CN112504031A - 一种适用于整流罩旋抛的变力线长行程作动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种适用于整流罩旋抛的变力线长行程作动装置，包括：活塞筒(1)、外活塞杆(2)、内活塞杆(3)、球窝头(4)、钢球(5)、封头(6)、0形橡胶圈(7)、密封垫片(8)和保护帽(9)；保护帽(9)用于作动装置中转贮存过程中的密封和保护，当作动装置箭上安装时，需将保护帽9取下，在封头6上安装相关火工品驱动作动装置工作。作动装置工作原理为：火工品工作产生的高温高压气体作用内活塞杆3内部，驱动内活塞杆3向前运动，同时，外活塞杆2在火工品产生的高压气体和内活塞杆3运动摩擦力的共同作用下也向前运动，直至内活塞杆3和外活塞杆2共同运动到位。运动到位后，由于作动装置的密封性设计，短时间内腔内仍然存在较大气压，支撑作动装置始终处于展开状态。在整个运动过程中，钢球5作用于整流罩载荷支架上，作动装置形位不断变化，推力作用线也跟随变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于整流罩旋抛的变力线长行程作动装置，属于航天运载器的整流罩旋抛分离动力源技术领域。
背景技术
重型运载火箭整流罩直径的增加导致整流罩重量的上升，分离时需要的总能量也进一步提升，如采用常用的分离弹簧作为分离能源，需要约30个分离弹簧，能源做功效率较低、同时也占据了宝贵的有效载荷。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有分离弹簧做功效率低、总重量高的不足，提供一种适用于整流罩旋抛的变力线长行程作动装置，用于重型整流罩的旋抛分离。
本发明解决的技术方案为：一种适用于整流罩旋抛的变力线长行程作动装置，其特征在于包括：活塞筒(1)、外活塞杆(2)、内活塞杆(3)、球窝头(4)、钢球(5)、封头(6)、0形橡胶圈(7)；还包括：保护帽(9)或火工品；
内活塞杆(3)的一端设置球窝头(4)，球窝头(4)内固定设置钢球(5)，内活塞杆(3)上沿周向设有多道槽道，该多道槽道内设置0形橡胶圈(7)，内活塞杆(3)与外活塞杆(2)之间通过0形橡胶圈(7)密封接触；在内活塞杆(3)与外活塞杆(2)发生相对运动时，通过0形橡胶圈(7)产生的摩擦力，内活塞杆(3)能够带动外活塞杆(2)伸出；
外活塞杆(2)上沿周向设有多道槽道，该多道槽道内设置0形橡胶圈，外活塞杆(2)与活塞筒(1)之间通过0形橡胶圈(7)密封接触；
封头(6)一端连接活塞筒(1)，在作动装置转运贮存过程中，封头(6)另一端安装保护帽(9)；在使用时，将安装保护帽(9)取下，在封头(6)另一端上安装火工品,驱动作动装置工作；
钢球(5)，能够作用于上面级载荷支架上，实现航天运载器整流罩旋抛分离。
优选的，活塞筒(1)的一端靠近钢球(5)，另一端与封头(6)的一端螺纹连接。
优选的，封头(6)为筒状；封头(6)内设置中空环形隔片；中空环形隔片与封头(6)的中心轴线垂直；
空环形隔片将封头(6)分成两端，封头(6)一端设有内螺纹，与活塞筒(1)的另一端上的外螺纹能够螺纹连接；封头(6)的另一端设有内螺纹，能够与保护帽(9)或火工品连接。
优选的，还包括：密封垫片(8)；密封垫片(8)位于活塞筒(1)的另一端与封头(6)的中空环形隔片之间，密封垫片(8)中心设有通气孔。
优选的，保护帽(9)用于作动装置中转贮存过程中的密封和保护，当作动装置箭上安装时，需将保护帽(9)取下，在封(6)上安装相关火工品驱动作动装置工作，同时火工品(9)与整流罩载荷支架进行连接，连接形式为球窝/球头结构。
