一种卧式非火工解锁器

技术领域

本发明涉及航天器解锁机构的技术领域，特别涉及一种可原位替代火工切割器的非火工解锁器。

背景技术

航天器发射过程中，太阳翼、天线等展开机构通常采用压紧释放装置锁紧在舱板上，入轨后借助火工切割器切断锁紧所用的螺杆、绳、索等连接件，从而触发解锁展开。可以说，切割器的使用可靠性直接关系到太阳翼、天线等机构能否进入正常状态，进而影响整个航天器项目的成败。

现有的最常用的火工切割分离技术的工作原理是：利用火工品爆炸产生的冲击力驱动铡刀移动，进而切断连接件触发解锁。此类产品的外形近似一个卧置的Y型结构，分叉端对称布置两个火工驱动源，主干段内部为铡刀移动的轨道，连接件从主干段端部的横向通孔穿过锁紧展开结构，需要解锁时，火工品点火爆燃，推动铡刀移动切断连接件，展开机构被释放。该技术发展成熟，典型的如Energetics Technology Ltd公司和航天科技七院692厂的火工切割器产品都得到了广泛的应用。

这种火工切割器的缺点在于：(1)火工品的工作是一次性的，地面展开测试过程中需要多次更换切割器，试验成本较高；(2)保管和使用需要遵守火工品管理规定，需专人专场地保存和管理；(3)分离过程冲击非常大，一般大于2000g，可能影响系统其他零部件的安全；(4)需要配备专用的大电流脉冲火工品电源，质量大，但完成解锁后，相关设备就无其他用处，经济性差。

发明内容

本发明针对现有火工切割器的不足，提供了一种非火工驱动的解锁器，其具有和火工切割器一样的机械接口、外形和承载能力，可以原位替代火工切割器，借助非火工元件和弹簧结构触发解锁并驱动连接件释放。该解锁器可重复使用、解锁冲击小、安全性高，能够大幅降低航天器的研制、测试成本。

本发明采用的技术方案为：一种卧式非火工解锁器。解锁器主体安装在航天器舱板上，利用长螺栓与展开结构相连，并由拼合的分瓣螺母锁紧，实现开展结构在舱板上的固定。总体上，该解锁器的可分为支撑单元、锁紧单元、触发单元、驱动单元和复位单元五个部分。

支撑单元的功能主要是为其他零件提供支撑和定位，具体由壳体、端盖、底盖、导向架等组成。壳体为管状结构，两端分别与端盖和底盖配合，导向架安装在壳体内腔，支撑单元的所有连接处均采用螺纹连接。

锁紧单元包括长螺栓、分瓣螺母和滑栓。其中分瓣螺母包括静瓣和动瓣，安装完成后，静瓣被壳体和端盖卡位保持不动，动瓣可在壳体内腔滑动；锁紧状态下，动瓣被滑栓顶紧，与静瓣拼合为完整的螺纹副，从而锁紧长螺栓，实现展开机构和舱体的连接。

触发单元采用非火工元件-钢球-活塞结构来触发解锁过程。锁紧状态下，钢球在滑栓、导向架、活塞之间保持平衡；需要解锁时，对非火工元件通电，驱动活塞沿导向架内腔移动，在活塞移动一定距离后，钢球失去平衡并掉入活塞上的梯形槽，滑栓的限位被解锁，从而触发解锁释放过程。

驱动单元设置在分瓣螺母之下，由分离弹簧和分离顶块组成。安装时，分离弹簧预压缩，其一端固定在静瓣上，另一端顶在分离顶块上；触发解锁后，滑栓失去限位，分离弹簧推动分离顶块移动，进而驱动动瓣和滑栓一起移动，分瓣螺母分离，长螺栓被释放。

复位单元在需要解锁器复位时安装，其包括复位顶杆、复位套、复位弹簧和调节螺柱。复位套为阶梯状的圆管状结构，小径段带外螺纹，大径段带内螺纹，复位套小径段从底盖的中心螺纹孔拧入壳体内腔；T型复位杆为传力元件，其穿过复位套小径段后伸入壳体内与活塞连接，为活塞的复位传递驱动力；复位弹簧安装在复位套大径段中，弹簧一端压紧复位顶杆，另一端由调节螺柱压紧。复位时，复位弹簧驱动复位顶杆进而推动活塞归位，复位完成。

进一步地，所述滑栓上设有复位孔，可插入金属杆或者类似工具，操作滑栓复位。

进一步地，所述壳体中部侧壁上对称设置两个通孔，通孔的位置与滑栓复位孔对应，为滑栓复位提供操作空间。

进一步地，所述滑栓的功能是对分瓣螺母的动瓣进行限位，根据实际使用需求，可以选择滑栓与动瓣直接接触的限位方式、也可以采用增加滚珠结构进行间接限位的方式。

进一步地，所述钢球的数量可以是2、3、4、5、6个，沿周向均匀布置，以确保受力平衡。所述导向架上圆孔的数量、所述活塞上梯形凹槽的数量与钢球数量一致。

进一步地，所述钢球存在两个平衡状态：一是锁紧状态下，钢球在滑栓凹槽、导向架圆孔、活塞之间保持平衡，称之为锁紧位平衡；二是解锁后，钢球在滑栓内壁面、导向架圆孔、活塞梯形槽之间保持平衡，称之为解锁位平衡。前者可确保解锁器稳定在锁紧状态直至通电触发解锁；后者可确保解锁器稳定在解锁状态直至进行复位操作。

