一种单点连接六自由度约束分离释放一体式装置的制作方法

1.本发明涉及航天器分离释放装置领域，具体而言，涉及一种单点连接六自由度约束分离释放一体式装置。


背景技术：

2.分离释放装置是航天器完成星箭分离、舱段分离等关键动作的必要装置。目前航天器的分离释放动作主要是通过连接解锁装置和分离装置两种装置配合完成，分离前连接解锁装置负责分离体可靠连接，接受指令后可靠解锁，再由分离装置将分离体推离，保证分离安全性。为满足分离体之间连接约束和分离体运动姿态稳定性要求，分离面需设置多组连接解锁和分离装置。两种装置均需布置在分离面，安装接口多，占用较多空间，整体重量重。
3.同时部分微纳卫星分离面布局空间有限，无法布置多个连接解锁及分离装置，使用箱式或筒式分离释放装置则重量代价较大，且对卫星外形有较多约束，不利于卫星设计。


技术实现要素：

4.本发明所解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种单点连接六自由度约束的分离释放一体式装置，可以同时实现连接解锁和分离释放的功能，单个使用可以满足微纳卫星的分离释放，也可多个并联用于大型航天器的分离释放，相比分体式连接解锁装置和分离装置，整体重量轻，占用空间小，安装接口简单。
5.本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种单点连接六自由度约束分离释放一体式装置，其特征在于：包括套筒、上法兰、分离弹簧、下法兰、端盖、下分离体、上分离体和火工品、n个承剪块、n根顶杆，n≥3；
6.解锁前，上分离体、下分离体通过火工品连接，套筒安装在下分离体下端；承剪块嵌入上分离体和下分离体之间，用于承载分离面剪切力，约束分离体面内相对运动；顶杆的一端与剪切块固定连接，另一端与上法兰连接；上法兰、分离弹簧、下法兰依次穿过套筒，套筒末端安装端盖，端盖与下法兰固连；分离弹簧被约束在上法兰和下法兰之间，并处于压缩状态；
7.解锁后，火工品受控解锁，上分离体和下分离体解除约束，承剪块及与其固连的顶杆和上法兰在分离弹簧推力作用下沿套筒向上运动，承剪块与上分离体相抵触，共同推离上分离体，直至上法兰上表面与套筒法兰下表面接触，分离弹簧停止运动，承剪块与上分离体脱离接触，完成上分离体释放。
8.优选地，所述上法兰、分离弹簧、下法兰构成分离动力组件，分离动力组件还包括m根工艺压紧杆，m≥3；
9.端盖安装前，上法兰和下法兰连接工艺压紧杆，保持分离弹簧压紧状态，上分离体和下分离体连接火工品状态下，端盖安装到位与下法兰固连后，拆除工艺压紧杆，分离弹簧推力通过上法兰传递至顶杆。
10.优选地，所述承剪块，其外形为菱形旋转体，过旋转体旋转轴截面形状为凸六边形且旋转轴线垂直凸六边形的两条边。承剪块也可以是圆锥形旋转体、六边形旋转体。
11.优选地，所述上分离体和下分离体对接面设置匹配承剪块外形的锥形沉孔，且下分离体沉孔最小直径大于顶杆圆柱段直径。
12.优选地，n个承剪块，以火工品的轴线与分离面的交点为圆心均匀分布。
13.优选地，承剪块中心设置螺纹通孔，可与顶杆螺纹匹配连接。
14.优选地，所述端盖设置内螺纹，可与套筒外螺纹匹配连接；并通过外翻法兰及紧固件与下法兰固连。
15.优选地，上法兰下表面和下法兰上表面分别设置一段圆柱薄壁结构，插入分离弹簧内侧，用于约束分离弹簧两端的位置。
16.优选地，所述火工品为爆炸螺栓、分离螺母或熔断释放装置。
17.优选地，上法兰与套筒外壁接触区域涂覆固体润滑膜。
18.与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
19.(1)、本发明连接解锁装置与分离装置整合为一体，减少了分离面空间占用，简化了安装接口，整体重量更轻；
20.(2)、本发明单个装置即可实现分离体6自由度约束，可用于微纳卫星分离释放，接口简单，可靠性高，对卫星设计约束小；
21.(3)、本发明分离面承剪块与分离推力触点整合设计，既满足连接时的分离面剪切力承载要求又可保证分离时推力稳定输出；
22.(4)、本发明分离推力由单个分离弹簧驱动多点同步作用，对分离体的姿态影响小，可降低卫星分离后的姿态扰动，分离安全性更高；