优选的，作动装置工作方式为：火工品工作产生的高温高压气体作用内活塞杆(3)内部，驱动内活塞杆(3)向前运动，同时，外活塞杆(2)在火工品产生的高压气体和内活塞杆(3)运动摩擦力的共同作用下也向前运动，直至内活塞杆(3)和外活塞杆(2)共同运动到位。
优选的，外活塞杆(2)一端靠近钢球(5)，另一端的端部设有限位凸起，防止从活塞筒(1)脱出。
优选的，内活塞杆(3)一端靠近钢球(5)，另一端的端部设有限位凸起，防止从外活塞杆(2)脱出。
优选的，内活塞杆(3)和外活塞杆(2)共同运动到位后，由于作动装置的密封性设计，短时间内腔内仍然存在较大气压，支撑作动装置始终处于展开状态；在作动装置工作过程中，钢球(5)作用于整流罩载荷支架上，作动装置形位不断变化，推力作用线也跟随变化。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的作动装置为一种可变力作用线、长行程的推力装置用于替代常用的分离弹簧，作为航天运载器整流罩旋抛分离的动力能源。
(2)本发明与整流罩分离常用能源分离弹簧相比，本发明作动装置采用火工品驱动，作功效率高，可有效降低分离能源所占有效载荷比重。
(3)本发明具有变力线、长行程工作特点，可有效用于整流罩分离，作为分离能源广泛使用。
附图说明
图1为本发明长行程作动装置结构组成示意图；
图2为本发明长行程作动装置收缩状态示意图；
图3为本发明长行程作动装置展开状态示意图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明一种适用于整流罩旋抛的变力线长行程作动装置，包括：活塞筒(1)、外活塞杆(2)、内活塞杆(3)、球窝头(4)、钢球(5)、封头(6)、0形橡胶圈(7)、密封垫片(8)和保护帽(9)；保护帽(9)用于作动装置中转贮存过程中的密封和保护，当作动装置箭上安装时，需将保护帽9取下，在封头6上安装相关火工品驱动作动装置工作。作动装置工作原理为：火工品工作产生的高温高压气体作用内活塞杆3内部，驱动内活塞杆3向前运动，同时，外活塞杆2在火工品产生的高压气体和内活塞杆3运动摩擦力的共同作用下也向前运动，直至内活塞杆3和外活塞杆2共同运动到位。运动到位后，由于作动装置的密封性设计，短时间内腔内仍然存在较大气压，支撑作动装置始终处于展开状态。在整个运动过程中，钢球5作用于整流罩载荷支架上，作动装置形位不断变化，推力作用线也跟随变化。
本发明提出的推力装置，由于采用火工品作为首发元件，做功效率高，可降低分离动力能源所占有效载荷比重。本推力装置根据工作需要，具有可变作用力线和工作行程长的特点。
重型运载火箭整流罩分为三个瓣罩，当整流罩需要分离时，先实现三个瓣罩之间的解锁，然后采用分离能源做功，驱动三个瓣罩向外运动分离。
分离弹簧是我国现役运载火箭整流罩分离常用的分离能源形式，但随着重型运载火箭整流罩重量的急剧增大，使得分离弹簧能量效率低下的缺点显著，必须采用更多的分离弹簧或提升分离弹簧推力来提高总的分离推力，导致分离能源质量大幅度增加，降低运载火箭的有效载荷。
重型运载火箭整流罩总重量约为7.8吨，如采用分离弹簧作为分离能源，分离能源总重约为248kg，极大的占据了运载火箭的有效载荷。如采用本发明作为整流罩分离能源，做功效率高，分离能源总重约42kg，可以大幅度降低分离能源重量，显著提高运载火箭有效载荷。
长行程推力装置箭上安装时，图1中换成火工品(9)，该端安装在整流罩分离能源支架上，图1中钢球与上面级支架接触。当长行程推力装置工作时，通过图1中钢球作用在上面级支架上，最终使得长行程推力装置在做功实现分离的同时随着整流罩一起抛离。
安装在整流罩分离能源支架一端采用球窝/球头结构配合，结构材料选用沉淀硬化不锈钢，该结构使得长行程推力装置可以绕连接处旋转，但不产生长行程推力装置轴向位移，最终实现分离能源工作时力的传递、推力线方向的变化以及限制长行程推力装置的轴向位移的功能。
