分瓣解鎖機構沖擊特性分析與優化

葉耀坤 1，柳元青 2，丁 鋒 1，王 波 1，陳 昊 3，陳虹百 3，王文中

(1.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094；2.北京無線電測量研究所，北京 100854；3.北京理工大學，北京 100081)

1 引言

解鎖機構是實現航天器各個部件間可靠連接與分離的裝置，其性能直接決定了艙段分離及太陽翼和有效載荷釋放的可靠性。隨著航天技術發展，對解鎖裝置的最大承載、解鎖可靠性及分離沖擊均提出了更高的要求，新型大承載低沖擊的解鎖裝置的開發至關重要。

針對解鎖裝置低沖擊的設計要求，國內外已開展了多種新型非火工解鎖機構的設計及研究。按照工作原理的不同，可分為基于電磁制動、記憶合金及熔斷/熱致動的連接分離裝置，上述各類非火工解鎖裝置在分離沖擊、重復使用及安全性方面均顯著優于火工解鎖裝置。

在分瓣解鎖機構沖擊特性研究方面，Christiansen等研發了由SMA驅動的分瓣螺母裝置，通過加熱預拉伸管狀SMA，釋放分瓣螺母徑向約束，該解鎖裝置承載能力達到1.8 t，分離時間較長，為45 s；Yoo等研發了基于SMA絲收縮觸發的分瓣螺母分離裝置，分離時間約為50 ms，最大分離沖擊為350

g

；Duforet等研發了通電熔斷觸發的分瓣螺母鎖緊機構，分離沖擊小于2000

g

，在火箭錐罩分離、降落傘門開啟和散熱器支桿壓緊釋放等場合得到應用驗證。

本文以一種新型非火工分瓣螺母解鎖裝置為研究對象，建立理論分析模型，并結合試驗對裝置的解鎖沖擊特性進行驗證；在此基礎上進一步提出降低解鎖裝置沖擊的方法，為相關解鎖機構的優化設計提供參考。

2 解鎖沖擊模型

2.1 解鎖分離機構

圖1為新型分瓣螺母解鎖機構示意圖，機構主要由觸發模塊(熔斷器、頂桿)、緩沖墊、儲能元件(碟簧)和解鎖模塊(頂升套筒、分瓣螺母和拉桿)組成。初始狀態下拉桿施加預緊力使得機構處于可靠連接狀態，如圖2(a)所示。通電加熱后熔斷限位環，頂桿和頂升套筒在碟簧力作用下向上滑動，運動一段距離后分瓣螺母上的滑塊進入滑槽，如圖2(b)所示。最終拉桿在下部拔銷彈簧力作用下被拉出，實現機構的解鎖。此機構的沖擊來源主要是頂升套筒和緩沖墊的撞擊及拉桿預緊力的釋放，從工作原理分析，其沖擊顯著低于火工解鎖裝置爆炸產生的沖擊。

圖1 分瓣螺母解鎖機構示意圖Fig.1 Schematic diagram of release device with segmented nut

圖2 分瓣螺母機構的解鎖過程Fig.2 The releasing process of release device with segmented nut

分離裝置整體外殼尺寸的最大直徑為126 mm，解鎖裝置高度為262 mm，核心零件拉桿和分瓣螺母螺紋牙規格為M18。解鎖裝置連接狀態下額定預緊力為90 kN，最大可承載120 kN。根據產品應用要求，解鎖裝置的最大解鎖沖擊要求不超過400

g

，其中裝置遠場測試點的最大解鎖沖擊要求不超過100

g

。

2.2 有限元模型建立

根據解鎖機構試驗要求，建立如圖3所示的解鎖沖擊動力學分析模型，機構工裝上殼體端面固定，碟簧采用非線性彈簧單元代替并設定初始預壓縮力，拉桿施加9 t預緊力。在分離面軸線方向150 mm(測試位置2)和300 mm(測試位置1)處布置加速度監測點，以及分離面水平方向距中心軸線100 mm(測試位置3)、150 mm(測試位置4)和300 mm(測試位置5)處布置加速度監測點。機構內部各個零件間均設定接觸和摩擦關系，部件采用C3D8R單元離散，單元總數約為8萬。采用隱式動力學求解算法最終得到各個監測點的加速度響應。

圖3 分瓣螺母解鎖機構沖擊分析模型Fig.3 The impact analysis mode of release device with segmented nut

2.3 解鎖過程沖擊特性分析

基于建立的動力學模型，得到了測點1～5的沖擊加速度時間歷程曲線如圖4所示。測試位置1～3的最大沖擊峰值均出現在1 ms左右，此時頂升套筒撞擊緩沖墊；此外，測點1～3的加速度隨時間迅速衰減。位置4和5的加速度響應主要是由于分離面焊接工裝板受沖擊后的振動波動所決定的，沖擊加速度在一段時間內等幅波動，且衰減速率較低。最大沖擊加速度出現在位置3，其幅值為316

g

，遠低于火工品裝置的解鎖沖擊加速度。

圖4 不同位置軸向沖擊加速度時間歷程曲線Fig.4 The time history curve of axial impact acceleration in different locations

