一种解锁功能冗余的无多余物膨胀管分离装置和方法与流程

1.本发明属于宇航领域，涉及一种线式分离装置，特别涉及一种用于运载火箭级间及火箭和有效载荷间连接和分离的无多余物膨胀管分离装置和分离方法。


背景技术：

2.分离装置按结构形式可分为点式分离和线性分离两种。点式分离采用多个爆炸螺栓的串联结构作为分离装置，在国内已经经过了广泛的使用和考核，技术水平相当成熟，其单项产品的可靠性已经有很大提高，但当其应用在级间分离部位时需要多个产品共同工作，可靠性较低。采用线性分离装置将大大提高分离的可靠性、同步性并改变分离部段的受力环境。目前，线性分离装置已经得到了广泛地使用，其设计和制造水平经过历次成功飞行试验的考核，具有承载力强、连接刚度大等优点，采用线性分离装置是国内外设计选型上的发展趋势。
3.目前的膨胀管分离装置仅有一套扁平管组件，若扁平管没有正常膨胀，则分离板无法正常断开，分离失败，因此，设计具有冗余功能的膨胀管分离装置很有必要。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种解锁功能冗余的无多余物膨胀管分离装置，解决了现有膨胀管分离装置可靠性差的问题，本发明功能冗余的膨胀管分离装置有利于提高膨胀管分离装置可靠性，同时系留工作后的扁平管，保证不产生多余物。
5.为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种解锁功能冗余的无多余物膨胀管分离装置，包括炸药索，填充物，扁平管，分离板组和端框；
7.分离板组的组数≥1，每组分离板组包括2块相对设置的分离板；
8.分离板的一个表面设有削弱槽，另一表面设有第一臂板和第二臂板，第一臂板和第二臂板分别位于削弱槽的两侧；
9.分离板与端框固定连接，端框包括上端框和下端框，上端框和下端框分别连接运载火箭的相邻部段，或上端框和下端框分别连接有效载荷和运载火箭箭体；
10.扁平管为2个，分别记为第一扁平管和第二扁平管，2块相对设置的分离板的第一臂板与上端框之间形成容纳第一扁平管的腔体，2块相对设置的分离板的第二臂板与下端框之间形成容纳第二扁平管的腔体；
11.炸药索位于扁平管内部，炸药索和扁平管之间填充有填充物。
12.进一步的，记分离板设有削弱槽的表面为第一表面，另一表面为第二表面，分离板的第二表面设有向第一表面凹陷的第一月牙槽和第二月牙槽；
13.2块分离板的第一臂板、上端框下沿和2块分离板的第一月牙槽之间形成容纳第一扁平管的腔体，2块分离板的第二臂板、下端框上沿和2块分离板的第二月牙槽之间形成容纳第二扁平管的腔体。
14.进一步的，分离板的第二表面上，第一月牙槽的下端不低于第一臂板的设置位置，第一月牙槽的上端与上端框的下沿在所述第二表面上投影位置的距离≤2mm；第二月牙槽的上端不高于第二臂板的设置位置，第二月牙槽的下端与下端框的上沿在所述第二表面上的投影位置的距离≤2mm。
15.进一步的，月牙槽的深度为分离板厚度的一半。
16.进一步的，炸药索位于扁平管中心；
17.第一臂板的第一端和第二臂板的第一端分别连接于分离板的第二表面，2块分离板相对设置时，2个第一臂板的第二端之间形成正对第一扁平管的缝隙，2个第二臂板的第二端之间形成正对第二扁平管的缝隙。
18.进一步的，分离板第一臂板与第二臂板在垂直于分离板第二表面方向上的高度相等，记为la，扁平管长轴尺寸记为lb，满足：
19.0.43lb≤la≤0.47lb。
20.进一步的，第一臂板的第二端以及第二臂板的第二端均设有倒角；
21.所述倒角的角度为30～50
°
。
22.进一步的，当分离板组的组数＞1时，将每组分离板组包括的2块分离板分为两类，各组分离板组中的第一类分离板之间进行拼接，各组分离板组中的第二类分离板之间进行拼接；
23.扁平管的长轴方向垂直于分离板表面；
24.分离板为弧板结构，削弱槽为沿分离板周向布置的弧形槽；或分离板为平板结构，削弱槽为线性槽；
25.分离板与端框通过螺栓固定连接。
26.进一步的，以炸药索、填充物和扁平管的组合作为扁平管组件，扁平管组件输出给分离板的能量≥分离板在削弱槽处断裂所需能量；
27.扁平管组件的输出能量通过如下方法测试：
28.将扁平管组件置于一侧为铝合金，另一侧为铝蜂窝的测试装置中；
29.起爆炸药索，使扁平管组件对单侧铝蜂窝做功，测量铝蜂窝的压缩量l；
30.计算扁平管组件输出给铝蜂窝的能量es＝σs·
l，其中σs为铝蜂窝的屈服强度；
31.将es等效为扁平管组件输出给分离板的能量。
32.一种解锁功能冗余的无多余物膨胀管分离方法，采用上述解锁功能冗余的无多余物膨胀管分离装置实现，包括：
33.至少一个扁平管中的炸药索点燃时，分离板在削弱槽处发生断裂，第一扁平管和第二扁平管分别保留在第一臂板与上端框之间形成的腔体和第二臂板与下端框之间形成的腔体中。
34.本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
35.(1)本发明创新性的提出一种功能冗余的膨胀管分离装置，包括一个分离面和两组扁平管组件，任意一组扁平管组件工作均能实现结构分离,提高了膨胀管分离装置可靠性；