上面级支架一端与长行程推力装置接触的材料为钢，该接触平面需与长行程推力装置轴线方向保持垂直。
本发明一种适用于整流罩旋抛的变力线长行程作动装置，包括：活塞筒(1)、外活塞杆(2)、内活塞杆(3)、球窝头(4)、钢球(5)、封头(6)、0形橡胶圈(7)；
还包括：保护帽(9)或火工品；
内活塞杆(3)的一端设置球窝头(4)，球窝头(4)内固定设置钢球(5)，内活塞杆(3)上沿周向设有多道槽道，该多道槽道内设置0形橡胶圈(7)，内活塞杆(3)与外活塞杆(2)之间通过0形橡胶圈(7)密封接触；在内活塞杆(3)与外活塞杆(2)发生相对运动时，通过0形橡胶圈(7)产生的摩擦力，内活塞杆(3)能够带动外活塞杆(2)伸出；
外活塞杆(2)上沿周向设有多道槽道，该多道槽道内设置0形橡胶圈，外活塞杆(2)与活塞筒(1)之间通过0形橡胶圈(7)密封接触；
封头(6)一端连接活塞筒(1)，在作动装置转运贮存过程中，封头(6)另一端安装保护帽(9)；在使用时，将安装保护帽(9)取下，在封头(6)另一端上安装火工品,驱动作动装置工作。
钢球(5)，能够作用于上面级载荷支架上，实现航天运载器整流罩旋抛分离。
优选的，活塞筒(1)的一端靠近钢球(5)，另一端与封头(6)的一端螺纹连接。
优选的，封头(6)为筒状；封头(6)内设置中空环形隔片；中空环形隔片与封头(6)的中心轴线垂直；
空环形隔片将封头(6)分成两端，封头(6)一端设有内螺纹，与活塞筒(1)的另一端上的外螺纹能够螺纹连接；封头(6)的另一端设有内螺纹，能够与保护帽(9)或火工品连接；
优选的，还包括：密封垫片(8)；密封垫片(8)位于活塞筒(1)的另一端与封头(6)的中空环形隔片之间，密封垫片(8)中心设有通气孔。
优选的，保护帽(9)用于作动装置中转贮存过程中的密封和保护，当作动装置箭上安装时，需将保护帽(9)取下，在封(6)上安装相关火工品驱动作动装置工作，同时火工品(9)与整流罩载荷支架进行连接，连接形式为球窝/球头结构。
优选的，作动装置工作方式为：火工品工作产生的高温高压气体作用内活塞杆(3)内部，驱动内活塞杆(3)向前运动，同时，外活塞杆(2)在火工品产生的高压气体和内活塞杆(3)运动摩擦力的共同作用下也向前运动，直至内活塞杆(3)和外活塞杆(2)共同运动到位。
优选的，内活塞杆(3)和外活塞杆(2)共同运动到位后，由于作动装置的密封性设计，短时间内腔内仍然存在较大气压，支撑作动装置始终处于展开状态；在作动装置工作过程中，钢球(5)作用于整流罩载荷支架上，作动装置形位不断变化，推力作用线也跟随变化。
优选的，保护帽(9)用于作动装置中转贮存过程中的密封和保护，当作动装置箭上安装时，需将保护帽9取下，在封头6上安装相关火工品驱动作动装置工作。作动装置工作原理为：火工品工作产生的高温高压气体作用内活塞杆3内部，驱动内活塞杆3向前运动，同时，外活塞杆2在火工品产生的高压气体和内活塞杆3运动摩擦力的共同作用下也向前运动，直至内活塞杆3和外活塞杆2共同运动到位。运动到位后，由于作动装置的密封性设计，短时间内腔内仍然存在较大气压，支撑作动装置始终处于展开状态。在整个运动过程中，钢球5作用于整流罩载荷支架上，作动装置形位不断变化，推力作用线也跟随变化。
优选的，作动装置收缩状态见图2，包络尺寸为287.5×Φ47mm；作动装置展开状态见图3，包络尺寸为707.5×Φ47mm，作动装置运动行程为420mm。
本发明的进一步优选方案为：活塞筒(1)，优选的具体要求为：结构形式为薄壁圆筒结构，材料为0Cr13Ni8Mo2Al沉淀硬化不锈钢，在活塞筒(1)一端为20mm高的M42×1.5-6h外螺纹，与封头(6)连接；在活塞筒(1)另一端为限位结构，限制外活塞杆(2)的运动到位位置。