23.(5)、本发明在不改变卫星分离接口设计的前提下，可通过更换顶杆和分离弹簧快速完成分离工况调整，任务适应性强。
附图说明
24.本发明的一种单点连接六自由度约束分离释放一体式装置由以下的实施例及附图给出：
25.图1为本发明较佳实施例的单点连接六自由度约束分离释放一体式装置装配示意图；
26.图2为本发明较佳实施例的承剪块与顶杆组合状态示意图；
27.图3为本发明较佳实施例的分离动力组件示意图；
28.图4为本发明较佳实施例的装置分离释放动作前状态示意图；
29.图5为本发明的较佳实施例的装置分离释放动作后状态示意图；
30.图6为本发明较佳实施例的单个装置安装用于微纳卫星分离释放示意图；
31.图7为本发明较佳实施例的多个装置并联安装用于大型航天器分离释放示意图。
具体实施方式
32.下面对本发明的较佳实施例作详细描述，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施
例。
33.结合图1-图5，对本发明的单点连接六自由度约束分离释放一体式装置进行详细描述，装置包括：套筒3、上法兰4、分离弹簧6、下法兰7、端盖8、下分离体9、上分离体10和火工品11、n个剪切块1、n根顶杆2、m根工艺压紧杆5，n≥3，m≥3，本实施例以分离面安装单个装置对本发明的结构进行说明。
34.如图1所示，下分离体9和上分离体10通过火工品11连接，火工品11可以是爆炸螺栓、分离螺母或熔断释放装置等具备连接解锁功能的火工装置。套筒3通过螺钉安装在下分离体9，套筒3的外形为圆柱管状结构，内腔可容纳火工品11及其供电电缆，一端设置外翻法兰，外翻法兰下表面设置沉孔，通过沉头螺钉将套筒3与下分离体9固连；套筒3外壁为上法兰4和分离弹簧6运动提供导向约束；另一端设置外螺纹，与端盖8内螺纹匹配连接。套筒3可根据减重等需求开设孔槽，孔槽应不影响上法兰4和分离弹簧6沿套筒3运动。
35.较佳实施例中，在上分离体10和下分离体9分离面中嵌入n个承剪块1，承剪块1用于承载分离面剪切力，约束分离体面内相对运动，n个承剪块1以分离面火工品11轴线为圆心均匀分布，对应上分离体10与下分离体9对接框开设与承剪块1外形匹配的锥形沉孔，其中下分离体9沉孔最小直径应大于顶杆2圆柱段直径，允许顶杆2顺畅通过。承剪块1外形为菱形旋转体，过旋转体旋转轴截面形状为凸六边形且旋转轴线垂直其中两条边；中心设置螺纹通孔，适配顶杆2一端端部螺纹；承剪块1的端面设置一字槽，用于与顶杆2连接时扳拧，如图2所示。三个承剪块1在火工品11解锁前可以承载分离面的剪切力，保护火工品11不承剪；火工品11解锁后，三个承剪块1和顶杆2在分离弹簧6推动下伸出分离面，推离上分离体10完成释放。承剪块1材料一般为钛合金或不锈钢等强度较高金属材料制成，外形尺寸与分离面沉孔应为间隙配合，确保不发生卡滞。
36.较佳实施例中，顶杆2一端设置外螺纹，螺纹可拧入长度小于承剪块1高度，顶杆2圆柱段直径略大于螺纹大径，螺纹末端设置退刀槽和台阶面限制其拧入深度；顶杆2另一端设置台阶面与上法兰4贴合，且顶杆2这端设置小直径外螺纹，穿过上法兰4通孔，通过螺母与上法兰4固连。
37.较佳实施例中，如图3所示，分离动力组件包括上法兰4、下法兰7、分离弹簧6和m根工艺压紧杆5，m大于等于3。通过工艺压紧杆5连接的上法兰4和下法兰7将压缩状态的分离弹簧6夹在中间，装配时分离动力组件整体安装。
38.上法兰4中心开孔可穿过套筒3，开孔尺寸略大于套筒3外径，与套筒3之间留有一定间隙；沿中心孔轴线周向均布三处通孔，用于连接顶杆2，通孔分布圆直径与分离面承剪块1分布圆直径相同；沿中心孔轴线周向均布三处螺纹孔，与三处通孔交错布置，用于连接工艺压紧杆5，与下法兰7三处通孔方位一致；上法兰4下表面设置一段圆柱薄壁结构，用于运动导向和约束分离弹簧6位置。上法兰4与套筒3外壁接触区域采用涂覆固体润滑膜等措施，减少运动阻力，避免卡滞。
39.下法兰7中心开孔可穿过套筒3，沿中心孔轴线周向均布三处通孔，用于穿过工艺压紧杆5与上法兰4连接，配合压紧分离弹簧6。沿中心孔轴线周向均布三处螺纹孔，螺纹孔分布圆直径与端盖8的u形缺口分布圆直径相同；下法兰7上表面设置一段圆柱薄壁结构，插入在分离弹簧6内侧，用于约束分离弹簧6位置。
