一种民用火箭的活塞式回收装置

技术领域

本发明涉及民用火箭领域，具体是一种用于增雨防雹火箭的活塞式回收装置。

背景技术

民用火箭种类很多，主要分类为气象相关使用以及近地空间探索，如气象火箭、增雨防雹火箭、探空火箭等。气象火箭将科学仪器送入低于120km的高空，探测大气温度、压力、密度和流动速度，以预测气象变化；增雨防雹火箭可将炸药送到有冰雹的云层中爆炸，消除冰雹或减轻雹灾，或将催化剂送入降雨云中，进行人工降雨；探空火箭可用于近地空间的大气数据探测，建立中高层大气模式，为航天器发射和返回提供保障，此外还广泛应用与微重力科学实验，可以提供一个高真空、强振动、大过载等各种空间飞行环境条件，为空间科学论证提供新型有效载荷及其新技术、新器件、新材料飞行验证的机会。

以增雨防雹火箭为例，主要结构分为尾翼、动力系统、点火系统、焰剂播撒系统以及回收装置。接受到点火信号时，火箭发动机点火装置点火，将推进剂点燃，火箭升空，焰剂延时点火装置和回收装置点火装置也同时点火，两者延时时间不同，焰剂先被点燃在空中播撒，播撒结束后回收装置的降落伞打开，带动弹体缓慢落地。回收装置的作用时为了降低火箭残骸的着陆速度，减少零部组件破坏，以便回收再利用，同时降低着陆时对人员生命和财产的损失。

传统民用火箭回收装置的开伞方式为气体压力推动活塞和降落伞筒壳体直接破坏薄弱结构从而完成开伞动作，该方式会有相对较高的失败率。

目前一般增雨防雹火箭的回收装置开伞原理分为两种，活塞式开伞机构和切割索式开伞机构，前者使用较多，该机构原理为火药燃烧产生的压力推动活塞向前运动，活塞直接撞击降落伞筒壳体向前运动，由于降落伞相对降落伞筒壳体静止而被抛出，最后打开降落伞。活塞直接与降落伞筒壳体接触作用可能导致降落伞筒结构发生变形，造成降落伞筒无法成功推出或降落伞无法打开，约有2％～5％失败的概率，会导致火箭弹体无法减缓降落速度，造成零部组件的无法回收且对人员生命构成威胁。

发明内容

为克服现有技术中存在的开伞中有相对较高的失败率的不足，本发明提出了一种民用火箭的活塞式回收装置。

提高传统技术中开伞动作的可靠性，本发明提供了一种民用火箭活塞式回收装置。

本发明包括头罩、剪切销钉、降落伞筒、降落伞、剪切板、剪切筒、活塞、壳体和底座。其中：所述剪切板的一个端面与所述头罩内端小外径段的端面贴合。所述壳体位于该头罩与底座之间，并使该壳体一端的插接段与所述头罩内端小外径段的外圆周表面插接后通过四个剪切销钉固连；所述壳体插接段的内圆周表面与所述剪切板的外圆周表面贴合。所述壳体的另一端与底座的外圆周表面插接并通过销钉固连。所述剪切筒位于该壳体内，并使该剪切筒一端的端面与剪切板的一个端面贴合，该剪切筒另一端的端面与活塞的内端面贴合。该剪切筒的外径与所述壳体的最小内径相同，该剪切筒的内径略大于降落伞筒的外径。所述活塞位于该壳体内，并使该活塞的外圆周表面与所述壳体的内圆周表面滑动配合；该活塞的外端面与所述底座的内端面贴合，并且在该活塞与所述底座配合的端面中心有凹槽，当该活塞底座配合后，在二者配合端面之间形成了压力腔。在该活塞的中心有用于安装集绳块的通孔。该压力腔后方的梯形横截面环形凹槽为开伞点火药的装填槽，与位于该底座上的两个点火线穿孔连通；所述装填槽内有1g开伞点火药。所述底座的外端的内孔通过螺纹外接焰剂播撒系统装置。

所述点火药为HY-5黑火药。该点火药的装填量m通过气体状态方程确定：

其中：P为点火压强；V为压力腔初始容积；M为黑火药平均分子质量；R为理想气体常数，R＝8.31441J/mol.K；T为压力腔的初始温度，T＝298k。

所述点火压强P由破坏销钉的最小压强决定；该最小压强通过销钉数量尺寸和其材料的剪切强度按常规方法确定。

所述剪切销钉采用低碳钢制成，直径为1.2mm。

所述降落伞筒安放在该剪切筒内，降落伞安放在该降落伞筒内。所述降落伞的伞绳均规定在集绳块上。该集绳块位于该剪切筒内，并固定在活塞上。在该头罩内有牵引绳，并使该牵引绳的一端穿过所述剪切板的中心孔，与所述降落伞筒固连，使该牵引绳的另一端与牵引绳螺栓上的套环固定连接；所述牵引绳螺栓固定在头罩前端的凸块上。