本发明的进一步优选方案为：外活塞杆(2)，优选的具体要求为：结构形式为薄壁圆筒结构，材料为0Cr13Ni8Mo2Al沉淀硬化不锈钢，在外活塞杆(2)一端外径为Φ36mm，采用双凹槽的密封槽结构形式，另一端外径为Φ30mm，外活塞杆(2)与活塞筒(1)尺寸需配合。
本发明的进一步优选方案为：内活塞杆(3)，优选的具体要求为：结构形式为薄壁圆筒结构，材料为0Cr13Ni8Mo2Al沉淀硬化不锈钢，在内活塞杆(3)一端外径为Φ26mm，另一端外径为Φ20mm，与外活塞杆(2)内径尺寸配合。内活塞杆(3)在外径为Φ26mm一端有高度为7mm的内六方(对方长度为14mm)，用于内活塞杆(3)与球窝头(4)安装时施加力矩。
本发明的进一步优选方案为：球窝头(4)，优选的具体要求为：材料为14Cr17Ni2钢，最大外圆尺寸为Φ28mm，该尺寸需介于内活塞杆(3)外径Φ40mm和外活塞杆(2)外径Φ30mm之间，以保证内活塞杆(3)和外活塞杆(2)在运动过程中不会出现外活塞杆(2)先于内活塞杆(3)运动的情况。
本发明的进一步优选方案为：火工品(9)，优选的具体要求为：火工品(9)输出端螺纹规格、长度需与封头(6)匹配。火工品(9)需根据图1中长行程推力装置结构形式进行设计，保证输出端平均推力不小于7000N。
本发明的进一步优选方案为：本发明的变力线长行程作动装置，包括：活塞筒1、外活塞杆2、内活塞杆3、球窝头4、钢球5、封头6、0形橡胶圈7、密封垫片8和保护帽9，结构组成如图1。
产品装配。在外活塞杆2、内活塞杆3密封槽，活塞筒1、外活塞杆2内表面和0形橡胶圈表面涂7804抗化学介质润滑脂，然后将0形橡胶圈分别安装在外活塞杆2和内活塞杆3对应密封槽处。将外活塞杆2装入活塞筒1中到位，将内活塞杆3装入活塞杆2中到位。在活塞筒1、外活塞杆2和内活塞杆3端面处放入密封垫片8后，将封头6定力矩拧入活塞筒1中。在球窝头4球窝内涂少许特221号油膏，然后装入钢球5用滚压方法收口，使钢球既能自由转动而又不能脱出，然后将球窝头4定力矩装入内活塞杆3中。最后，将保护帽9旋入封头6中，用于中转贮存过程中的保护。
工作过程。作动装置需要工作时，拧下保护帽9，换上相关火工品。火工品工作产生的高温高压气体作用内活塞杆3内部，驱动内活塞杆3向前运动，同时，外活塞杆2在火工品产生的高压气体和内活塞杆3运动摩擦力的共同作用下也向前运动，直至内活塞杆3和外活塞杆2共同运动到位。运动到位后，由于作动装置的密封性设计，短时间内腔内仍然存在较大气压，支撑作动装置始终处于展开状态。在整个运动过程中，钢球5作用于整流罩载荷支架上，为整流罩分离不断提供分离能源。
本发明实现长行程推力装置平均推力大于7000N的进一步方案：设p为燃烧室压强，取6.88MPa，v为工作到位后和初始时刻容腔体积的变化值，取0.2L，x为装药系数，取0.98，f为装药黑火药的火药力，取2.76×105N·m/kg。则火工品(9)作为长行程推力装置的动力源，需要的装药量(m)需满足：m≥pv/(xf)。最终，经理论计算m为5.2g。
将图1中长行程推力装置保护帽(9)换成主装药为3#黑火药的点火器，主装药药量为5.2g，并在钢球(5)端连接整流罩等效质量的重物，火工品(9)端连接力传感器后进行发火试验，试验中记录长行程推力装置工作过程中的力-时间曲线。最终通过对力-时间曲线拟合出长行程推力装置平均推力为7196N,满足预期装置平均推力大于7000kN的要求。
采用本发明的长行程推力装置作为整流罩分离能源，分离能源总重为42kg，相对于传统的分离弹簧作(总重约248kg)，可大幅度降低分离能源重量。同时，如增加火工品(9)装药量，长行程推力装置平均推力将增加，可以进一步减少长行程推力装置使用数量，再一步降低分离能源总重量。
