一种面向重复使用火箭的变刚度阻尼支撑机构的制作方法

1.本发明涉及一种面向重复使用火箭的变刚度阻尼支撑机构，用于提高重复使用火箭整流罩和舱段结构在再入返回过程中的结构刚度，并提供阻尼降冲击效果，增加火箭结构保持完整性的能力。


背景技术：

2.运载火箭的重复使用化是降低发射成本、提高发射频率和建立常态化进入空间能力的重要途径，同时提高落区可用性也是减少运载火箭飞行弹道设计约束的重要因素，提高落区安全性的同时也能提高火箭的运载能力，运载火箭无损回收与重复使用技术探索和实践，能够带动航天技术的探索发展。
3.火箭整流罩结构以及部分舱段结构再入过程会经历分离、真空平稳段、最大动压翻滚变形段、姿态稳定段等阶段，由于分离后的火箭整流罩结构以及部分舱段结构为开敞性结构，具有重量轻、刚度低等特点，且面积大，受大气层气动阻力作用明显。因此容易受分离振动以及外部激励产生呼吸效应等大变形，在经历反复大变形后结构易产生塑性变形和疲劳断裂，造成结构发生破坏。
4.重复使用火箭整流罩结构以及部分舱段结构需设计相关结构和机构提高结构的整体刚度，可从两方面入手，一方面可采用蜂窝夹芯/复材蒙皮夹层结构，在保证轻质化的前提下提高整体刚度，缺点是制造工艺复杂、成本高、合格率低；另一方面是在结构内部增加支撑机构，形成盒状闭式结构。由于在主任务阶段整流罩结构以及舱段结构内部需给有效载荷留出足够的安装空间和分离安全空间，因此可采用可展机构，主任务阶段处于折叠状态，让出有效载荷空间。在火箭部段分离后内部机构展开形成支撑，提高刚度。除提高刚度外，火箭整流罩结构以及舱段结构在分离时会收到分离弹簧、爆炸螺栓等分离装置的冲击，在真空段即产生大变形，需要支撑机构具备提供阻尼的能力、降低冲击并使变形运动衰减。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种面向重复使用火箭的变刚度阻尼支撑机构，在满足在重复使用火箭整流罩和舱段结构安装的几何外形尺寸和接口要求的基础上，折叠状态能够紧贴舱段结构内壁减小对空间的占用，确保有效载荷安装空间和分离裕度，展开后提升整流罩等结构的刚度/强度，并能对结构的往复变形提供阻尼作用，令振动衰减，保护箭体结构安全和完整性。
6.本发明解决技术的方案是：
7.一种面向重复使用火箭的变刚度阻尼支撑机构，包括摆臂组件、支撑杆组件、伸缩弯梁组件和安装座组件，
8.摆臂组件包括摆臂接头和摆臂，摆臂两端与摆臂接头固连形成摆臂组件，摆臂组件一端的摆臂接头与安装座相连，另一端的摆臂接头同时连接支撑杆和伸缩弯梁；
9.安装座组件包括安装座和弹簧片，全套支撑机构呈收缩状态时，弹簧片处于受压状态，机构需展开时，外设锁定装置对摆臂的锁定解除，摆臂在弹簧片的作用下绕安装座转动，带动弯梁收缩升高和支撑杆伸长升高；
10.支撑杆组件包括支撑杆接头、支撑杆内筒和支撑杆外筒，支撑杆内筒和支撑杆外筒套接，支撑杆组件一端的支撑杆接头与摆臂组件铰接，另一端的支撑杆接头与安装在壳段或整流罩内的安装座铰接；摆臂转动带动支撑杆升高，支撑杆内筒和支撑杆外筒产生相对移动，支撑杆整体伸长；
11.伸缩弯梁组件包括弯梁、弯梁套筒、弯梁接头、锁定块、弹簧、锁盒、摩擦块和碟簧，
12.弯梁包括弯梁头部和弯梁尾部，中间为弯曲的结构件；
13.锁盒安装在弯梁套筒的表面，将锁定块和弹簧依次安装进锁盒内部并盖上锁盒的盖板，然后将碟簧成组套接到摩擦块的导向柱上，并将摩擦块的导向柱插入弯梁套筒对应位置的通孔内，外弯梁套筒的另一侧将螺母与导向柱定位并螺接，在弯梁套筒的一端安装弯梁接头，另一端插入弯梁，形成伸缩弯梁组件。
14.进一步的，当两侧摆臂转动带动伸缩的弯梁升高，弯梁逐渐沿弯梁套筒移动并伸入到套筒内部，使伸缩弯梁组件进行收缩。
15.进一步的，收缩状态下摆臂、支撑杆和伸缩弯梁组件均紧贴于圆柱壳型的壳段或整流罩内表面，降低占据火箭内部空间。
16.进一步的，需要展开时外部约束接触，两侧的摆臂组件在驱动源作用下转动展开，带动中间的伸缩弯梁收缩并升高，同时带动支撑杆伸长并转动升高，机构展开到位时伸缩弯梁实现锁定，形成的杆系结构能够在壳段和整流罩内部形成支撑，提高结构整体刚度。
17.进一步的，锁定块对弯梁形成锁定，使弯梁运动到位后无法回弹，此时弯梁向前的运动被摩擦块阻碍。
18.进一步的，摩擦块为一长方体块状结构，上表面具有三个长圆柱形状导向柱，导向柱能够插入弯梁套筒上相对应位置的通孔。
19.进一步的，摩擦块与弯梁套筒之间成组安装碟簧，通过导向柱的导向作用使摩擦块受压后能与弯梁套筒相对移动。
