一种低冲击大承载堆栈式多星锁紧释放机构及其工作方法

1.本发明属于航天器结构技术领域，具体涉及一种低冲击大承载堆栈式多星锁紧释放机构及其工作方法。


背景技术：

2.随着空间探测，网络技术的发展，卫星应用的拓展。多星组网技术发展迅速，传统的一箭一星发射形式在发射成本、组网效率、经济时效性等方面都难以满足现状。今年国内外快速发展一箭多星发射技术，以实现快速组网目的。一箭多星技术是将多个卫星同时送入指定轨道，快速完成卫星入轨组网，适用于星座快速组网部署任务需求。
3.传统多星发射方式，卫星布局多采用外挂中心圆筒适配器或多星并列式，造成火箭空间利用率减小；而另一种通过堆栈堆叠卫星的方式越来越普遍，该结构是将多颗相同卫星通过承力柱堆叠在一起，可以极大的提高火箭整流罩利用率，节约了发射成本。
4.连接与分离释放技术是航天运载技术领域的一项关键技术，特别是对于多星连接与分离模式更是至关重要。传统的星间锁紧主要由包带式、点式星间解锁分离，较多采用火工解锁分离形式，火工分离存在安全性差、冲击载荷大、起爆后产生污染物等问题，传统的解锁分离难以满足现在的多星分离形式，因此，低冲击、大承载、节能环保、分离同步性好等技术要求已成为新的发展方向。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于提供一种无污染、低冲击、大承载、安全可靠、分离同步性好、可重复检测使用的非火工锁紧释放机构用于新形式的可堆叠卫星锁紧释放。
6.本发明是这样实现的：
7.一种低冲击大承载堆栈式多星锁紧释放装置，该装置用于将若干个卫星星体层层堆叠后形成的卫星组合体进行锁紧和释放；包括堆叠卫星底板、锁紧释放机构、压紧杆和卫星本体；所述卫星本体包括安装在卫星星体侧面的承力柱，当卫星组合体安装在堆叠卫星底板上时，各卫星星体的承力柱连接在一起；两根压紧杆设置在连接后的承力柱两侧并沿卫星组合体轴线方向施加压力用于锁紧卫星组合体，压紧杆与堆叠卫星底板之间安装锁紧释放机构。
8.进一步，所述的锁紧释放机构包括外壳、下滑块支撑座、下滑块、记忆合金丝、复位弹簧、夹持座、上滑块、第一分离螺母、第二分离螺母、第二驱动弹簧、卡箍和螺钉；所述外壳、下滑块支撑座、夹持座与堆叠卫星底板固定连接；所述下滑块支撑座安装在外壳内腔底部，夹持座安装在外壳内腔中部；下滑块安装在下滑块支撑座内，并通过沿轴线上下移动完成释放和锁紧动作；所述记忆合金丝穿过下滑块的u型内槽，且两端固定于夹持座上；所述复位弹簧固定在下滑块凸台与夹持座限位槽之间；解锁时通过通电使记忆合金丝收缩，拉动下滑块克服复位弹簧的压紧力向上运动；下滑块上部延伸至上滑块的内腔中并可沿其该内腔滑动，上滑块与下滑块之间通过第一释放结构连接，上滑块顶端面与外壳内腔顶壁之
间通过第二驱动弹簧连接，上滑块与夹持座之间通过台阶面限位；螺钉从外壳顶端开孔中深入其内腔并穿过夹持座，螺钉位于外壳内部的螺纹段和位于螺纹段两侧组合在一起的第一分离螺母、第二分离螺母螺旋连接，第一分离螺母和第二分离螺母由夹持座限制轴向位移，螺钉底端与夹持座抵接；第一分离螺母、第二分离螺母与上滑块内壁之间通过第二释放结构连接；螺钉位于外壳外部的一段与压紧杆通过连接机构连接用于锁紧及释放压紧杆。
