一种大口径低温推进剂飞行中快速断开接头的制作方法

本发明涉及及航天推进系统流体连接与分离，更具体的说是涉及一种大口径低温推进剂飞行中快速断开接头。

背景技术：

1、可重复使用运载火箭的一种典型构型中，外挂回收模块通过大口径低温输送管路从芯级贮箱接收推进剂；分离时须在承力结构解锁前可靠断开管路，且两侧均不得泄漏低温推进剂。该场景对接头的要求为：飞行中主动断开、低温双介质、大口径大流量、多接头成组同步、毫秒级动作响应、断开后双侧零泄漏、且可反复插拔复用。

2、围绕上述需求，现有技术主要存在以下四条路线：

3、（1）地面发射台低温加注脐带连接器。用于发射台向火箭加注低温推进剂，起飞时随起飞动作被动脱落并自封，低温密封技术成熟。但其脱落动作由火箭离台被动触发，连接器不承担飞行载荷，不考核箭上振动环境，不要求毫秒级主动作动及多接头成组同步，与飞行中分离工况完全不同。

4、（2）弹药/导弹领域快速断开接头。用于导弹级间分离、外挂副油箱抛弃等场合，具有飞行中主动分离的动作特征。但其为常温单介质（液压油、冷气等），不涉及液氧等低温强氧化介质；口径小（一般数十毫米以下），无大口径下密封比压分布、冰粘附加脱开力等尺度效应问题；一次性使用，不涉及反复插拔复用；且为单点断开，无多接头成组同步设计。

5、（3）航天器在轨加注/对接接头。具备对接-锁紧-密封-断开复用功能。但其为空间低速、近似零相对速度的准静态对接，推进剂传输压力低、流量小，断开动作无毫秒级时间约束，不经受运载火箭主动段大过载与宽频随机振动环境。

6、（4）工业自封式快换接头。阴阳接头本体配合双侧弹簧自封阀、钢球锁紧套为该类产品的公知结构，插合时双侧阀芯互顶开启、拔脱时弹簧自封。但其为常温工况设计，密封体系为常温弹性体（丁腈橡胶、聚氨酯等），不具备低温密封能力，不经受液氧（-183℃）低温循环及液氧相容性约束；单点断开，无多接头成组毫秒级同步作动设计；钢球锁紧按地面手工插拔工况设计，未经飞行振动环境下的锁紧保持与指令解锁双重考核。

7、综上，现有四类技术各自只能满足部分要求，尚无任何现有技术能够同时满足上述场景对接头的使用要求。

8、因此，研究出一种能满足在运载火箭飞行过程中，按分离指令快速断开低温推进剂大口径输送管路，并在断开瞬间实现断开处两侧的自动密封；在断开前的全程飞行振动与低温环境下可靠锁紧、防意外松脱，且可反复插拔复用的快速断开接头是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种能满足在运载火箭飞行过程中，按分离指令快速断开低温推进剂大口径输送管路，并在断开瞬间实现断开处两侧的自动密封；在断开前的全程飞行振动与低温环境下可靠锁紧、防意外松脱，且可反复插拔复用的快速断开接头。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种大口径低温推进剂飞行中快速断开接头，包括：

4、插座，所述插座安装于待分离两载体中的一者上，所述插座内设有第一阀芯、第一阀杆以及第一弹性件，所述第一弹性件向所述插座的插合方向偏压所述第一阀芯；所述第一阀杆沿所述插座的轴线方向布置，且与所述第一阀芯连接；

5、插头，所述插头安装于待分离两载体中的另一者上，所述插头内设有第二阀芯、第二阀杆以及第二弹性件，所述第二弹性件向所述插头的插合方向偏压所述第二阀芯；所述第二阀杆沿所述插头的轴线方向布置，且与所述第二阀芯连接；所述插头与所述插座沿轴线插合配合，并在插合状态下形成连通两载体低温推进剂管路的输送通道；所述第一阀芯与所述第二阀芯沿插合轴线相对设置；所述第一阀杆与所述第二阀杆沿插合轴线相对设置；

6、所述插座与插头插合时，所述第一阀杆与所述第二阀杆先接触，并顶紧，同时带动所述第一阀芯与所述第二阀芯克服各自弹性件的偏压力同步位移至开启位置，使所述输送通道贯通；所述插座与插头分离时，所述第一阀杆与所述第二阀杆分离，所述第一弹性件与所述第二弹性件分别驱动所述第一阀芯与所述第二阀芯位移至关闭位置，使所述插座侧与所述插头侧各自截止密封；

