TWI551513B

TWI551513B - 減轉裝置

Info

Publication number: TWI551513B
Application number: TW103110148A
Authority: TW
Inventors: 胡惠文; 何明字; 吳品聰; 陳煥升
Original assignee: 國立屏東科技大學
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2016-10-01
Also published as: TW201536633A; US20150266594A1; US9382019B2

Description

減轉裝置

本發明係關於一種減轉裝置，尤其是一種組裝於高速旋轉之物體上，用以於適當時機作動以降低該物體之軸向旋轉速度的減轉裝置。

在太空任務中，飛行體原先固定在一起的各模組可藉由分離裝置進行分離，例如衛星酬載與火箭之分離，或是衛星太陽能電池板伸展啟動分離等。其中，由於一般飛行體並無主動控制，基於可能產生不對稱的推力或殘留推力等因素，在飛行過程中往往需使飛行體產生自轉(即進行軸向旋轉，轉速約為2~5rpm/sec)，藉以增加飛行體的飛行穩定性；然而，在飛行體的推進器熄火後，仍隨飛行體高速旋轉的酬載將不利於控制其釋放軌跡，使得酬載(如衛星、實驗儀器等)常常無法直接釋放，進而影響任務的執行，因此需對飛行體進行有效的減轉動作，直至可以順利控制酬載的釋放軌跡為止。

一般而言，以火箭為例，其減轉動作可透過一溜溜球式減轉(Yo-yo despin)裝置來達成，該習知的減轉裝置由一中心基體組裝於二火箭主結構之間，利用數個繫繩分別連接一質量球，並將該數個繫繩平整地纏繞於該中心基體，於適當時機將該數個質量球釋放，藉隨火箭主結構旋轉的中心基體，使該數個質量球受離心力作用而遠離該中心基體，並帶動纏繞於該中心基體的繫繩逐漸釋放以增加慣性矩，採用動能及動量守恆定律，將該中心基體自轉的角動量釋放，從而達到降低轉速的效果。

惟，該習知減轉裝置的數個繫繩係綁固於該中心基體，因此當纏繞於該中心基體的各繫繩受該質量球牽引釋放到最後時，持續旋轉的各該質量球將牽引繫繩反纏繞(Rewrape)，使各該質量球撞擊該中心基體，易導致該中心基體的損傷。更重要的是，該數個繫繩反纏繞時，常發生繫繩彼此交錯絞纏，以致該數個質量球無法維持等角距離地分布，造成整體火箭偏離預定路徑而不易控制酬載的釋放軌跡。

基於上述原因，習知的減轉裝置仍有加以改善的必要。

本發明之目的係提供一種減轉裝置，可於繫繩受質量球牽引釋放到最後時，使繫繩及質量球一併從中心基體脫離，藉以避免繫繩反纏繞。

為達到前述目的，本發明所運用之技術內容包含有：一種減轉裝置，包含：一中心基體，其環周面設有數個球槽；一外轉環，其內部呈中空以容置該中心基體，該外轉環設有數個貫穿內壁面及外壁面的穿孔；及一減轉模組，具有一斷線器、一張緊器、數個質量球、一連接線、數個繫繩及數個飛脫卡掣組件，該斷線器及張緊器設於該中心基體的一軸向端面，該數個質量球分別容置於該中心基體的數個球槽及該外轉環的數個穿孔，該連接線連接該數個質量球，該連接線穿伸通過該斷線器並由該張緊器拉緊，該數個繫繩分別纏繞於該中心基體的環周面，該數個繫繩的一端分別連接該數個質量球，該數個飛脫卡掣組件分別具有可相互卡掣或脫離的一保留件及一脫離件，該數個保留件結合於該中心基體，該數個脫離件分別連接該數個繫繩的另一端。

其中，該中心基體的環周面另可設有對應於該球槽數量之結合槽，該數個保留件分別結合於該數個結合槽，各該保留件設有一斜向開槽，該斜向開槽的開口端朝向該外轉環的內壁面；各該脫離件由纏繞於該中心基體環周面的繫繩拉緊以卡掣於對應之保留件的斜向開槽，或由被完全釋放的繫繩牽引而從該斜向開槽的開口處脫離該保留件。

