专利名称：直推式火工螺母及其工作方法
技术领域：
航天领域，适用于航天器机构释放装置。
背景技术：
释放装置就是解除原先连接关系或紧固约束的装置，从而为展开或分离做好准备。目前实现航天器机构释放功能的装置主要采用火工装置，火工装置是利用火药燃烧或爆炸产生的能量来实现释放功能，主要由起爆器和功能组件组成。目前常用的火工装置主要包括爆炸螺栓、火工螺母、切割器、火工锁，其中爆炸螺栓、切割器和火工锁释放时均需要很大的分离力，因此要采用较大的爆炸能，释放时造成的冲击较大。而火工螺母释放时所需分离力较小，可以有效缓和分离冲击，因此在航天器释放装置中广泛应用。火工螺母一般用分成两半的开合螺母与连接螺栓连接，通过燃气作用打开螺母而释放螺栓与螺母之间的连接关系。参照《航天器结构与机构》一书中给出的较常用的套筒式火工螺母和活塞式火工螺母，两者功能组件中均包含两个推动组件，其中第一个推动组件首先通过燃气推动解除开合螺母的径向位移约束，第二个推动组件则随后通过燃气推动将开合螺母胀开，从而实现螺母与连接螺栓之间的脱开。火工螺母作为释放装置，其能否正常工作将直接影响到整个航天发射任务的成败，因此对其工作可靠性要求极高。由于常用的套筒式火工螺母和活塞式火工螺母均含有两个推动组件，故其结构以及做功过程相对复杂，导致研制成本和结构重量上升，同时也不利于提高装置的工作可靠性。
发明内容
目前常用的套筒式和活塞式火工螺母功能组件中均包括了两个推动组件，两个推动组件分别实现解除开合螺母径向约束和开合螺母的胀开。同一火工螺母中包括两个或多个推动组件会增加火工螺母结构的复杂度和研制成本，更为重要的是降低了释放装置工作的可靠性。为降低火工螺母结构复杂度和研制成本，提高工作可靠性，有必要对只含有单个推动组件的火工螺母设计方案进行研究，即只通过单个推动组件的推动作用实现解除开合螺母径向位移约束及胀开开合螺母的最终目的。本产品为一新型火工螺母，只含有一个推动组件，该火工螺母与螺栓配合后用于固定或释放被连接件，其特征在于该直推式火工螺母由前端到后端依次包括起爆器、功能组合体，两者之间通过对接口密封对接；上述功能组合体最外层为壳体，壳体内部由前向后依次包括弧面活塞、套筒、开合螺母、弧面螺套和固定环；上述开合螺母由上下两瓣带螺纹的衬块组成，衬块外侧具有凸台，且凸台上带有剪切凸块；衬块两端面均具有内切斜面，工作过程中分别与弧面活塞、弧面螺套的弧面切合，在燃气推力作用下胀开开合螺母；上述套筒位于壳体和开合螺母之间，套筒的内侧具有凸台，通过与开合螺母外侧的凸台相配合将两个衬块套住，衬块再将螺栓夹住，实现被连接件之间的连接；另外，套筒内侧的内凸台上具有与开合螺母上的剪切凸块配合的剪切凹槽；上述固定环通过螺纹套住并固定壳体的后端，固定环环向打有多个螺栓孔，通过螺钉固定于被连接件一侧。根据上述的直推式火工螺母的工作方法，其特征在于包括以下过程
a)、连接状态连接状态下，弧面活塞位于壳体与起爆器的对接口端，螺栓受拉伸载荷的作用；该状态下，套筒内侧的凸台将开合螺母外侧的凸台套住，为开合螺母的两瓣衬块提供径向位移约束，从而将螺栓夹住，弧面螺套与衬块内切斜面切合为开合螺母提供拉伸载荷的支反力；而开合螺母衬块上的剪切凸块也与套筒的剪切凹槽相配合，从而为开合螺母提供环向位移约束；综上所述，在连接状态下，火工螺母壳体内部的各组件处于压紧状态， 其位移自由度均已被约束。