7、锁紧机构，所述锁紧机构设置于所述插座与所述插头的连接处，具有锁紧状态与解锁状态；

8、解锁机构，所述解锁机构设置于所述插座与所述插头的连接处，与所述锁紧机构联动设置，被触发时将所述锁紧机构由锁紧状态切换至解锁状态；

9、密封组件，设置于所述插座与所述插头的插合对接面上，包括至少两道沿轴向间隔布置的密封圈。

10、优选的，所述密封组件中至少一道所述密封圈为金属密封圈，其余所述密封圈为与低温推进剂相容的非金属密封圈。

11、优选的，所述金属密封圈与所述非金属密封圈之间设有检漏腔，所述检漏腔开设于所述插座的内部，且所述插座的壳体上设有与所述检漏腔连通的检漏接口。

12、优选的，所述锁紧机构包括锁紧套和锁紧件；所述锁紧套滑动地套装于所述插座或插头的外周；多个所述锁紧件沿周向分布于所述锁紧套的内侧；所述插头的外壁设有锁槽，所述锁紧套将所述锁紧件压入所述锁槽内，所述插座和插头处于锁紧状态。

13、优选的，所述锁槽内具有锥面，在外力作用下，所述锁紧件与所述锁槽内的锥面接触并压紧。

14、优选的，还包括保险销，所述保险销设置于所述锁紧套与所述插座的壳体之间，对所述锁紧套的轴向移动构成限位。

15、优选的，所述解锁机构包括设置于所述插座壳体内部的活塞腔、设置于所述活塞腔内的活塞及与所述活塞腔连通的压力介质入口；所述压力介质入口接入压力介质时，所述活塞驱动所述锁紧套由锁紧状态切换至解锁状态；所述锁紧套的内侧壁开设有解锁时供所述锁紧件置入的释放槽。

16、优选的，所述锁紧机构还包括锁紧弹簧，所述锁紧弹簧的一端与所述插座连接，另一端与所述锁紧套连接；所述活塞通过所述锁紧弹簧与所述锁紧套传动配合。

17、优选的，快速断开接头还包括分离弹性件，所述分离弹性件设置于所述插座与所述插头插接部位，所述分离弹性件的一端与所述插头连接，另一端在所述锁紧机构切换至解锁状态时提供推力，驱动所述插座与插头轴向分离。

18、优选的，快速断开接头设有多个，且多个所述快速断开接头成组设置于同一分离界面；各所述快速断开接头的解锁机构经同一供压管路连通，所述供压管路自压力源至各所述解锁机构的流路长度相等，以使各所述快速断开接头同步解锁。

19、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种大口径低温推进剂飞行中快速断开接头，其有益效果为：

20、（1）本发明通过在插座内设置第一阀芯、第一阀杆及第一弹性件，在插头内设置第二阀芯、第二阀杆及第二弹性件，并使两阀杆沿插合轴线相对布置，插合时两阀杆先接触并互顶开启、脱开时弹性件强制阀芯回位关闭的结构，实现了脱开瞬间插座侧与插头侧各自的自动密封、零泄漏；

21、（2）本发明通过设置锁紧套和锁紧件，配合锁槽内的锥面，使轴向分离载荷经锥面分解后转化为增大锁紧件与锁槽之间正压力的分力，实现“越振越紧”的自锁效果，从机理上解决了大口径接头在全程飞行振动环境下保持锁紧的难题；保险销对锁紧套的轴向移动构成第二道机械限位，提供独立于主锁的冗余防松保障，满足载人航天级安全可靠性要求；锁紧套内侧壁开设释放槽，使解锁时锁紧件有明确的容置空间，避免卡滞；

22、（3）本发明通过设置活塞腔、活塞及压力介质入口构成解锁机构，配合锁紧弹簧实现活塞与锁紧套的传动联动，解锁时高压气体推动活塞带动锁紧套后退释放锁紧件，锁紧弹簧在解锁时进一步蓄能、解锁完成后复位，实现解锁-脱开动作链总时间小于50ms，满足飞行中分离时序窗口要求；分离弹性件提供机械脱开力，在气源失效时仍可完成脱开，构成气动+弹簧双能源冗余；

23、（4）本发明通过设置金属密封圈作为主密封、非金属密封圈作为备份密封的双道冗余密封结构，金属密封圈采用低热膨胀系数合金基材保证-183℃低温循环下密封比压稳定、软金属镀层填充微观不平度降低密封比压，非金属密封圈按介质相容性选取，解决了液氧工况下普通弹性体密封禁用、单一金属密封在低温下比压衰减的双重难题；两道密封之间设置检漏腔及检漏接口，使每道密封的泄漏情况可独立检测，便于地面维护与故障定位；

24、（5）本发明通过将多个接头成组设置于同一分离界面，各接头的解锁机构经同一供压管路连通且流路长度相等，实现压力波同时到达各接头，使多个大口径接头在飞行中同步解锁、同步脱开；各接头独立配置分离弹性件作为备份，任一接头气路作动异常时仍可被拉开，且双侧自密封保证零泄漏；

25、（6）本发明接头可反复插拔（寿命不低于50次），重复使用，交付前可100%进行插拔功能测试与氦检漏，翻修仅需更换密封件，单次飞行接头消耗成本较一次性切割方案降低一个数量级以上。