其中，各該結合槽可以由該中心基體的環周面延伸至該中心基體的一軸向端面；各該球槽可以由該中心基體的環周面延伸至該中心基體的同一軸向端面。

其中，各該質量球可以包含相連接的一球本體及一球接座，該球本體的局部容置抵靠於對應之球槽中，該球接座穿置於對應之穿孔。

其中，該連接線可以連接於各該質量球的球本體，該連接線與各該球接座相對。

其中，該外轉環的各穿孔可以由該外轉環的內壁面朝外壁面漸擴孔徑；各該球接座具有軸向相對的一內端面及一外端面，以及連接該內端面及外端面的一環周面，各該球接座的內端面連接相對應之球本體，各該球接座的環周面可以由該內端面朝外端面漸擴外徑，以形成與該外轉環之穿孔相匹配的斜錐面。

其中，該中心基體的環周面可以設有數個導向銷，各該導向銷的外表面設有數個導向溝，該數個繫繩分別依該數個導向銷的導向溝纏繞於該中心基體的環周面。

其中，任二相鄰的導向銷，其相對應之導向溝較佳以該中心基體的軸心呈螺旋形延伸。

其中，該中心基體的環周面可以設有數個定位槽，各該定位槽係呈軸向延伸地設於該中心基體的環周面，該數個導向銷分別結合於該數個定位槽中。

其中，該數個導向銷較佳避開該球槽及該結合槽且呈等角分布。

該減轉裝置另可以包含一轉動件，該轉動件結合於該外轉環軸向上的一端。

其中，該外轉環的一軸向端面可以設有一內凸緣，該內凸緣係由該外轉環的內壁面徑向地朝該外轉環的軸心延伸，該外轉環的內凸緣連接該轉動件。

該減轉裝置另可以包含數個緩衝組件，各該緩衝組件具有一組裝座及一滾子，該滾子係可轉動地設於該組裝座；該外轉環的一軸向端面設有數個缺槽，各該缺槽連通至該外轉環的內壁面；各該緩衝組件的組裝座結合於該缺槽，使該滾子位於該外轉環的內部並鄰近對應之穿孔的端緣處，以供連接於該質量球的繫繩接觸並帶動該滾子轉動。