36.(2)本发明扁平管置于分离板的臂板与端框形成的腔体内，分离板断裂后仍可系留扁平管，不会产生多余物，无需单独设计系留装置；
37.(3)本发明通过在分离板上设置月牙槽，实现分离板上应力的合理分布，即在扁平管膨胀作用下，削弱槽处应力较大，其它部位应力较小，进一步提高了装置的可靠性；
38.(4)本发明利用铝蜂窝吸能对扁平管的能量输出进行定量等效，有利于优化扁平管组件的材料及结构，简化装置的设计方法，提高设计效率。
附图说明
39.图1为本发明一种解锁功能冗余的无多余物膨胀管分离装置结构示意图；
40.图2为本发明分离板结构示意图；
41.图3为本发明扁平管组件输出能量定量评估方法示意图；
42.其中，1-炸药索，2-填充物，3-扁平管，4-分离板，5-端框，6-螺栓；
43.41-削弱槽，42-臂板，43-月牙槽。
具体实施方式
44.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
45.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
46.如图1～3所示，本发明一种解锁功能冗余的无多余物膨胀管分离装置，包括一个分离面和两组扁平管组件，任意一组扁平管组件工作均能实现结构分离。具体的说，本发明分离装置包括炸药索1，填充物2，扁平管3，由两个相对设置的分离板4组成的分离板组和端框5，可选的还包括螺栓6。
47.可选的，炸药索1为铅皮炸药索。
48.可选的，分离板组的组数≥1；具体的说，本发明可以仅包含2块相对设置的分离板，也可以在运载火箭直径较大的情况下，采用多组分离板组进行拼接组合，比如，每组分离板组包括两块弧形板结构的分离板，多组每组分离板拼接后可以得到整体为环形的分离板，此时，将各组分离板组中的2块分离板分成两类，各组分离板组中的一类分离板拼接形成环形内分离板，另一类分离板拼接形成环形外分离板。
49.其中，可选的，如图2，分离板4包含削弱槽41，两个臂板42，臂板42用于固定扁平管3，分离板4竖边上开月牙槽43，月牙槽43为优化后的结构，能够保证削弱槽应力最大，其它部位应力最小。
50.可选的，月牙槽43开槽深度约为分离板4侧壁厚度的一半，即：
51.tf≈0.5t
52.以位于上方的月牙槽43为例，月牙槽43的下端靠近且不超过臂板，上端接近或可略超过上端框下沿。为防止分离板4的臂板42在作用过程中断裂，臂板42的长度不宜过长，需避开炸药索1正对的部位，设扁平管3的长轴尺寸为lb，则臂板高度尺寸la＝0.45lb左右，且在臂板42的端部需设置一个倒角，倒角的角度约为40
°
，设置倒角同样可以使壁板避开炸药索正对的位置。
53.端框5和分离板4通过螺栓6连接。扁平管3置于分离板4臂板和端框5间。端框5通过
螺栓与火箭其它部位相连。膨胀管-双凹槽板分离结构主要起着连接运载火箭相邻部段或连接运载火箭与有效载荷，并在分离时刻解锁的功能，具体的说：
54.连接功能：火箭箭体通过螺栓与端框5相连，端框5通过螺栓6与分离板4连接完成载荷的传递。
55.解锁功能：解锁时，扁平管3内的炸药索1被点燃，产生爆轰，扁平管3在内部爆轰作用下向外膨胀，作用于分离板4上，使得分离板4在其削弱槽41处断裂，完成分离。
56.可选的，在设计过程中为优化扁平管组件的尺寸及材料，并定量获得扁平管组件对外做功的能力，令扁平管膨胀对单侧铝蜂窝做功，利用铝蜂窝的压缩量定量衡量扁平管的做功能力，具体方法为：
57.如图3，将扁平管组件置于一侧高强铝合金，一侧铝蜂窝的装置中，起爆扁平管内的炸药索1，在扁平管3膨胀挤压作用下，铝蜂窝被压溃，测量铝蜂窝的压缩量l，乘以铝蜂窝的屈服强度σs，es＝σs·
l即为扁平管组件输出给铝蜂窝的能量。也近似为膨胀管分离装置中，扁平管组件输出给分离板4的能量。通过多次的等效测试方法，获得可使铝蜂窝压缩量最大的扁平管尺寸及填充物材料。上述测试方法采用操作简单成本较低的等效模型测试扁平管的能量输出，有利于优化扁平管结构，使得扁平管侧向输出的能量最多，且能够定量评估分离板消耗的能量。
58.本发明的设计以解锁功能冗余为理念，相对于传统的膨胀管-双凹槽板分离结构，该设计中有两组扁平管，任意一组扁平管工作均能实现结构的分离，分离后扁平管仍然被限制在分离板和端框之间，无需单独设计系留结构。。同时，在分离板上设置月牙形凹槽，最大限度的优化分离板上的应力分布。
59.本发明功能冗余的膨胀管分离装置可大大提高分离装置的分离可靠性。
60.膨胀管分离装置的作用过程为，仅一组扁平管工作时，扁平管膨胀，将分离板的臂板向外撑，削弱槽处受到向外的力，最终分离板在削弱槽处发生剪切为主的断裂。当两组扁平管均工作时，分离板同时受到两个臂板向外撑的力，分离板在削弱槽处发生拉伸为主的断裂。臂板向外张开的角度有限，断裂后扁平管仍然被系留在分离装置内。整环的分离板通过可通过锻件机加而成，也可通过多块分离板组合而成。
61.以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
62.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。