3 試驗驗證

為驗證解鎖裝置沖擊動力學模型的準確性，進一步進行了原理樣機解鎖沖擊測試。試驗工裝如圖5所示，試驗件剛性固定在試驗工裝的擴展臺面上，加速度傳感器的布置方式與圖3一致。試驗儀器及環境參數如表1、表2所示。

表1 試驗儀器Table 1 Test instruments

表2 試驗環境參數Table 2 Test environmental parameters

圖5 解鎖裝置沖擊測試Fig.5 The impact test of release device

試驗采樣頻率設置為96 kHz，加速度測點布置如圖3所示，各測試點的測試加速度結果如圖6所示。圖中兩條紅色虛線間的結果為機構解鎖前5 ms時間內的試驗數據，結果表明，在近場測點1～3處的解鎖沖擊水平較高，在遠場測點4～5處解鎖沖擊迅速衰減；其中測點3的解鎖沖擊水平最高約282

g

，滿足最高沖擊水平不超過400

g

的設計要求；測點5的解鎖沖擊水平最低，滿足機構遠場解鎖沖擊不超過100

g

的設計要求。此外還發現，產品解鎖沖擊持續時間較短，約40 ms之后沖擊降低至較低水平，即振動加速度幅值為峰值的10%。

圖6 各參考點試驗測試加速度Fig.6 The test acceleration at each reference point

試驗結果與仿真模型的加速度與沖擊衰減時間的結果對比如圖7所示。衰減時間可定義為沖擊振幅衰減至其峰值10%時所經歷的時間。由圖可見，仿真模型預測結果與試驗取得良好一致性，證明所建立的仿真模型可以準確反映解鎖裝置的動態沖擊特性。

圖7 仿真與試驗的解鎖沖擊結果對比Fig.7 The comparison of releasing impact results between simulation and test

4 解鎖沖擊特性的影響因素分析

基于分瓣解鎖機構的工作原理，可知解鎖產生的沖擊與碟簧和緩沖墊的設計參數有關，下面對相關參數的影響進行分析，提出進一步降低裝置解鎖沖擊的方法。

4.1 緩沖墊參數的影響

首先分析不同規格蜂窩鋁的影響。仿真分析中均設定緩沖墊厚度為7.5 mm，碟簧片數為12，預壓縮量為16 mm。不同規格蜂窩鋁參數如表3所示，對應的應力應變曲線如圖8所示。

表3 不同規格蜂窩鋁參數Table 3 The parameters of aluminum honeycomb with different specifications

不同規格緩沖材料對最大沖擊加速度的影響如圖9所示，隨著蜂窩鋁相對密度的增大，最大沖擊加速度的幅值呈減小趨勢。結合圖8的應力應變曲線可知，由于蜂窩鋁相對密度增大，蜂窩鋁屈服強度增加，吸收能量增大，因此可有效降低解鎖過程的最大沖擊加速度。

圖8 不同規格蜂窩鋁的壓縮應力應變曲線Fig.8 The compression stress-strain curves of aluminum honeycomb with different specifications

圖9 不同規格蜂窩鋁對解鎖沖擊的影響Fig.9 Effects of aluminum honeycomb in different specifications on releasing impact

不同緩沖層厚度對解鎖沖擊的影響如圖10所示，仿真模型設定碟簧預壓縮量為10.5 mm，蜂窩鋁厚度7.5 mm，規格采用B型號。隨著緩沖墊厚度的增加，其受到碰撞后吸收的能量顯著增大，因此解鎖過程產生的沖擊顯著降低。緩沖材料厚度由8.5 mm增加至12 mm，其最大加速度由330

g

降低至250

g

。

圖10 不同緩沖層厚度對解鎖沖擊的影響Fig.10 Effects of different buffer layer thickness on releasing impact

4.2 碟簧參數的影響

碟簧片數及預壓縮量也會顯著影響頂升套筒的受力和運動，造成套筒和緩沖材料相對撞擊速度改變，最終影響機構所受到的解鎖沖擊。圖11為不同碟簧參數對頂升套筒運動速度的影響。曲線可分為2個階段，第1階段滑塊未進入滑槽(頂升套筒位移為0～5.5 mm時)，頂升套筒受到碟簧力以及與分瓣螺母滑塊間產生的滑動摩擦力，此時隨著碟簧預緊力的迅速衰減，套筒運動加速度不斷降低；第2階段滑塊落入滑槽，頂升套筒僅受到碟簧力，套筒繼續加速直至撞擊緩沖材料。由此可見，碟簧的設計參數需要同時考慮2個階段的運動，共同進行優化選取，使得頂升套筒與緩沖材料的撞擊速度最小。由圖可知，碟簧選用9片并預壓縮10.5 mm時，與緩沖墊的碰撞速度最低，此時機構解鎖沖擊最小。

圖11 碟簧參數對頂升套筒運動的影響Fig.11 Effects of disc spring parameters on sleeve motion

5 結論

1)基于隱式動力學方法的仿真模型可以有效預測解鎖裝置的沖擊特性，與試驗結果一致；

2)非火工解鎖裝置解鎖過程最大加速度約300

g

左右，遠低于傳統火工解鎖裝置爆炸產生的沖擊；

3)增加緩沖墊相對密度和厚度以及適當減小碟簧片數和預壓縮量均可以顯著降低本文解鎖裝置的最大沖擊。