20.进一步的，弯梁向前移动时，弯梁头部的斜面会与摩擦块下表面的斜面接触，二者产生相对移动并在接触面上发生滑动摩擦，在斜面接触作用下弯梁头部挤压使摩擦块压缩碟簧并向上移动，弯梁向前的移动量越多对摩擦块和碟簧的挤压量越大，形成的反向压力和摩擦力也越大。
21.进一步的，弯梁组件的两端分别与壳段或整流罩两侧的摆臂接头和支撑杆接头铰接。
22.进一步的，伸缩弯梁组件收缩至弯梁头部触碰到锁定块时，弯梁头部顶开锁定块，其后锁定块在弹簧作用下完成对弯梁的锁定，同时完成对全套机构的锁定，使全套机构形成杆系结构对壳段或整流罩结构形成内部支撑。
23.本发明与现有技术相比的有益效果是：
24.(1)本发明折叠状态能够紧贴舱段结构内壁减小对空间的占用，确保有效载荷安装空间和分离裕度。展开后提升整流罩等结构的刚度/强度，并能对结构的往复变形提供阻尼作用，令振动衰减，保护箭体结构安全和完整性；
25.(2)本发明在满足在重复使用火箭整流罩和舱段结构安装的几何外形尺寸和接口要求的基础上，不改变壳段或整流罩等火箭结构的原本结构形式，采用运动机构的形式增加结构整体刚度；
26.(3)本发明火箭壳段或整流罩的往复变形使得弯梁和摩擦块之间产生反复的摩擦接触和脱离，通过摩擦作用对火箭壳段或整流罩结构的振动产生摩擦阻尼，使振动能量耗散，减小振动量级，从而保护火箭结构的安全。
附图说明
27.图1为机构组成
‑
收缩状态示意图；
28.其中，1
‑
摆臂组件，2
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支撑杆组件，3
‑
伸缩弯梁组件，4
‑
安装座组件；
29.图2为机构组成
‑
展开状态示意图；
30.图3为机构安装于整流罩内
‑
收缩状态示意图；
31.图4为机构安装于整流罩内
‑
展开状态示意图；
32.图5为摆臂组件示意图；
33.其中，1
‑
1摆臂接头、1
‑
2摆臂；
34.图6为安装座组件示意图；
35.其中，4
‑
1安装座、4
‑
2弹簧片；
36.图7为支撑杆组件示意图；
37.其中，2
‑
1支撑杆接头、2
‑
2支撑杆内筒、2
‑
3支撑杆外筒；
38.图8为伸缩弯梁组件
‑
伸长状态示意图；
39.其中，3
‑
1弯梁，3
‑
2弯梁套筒，3
‑
3弯梁接头，3
‑
4锁定块，3
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5弹簧，3
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6锁盒，3
‑
7摩擦块，3
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8碟簧；
40.图9为伸缩弯梁组件
‑
收缩状态示意图。
具体实施方式
41.下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
42.一种面向重复使用火箭的变刚度阻尼支撑机构，包括摆臂组件1、支撑杆组件2、伸缩弯梁组件3、安装座组件4，其收缩状态如图1所示、展开状态如图2所示。收缩状态下摆臂、支撑杆和伸缩弯梁组件均紧贴于圆柱壳型的壳段或整流罩内表面，降低占据火箭内部空间。需要展开时外部约束接触，两侧的摆臂组件在驱动源作用下转动展开，带动中间的伸缩弯梁收缩并升高，同时带动支撑杆伸长并转动升高。机构展开到位时伸缩弯梁实现锁定，形成的杆系结构能够在壳段和整流罩内部形成支撑，提高结构整体刚度。
43.图3为机构安装于整流罩内
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收缩状态，图4为机构安装于整流罩内
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展开状态。
44.图5为摆臂组件，由摆臂接头1
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1、摆臂1
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2组成。摆臂两端与摆臂接头固连形成摆臂组件，其一端与安装座相连，另一端同时连接支撑杆和伸缩弯梁。
45.图6为安装座组件，由安装座4
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1和弹簧片4