所述头罩的前端为抛物面。在该头罩前端内表面有用于安装螺栓的凸块。该头罩后端端面为阶梯状，形成了连接所述壳体插接段。该插接段的外径与所述壳体前端的内径相同。在该插接段上分布有4个径向的剪切销钉安装孔。

所述剪切板为圆形板状，其中一个表面为中间轴向凸出的凸面，在另一个表面形成了与所述降落伞筒前端外形相适应的凹面。在该剪切板的中心有用于穿过牵引绳的过孔。该剪切板的外径与所述头罩插接段外径相同。

所述壳体的内圆周表面与所述活塞的外圆周表面滑动配合，作为该活塞工作时的滑动段。在该壳体靠近所述头罩一端有与剪切筒密封配合的连接段，该连接段的内径与剪切筒的外径相同。所述滑动段与连接段之间由不同内径产生的阶梯差的端面为所述活塞的限位面。所述壳体与所述头罩连接一端的端面为阶梯状，形成了与该头罩端面配合的阶梯面；该阶梯的大内径段与该头罩的小外径相同，该阶梯的小内径段与该剪切板的外径相同。所述滑动段的长度为150mm，内径与活塞的外径相同。

所述底座内端面有环形凹槽。在该底座外端面的中心有中心凹槽；该凹槽槽口处有用于连接焰剂播撒系统的螺纹。在该底座上有对称的分布两个点火导线穿孔，并使该导线孔将所述环形凹槽与所述中心凹槽贯通；所述点火线穿孔的中心线平行于该底座的中心线。所述底座的外圆周表面为阶梯面，其小外径段的外径与所述壳体的内径相同，大外径段的外径与该壳体的外径相同。

所述集绳块包括块体和连接杆；该连接杆位于所述块体外端面中心。在该块体的圆周表面有多个径向的通孔，用于将所述降落伞的伞绳分别传入各通孔内。所述连接杆为螺纹杆，其外径与所述活塞的螺纹通孔同径。

本发明是在传统回收结构中加入剪切筒活塞结构作为过度，利用物理的机械结构提高破坏成功率。该结构由头罩、剪切销钉、降落伞筒、降落伞、剪切筒、伞绳、活塞、壳体、回收底座等部分组成，通过活塞推进结构、降落伞筒对降落伞的约束结构、两侧开槽的降落伞筒结构和头罩的螺栓紧固等结构保证回收装置能可靠工作。

本发明的工作原理为位于系统底座的点火装置在接收点火信号后被点燃，产生的点火压力推动活塞向头部方向运动，活塞结构中的剪切筒在活塞的作用下做相同运动，剪切筒推动剪切板带动头罩使头罩和壳体产生相对位移，连接两者之间的剪切销钉被破坏，头罩分离打开，头罩内的伞绳拉动降落伞筒中的降落伞脱离壳体，完成开伞动作。

与一般民用火箭的回收装置对比，本发明的优点在于活塞与降落伞筒壳体没有直接的相互作用，能够保证降落伞筒在被推出前结构完好。打开方式由破坏结构薄弱部位转变为破坏剪切销钉，当点火药产生推力大于销钉的剪切强度时，头罩便能可靠打开。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为剪切板的结构示意图；其中，图2a是主视图，图2b是侧视图。

图3为剪切筒的结构示意图。

图4为活塞的结构示意图；其中，图4a是主视图，图4b是侧视图。

图5为底座的结构示意图；其中，图5a是主视图，图5b是侧视图。

图中：1.头罩；2.剪切销钉；3.降落伞筒；4.剪切筒；5.壳体；6.活塞；7.底座；8. 牵引绳；9.剪切板；10.集绳块；11.压力腔；12.点火线穿孔；13.降落伞。

具体实施方式

本实施例是一种用于增雨防雹火箭的活塞式回收装置，该装置的长度为405mm，最大直径为82mm。

所述增雨防雹火箭活塞式回收装置包括头罩1、剪切销钉2降落伞筒3、降落伞 13、剪切板9、剪切筒4、活塞6、壳体5和底座7。其中：所述剪切板9的一个端面与所述头罩1内端小外径段的端面贴合。所述壳体5位于该头罩1与底座7之间，并使该壳体一端的插接段与所述头罩内端小外径段的外圆周表面插接后通过四个剪切销钉2固连；所述壳体插接段的内圆周表面与所述剪切板的外圆周表面贴合。所述壳体的另一端与底座7的外圆周表面插接并通过销钉固连。所述剪切筒4位于该壳体内，并使该剪切筒一端的端面与所述剪切板的一个端面贴合，该剪切筒另一端的端面与活塞6的内端面贴合。所述活塞位于该壳体内，并使该活塞的外圆周表面与所述壳体的内圆周表面滑动配合；该活塞的外端面与所述底座7的内端面贴合，并且在该活塞外端面与底座内端面之间形成了压力腔11。该压力腔后方的梯形横截面环形凹槽为开伞点火药的装填槽，与位于该底座上的两个点火线穿孔12连通；所述装填槽内有1g开伞点火药；所述开伞点火药采用HY-5黑火药。所述底座的外端的内孔通过螺纹外接焰剂播撒系统装置。