9.进一步，所述连接机构是在螺钉位于外壳以上部位安装卡箍，卡箍下端面与外壳上端面间安装第一驱动弹簧；在压紧杆接近底端处设有侧向的凸台，凸台上设有通孔，螺钉安装时穿过该通孔，且在安装卡箍后，利用卡箍和螺钉帽两端面间，并在第一驱动弹簧的作用下锁紧压紧杆上的凸台。
10.进一步，所述第一释放结构包括第一下滚柱和第二下滚柱，两者对称安装在下滑块与上滑块之间的滑行槽内，所述上滑块通过两端面中间的半圆形凸台和外壳内壁两端的半圆形凹槽相互配合安装，用于限制上滑块的径向运动，上滑块下端弧形槽与第一下滚柱、第二下滚柱相互配合，用于约束上滑块轴向运动；当下滑块向上运动时，第一下滚柱和第二下滚柱向内滚入下滑块滑行槽内的收敛段时，上滑块解锁向下滑动。
11.进一步，所述第二释放结构包括第一上滚柱、第二上滚柱、第三上滚柱、第四上滚柱；所述第三上滚柱、第四上滚柱安装在夹持座上部滑行槽内；所述第一上滚柱、第二上滚柱安装在夹持座中部滑行槽内，四个上滚柱都与上滑块内壁面接触；所述第一上滚柱、第三上滚柱与第一分离螺母外壁面的凹槽配合，用于限制第一分离螺母的径向运动；所述第二上滚柱、第四上滚柱与第二分离螺母外壁面的凹槽配合，用于限制第二分离螺母的径向运动；当上滑块向下滑动时，四个上滚柱落入上滑块内壁面对应设置的凹槽内，第一分离螺母与第二分离螺母沿径向分离，不再与螺钉的螺纹段啮合，螺钉在第一驱动弹簧作用下沿轴向解锁。
12.进一步，在螺钉与夹持座之间还设有助分锥台，助分锥台通过碟簧安装在夹持座中部限位槽内；助分锥台的外锥台面与第一分离螺母与第二分离螺母底端的内锥台面配合。
13.进一步，所述压紧杆顶端还设有预紧力机构，用于拉紧卫星组合体保证平稳；所述预紧力机构包括压紧头、预紧力压头、弹簧套筒、第三弹簧、平衡板和螺母；所述压紧头下端为圆锥凸台，上端固定在预紧力压头下，通过左右两侧通孔分别穿过一根压紧杆使得圆锥凸台与承力柱配合；所述两个弹簧套筒分别安装在预紧力压头两侧的安装孔中并与预紧力压头固定连接，第三弹簧安装在弹簧套筒内，所述平衡板上设有两个对应预紧力压头安装孔的插入管，压紧杆穿过弹簧套筒及插入管，压紧杆顶端通过螺母与压紧杆的螺纹配合锁紧。
14.进一步，在两根压紧杆之间跨接有压紧杆加强环，在压紧杆加强环内端面上设有压紧杆推杆机构用于完成压紧杆向外分离动作；压紧杆推杆机构包括推杆底座、推杆外壳、推杆弹簧、滚珠、端盖和推杆；所述推杆底座固定安装在指定压紧杆加强环内端面；所述推杆外壳固定于推杆底座上，所述推杆穿过推杆外壳上的通孔进行伸缩运动；所述推杆弹簧固定于推杆后端凸台与推杆底座上端凸台之间；所述滚珠安装于推杆前端球形凹槽内，通过端盖与推杆间的螺纹配合约束轴向运动。
15.进一步，可堆叠卫星堆叠形式是以堆栈式层层堆叠多层卫星，卫星星体尺寸都一
致，所述星体采用平板式结构，单层采用两颗星体并列，承力柱采用公母头形式，上端凹槽下端凸台，每个星体采用三个承力柱构成三角形稳定受力形式，其中两颗星体交界处的承力柱采用上下两截形式组合。
16.此外，本发明还提供了该低冲击大承载堆栈式多星锁紧释放装置的工作方法，其包括以下步骤：