40.分离弹簧6两端分别与上法兰4和下法兰7贴合，并受其约束，保持压紧状态，分离
弹簧6内径大于上下法兰圆柱段外径，分离弹簧6外径小于三处工艺压紧杆5内切圆。
41.端盖8安装前，上法兰4和下法兰7连接工艺压紧杆5，保持分离弹簧6压紧状态。上分离体10和下分离体9连接火工品11状态下，端盖8安装到位，通过螺钉与下法兰7固连后，拆除工艺压紧杆5，分离弹簧6推力通过上法兰4传递至顶杆2。
42.工艺压紧杆5，一端为外螺纹，与上法兰4螺纹孔匹配，另一端为扳拧结构。
43.较佳实施例中，端盖8外形为圆柱体，一端封闭或开设电缆通过口，另一端设置内螺纹，与套筒3后端外螺纹匹配，外侧为连接法兰，法兰上均布设置3*n处u形缺口(n》1)，u形缺口分布圆直径与下法兰7螺纹孔分布圆直径相同，且u形缺口可通过对应螺纹规格的螺钉。
44.较佳实施例中，本发明的单点连接六自由度约束分离释放一体式装置装配过程为：上分离体10和下分离体9对接时，将三处承剪块1放置在分离面对应沉孔处，火工品11将上分离体10和下分离体9锁紧后，在下分离体9安装套筒3；通过承剪块1顶部一字槽约束承剪块1，安装三处顶杆2。上法兰4、分离弹簧6、下法兰7依次穿过套筒3，直至顶杆2末端螺纹部分穿过上法兰4通孔，使用螺母将顶杆2与上法兰4固连。在套筒3末端安装端盖8，直至端盖8与下法兰7接触，微调端盖8安装角度，使端盖u形缺口与下法兰7螺纹孔对齐，安装三处螺钉，将端盖8与下法兰7固连；拆除三处工艺压紧杆5，完成装置的安装，此时，分离弹簧6被约束在上法兰4和下法兰7之间，并处于压缩状态，如图4所示。
45.较佳实施例中，所述装置工作过程为：首先火工品11受控解锁，上分离体10和下分离体9解除约束，三处承剪块1及与其固连的顶杆2和上法兰4在分离弹簧6推力作用下沿套筒3向上运动，三处承剪块1与上分离体10沉孔相抵触，共同推离上分离体10，直至上法兰4上表面与套筒3法兰下表面接触，分离弹簧6停止运动，承剪块1与上分离体10脱离接触，完成上分离体10释放，如图5所示。
46.根据航天领域不同的分离释放场景，下分离体9可以为运载或航天器舱段，上分离体10可以为卫星或航天器舱段。如图6所示，单套装置可安装用于微纳卫星分离释放，微纳卫星12通过本装置与卫星安装板13连接，卫星安装板13可以为运载或其他航天器局部结构，单套本装置即可完全约束微纳卫星12，并完成分离释放动作。如图7所示，多个装置并联安装可用于大型航天器分离释放，大型航天器14下裙结构通过6套本装置与运载支架15连接，6套装置同时工作，完成卫星分离释放动作。
47.综上所述，本发明提供的一种单点连接六自由度约束的分离释放一体式装置同时具备连接解锁和释放功能，且使用单个火工品即可实现分离面六自由度约束。该装置通过紧固件连接于下分离体的导向套筒，内部容纳火工品，火工品可以为爆炸螺栓、分离螺母或熔断释放装置等。套筒外壁为上法兰和分离弹簧运动提供导向，分离弹簧通过上法兰对三根顶杆提供推力，顶杆头部连接承剪块，三个承剪块嵌入上下分离体对接框之间，承载分离面剪切力，并约束两分离体面内相对运动。弹簧下端受下法兰约束，下法兰与端盖通过螺钉固连，端盖通过螺纹与套筒末端连接。端盖安装前上下法兰通过三根工艺压紧杆连接约束，保持分离弹簧压紧状态，端盖安装后拆除工艺压紧杆。上法兰、下法兰、分离弹簧和工艺压紧杆可组合成分离动力组件，整体装配。火工品解锁后，上下分离体解除约束，分离弹簧推动上法兰带动三根顶杆向上运动，通过顶杆前端承剪块将上分离体推离完成释放。
48.上述结合附图对本发明的具体实施例进行了描述，本说明书选取并具体描述这些