b)、释放过程起爆器接收到起爆信号后开始工作，其产生的高压燃气通过起爆器与壳体的对接口进入壳体内部；高压燃气进入壳体内部后最先作用于弧面活塞，进而直接对与之接触的套筒产生向后的推力；在推力作用下，套筒上的剪切凹槽将开合螺母的剪切凸块冲断，弧面活塞和套筒沿推力方向的位移约束被解除；弧面活塞和套筒在推力作用下向后部移动，移动一定距离后，套筒内侧的凸台与开合螺母外侧的凸台错位，套筒对开合螺母衬块的径向位移约束被解除，而此时弧面活塞的弧面也刚好与开合螺母一端的内切斜面切合；开合螺母两端的内切面分别与弧面活塞、弧面螺套的弧面切合，在推力作用下，径向位移约束已解除的开合螺母衬块被两端弧面胀开，螺栓被松开，进而实现被连接件的释放。该火工螺母设计方案相比较之前常用的各型号火工螺母更为简捷、直观。首先，新方案可以有效降低火工螺母的结构复杂度，减少组件数量；其次，新方案火工螺母的工作过程简单、直接，可以进一步提高释放装置的工作可靠性；最后，通过简化组件，使得新方案火工螺母的结构重量较以往方案有所下降，可以实现航天器结构减重，进而提高运载效率。
图1是本发明的立体示意图； 图2是本发明的立体分离示意图； 图3是本发明的正视图4是套筒与开合螺母配合示意图； 图5是发明连接状态下的剖视图； 图6是开合螺栓径向约束解除状态下的剖视图； 图7是开合螺栓胀开状态下的剖视附图中标号名称1.起爆器，2.壳体，3.弧面活塞，4.套筒，5.开合螺母，6.弧面螺套， 7.固定环，8.被连接件，9.连接螺栓，10.剪切凸块，11.剪切凹槽。
具体实施例方式参照图2，本发明火工螺母组件的装配顺序依次为 2 — 3 — 4 — 5 — 6 — 7 — 8 — 9—1。其中壳体内表面与弧面活塞外表面之间通过密封圈密封，防止燃气外漏；开合螺母通过剪切凸块与套筒上的剪切凹槽配合定位(见图4)；连接螺栓与开合螺母之间、壳体和固定环之间以及起爆器与壳体之间均通过螺纹连接；固定环通过螺钉与被连接件连接。除被连接件外，火工螺母其它组件均采用高强钢制作。
图5为火エ螺母的连接状态，该状态下连接螺栓受拉载荷作用。弧面活塞两侧的接触面分别与壳体底部以及套筒接触；套筒右端凸台为开合螺母提供径向位移约束， 并通过剪切凹槽与开合螺栓上的剪切凸块的配合防止开合螺栓发生横向滑移(见图4)；开合螺母右侧与弧面螺套接触，由于其径向自由度已被套筒约束，因此不会发生胀开。综上所述，在连接状态下，火エ螺母壳体内部的各组件均处于压紧状态，其位移自由度均已被约束ο图6为火エ螺母释放过程的第一阶段。该阶段中，起爆器接收到起爆信号开始エ 作，其产生的燃气在瞬间对弧面活塞产生很大的推动力，在推动力作用下开合螺母上的剪切凸块被套筒冲断，弧面活塞和套筒的横向位移约束被解除，燃气推动弧面活塞和套筒右移，当套筒移动一定距离后，套筒对开合螺母径向位移的约束被完全解除，此时弧面活塞右部的弧面部分已与开合螺母左端内斜斜面切合。图7为火エ螺母释放过程的第二阶段。通过第一阶段的工作，火エ螺母的弧面活塞和套筒的横向自由度以及开合螺母的径向自由度已被完全释放，弧面活塞的弧面部分已与开合螺母内切斜面切合。第二阶段，弧面活塞在燃气推动下继续右移，开合螺母在左侧弧面活塞和右侧弧面螺套弧面的挤压作用下胀开，开合螺母与连接螺栓之间的脱开实现了两个被连接件之间的连接释放。
权利要求