17.步骤1锁紧过程：所述锁紧释放机构锁紧状态时，下滑块受复位弹簧作用，限制轴向运动进行锁紧；所述上滑块在第一驱动弹簧作用下，通过挤压第一下滚柱和第二下滚柱，受挤压的第一下滚柱、第二下滚柱对下滑块产生径向力，限制上滑块的轴向运动，进行锁紧；所述第一分离螺母与第二分离螺母通过上滑块挤压第一上滚柱、第二上滚柱、第三上滚柱、第四上滚柱产生的径向力进行锁紧；所述螺钉在第一分离螺母、第二分离螺母锁紧状态下通过螺纹连接锁紧；
18.步骤2释放过程：所述锁紧释放机构释放时，所述记忆合金丝通电加热，产生收缩变形，带动下滑块上移；所述第一下滚柱和第二下滚柱在下滑块上移时，受上滑块的挤压产生径向运动，滑动至下滑块圆形凹槽的收敛段内，解除上滑块的轴向约束；所述上滑块在第一驱动弹簧作用下向下移动；所述第一上滚柱、第二上滚柱、第三上滚柱、第四上滚柱在第一分离螺母、第二分离螺母的作用力下，产生径向运动，运动至上滑块内壁半圆形凹槽内，解除对第一分离螺母和第二分离螺母的径向约束；所述第一分离螺母与第二分离螺母通过助分锥台和夹持座上的圆锥凸台相互作用，完成分离解锁动作；所述螺钉在第二驱动弹簧作用下，带动卡箍起向上分离运动完成解锁释放；
19.步骤3推杆过程：所述压紧杆推杆机构锁紧时，推杆内缩使推杆弹簧处于压缩状态，固定于推杆端部的滚珠与承力柱紧密接触；当压紧杆推杆机构释放时，压紧杆解锁分离，弹簧复位推动推杆与滚珠轴向运动，完成压紧杆的外移。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果：
21.1、本发明研制新型的卫星结构，采用了堆栈式堆叠形式，大大提够火箭空间利用率，降低发射成本。
22.2、本发明摒弃传统的中心圆筒适配器形式，采用公母头承力柱形式进行承力，结构简单可靠，通用性高、方便卫星分离。
23.3、本发明采用记忆合金为驱动元件，提供一种新型非火工解锁分离装置，具备无污染、冲击载荷小，承载大、解锁时间短、可靠性高等特点。
24.4、本发明采用碟簧作为分离螺母分离主动力，夹持座设计锥面凸台与分离螺母配合为辅助分离力，两者共同作用，具有行程短、载荷大、冲击载荷小、稳定性好、占有空间小、分离可靠性高等优点。
25.5、本发明分离螺母上下两端面均为圆锥孔，分离过程中与助分锥台和夹持座锥面凸台通过力传递，产生径向分离，有助于分离螺母分离。
26.6、本发明预紧力机构通过挤压弹簧形式进行力传递，实现预紧力软接触提供形式，防止硬接触破坏卫星本体结构，同时具备可调节性。
附图说明
27.图1是本发明中可堆叠卫星锁紧状态整体示意图，
28.图2是本发明中可堆叠卫星解锁状态整体示意图，
29.图3是本发明中可堆叠卫星单星结构示意图，
30.图4是本发明中可堆叠卫星单层卫星堆叠形式示意图，
31.图5是本发明中压紧杆结构示意图，
32.图6是本发明中压紧杆结构底部局部放大示意图，
33.图7是本发明中锁紧释放机构锁紧状态结构示意图，
34.图8是本发明中助分结构局部放大示意图，
35.图9是本发明中锁紧释放机构释放状态结构示意图，
36.图10是本发明中夹持座结构示意图，
37.图11是本发明中夹持座结构正视图示意图，
38.图12是本发明中预紧力机构结构示意图，
39.图13是本发明中压紧杆推杆机构锁紧状态结构示意图，
40.图14是本发明中压紧杆推杆机构释放状态结构示意图.