实施例，是为了更好解释本发明的原理和实际应用，并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案基础上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种单点连接六自由度约束分离释放一体式装置，其特征在于：包括套筒(3)、上法兰(4)、分离弹簧(6)、下法兰(7)、端盖(8)、下分离体(9)、上分离体(10)和火工品(11)、n个承剪块(1)、n根顶杆(2)，n≥3；解锁前，上分离体(10)、下分离体(9)通过火工品(11)连接，套筒(3)安装在下分离体(9)下端；承剪块(1)嵌入上分离体(10)和下分离体(9)之间，用于承载分离面剪切力，约束分离体面内相对运动；顶杆(2)的一端与剪切块(1)固定连接，另一端与上法兰(4)连接；上法兰(4)、分离弹簧(6)、下法兰(7)依次穿过套筒(3)，套筒(3)末端安装端盖(8)，端盖(8)与下法兰(7)固连；分离弹簧(6)被约束在上法兰(4)和下法兰(7)之间，并处于压缩状态；解锁后，火工品(11)受控解锁，上分离体(10)和下分离体(9)解除约束，承剪块(1)及与其固连的顶杆(2)和上法兰(4)在分离弹簧(6)推力作用下沿套筒(3)向上运动，承剪块(1)与上分离体(10)相抵触，共同推离上分离体(10)，直至上法兰(4)上表面与套筒(3)法兰下表面接触，分离弹簧(6)停止运动，承剪块(1)与上分离体(10)脱离接触，完成上分离体(10)释放。2.根据权利要求1所述的单点连接六自由度约束分离释放一体式装置，其特征在于所述上法兰(4)、分离弹簧(6)、下法兰(7)构成分离动力组件，分离动力组件还包括m根工艺压紧杆(5)，m≥3；端盖(8)安装前，上法兰(4)和下法兰(7)连接工艺压紧杆(5)，保持分离弹簧(6)压紧状态，上分离体(10)和下分离体(9)连接火工品(11)状态下，端盖(8)安装到位与下法兰(7)固连后，拆除工艺压紧杆(5)，分离弹簧推力通过上法兰(4)传递至顶杆(2)。3.根据权利要求1所述的单点连接六自由度约束分离释放一体式装置，其特征在于所述承剪块(1)，其外形为菱形旋转体，过旋转体旋转轴截面形状为凸六边形且旋转轴线垂直凸六边形的两条边。4.根据权利要求1所述的单点连接六自由度约束分离释放一体式装置，其特征在于所述上分离体(10)和下分离体(9)对接面设置匹配承剪块外形的锥形沉孔，且下分离体(9)沉孔最小直径大于顶杆(2)圆柱段直径。5.根据权利要求1所述的单点连接六自由度约束分离释放一体式装置，其特征在于n个承剪块(1)，以火工品(11)的轴线与分离面的交点为圆心均匀分布。6.根据权利要求1所述的单点连接六自由度约束分离释放一体式装置，其特征在于承剪块(1)中心设置螺纹通孔，可与顶杆(2)螺纹匹配连接。7.根据权利要求1所述的单点连接六自由度约束分离释放一体式装置，其特征在于，所述端盖(8)设置内螺纹，可与套筒(3)外螺纹匹配连接；并通过外翻法兰及紧固件与下法兰(7)固连。8.根据权利要求1所述的单点连接六自由度约束分离释放一体式装置，其特征在于，上法兰(4)下表面和下法兰(7)上表面分别设置一段圆柱薄壁结构，插入分离弹簧(6)内侧，用于约束分离弹簧(6)两端的位置。9.根据权利要求1所述的单点连接六自由度约束分离释放一体式装置，其特征在于所述火工品(11)为爆炸螺栓、分离螺母或熔断释放装置。10.根据权利要求1所述的单点连接六自由度约束分离释放一体式装置，其特征在于上法兰(4)与套筒(3)外壁接触区域涂覆固体润滑膜。

技术总结
本发明涉及一种单点连接六自由度约束分离释放一体式装置，主要用于航天器分离解锁与释放。装置中央为容纳连接爆炸螺栓或分离螺母等火工品的导向套筒，固连于下分离体，套筒外壁作为上法兰和分离弹簧运动导向，分离弹簧通过上法兰对三个顶杆提供推力，顶杆头部连接承剪块，三处承剪块嵌入上下分离体对接框之间，可承载分离面剪切力，并约束两分离体面内相对运动。弹簧下端受下法兰约束，下法兰与端盖通过螺钉固连，端盖通过螺纹与套筒连接。连接解锁装置解锁后，上下分离体解除约束，三个顶杆在弹簧推力的作用下向上运动，通过承剪块推动上分离体完成释放。本装置实现了单个连接解锁装置对两个分离体的完全约束，且分离与释放功能集成化设计，整体重量轻，减少了安装接口，提高了空间利用。高了空间利用。高了空间利用。


技术研发人员：常立平 常世杰 和壮 梅杏 洪亚军 袁恩会 孙小珠 朱俊杰 李传吟 周磊
受保护的技术使用者：上海宇航系统工程研究所
技术研发日：2023.02.27
技术公布日：2023/6/13