一种基于分离螺母的锁紧释放装置及航天器

技术领域

本发明涉及航天设备，尤其涉及一种基于分离螺母的锁紧释放装置及航天器。

背景技术

传统卫星领域太阳翼解锁机构通常采用火工品形式太阳翼展开机构，主要原理为在太阳翼压紧状态时，通过压紧杆锁紧至太阳翼基座，实现锁紧功能；解锁时，首先由火工品工作，产生高温高压燃气推动内部机构将拉杆切断，实现解锁功能；存在冲击较大、成本较高、体积大等特点，并且在安装过程中，需要使用专用应变仪测量预紧力，安装过程较为复杂。

微小卫星由于体积小，质量较轻，传统火工品形式太阳翼锁紧释放装置会对卫星太阳翼及星体产生较大冲击，空间占比大，且不易拆装。

发明内容

为了解决现有技术中火工品形式的问题，本发明提供了一种基于分离螺母的锁紧释放装置及航天器。

本发明提供了一种基于分离螺母的锁紧释放装置，包括壳体、分离解锁组件和触发组件，所述分离解锁组件包括锁紧压紧杆的分离螺母、滚柱及螺母支架，所述螺母支架与所述壳体沿Y轴方向滑动配合，所述螺母支架具有分离螺母安装腔体，所述分离螺母安装在所述分离螺母安装腔体之内，所述分离螺母由至少两个分瓣螺母组合而成，所述分瓣螺母上设有滚柱安装凹槽，所述滚柱设置在所述滚柱安装凹槽上，所述滚柱夹紧在所述螺母支架、分瓣螺母之间，所述螺母支架的内侧面设有能够容纳所述滚柱的至少局部的滚柱解锁凹槽，所述触发组件与所述螺母支架连接；

当锁紧时，所述滚柱位于滚柱解锁凹槽之外，所述分瓣螺母在所述滚柱的支撑作用下，保持完整的状态，并锁紧压紧杆，即压紧杆作为螺杆与分离螺母螺纹连接，所述螺母支架在所述触发组件的约束作用下，位于锁紧位置；

当解锁时，所述触发组件释放对所述螺母支架的约束，所述螺母支架沿Y轴滑动，到达解锁位置，所述滚柱落入所述滚柱解锁凹槽之内，所述分瓣螺母失去所述滚柱的支撑而分散开，不再保持完整的状态，而呈分瓣状态，并失去对压紧杆的锁紧，从而完成解锁。

作为本发明的进一步改进，每个分瓣螺母对应安装至少两个滚柱。

作为本发明的进一步改进，所述触发组件包括预紧绳、保持预紧绳呈张紧状态的预紧组件和解锁时切断预紧绳的切割器，所述分离解锁组件还包括驱动螺母支架从锁紧位置到达解锁位置的驱动弹簧，所述预紧绳的一端与所述螺母支架连接，另一端与所述预紧组件连接，在所述预紧绳的作用下，所述驱动弹簧夹紧在所述螺母支架、壳体之间。

作为本发明的进一步改进，所述预紧组件包括底座、能够保持预紧绳长期处于预紧状态的防松弹簧、压套、能够对预紧绳的预紧力进行调节的调整螺钉和护套，所述底座固定在所述壳体上，所述预紧绳先后穿过所述底座、防松弹簧、压套并与所述调整螺钉连接，所述护套与所述底座固定连接，所述防松弹簧夹紧在所述底座、压套之间，所述调整螺钉与所述护套为螺纹连接，所述调整螺钉顶在所述压套上。