进一步地，所述分离顶块为楔状结构，其纵向截面近似直角梯形，顶块的斜腰面与动瓣下缘的斜面配合。这种结构的分离顶块可改变分离弹簧提供的驱动力的作用方向，为动瓣提供平移分离的驱动力的同时，也提供纵向的压力，从而确保动瓣沿着壳体内腔的轨道移动，避免动瓣分离过程中发生倾斜进而卡死长螺栓的情况。

进一步地，所述调节螺柱的外螺纹与复位套大径段的内螺纹配合，控制调节螺柱在复位套中的拧入深度，可以调节复位弹簧的受压缩程度，进而改变复位驱动力的大小。

进一步地，所述非火工元件用于驱动活塞移动，解除刚球的锁紧位平衡状态，触发解锁过程。非火工元件可以采用SMA丝、电磁铁、石蜡、压电陶瓷、电机、气动等各种非火工方式来实现这一功能，根据具体使用场合选择。

进一步地，所述非火工元件采用SMA丝时，在壳体侧面设置斜孔连接走丝管、引线管等，SMA丝布置主、备两根，分别从活塞上的两个通孔穿过，平行布置在走丝管内，丝的两端固定在走丝管的外端面上，SMA丝的供电导线经引线管连接外部电源。

本发明的工作原理是：锁紧状态下，钢球在滑栓、导向架、活塞的共同作用下保持锁紧位平衡，滑栓被钢球限位，动瓣被滑栓顶紧与静瓣拼合；需要解锁时，对非火工元件通电，驱动动活塞移动，当活塞上的梯形槽达到导向架圆孔处时，钢球掉进梯形槽内，解除对滑栓的限位；动瓣在分离弹簧、分离顶块的作用下与静瓣分离，实现对长螺栓的释放；需要复位时，安装复位单元，调整调节螺柱使复位弹簧充分压缩，然后操作滑栓复位，解除钢球的解锁位平衡，从而触发解锁器进入复位过程，复位弹簧的弹性势能转化为动能，经复位顶杆推动活塞复位，直至钢球再次进入锁紧位平衡状态，复位完成。

本发明的有益效果表现在：本发明的解锁器具有与现有的火工切割器相同的机械接口、外形尺寸和承载能力，可对现有的火工切割器进行原位替代，在锁紧和解锁两个状态均能保持稳定，解锁冲击小，可重复使用，质量小，安全性高，经济性好。可用于实际飞行、也可用于在地面测试中替代火工切割器，能有效降低产品研制和测试的成本。

附图说明

图1为本发明第一实施方式的外观示意图；

图2为本发明第一实施方式的横向剖视图；

图3为本发明第一实施方式中，处于锁紧状态的纵向剖视图；

图4为本发明第一实施方式中，处于解锁状态的纵向剖视图；

图5为本发明第一实施方式中，滑栓复位孔的示意图；

图6为本发明第二实施方式的结构示意图；

图7为本发明第三实施方式的结构示意图。

附图标号说明：1.长螺栓；2.静瓣；3.动瓣；104.滑栓；105.壳体；6.活塞；7.钢球；8.主SMA丝；9.备SMA丝；10.分离弹簧；11.分离顶块；12.导向架；13.端盖；14底盖；15.复位顶杆；16.复位套；17.复位弹簧；18.调节螺柱；19.走丝管；20.引线管；21.护线套；22.导线；23.顶紧滚珠；204.滑栓；205.壳体；4-1.滑栓复位孔；5-1.通孔；304.滑栓；305.壳体；306.活塞；24电磁铁外壳；25.线圈；26.衔铁。

具体实施方式

本发明提供一种卧式非火工解锁器，包括支撑单元、锁紧单元、触发单元、驱动单元和复位单元。以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

基于本发明第一实施方式，如图1～图5所示。其外观与现有技术的火工切割器相同，呈卧置的Y型结构。

支撑单元由壳体105、端盖13、底盖14、导向架12、走丝管19、引线管20组成。壳体105近似管状结构，其中部设有安装法兰边，可与航天器舱体连接；壳体105左右两端分别与端盖13和底盖14配合，靠近右端的侧面上对称设置有两个斜孔，用于安装走丝管19，走丝管19的另一端连接引线管20，导向架12安装在壳体105的内腔。壳体105和端盖13、底盖14、导向架12、走丝管19的连接以及走丝管19和引线管20的连接，均为螺纹配合。