1.一种直推式火工螺母，与螺栓(9)配合后用于固定或释放被连接件(8)，其特征在于该直推式火工螺母由前端到后端依次包括起爆器(1)、功能组合体，两者之间通过对接口密封对接；上述功能组合体最外层为壳体(2)，壳体(2)内部由前向后依次包括弧面活塞(3)、套筒(4)、开合螺母(5)、弧面螺套(6)和固定环(7);上述开合螺母(5)由上下两瓣带螺纹的衬块组成，衬块外侧具有凸台，且凸台上带有剪切凸块(10);衬块两端面均具有内切斜面，工作过程中分别与弧面活塞(3)、弧面螺套(6) 的弧面切合，在燃气推力作用下胀开开合螺母；上述套筒(4)位于壳体(2)和开合螺母(5)之间，套筒的内侧具有凸台，通过与开合螺母外侧的凸台相配合将两个衬块套住，衬块再将螺栓(9 )夹住，实现被连接件(8 )之间的连接；另外，套筒内侧的内凸台上具有与开合螺母上的剪切凸块(10)配合的剪切凹槽(11);上述固定环(7)通过螺纹套住并固定壳体(2)的后端，固定环环向打有多个螺栓孔，通过螺钉固定于被连接件(8) —侧。
2.根据权利要求1所述的直推式火工螺母的工作方法，其特征在于包括以下过程 a)、连接状态连接状态下，弧面活塞(3)位于壳体(2)与起爆器(1)的对接口端，螺栓(9)受拉伸载荷的作用；该状态下，套筒(4)内侧的凸台将开合螺母(5)外侧的凸台套住，为开合螺母的两瓣衬块提供径向位移约束，从而将螺栓夹住，弧面螺套(6)与衬块内切斜面切合为开合螺母提供拉伸载荷的支反力；而开合螺母衬块上的剪切凸块(10)也与套筒的剪切凹槽(11) 相配合，从而为开合螺母提供环向位移约束；综上所述，在连接状态下，火工螺母壳体内部的各组件处于压紧状态，其位移自由度均已被约束； b)、释放过程起爆器(1)接收到起爆信号后开始工作，其产生的高压燃气通过起爆器(1)与壳体(2) 的对接口进入壳体内部；高压燃气进入壳体(2)内部后最先作用于弧面活塞(3)，进而直接对与之接触的套筒 (4)产生向后的推力；在推力作用下，套筒(4)上的剪切凹槽(11)将开合螺母(5)的剪切凸块(10)冲断，弧面活塞(3)和套筒沿推力方向的位移约束被解除；弧面活塞(1)和套筒(4)在推力作用下向后部移动，移动一定距离后，套筒内侧的凸台与开合螺母(5)外侧的凸台错位，套筒对开合螺母衬块的径向位移约束被解除，而此时弧面活塞(3)的弧面也刚好与开合螺母一端的内切斜面切合；开合螺母(5)两端的内切面分别与弧面活塞(3)、弧面螺套(6)的弧面切合，在推力作用下，径向位移约束已解除的开合螺母衬块被两端弧面胀开，螺栓(9)被松开，进而实现被连接件(8)的释放。
全文摘要
本产品为一种直推式火工螺母及其工作方法，属于航天领域。它由头部到尾部依此包括起爆器(1)、壳体(2)、弧面活塞(3)、套筒(4)、开合螺母(5)、弧面螺套(6)、固定环(7)、被连接件(8)、连接螺栓(9)。其中起爆器(1)和连接螺栓(9)均可采用现有标准产品。相比较目前航天领域常用的各型号火工螺母，该型号火工螺母重量轻、构造简单，分离释放过程直接、可靠。在实际工程应用中，使用该型号火工螺母可以有效降低结构重量，减少研制成本，提高结构连接和释放的可靠性。
文档编号F16B37/10GK102589367SQ20121000416
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月9日 优先权日2012年1月9日
发明者陈佳, 黄盛 申请人:南京航空航天大学