作为本发明的进一步改进，所述预紧绳通过紧定螺钉与所述螺母支架连接。

作为本发明的进一步改进，所述壳体连接有盖板，所述分离螺母、螺母支架、以及驱动弹簧均位于所述壳体之内。

作为本发明的进一步改进，所述切割器采用电阻丝式双层热刀。

作为本发明的进一步改进，所述分瓣螺母之间夹紧有驱动其分离的分离弹簧。

作为本发明的进一步改进，当锁紧时，在所述滚柱的支撑作用下，所述分瓣螺母与所述螺母支架的内侧面之间具有间隙并保持不接触。

作为本发明的进一步改进，所述分离螺母采用在中间切除掉部分宽度的两瓣式非完整的分离螺母，切除段宽度为s。

作为本发明的进一步改进，所述滚柱在X方向上约束所述分瓣螺母，所述分离螺母安装腔体呈方形，Y轴方向为其长边，而X轴方向则为其短边。

本发明提供的提出的锁紧释放装置与同类型展开机构相比，最大区别在于，装置的分瓣螺母形式两瓣式非完整分离螺母，兼具较好的张开同步性，又有较小的最小扩张位移，相比较装置整体体积小。装置的触发组件采用了切割器形式，取消了火工品，产品具有低冲击、高安全性特点。

作为本发明的进一步改进，所述分离螺母采用45#钢或TC4钛合金为材料。

作为本发明的进一步改进，以完整螺母螺纹受力情况为基础开展螺纹受力情况分析如下：

螺纹牙弯曲产生的变形δ

1)螺纹牙弯曲产生的变形δ

把单位宽度上的正压力ω分解为竖直分力ωcosα和水平分力ωsinα，其变形量为：

式中ν——螺栓或螺母的泊松比；

a——螺纹牙根部宽度；

b——螺纹牙中径宽度；

c——螺纹牙中径距螺纹根部的高度；

E——弹性模量；

2)螺纹牙受剪切力产生的变形δ

4)螺纹牙根部倾斜产生的变形δ

4)螺纹牙根部受剪切变形产生的变形δ4

式中p——螺纹螺距；

5)螺纹牙受径向力产生的变形δ

式中δ

δ

d

D——螺母螺纹公称直径；

ν

ν

综上，螺栓、螺母螺纹的总变形量分别为

式中k

k

E

E

螺纹牙上承受的竖直分力ωcosα为作用在x与x+dx之间的轴向力dF(x)

式中β——螺纹升角；

式中d2—螺纹中径；

针对螺栓和螺母螺纹啮合，总载荷Fz，考虑螺栓和螺母均受拉情况，以螺栓与螺母初始接触螺纹处为原点(第一圈螺纹起始点)，在x处，作用在螺栓垂直面上的作用力为F(x)，则在x处螺栓伸长量Δb和螺母伸长量Δn分别为

式中A

A

根据承载情况，变形协调关系为

(Δ

将式(1-7)、式(1-9)和式(1-10)带入式(1-11)中，并对x微分得

其中：

由式(1-12)得出通解为：

由边界条件：

[F(x)]

得出：

将上式带入式(1-8)，得

对式(1-15)进行定积分，可求一圈螺纹承受的载荷Z

式中i—第i圈螺纹；

p—螺纹螺距。

作为本发明的进一步改进，在完整螺母受力情况分析基础上，对两瓣式非完整的分离螺母，开展的详细设计及分析如下：

两瓣式非完整的分离螺母，中间切除段的宽度s影响释放螺栓时分瓣螺母的最小径向位移大小，以及各圈螺纹的承载情况；

两瓣式非完整的分离螺母的公称直径为D，切除段宽度为s，螺纹分布范围角为Φ；

螺纹承载时，螺纹牙主要受到剪切应力和弯曲应力的作用，考虑螺栓螺纹牙强度，只需校验螺纹牙根的强度，因此针对非完整分离螺母与螺栓螺纹啮合承载情况，仅需校核危险螺纹段的剪切应力和弯曲应力；针对完整螺母与螺栓螺纹啮合承载，最后一圈螺纹承载比例最大，与之对应的两瓣式非完整分离螺母与螺栓啮合承载，可以推断出：最后两个半圈的螺纹承载比例最大，且最后两个半圈螺纹的最大承受载荷F

式中n——最后一圈螺纹序号；

螺纹牙危险截面的剪切应力τ为

式中d

B——螺栓螺纹根部厚度，对于三角螺纹B＝0.75p；

φ＝arccos(s/D)—螺纹分布范围角单位为rad；

螺纹牙危险截面的弯曲应力σ

式中h——螺纹牙工作高度；

式中d——螺栓公称直径。

本发明还提供了一种航天器，包括所述的基于分离螺母的锁紧释放装置。

本发明的有益效果是：通过上述方案，锁紧时分离螺母处于压紧状态，压紧杆锁紧至分离螺母，保持压紧状态；分离时，切割器作为触发机构，触发解锁，驱动分离螺母分开，压紧杆与分离螺母分离实现解锁，具有低冲击、结构体积小，拆装便捷等优点，适用于微小卫星使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的方案。