锁紧单元包括长螺栓1、滑栓104和分瓣螺母的静瓣2、动瓣3。安装完成后，静瓣2被壳体105和端盖13卡位保持不动，动瓣3可在壳体105的内腔中左右滑动；锁紧状态下，动瓣3被滑栓104向左顶紧，与静瓣3拼合为完整的螺纹副，从而锁紧长螺栓1。

触发单元包括活塞6、钢球7、主SMA丝8、备SMA丝9以及SMA通电用的导线22等。两根SMA丝从活塞6上的两个通孔穿过，沿走丝管19平行布置；导线22经引线管20端部的引线套21引出，连接电源。锁紧状态下，钢球7在滑栓104的凹槽、导向架12的圆孔和活塞6的共同作用下处于锁紧位平衡状态；需要解锁时，经导线22对任一根SMA丝通电使其收缩，拉动活塞6沿导向架12内腔向右移动，在活塞6移动一定距离后，钢球7失去平衡并掉入活塞6上的梯形槽，滑栓104的限位被解锁，从而触发解锁释放过程。

驱动单元由分离弹簧10和分离顶块11组成，设置在分瓣螺母之下。分离弹簧10预压缩安装，其左端固定在静瓣2下部的台阶上，右端抵住分离顶块11；触发解锁后，滑栓104失去限位，分离弹簧10推动分离顶块11右移，进而驱动动瓣3和滑栓104一起向右移动，分瓣螺母分离，长螺栓1被释放。

复位单元包括复位顶杆15、复位套16、复位弹簧17和调节螺柱18。复位套16为阶梯状的圆管状结构，左端小径段带外螺纹，右端大径段带内螺纹；复位套16左端从底盖14的中心螺纹孔拧入壳体105的内腔。T型的复位杆15为传力元件，其穿过复位套16小径段后伸入壳体105内与活塞6连接，为活塞6、SMA丝的复位传递驱动力。复位弹簧17安装在复位套16的大径段中，其左端压紧复位顶杆15，右端由调节螺柱18压紧。需要复位时，利用工具从壳体105上的孔5-1伸入壳体105内，与滑栓104的复位孔4-1连接，拉动滑栓104向左移动，解除钢球的解锁位平衡，这时复位过程被触发，复位弹簧17推动复位顶杆15、活塞6左移，钢球7进入锁紧位平衡状态，SMA丝被拉长。

在第一实施方式中，滑栓104从外形上看为阶梯轴式结构，因此在滑栓104移动过程中，其与壳体105内腔的配合为阶梯轴式配合，为确保滑栓滑动顺畅，滑栓104的外壁和壳体105的内壁需要保证尽可能高的同轴度。

基于本发明的第二实施方式，如图6所示，采用管状的滑栓204配合滚珠23对动瓣3进行间接限位，壳体205分为两个腔体，中间隔壁上开有圆孔，滚珠23放置在圆孔内，滚珠23左侧顶紧动瓣3、右侧与滑栓204接触。这种间接限位方式的优势在于：滑栓为等外径结构，降低了和壳体结构配合的精度要求，不需要进行同轴度控制，加工难度小。

上述第一实施方式和第二实施方式中，SMA丝与活塞6、走丝管19之间需要进行绝缘处理。绝缘方式可以在SMA丝外设置聚四氟乙烯耐高温绝缘套管，也可以通过绝缘氧化、陶瓷基绝缘涂层、高分子绝缘涂层等工艺对活塞6、SMA丝、走丝管19进行整体绝缘，此处不作具体限制。

基于本发明的第三实施方式，如图7所示，非火工元件采用电磁铁，电磁铁外壳24与壳体305连接，衔铁26与活塞306连接，滑栓304的结构可以是阶梯轴式结构，也可以是等外径结构，此处不作具体限制。需要解锁时，对电磁铁的线圈25通电，衔铁在磁力作用下向右缩回，带动活塞306右移从而解除钢球7的锁紧位平衡，触发解锁过程。需要复位时，先操作滑栓复位，电磁铁断电，衔铁左移并推动活塞306左移复位，钢球重新回归到锁紧位平衡。这种方式的优势在于：不需要设置专用的复位单元，结构简单、体积小，更适于安装空间狭小的场合使用；电磁铁技术成熟，性能稳定，单元化结构便于更换维护。

可以理解，本发明触发单元中的非火工元件也可以采用SMA、电磁铁以外的其他方式，如石蜡、压电陶瓷、电机、气动驱动等，根据使用需求选择，此处不作赘述。

此外，本发明中钢球7的数量可以是2、3、4、5、6个，根据实际需要设置，沿周向均匀布置，确保受力平衡。滚珠23的设置类似，也可以是2～6个，此处不再赘述。

需要说明的是，以上所述涉及方位的表述，如纵、横、内、外、左、右等，均基于附图所示方向和位置关系，仅为了便于描述，而不是指示或暗示所涉及的零件必须具有特定的方位、构造或操作。

以上所述，仅是本发明的实施例子，并非对本发明作任何形式上的限制。本发明未详细阐述的属于本领域公知技术。凡是依据本发明原理和技术实质对以上实施例子所做的任何修改、等同变化与修饰、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。