據由前述結構，本發明之減轉裝置，可於繫繩受質量球牽引釋放到最後時，使繫繩及質量球一併從中心基體脫離，藉以避免繫繩反纏繞。

1‧‧‧中心基體

1a‧‧‧軸向端面

1b‧‧‧軸向端面

1c‧‧‧環周面

11‧‧‧鎖孔

12‧‧‧環緣

13‧‧‧球槽

14‧‧‧結合槽

15‧‧‧定位槽

16‧‧‧導向銷

161‧‧‧導向溝

2‧‧‧外轉環

2a‧‧‧內壁面

2b‧‧‧外壁面

21‧‧‧穿孔

22‧‧‧內凸緣

221‧‧‧結合孔

23‧‧‧缺槽

3‧‧‧減轉模組

31‧‧‧斷線器

32‧‧‧張緊器

321‧‧‧抵緊件

322‧‧‧調整件

33‧‧‧質量球

331‧‧‧球本體

332‧‧‧球接座

332a‧‧‧內端面

332b‧‧‧外端面

332c‧‧‧環周面

34‧‧‧連接線

35‧‧‧繫繩

36‧‧‧飛脫卡掣組件

361‧‧‧保留件

3611‧‧‧斜向開槽

362‧‧‧脫離件

37‧‧‧緩衝組件

371‧‧‧組裝座

372‧‧‧滾子

4‧‧‧轉動件

S‧‧‧鎖固件

B、B’‧‧‧火箭主體

第1圖：本發明較佳實施例的立體分解示意圖。

第2圖：本發明較佳實施例的立體結構示意圖。

第3圖：本發明較佳實施例的局部立體結構示意圖。

第4圖：本發明較佳實施例的平面結構示意圖。

第5圖：第4圖5-5截線的剖視示意圖。

第6圖：本發明較佳實施例的實施示意圖(一)。

第7圖：本發明較佳實施例的實施示意圖(二)。

第8圖：本發明較佳實施例的實施示意圖(三)。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1圖，其係本發明之一較佳實施例，本發明之減轉裝置大致上包含有一中心基體1、一外轉環2及一減轉模組3，該中心基體1設於該外轉環2的內部，該減轉模組3連接該中心基體1及該外轉環2。本發明之減轉裝置係組裝於可高速旋轉之物體上，用以於適當時機作動以降低該物體之軸向旋轉速度；其中，該可高速旋轉之物體可例如為火箭、衛星、或任何航太相關的發射體等，以下茲舉將本發明之減轉裝置組裝於一火箭的其中二相鄰主體之間，以於適當時機作動而降低該火箭的軸向旋轉速度，惟並不以此為限，係本領域中具有通常知識者可以理解。

請參照第1~5圖，該中心基體1係結合於該減轉裝置欲降低轉速的物體上，該中心基體1具有二相對的軸向端面1a、1b及一環周面1c；在本實施例中，該中心基體1可設有數個鎖孔11，該數個鎖孔11分別貫穿該中心基體1的二軸向端面1a、1b，並可供一鎖固件S貫穿結合，以將該中心基體1穩固結合於一火箭主體B，使該中心基體1的軸向端面1b朝向該火箭主體B的軸向端面；此外，為提升結合的穩固性，該中心基體1與該火箭主體B之間還可增加徑向鎖固的結構，為本領域中具有通常知識者可以理解，並可視需求而予以調整者。又，該中心基體1的軸向端面1b還可以徑向朝外延伸形成一環緣12。

該中心基體1的環周面1c則設有數個概呈等角分布的球槽13，以供該減轉模組3的部分構件抵接定位；較佳地，各該球槽13可由該中心基體1的環周面1c延伸至該中心基體1的軸向端面1a(即，各該球槽13分別設置於該中心基體1的軸向端面1a與環周面1c相接的端緣)，據以提升該減轉模組3抵接定位的便利性。

該中心基體1的環周面1c另設有對應於該球槽13數量之結合槽14，各該結合槽14可以由該中心基體1的環周面1c延伸至該中心基體1的軸向端面1a(即，各該結合槽14分別設置於該中心基體1的軸向端面1a與環周面1c相接的端緣)，使各該結合槽14的開口較大以便組裝該減轉模組3的部分構件。又，該中心基體1的環周面1c還可以設有數個定位槽15及數個導向銷16，各該定位槽15係呈軸向延伸地開設於該中心基體1的環周面1c，該數個定位槽15較佳避開該球槽13及該結合槽14且呈等角分布；該數個導向銷16分別結合於該數個定位槽15中，各該導向銷16的外表面設有數個導向溝161，且任二相鄰的導向銷16，其相對應之導向溝161係以該中心基體1的軸心呈螺旋形延伸。

該外轉環2係為一環體，其內部呈中空以供容置該中心基體1，並對該中心基體1等構件提供保護作用，特別是可避免該等構件在火箭發射的過程中遭到燒毀，該外轉環2可受帶動而以該火箭主體B的軸向相對於該火箭主體B產生旋轉；該外轉環2的外型可以為任意形態，本實施例之圖式雖以概呈圓形環體之形態呈現，但並不以此為限。該外轉環2具有相對的一內壁面2a及一外壁面2b，該外轉環2設有數個穿孔21，各該穿孔21貫穿該外轉環2的內壁面2a及外壁面2b；較佳地，各該穿孔21可由該外轉環2的內壁面2a朝外壁面2b呈擴孔狀(即，各該穿孔21由該外轉環2的內壁面2a朝外壁面2b漸擴孔徑)。此外，在本實施例中，該外轉環2可選擇在其中一軸向端面設置一內凸緣22，該內凸緣22係由該外轉環2的內壁面2a徑向地朝該外轉環2的軸心延伸，該內凸緣22可設有數個軸向貫穿的結合孔221。又，該外轉環2還可在另一軸向端面設置數個缺槽23，且各該缺槽23連通至該外轉環2的內壁面2a。