图1示出了本发明的基于分离螺母的锁紧释放装置的分解视图。

图2示出了本发明的基于分离螺母的锁紧释放装置的锁紧状态侧视图。

图3示出了本发明的基于分离螺母的锁紧释放装置的锁紧状态正视图。

图4示出了各类螺纹牙变形示意图。

图5示出了螺纹承载变形示意图。

图6示出了M4×0.7螺纹各圈螺纹载荷分布情况示意图。

图7示出了两瓣式非完整分离螺母示意图。

图8示出了两瓣式分瓣螺母切除段宽度对螺纹牙危险截面处应力曲线图。

图中：壳体1，分瓣螺母2，滚柱3，螺母支架4，驱动弹簧5，分离弹簧6，盖板7，紧定螺钉8，切割器9，预紧绳10，底座11，防松弹簧12，压套13，调整螺钉14，护套15。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1至图8所示，本发明提供了一种分离螺母的太阳翼锁紧释放装置，取消了火工品，具有空间占比小，低冲击、高安全性、便于安装等特点。

本装置主要由壳体结构、触发组件200、分离解锁组件100三部分组成。

壳体结构主要由壳体1和盖板7组成。

触发组件200主要由切割器9，预紧绳10，底座11，防松弹簧12，压套13，调整螺钉14，护套15等组成。

分离解锁组件100主要由分离螺母，滚柱3，螺母支架4，驱动弹簧5，分离弹簧6等组成。

分离螺母主要由多个分瓣螺母2组成，分离弹簧6夹紧在多个分瓣螺母2之间，用于驱动分瓣螺母2分离。

分离解锁组件100位于壳体1之内。

触发组件200连接在壳体1的侧边。

本装置的结构尺寸可以优选为120mm×60mm×20mm。

触发组件200主要用于锁紧释放，在锁紧时，保持分离螺母的对锁紧对象的锁紧，例如压紧杆，在解锁时，触发锁紧释放装置解锁；分离解锁组件100用于触发组件200触发解锁后，内部驱动弹簧驱动分离螺母分开，实现解锁功能。

本发明提供的锁紧释放装置在处于锁紧状态下，触发组件200中预紧绳10一端连接至分离解锁组件100，另一端连接至调整螺钉14，通过防松弹簧12及调整螺钉14将预紧绳10处于预紧状态。预紧过程中，预紧绳10一端克服分离解锁组件中驱动弹簧5作用力，另一端穿过底座11、压套13及调整螺钉14进行固定，并可以通过调整螺钉14对预紧绳10的预紧力进行调节；同时防松弹簧12对预紧绳10的蠕变具有防松补偿作用，可以保证预紧绳10长期预紧状态。

切割器9采用了电阻丝式双层热刀，在供电电流2A±0.2A条件下，真空条件下，切割器9的工作时间约十几秒，可正常将预紧绳切断，达到触发作用。

分离解锁组件100中主要核心组件为分瓣螺母2、滚柱3及螺母支架4，具体的工作原理如下：

在预紧状态下，预紧绳10克服驱动弹簧5的弹性势能，螺母支架4通过滚柱3沿X方向挤住分瓣螺母2，分瓣螺母2处于锁紧状态，保持压紧杆可以与分瓣螺母2正常锁紧。解锁时，预紧绳10被切割器9切断，驱动弹簧5驱动螺母支架4沿Y轴运动，由锁紧状态变为解锁状态，滚柱5运动落入弧形的滚柱解锁凹槽401之内，处于锁定状态后，分离弹簧6驱动两个分瓣螺母2沿X轴分离，分瓣螺母2由锁紧状态转换为解锁状态，起到分离解锁功能。