Claims (9)
1.一种适用于整流罩旋抛的变力线长行程作动装置，其特征在于包括：活塞筒(1)、外活塞杆(2)、内活塞杆(3)、球窝头(4)、钢球(5)、封头(6)、0形橡胶圈(7)；还包括：保护帽(9)或火工品；
内活塞杆(3)的一端设置球窝头(4)，球窝头(4)内固定设置钢球(5)，内活塞杆(3)上沿周向设有多道槽道，该多道槽道内设置0形橡胶圈(7)，内活塞杆(3)与外活塞杆(2)之间通过0形橡胶圈(7)密封接触；在内活塞杆(3)与外活塞杆(2)发生相对运动时，通过0形橡胶圈(7)产生的摩擦力，内活塞杆(3)能够带动外活塞杆(2)伸出；
外活塞杆(2)上沿周向设有多道槽道，该多道槽道内设置0形橡胶圈，外活塞杆(2)与活塞筒(1)之间通过0形橡胶圈(7)密封接触；
封头(6)一端连接活塞筒(1)，在作动装置转运贮存过程中，封头(6)另一端安装保护帽(9)；在使用时，将安装保护帽(9)取下，在封头(6)另一端上安装火工品,驱动作动装置工作；
钢球(5)，能够作用于上面级载荷支架上，实现航天运载器整流罩旋抛分离。
2.根据权利要求1所述的一种适用于整流罩旋抛的变力线长行程作动装置，其特征在于：活塞筒(1)的一端靠近钢球(5)，另一端与封头(6)的一端螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的一种适用于整流罩旋抛的变力线长行程作动装置，其特征在于：封头(6)为筒状；封头(6)内设置中空环形隔片；中空环形隔片与封头(6)的中心轴线垂直；
空环形隔片将封头(6)分成两端，封头(6)一端设有内螺纹，与活塞筒(1)的另一端上的外螺纹能够螺纹连接；封头(6)的另一端设有内螺纹，能够与保护帽(9)或火工品连接。
4.根据权利要求1所述的一种适用于整流罩旋抛的变力线长行程作动装置，其特征在于：还包括：密封垫片(8)；密封垫片(8)位于活塞筒(1)的另一端与封头(6)的中空环形隔片之间，密封垫片(8)中心设有通气孔。
5.根据权利要求1所述的一种适用于整流罩旋抛的变力线长行程作动装置，其特征在于：保护帽(9)用于作动装置中转贮存过程中的密封和保护，当作动装置箭上安装时，需将保护帽(9)取下，在封(6)上安装相关火工品驱动作动装置工作，同时火工品(9)与整流罩载荷支架进行连接，连接形式为球窝/球头结构。
6.根据权利要求1所述的一种适用于整流罩旋抛的变力线长行程作动装置，其特征在于：作动装置工作方式为：火工品工作产生的高温高压气体作用内活塞杆(3)内部，驱动内活塞杆(3)向前运动，同时，外活塞杆(2)在火工品产生的高压气体和内活塞杆(3)运动摩擦力的共同作用下也向前运动，直至内活塞杆(3)和外活塞杆(2)共同运动到位。
7.根据权利要求1所述的一种适用于整流罩旋抛的变力线长行程作动装置，其特征在于：外活塞杆(2)一端靠近钢球(5)，另一端的端部设有限位凸起，防止从活塞筒(1)脱出。
8.根据权利要求1所述的一种适用于整流罩旋抛的变力线长行程作动装置，其特征在于：内活塞杆(3)一端靠近钢球(5)，另一端的端部设有限位凸起，防止从外活塞杆(2)脱出。
9.根据权利要求1所述的一种适用于整流罩旋抛的变力线长行程作动装置，其特征在于：内活塞杆(3)和外活塞杆(2)共同运动到位后，由于作动装置的密封性设计，短时间内腔内仍然存在较大气压，支撑作动装置始终处于展开状态；在作动装置工作过程中，钢球(5)作用于整流罩载荷支架上，作动装置形位不断变化，推力作用线也跟随变化。
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