該減轉模組3包含一斷線器31、一張緊器32、數個質量球33、一連接線34、數個繫繩35及數個飛脫卡掣組件36。該斷線器31及張緊器32設於該中心基體1的軸向端面1a，該斷線器31可例如為一熔絲開關，該斷線器31可供一絲線穿伸通過，並受控制提供電源使其電阻絲發熱，以對該絲線加熱而燒斷之；該張緊器32可包含數個抵緊件321及一調整件322，該數個抵緊件321係結合於該中心基體1並凸伸超出該中心基體1的軸向端面1a，該調整件322則可供一繩體通過，並可調整拉束該繩體的鬆緊度。

該數個質量球33分別容置於該中心基體1的數個球槽13及該外轉環2的數個穿孔21，且該數個質量球33的材質不限；在本實施例中，各該質量球33包含相連接的一球本體331及一球接座332，各該質量球33可由該球本體331的局部容置抵靠於對應之球槽13中，同時由該球接座332穿置於該外轉環2的穿孔21。各該球接座332具有軸向相對的一內端面332a及一外端面332b，以及連接該內端面332a及外端面332b的一環周面332c；各該球接座332係以其內端面332a連接相對應之球本體331，而相對應之球本體331與球接座332可透過鎖合、黏合、熔接、卡扣等方式結合，或是直接將該球本體331與球接座332以一體成型之方式製成亦可，本發明均不加以限制。又，各該球接座332的環周面332c可由內端面332a朝外端面332b漸擴外徑，以形成與該外轉環2之穿孔21相匹配的斜錐面，據以限制各該球接座332與對應之穿孔21的結合深度，避免各該球接座332穿伸通過穿孔21而落入該外轉環2的內部。

該連接線34連接該數個質量球33；在本實施例中，該連接線34可選擇連接於各該質量球33的球本體331，且該連接線34與該球接座332相對，使該連接線34能穿伸通過該斷線器31，並藉由將該連接線34繞經該數個抵緊件321及由該調整件322拉束，令該連接線34呈現被拉緊的狀態，避免各該質量球33受離心力作用時提前脫離該中心基體1的球槽13及該外轉環2的穿孔21。

該繫繩35的數量係對應於該質量球33的數量，並由該數個繫繩35分別連接對應之質量球33；即，該數個繫繩35可分別由一端連接對應之質量球33的球本體331或球接座332，該數個繫繩35分別依該數個導向銷16的導向溝161纏繞於該中心基體1的環周面1c，使該數個繫繩35均可呈螺旋形地纏繞於該中心基體1的環周面1c而不交纏，據以確保該數個繫繩35能分別順暢地被完全釋放，及避免該數個繫繩35干涉到該數個質量球33的釋放空間；其中，該數個導向銷16呈等角分布時，可較平均地導引該繫繩35，並據以提升各繫繩35纏繞於該中心基體1環周面1c的穩定度。

值得一提的是，該中心基體1的環周面1c也可以直接開設數個螺旋形的溝槽，以分別輔助該數個繫繩35纏繞定位，避免各該繫繩35在該中心基體1的環周面1c上下滑脫；惟此結構不易製造，故本實施例選擇以設置該數個導向銷16的方式來提供相同效果，同時還兼具降低製造成本的功效。此外，該中心基體1的環周面1c也不一定要設置該數個定位槽15以供對應之導向銷16結合，即，該數個導向銷16係可直接結合於該中心基體1的環周面1c，亦為本領域中具有通常知識者可以理解。

該數個飛脫卡掣組件36分別具有可相互卡掣或脫離的一保留件361及一脫離件362，該數個保留件361分別結合於該中心基體1的數個結合槽14，各該保留件361設有一斜向開槽3611，該斜向開槽3611的開口端朝向該外轉環2的內壁面2a。該數個脫離件362分別連接該數個繫繩35的另一端，且各該脫離件362可由纏繞於該中心基體1環周面1c的繫繩35拉緊，以維持卡掣於對應之保留件361的斜向開槽3611；或者，於該繫繩35被完全釋放時，藉該繫繩35之牽引而使該脫離件362從該斜向開槽3611的開口處脫離該保留件361。