分离螺母是指将完整螺母切开并分割成多瓣，例如图1所示的两瓣，每一瓣单体，则称之为分瓣螺母2，目前常用形式包含由两瓣式、三瓣式，四瓣式。

对于完整的分瓣螺母2，瓣数越多，释放时所需的分离螺母最小径向扩张位移越小，越容易释放连接螺栓(即压紧杆)，瓣数越少展开同步性及载荷分布均匀性越好；而两瓣式分瓣螺母有良好的张开同步性和载荷分布均匀性，但释放时所需的最小径向扩张位移大，为使两瓣式分瓣螺母既有较好的张开同步性，又有较小的最小扩张位移，以两瓣式非完整分离螺母与螺栓螺纹啮合承载取代完整分离螺母开展设计。

两瓣式非完整分离螺母由两个方形的块状的分瓣螺母2组成，中间切除部分宽度。

两个分瓣螺母2的中间围合形成螺纹孔。

螺母支架4则优选为方框形状。

每个分瓣螺母2对应安装两个滚柱3。

滚柱3沿Y轴方向布置。

由于触发组件200的工作特性，分离解锁组件100选择直列式解锁方式，因此两瓣式分离螺母的解锁路径需要与驱动解锁部件运动方向正交，见图2，分离螺母运动需要沿着X方向，沿Y方向受约束；同时作为驱动部件，螺母支架4的运动方向为Y方向，沿X方向受约束。两者运动之间需要通过转子传递运动状态，因此在螺母支架4与分瓣螺母2之间设置滚柱3，滚柱3安装需要在螺母支架4与分瓣螺母2之间，分别在螺母支架4与分瓣螺母2上设置容纳滚柱3的半圆槽，即图1、2所示的滚柱安装凹槽201和滚柱解锁凹槽401。压紧状态时，滚柱3位于分离螺母的滚柱安装凹槽201内部，同时避开螺母支架4的滚柱解锁凹槽401与螺母支架4的围框内侧壁接触，保持压紧；解锁时，螺母支架4沿Y轴运动到位后，螺母支架4上的滚柱解锁凹槽401与分离螺母的滚柱安装凹槽201对齐，形成滚柱槽，滚柱3可完整落入两者的滚柱槽内。在X方向让出分离螺母的分离运动空间，分瓣螺母2受到分离弹簧6的推动下分开，起到解锁作用。

设计过程中，具体地对分瓣螺母进行了详细设计，以完整螺母螺纹受力情况为基础开展螺纹受力情况分析：考虑了螺纹牙弯曲产生的变形δ

1)螺纹牙弯曲产生的变形δ

把单位宽度上的正压力ω分解为竖直分力ωcosα和水平分力ωsinα，产生如图4中虚线所示的变形，其变形量为：

式中ν——螺栓或螺母的泊松比；

a——螺纹牙根部宽度；

b——螺纹牙中径宽度；

c——螺纹牙中径距螺纹根部的高度；

E——弹性模量。

2)螺纹牙受剪切力产生的变形δ

由剪切力产生的变形如图4中a)所示，其变形量为：

3)螺纹牙根部倾斜产生的变形δ

由于作用在螺纹中径的压力会使螺纹牙根部的底面产生倾斜现象，如图4中b)中的虚线所示，根部的倾斜导致力作用点发生变形为：

1)螺纹牙根部受剪切变形产生的变形δ4

假设螺纹牙根部截面的剪切应力为均匀分布，则因剪切变形引起O点在X方向上的位移得出，螺纹牙沿X方向产生的位移如图4中c)所示，力作用点的位移与螺纹牙X方向的位移一致，因此：

式中p——螺纹螺距。

2)螺纹牙受径向力产生的变形δ

螺纹牙中径在水平分力作用下，造成外螺纹径向收缩、内螺纹径向扩张，如图4中d)所示，其变形量分别为：

式中δ

δ

d

D——螺母螺纹公称直径；

ν

ν

综上，螺栓、螺母螺纹的总变形量分别为

式中k

k

E

E

螺纹牙上承受的竖直分力ωcosα为作用在x与x+dx之间的轴向力dF(x)

式中β——螺纹升角。

式中d2—螺纹中径。

针对螺栓和螺母螺纹啮合，总载荷Fz，考虑螺栓和螺母均受拉情况，以螺栓与螺母初始接触螺纹处为原点(第一圈螺纹起始点)，如图5所示，在x处，作用在螺栓垂直面上的作用力为F(x)，则在x处螺栓伸长量Δb和螺母伸长量Δn分别为