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2组成，全套支撑机构呈收缩状态时，弹簧片处于受压状态。机构需展开时，外设锁定装置对摆臂的锁定解除，摆臂在弹簧片的作用下绕安装座转动，带动弯梁收缩升高和支撑杆伸长升高，是整套机构的主动件。
46.图7为支撑杆组件，由支撑杆接头2
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1，支撑杆内筒2
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2，支撑杆外筒2
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3组成。支撑
杆组件内外筒套接，其一端与摆臂组件铰接，另一端与安装在壳段或整流罩内的安装座铰接。摆臂转动能带动支撑杆升高，其内外筒产生相对移动，支撑杆整体伸长。
47.图8为伸缩弯梁组件
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伸长状态，由弯梁3
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1，弯梁套筒3
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2，弯梁接头3
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3，锁定块3
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4，弹簧3
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5，锁盒3
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6，摩擦块3
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7，碟簧3
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8等组成。当两侧摆臂转动带动伸缩弯梁升高，弯梁逐渐沿弯梁套筒移动并伸入到套筒内部，使弯梁组件进行收缩。在弯梁组件收缩至弯梁头部触碰到锁定块时，弯梁头部顶开锁定块，其后锁定块在弹簧作用下完成对弯梁的锁定，也完成对全套机构的锁定，使全套机构形成杆系结构对壳段或整流罩结构形成内部支撑，提高整体刚度。
48.锁定块对弯梁形成锁定，使弯梁运动到位后无法回弹，此时弯梁向前的运动被摩擦块阻碍。摩擦块为一长方体块状结构，上表面具有三个长圆柱形状导向柱，导向柱能够插入弯梁套筒上相对应位置的通孔，摩擦块与弯梁套筒之间成组安装碟簧，通过导向柱的导向作用使摩擦块受压后能与弯梁套筒相对移动。
49.如图9所示，弯梁向前移动时，弯梁头部的斜面会与摩擦块下表面的斜面接触，二者产生相对移动并在接触面上发生滑动摩擦，在斜面接触作用下弯梁头部挤压使摩擦块压缩碟簧并向上移动，弯梁向前的移动量越多对摩擦块和碟簧的挤压量越大，形成的反向压力和摩擦力也越大。
50.该设计的作用是当全套支撑机构完成锁定后对火箭壳段或整流罩结构产生的弹性变形和振动起到模量耗散作用，火箭壳段或整流罩结构产生的弹性变形会带动弯梁和弯梁套筒之间产生相对运动，弯梁的反向运动被锁定块阻挡，其向前的运动会使得弯梁头部斜面和摩擦块斜面之间产生相对摩擦，且弯梁向前的运动量越大摩擦力也越大，火箭壳段或整流罩的往复变形使得弯梁和摩擦块之间产生反复的摩擦接触和脱离，通过摩擦作用对火箭壳段或整流罩结构的振动产生摩擦阻尼，使振动能量耗散，减小振动量级，从而保护火箭结构的安全。
51.本发明优点在于：在满足在重复使用火箭整流罩和舱段结构安装的几何外形尺寸和接口要求的基础上，不改变壳段或整流罩等火箭结构的原本结构形式，采用运动机构的形式增加结构整体刚度。折叠状态能够紧贴舱段结构内壁减小对空间的占用，确保有效载荷安装空间和分离裕度。展开后提升整流罩等结构的刚度/强度，并能对结构的往复变形提供阻尼作用，令振动衰减，保护箭体结构安全和完整性。
52.本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。