又，該減轉模組3還可以另包含對應於該質量球33數量的數個緩衝組件37，該緩衝組件37具有一組裝座371及一滾子372，該滾子372係可轉動地設於該組裝座371，該組裝座371可結合於該外轉環2的缺槽23，使該滾子372位於該外轉環2的內部並鄰近對應之穿孔21的端緣處；如此一來，該質量球33釋放時，連接於該質量球33的繫繩35可接觸並帶動該滾子372轉動，使該繫繩35與該外轉環2之間不會直接產生相互摩擦，藉以提升該繫繩35釋放時的順暢度，並避免該繫繩35因磨損而產生斷裂，及減少該繫繩35對該外轉環2的磨耗。

此外，該減轉裝置可另包含一轉動件4，該轉動件4結合於該外轉環2軸向上的一端，用以提升該外轉環2相對於該火箭主體B的旋轉順暢度；在本實施例中，該轉動件4可選擇為一軸承，該轉動件4結合於該火箭主體B連接該中心基體1的一端，該外轉環2則可選擇由設有內凸緣22的一端連接該轉動件4，並由數個鎖固件S貫穿該內凸緣22的數個結合孔221，以將該外轉環2穩固結合於該轉動件4的一端，並使該外轉環2可藉由該轉動件4順暢地以該火箭主體B的軸向相對於該火箭主體B產生旋轉。其中，該外轉環2與該轉動件4之間的結合方式並不僅限於以鎖固件S鎖合，也可以是黏合、熔接或卡扣等各種常見的結合方式，為本領域中具有通常知識者可以理解，且不為本發明所限制者；再者，該外轉環2與該轉動件4之間的結合形態，亦可隨該火箭主體B的端部形態而予以調整，例如當該中心基體1與該火箭主體B之間係採側向鎖合時，該轉動件4可選擇容置於該中心基體1與該外轉環2之間。

請參照第2、4圖，據由前述結構，本發明之減轉裝置可組裝於二火箭主體B、B’之間，以與該二火箭主體B、B’同步高速旋轉；此時，由於該數個質量球33受到被拉緊的連接線34連接，故即便該減轉裝置隨該二火箭主體B、B’同步旋轉，各該質量球33仍可維持容置於對應之球槽13及穿孔21中，不會受離心力作用而向外飛出。

請參照第6圖，當該二火箭主體B、B’欲以該減轉裝置降低轉速時，該減轉模組3的斷線器31可將連接該數個質量球33的連接線34弄斷，使該數個質量球33不再受該連接線34約束，以立即受離心力作用而向外拋離。

請參照第5、7圖，該數個質量球33被向外拋離而脫出該外轉環2後，受到該二火箭主體B、B’持續旋轉的影響，而開始繞著該二火箭主體B、B’轉動，並於轉動時牽引對應之繫繩35逐漸釋放，以持續增長各該質量球33的旋轉半徑；據此，藉由慣性矩之增加，使該中心基體1自轉的角動量釋放以降低轉速，並連帶降低該二火箭主體B、B’的轉速。其中，各該質量球33拉動繫繩35而相對於該中心基體1轉動時，該繫繩35可與對應之緩衝組件37的滾子372接觸，除可帶動該滾子372轉動之外，亦連帶驅使該外轉環2藉該轉動件4而順暢地以該火箭主體B的軸向相對於該中心基體1產生旋轉，同時可由該外轉環2保護其內部的各構件免於燒毀或遭受異物撞擊。

請參照第8圖，當各該繫繩35被完全釋放時，各該繫繩35將不再纏繞於該中心基體1環周面1c，且各該繫繩35將於延伸方向轉至平行於該斜向開槽3611之延伸方向時，使該脫離件362不再卡掣於該斜向開槽3611中，而可受該繫繩35之牽引，從該斜向開槽3611的開口處脫離該保留件361，使得相連接之質量球33、繫繩35及脫離件362可一併被拋出而脫離該減轉裝置。

綜上所述，本發明之減轉裝置，可藉由該數個飛脫卡掣組件之設置，於繫繩受質量球牽引而釋放到最後時，使相連接之繫繩及質量球一併從中心基體脫離而被拋出，藉以有效避免繫繩反纏繞及質量球撞擊飛行體，故可確保該飛行體不會發生飛行軌跡偏移的情況，從而可精準控制酬載的釋放軌跡，提升任務的成功率。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。