包括复位顶杆15、复位套16、复位弹簧17和调节螺柱18。复位套16为阶梯状的圆管状结构,左端小径段带外螺纹,右端大径段带内螺纹;复位套16左端从底盖14 的中心螺纹孔拧入壳体一105的内腔。T型的复位杆15为传力元件,其穿过复位套16小径段后伸入壳体一105内与活塞6连接,为活塞6、SMA丝的复位传递驱动力。复位弹簧17 安装在复位套16的大径段中,其左端压紧复位顶杆15,右端由调节螺柱18压紧。需要复位时,利用工具从壳体一105上的孔5-1伸入壳体一105内,与滑栓一104的复位孔4-1连接,拉动滑栓一104向左移动,解除钢球的解锁位平衡,这时复位过程被触发,复位弹簧17推动复位顶杆15、活塞6左移,钢球7进入锁紧位平衡状态,SMA丝被拉长。
在第一实施方式中,滑栓一104从外形上看为阶梯轴式结构,因此在滑栓一104移动过程中,其与壳体一105内腔的配合为阶梯轴式配合,为确保滑栓滑动顺畅,滑栓一104的外壁和壳体一105的内壁需要保证尽可能高的同轴度。
基于本实用新型的第二实施方式,如图6所示,采用管状的滑栓二204配合滚珠23对动瓣3进行间接限位,壳体二205分为两个腔体,中间隔壁上开有圆孔,滚珠23放置在圆孔内,滚珠23左侧顶紧动瓣3、右侧与滑栓二204接触。这种间接限位方式的优势在于:滑栓为等外径结构,降低了和壳体结构配合的精度要求,不需要进行同轴度控制,加工难度小。
上述第一实施方式和第二实施方式中,SMA丝与活塞6、走丝管19之间需要进行绝缘处理。绝缘方式可以在SMA丝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6、SMA丝、走丝管19进行整体绝缘,此处不作具体限制。
基于本实用新型的第三实施方式,如图7所示,非火工元件采用电磁铁,电磁铁外壳 24与壳体三305连接,衔铁26与活塞三306连接,滑栓三304的结构可以是阶梯轴式结构,也可以是等外径结构,此处不作具体限制。需要解锁时,对电磁铁的线圈25通电,衔铁在磁力作用下向右缩回,带动活塞三306右移从而解除钢球7的锁紧位平衡,触发解锁过程。需要复位时,先操作滑栓复位,电磁铁断电,衔铁左移并推动活塞三306左移复位,钢球重新回归到锁紧位平衡。这种方式的优势在于:不需要设置专用的复位单元,结构简单、体积小,更适于安装空间狭小的场合使用;电磁铁技术成熟,性能稳定,单元化结构便于更换维护。
可以理解,本实用新型触发单元中的非火工元件也可以采用SMA、电磁铁以外的其他方式,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。
此外,本实用新型中钢球7的数量可以是2、3、4、5、6个,根据实际需要设置,沿周向均匀布置,确保受力平衡。滚珠23的设置类似,也可以是2~6个,此处不再赘述。
需要说明的是,以上所述涉及方位的表述,如纵、横、内、外、左、右等,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 (9)

1.一种卧式非火工解锁器,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、端盖(13)、底盖(14)、导向架(12);壳体近似管状结构,两端分别与端盖(13)和底盖(14)配合,导向架(12)安装在壳体内腔;
所述锁紧单元包括长螺栓(1)、滑栓、分瓣螺母;分瓣螺母的静瓣(2)被壳体和端盖(13)卡位保持不动,分瓣螺母的动瓣(3)可在壳体的内腔左右滑动;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(6)、钢球(7);
所述驱动单元由分离弹簧(10)和分离顶块(11)组成,设置在分瓣螺母之下,分离弹簧(10)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(11)上,分离顶块(11)与动瓣(3)下部的斜面配合;
所述复位单元在需要复位时进行安装,其包括复位顶杆(15)、复位套(16)、复位弹簧(17)和调节螺柱(18);复位套(16)为阶梯状的圆管状结构,左端的小径段带外螺纹,右端的大径段带内螺纹,小径段从底盖(14)的中心螺纹孔拧入壳体内腔,大径段内安装复位弹簧(17)和调节螺柱(18);T型的复位顶杆(15)穿过小径段后伸入壳体内与活塞(6)连接,为活塞(6)的复位传递驱动力;复位弹簧(17)左端压紧复位顶杆(15),右端由调节螺柱(18)压紧;
锁紧状态下,钢球(7)在滑栓、导向架(12)、活塞(6)的共同作用下保持锁紧位平衡,滑栓被钢球(7)限位,动瓣(3)被滑栓顶紧并与静瓣(2)拼合,锁紧长螺栓(1);需要解锁时,对非火工元件通电,驱动活塞(6)右移,当活塞(6)上的梯形槽达到导向架(12)圆孔处时,钢球(7)掉进梯形槽内,解除对滑栓的限位,动瓣(3)在分离弹簧(10)、分离顶块(11)的作用下右移,与静瓣(2)分离,释放长螺栓(1),进入解锁状态;需要复位时,安装复位单元,调整调节螺柱(18)使复位弹簧(17)充分压缩,然后操作滑栓复位,解除钢球(7)的解锁位平衡,复位弹簧(17)经复位顶杆(15)推动活塞(6)复位,直至钢球(7)再次进入锁紧位平衡状态,复位完成。
2.根据权利要求1所述的卧式非火工解锁器,其特征在于:所述滑栓上设有复位孔(4-1),可对滑栓进行复位操作。
3.根据权利要求1所述的卧式非火工解锁器,其特征在于:所述滑栓是动瓣(3)的限位结构,其可采用阶梯轴状的滑栓一(104)进行直接限位,也可采用管状的滑栓二(204) 配合滚珠(23)的方式进行间接限位。
4.根据权利要求1所述的卧式非火工解锁器,其特征在于:所述非火工元件,根据具体使用场合选用不同的非火工方式,包括SMA丝、电磁铁、石蜡、压电陶瓷、电机或气动方式。
5.根据权利要求1所述的卧式非火工解锁器,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(6)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。
6.根据权利要求1所述的卧式非火工解锁器,其特征在于:所述分离顶块(11)为楔状结构,其纵向截面近似直角梯形,分离顶块(11)的斜腰面与动瓣(3)下缘的斜面配合。
7.根据权利要求1所述的卧式非火工解锁器,其特征在于:复位顶杆(15)为阶梯状的圆管状结构;其左端小径段带外螺纹,与底盖(14)配合;右端大径段带内螺纹,与调节螺柱(18)配合。
8.根据权利要求1所述的卧式非火工解锁器,其特征在于:控制调节螺柱(18)的拧入深度可改变复位驱动力的大小。
9.根据权利要求1所述的卧式非火工解锁器,其特征在于:所述钢球(7)和滚珠(23)的数量是2、3、4、5或6个,在周向均布设置,确保受力平衡。
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