具体实施方式
41.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚，明确，详细的说明，此处所描述的具体实施仅用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
42.如说明书附图中的图1～4所示，本发明一种基于星座组网的低冲击大承载堆栈式多星锁紧释放机构，其堆叠形式为堆栈形式的层层堆叠，星体401采用平板式结构，单层并排两颗卫星，每层星体通过安装在星体401侧面的承力柱402配合进行堆叠，承力柱结构402采用公母头形式，上端凹槽下端凸台，单星承力采用三点承力形式，将三个承力柱402分别固定于星体401侧面，在并排两颗星体401交界处的承力柱402采用上下两截形式组合在一起，构成三角形稳定受力形式以用于卫星承力，每层星体按照同样形式组装堆叠后形成卫星组合体。在卫星组合体的每一个承力柱402组合的两侧分别有一根压紧杆200，这两根压紧杆200之间跨接有压紧杆加强环201，在两根压紧杆200顶端设有预紧力机构500用于拉紧卫星组合体保证平稳；在压紧杆加强环201内端面上设有压紧杆推杆机构300用于完成压紧杆200向外分离动作；在每根压紧杆200与堆叠卫星底板1之间安装锁紧释放机构100。通过锁紧释放机构100拉紧压紧杆200对卫星组合体进行压紧固定，解锁时通过锁紧释放机构100分离和压紧杆推杆机构300共同作用将压紧杆200向外弹飞，进行解锁分离。
43.如附图5～6所示，本发明中的压紧杆200装置，在两根压紧杆200接近顶部位置跨接有压紧杆加强环201，在每根压紧杆200接近底端处设有侧向的凸台，凸台上设有通孔，通孔用于穿过锁紧释放装置100中的螺钉121；通过与位于压紧杆200底部的锁紧释放机构100和位于压紧杆200顶部的预紧力机构500连接，对堆叠卫星进行拉紧固定，使卫星发射阶段不发生分离，保证整体系统的平稳性、安全性。
44.如附图7～11所示，本发明中的锁紧释放装置100，主要包括外壳101、下滑块支撑座102、下滑块103、第一下滚柱104、第二下滚柱105、记忆合金丝106、复位弹簧107、夹持座108、上滑块109、第一上滚柱110、第二上滚柱111、第三上滚柱112、第四上滚柱113、第一分离螺母114、第二分离螺母115、助分锥台116、碟簧117、第一驱动弹簧118、第二驱动弹簧119、卡箍120、螺钉121。其中外壳101、下滑块支撑座102、夹持座108均与底板1固定连接，记
忆合金丝106穿过下滑块103中的u型内槽，且两端固定于夹持座108上，下滑块103安装在下滑块支撑座102内，复位弹簧107固定在下滑块103凸台与夹持座108限位槽之间，第一下滚柱104和第二下滚柱105安装在夹持座108下部滑行槽内，介于下滑块103与上滑块109之间，上滑块109通过两端面中间的半圆形凸台和夹持座108内壁两端的半圆形凹槽相互配合安装，第一驱动弹簧118固定在上滑块109上端伸出管与外壳之间，第三上滚柱112、第四上滚柱113安装在夹持座108上部滑行槽内，第一上滚柱110、第二上滚柱111安装在夹持座108中部滑行槽内，第一分离螺母114与第二分离螺母115安装在夹持座108之间，第一上滚柱110、第三上滚柱112、第二上滚柱111、第四上滚柱113分别与第一分离螺母114凹槽、第二分离螺母115凹槽配合。螺钉121穿过压紧杆200底部通孔，通过卡箍120连接固定，与第一分离螺母114和第二分离螺母115进行螺纹配合，助分锥台116安装在夹持座108中部限位槽内，两者之间安装碟簧117。