该点火药的装填量m通过气体状态方程确定：

其中：P为点火压强；V为压力腔初始容积；M为黑火药平均分子质量；R为理想气体常数，R＝8.31441J/mol.k；T为压力腔的初始温度，T＝298k。

所述点火压强P由破坏销钉的最小压强决定；该最小压强通过销钉数量尺寸和其材料的剪切强度，通过常规方法确定。

当销钉材料选用低碳钢、直径为1.2mm，数量为4时，通过所述气体状态方程估算所需点火药药量约为1.6g。最终通过试验确定点火药药量。

所述降落伞筒3安放在该剪切筒4内，降落伞13安放在该降落伞筒内。所述降落伞的伞绳均规定在集绳块10上。该集绳块位于该剪切筒内，并通过螺栓固定在活塞6 上。在该头罩1内有牵引绳8，并使该牵引绳的一端穿过所述剪切板的中心孔，与所述降落伞筒3固连，使该牵引绳的另一端与牵引绳螺栓上的套环固定连接；所述牵引绳螺栓固定在头罩前端的凸块上。

所述头罩1为壳体状。该头罩的前端为抛物面。在该头罩内前端的表面有用于安装螺栓的凸块。该头罩后端端面为阶梯状，形成了连接所述壳体5插接段。该插接段的外径与所述壳体前端的内径相同。在该插接段上分布有4个径向的剪切销钉安装孔。

所述剪切板9为圆形板状，其中一个表面为中间轴向凸出的凸面，在另一个表面形成了与所述降落伞筒3前端外形相适应的凹面。在该剪切板的中心有用于穿过牵引绳的过孔。该剪切板的外径与所述头罩1插接段外径相同。

所述壳体5为薄壁筒状。该壳体内圆周表面与所述活塞6的外圆周表面滑动配合，作为该活塞工作时的滑动段。在该壳体靠近所述头罩1一端有与剪切筒4密封配合的连接段，该连接段的内径与剪切筒4的外径相同。所述滑动段与连接段之间由不同内径产生的阶梯差的端面为所述活塞的限位面。所述滑动段的长度为150mm，内径与活塞6的外径相同。所述壳体与所述头罩1连接一端的端面为阶梯状，形成了与该头罩端面配合的阶梯面；该阶梯的大内径段与该头罩1的小外径相同，该阶梯的小内径段与该剪切板9的外径相同。

所述底座7为回转体。在该底座内端面有环形凹槽。在该底座外端面的中心有中心凹槽；该凹槽槽口处有用于连接焰剂播撒系统的螺纹。在该底座上有对称的分布两个点火导线穿孔12，并使该导线孔将所述环形凹槽与所述中心凹槽贯通；所述点火线穿孔的中心线平行于该底座的中心线。所述底座的外圆周表面为阶梯面，其小外径段的外径与所述壳体5的内径相同，大外径段的外径与该壳体的外径相同。

所述活塞6为回转体。该活塞的外径与所述壳体5的内径相同。在该活塞与所述底座7配合的端面中心有凹槽，当该活塞底座配合后，在二者配合端面之间形成了压力腔11。在该活塞的中心有用于安装集绳块10的螺纹通孔。

所述集绳块10包括块体和连接杆；该连接杆位于所述块体外端面中心。在该块体的圆周表面有多个径向的通孔，用于将所述降落伞13的伞绳分别传入各通孔内。所述连接杆为螺纹杆，其外径与所述活塞6的螺纹通孔同径。

所述剪切筒4为薄壁筒状。该剪切筒的外径与所述壳体的最小内径相同，该剪切筒的内径略大于所述降落伞筒3的外径。

为了验证本发明的实施效果，进行了8次地面开伞点火试验，以改进本发明的技术方案和验证本发明的技术效果。

试验时使用销钉数量范围为2～8，点火药量范围为1～2g。

第一次试验，头罩上安装8个剪切销钉，开伞点火药量1g，结果头罩未被推出，分析原因为开伞药量较低或剪切销钉数量较多。

第二次试验，在第一次试验基础上，剪切销钉数量不变，开伞点火药量增为2g，头罩及降落伞被顺利推出，但是降落伞筒、活塞出现不同程度裂缝或断裂，分析原因为点火压强较大。

第三次试验，与第二次试验条件相同，试验时头罩打开，但头罩拉绳滑出。试验结果是头罩、降落伞筒、剪切筒脱离降落伞筒飞出，降落伞未打开。

第四次试验，在前面几次试验的基础上将剪切销钉调整为4个，开伞药量调整1g，头罩拉绳紧固。试验结果是头罩及降落伞被顺利推出，降落伞从降落伞筒中顺利脱出，头罩拉绳连接牢固，头罩、降落伞筒、剪切筒通过头罩拉绳完好的连接在活塞上，降落伞筒、活塞无裂纹或断裂等现象。

重复所述第四次试验四遍，在与第四次试验相同的状态下均开伞成功，各零件也未出现损坏现象，验证了调整后结构的可靠性。