式中A

A

根据承载情况，变形协调关系为

(Δ

将式(1-7)、式(1-9)和式(1-10)带入式(1-11)中，并对x微分得

其中：

由式(1-12)得出通解为：

F(x)＝C

由边界条件：

[F(x)]

得出：

将上式带入式(1-8)，得

对式(1-15)进行定积分，可求一圈螺纹承受的载荷Z

式中i—第i圈螺纹；

p—螺纹螺距。

以M4×0.7螺纹规格为例，对螺钉螺母螺纹处载荷分布情况如下表所示：

表1螺钉螺母螺纹载荷分布情况

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在完整螺母受力情况分析基础上，对两瓣式非完整分离螺母，开展的详细设计及分析如下：

两瓣式非完整分离螺母，中间切除段的宽度s影响释放螺栓时分瓣螺母的最小径向位移大小，以及各圈螺纹的承载情况。两瓣式非完整分离螺母的结构如图7所示，分瓣螺母公称直径为D，切除段宽度为s，螺纹分布范围角为Φ。

螺纹承载时，螺纹牙主要受到剪切应力和弯曲应力的作用，考虑螺栓螺纹牙强度，只需校验螺纹牙根的强度，因此针对非完整分离螺母与螺栓螺纹啮合承载情况，仅需校核危险螺纹段的剪切应力和弯曲应力。由上节可知，针对完整螺母与螺栓螺纹啮合承载，最后一圈螺纹承载比例最大，与之对应的两瓣式非完整分离螺母与螺栓啮合承载，可以推断出：最后两个半圈的螺纹承载比例最大(近似相等)，且最后两个半圈螺纹的最大承受载荷F

式中n——最后一圈螺纹序号。

螺纹牙危险截面的剪切应力τ为

式中d

B——螺栓螺纹根部厚度，对于三角螺纹B＝0.75p；

φ＝arccos(s/D)—螺纹分布范围角单位为rad。

螺纹牙危险截面的弯曲应力σ

式中h——螺纹牙工作高度。

式中d——螺栓公称直径。

以M4×0.7分离螺母，啮合圈数10圈为例，两瓣式分瓣螺母切除段宽度s与螺纹牙危险截面应力之间的关系见图8，随着分瓣螺母切除段宽度增加，螺纹牙危险截面的弯曲应力与剪切应力逐渐增大，以最大螺纹牙弯曲应力和剪切应力可判断非完整分离螺母螺纹的承载能力。

综合考虑螺母切除宽度s后螺纹强度，以螺母切除宽度s在(1±0.1)mm为例，对应的螺纹牙危险截面的剪切应力τ为：30.539MPa～31.760MPa；螺纹牙危险截面的剪切应力τ为：132.238MPa～137.523Mpa，选择常见金属材料例如45#钢或TC4钛合金均能作为分瓣螺母材料是合适的。

本发明提供的一种基于分离螺母的锁紧释放装置及航天器，具有以下优点：

(1)解锁时低冲击；本发明的触发形式主要采用了切割器切割预紧绳形式，预紧绳在预紧状态下，保持分离组件预紧状态；切割器供电加热，切断预紧绳后，触发分离组件工作。此过程中，取消了火工品，工作时主要是由于内部触发弹簧及驱动弹簧驱动零部分运动产生的机械冲击，要远低于火工品产生的爆炸冲击。

(2)安全性高，本发明主要使用的触发组件包含了切割器、预紧绳子、弹簧及铝合金金属结构，分离解锁机构包含了弹簧及金属结构，均无危险品，产品均封闭于壳体内部，机构运动过程中也不会造成多余物飞出，安全性较高。

(3)空间占比小，本发明整体体积大小：120mm×60mm×20mm，相比于传统火工品形式太阳翼解锁机构体积大幅度减小。

(4)安装接口简单，本发明外部机械接口采用了4-Φ3.2通孔作为安装接口，锁紧释放装置与压紧杆之间采用了1-M4螺纹孔作为连接接口，安装过程中，按照常用力矩进行测力拧紧即可，省却了对应标定压紧力装调过程。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。