45.如附图12所示，本发明中的预紧力机构500，主要包括压紧头501、预紧力压头502、弹簧套筒503、弹簧504、平衡板505、螺母506，压紧头501下端为圆锥凸台，上端通过螺钉固定在预紧力压头502下，通过两端通孔穿过压紧杆200使得圆锥凸台与承力柱402配合，弹簧套筒503与预紧力压头502通过螺纹配合固定，弹簧504安装在弹簧套筒503内，平衡板505安装与弹簧套筒503内穿过压紧杆200，通过螺母506与压紧杆200的螺纹配合锁紧。
46.如附图13～14所示，本发明中的压紧杆推杆机构300，主要包括推杆底座301、推杆外壳302、推杆弹簧303、滚珠304、端盖305、推杆306，推杆底座301通过螺钉固定安装在压紧杆加200强环内端面上，推杆306穿过推杆外壳302上的通孔进行伸缩运动，推杆弹簧303固定于推杆306后端凸台与推杆底座301上端凸台之间，滚珠304安装于推杆306前端球形凹槽内，通过端盖305与推杆306间的螺纹配合约束轴向运动，推杆外壳302通过螺钉固定于推杆底座上。
47.本发明一种低冲击大承载堆栈式多星锁紧释放机构的工作过程包括以下两阶段：
48.1)堆叠卫星锁紧阶段：锁紧释放机构100锁紧状态时，下滑块103受复位弹簧107作用，限制轴向运动进行锁紧，上滑块109在第一驱动弹簧118作用下，通过挤压第一下滚柱104和第二下滚柱105，受挤压的第一下滚柱104、第二下滚柱105对下滑块103产生径向力，限制上滑块109的轴向运动，进行锁紧，第一分离螺母114与第二分离螺母115通过上滑块109挤压第一上滚柱110、第二上滚柱111、第三上滚柱112、第四上滚柱113产生的径向力进行锁紧，助分锥台116受第一分离螺母114和第二分离螺母115挤压，向下压缩碟簧117，螺钉121在第一分离螺母114、第二分离螺母115锁紧状态下通过螺纹连接锁紧，压紧杆200下端通过螺钉121和卡箍120进行固定，上端连接预紧力机构500，预紧力机构500通过拧紧螺母506使平衡板505向下挤压弹簧503，进而将弹簧504弹力传递与压紧头501，为可堆叠卫星提供预紧力，通过调节螺母506与压紧杆200旋合距离，调整堆叠卫星所需预紧力大小，进行拉紧稳固，压紧杆推杆机构300在锁紧时，推杆306内缩使推杆弹簧303处于压缩状态，固定于推杆306端部的滚珠304与承力柱402紧密接触。
49.2)堆叠卫星解锁阶段：锁紧释放机构100释放状态时，记忆合金丝106通电加热，产生收缩变形，带动下滑块103上移，第一下滚柱104和第二下滚柱105在下滑块103上移时，受上滑块109的挤压产生径向运动，滑动至下滑块103圆形凹槽内，解除上滑块109的轴向约束，上滑块109在第一驱动弹簧118作用下向下移动，第一上滚柱110、第二上滚柱111、第三
上滚柱112、第四上滚柱113在第一分离螺母114、第二分离螺母115的作用力下，产生径向运动，运动至上滑块109内壁半圆形凹槽内，解除对第一分离螺母114和第二分离螺母115的径向约束，第一分离螺母114与第二分离螺母115通过助分锥台116和夹持座108上的圆锥凸台相互作用，完成分离解锁动作，螺钉121在第二驱动弹簧119作用下，带动卡箍120及压紧杆200一起向上分离运动完成解锁释放，压紧杆200解锁分离后，压紧杆推杆机构300进行释放动作，弹簧303复位推动推杆306与滚珠304轴向运动，使压紧杆200外移完成全部分离过程。
50.以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。