一种组合可调式栅格舵展开锁定机构的制作方法

本发明涉及一种组合可调式栅格舵展开锁定机构，属于空气舵展开锁定机构技术领域。

背景技术：

随着运载火箭技术的发展，建立低成本进入空间能力的需求越发强烈。随着我国经济发展和人口密度的提高，减小运载火箭残骸落区面积，避免或减少地面人员疏散工作量和保护人民群众生命财产安全的需求越发强烈，均需要发展重复使用火箭技术和运载火箭子级落区控制技术。在重复使用火箭和运载火箭子级落区控制技术中，当火箭一子级或助推器再入大气层后，需使用栅格舵气动控制机构对箭体姿态进行控制。

安装在火箭级间段上的栅格舵在火箭起飞上升段呈折叠状态紧贴在箭体表面，级间分离后栅格舵展开并与舵盘锁定，此后一子级再入大气层时栅格舵在伺服作动器和传动机构的作用下按控制指令转动，产生气动力控制滚转、俯仰和偏航，以实现火箭的精确降落。

栅格舵便于折叠、大攻角/宽马赫数范围内升力特性好、结构刚度高等特点使其适合在重复使用火箭上应用，其在级间分离后需完成展开-锁定-转动等动作，并在再入段经受恶劣的气动力、气动热载荷环境，这要求栅格舵机构系统能够可靠完成展开锁定等预定动作，能够适应不同分离条件/箭体姿态影响，以及在严酷力热环境下稳定工作。

在运载火箭级间分离后，安装有栅格舵的火箭一子级依靠惯性继续运动，姿态发生较大变化，使用伺服机构实现栅格舵的展开，具有过程可控和载荷环境适应性强的优点，但需要增加单独的伺服舵机、伺服控制器、电源以及附属结构、机构等，成本高、重量大且由于增加了复杂机电产品，容易对其他设备造成影响。依靠离心力使栅格舵展开，结构简单但过程不可控，容易使栅格舵展开到位速度过大，对箭体结构造成过高的冲击，甚至造成箭体结构损坏。使用扭簧等弹性元件驱动栅格舵展开，驱动力较小，难以保证多个栅格舵的展开同步性。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种组合可调式栅格舵展开锁定机构，使栅格舵能够可靠完成展开锁定等预定动作，能够适应不同分离条件/箭体姿态影响，以及在严酷力热环境下稳定工作。

本发明的技术解决方案是：

一种组合可调式栅格舵展开锁定机构，包括栅格舵、舵盘、锁定块、锁定装置、扭片装置、左展开轴以及右展开轴；

所述栅格舵上端的两个耳片上设置有轴孔，通过左展开轴和右展开轴安装在舵盘上；

所述左展开轴和右展开轴均为多台阶圆柱体，所述舵盘具有相互垂直的展开轴和转动轴两条轴线，所述栅格舵两个耳片中部的轴孔与所述舵盘的展开轴轴孔以及左展开轴和右展开轴的轴线同轴，所述左展开轴和右展开轴分别从左右两侧穿入栅格舵耳片轴孔以及舵盘的展开轴轴孔，左展开轴和右展开轴均通过螺钉与栅格舵连接；

扭片装置安装在舵盘展开轴轴孔内部，扭片装置一端与舵盘通过螺钉连接，另一端通过螺钉与右展开轴连接，且设置有预扭角，即栅格舵展开到位时，扭片装置仍会对栅格舵施加一个因扭转了预扭角度而产生的力矩作用，通过调节预扭角可改变预扭力矩大小；

在扭片装置的驱动下，栅格舵从折叠位置展开，展开到位时栅格舵上的锁定块与舵盘接触，与锁定装置配合完成栅格舵与舵盘的锁定，锁定后舵盘连带栅格舵一起在伺服舵机和传动机构的作用下实现转动。

进一步的，所述锁定装置是一个长方体组件，包括弹簧销、保持架、导轨、弹簧以及盖板；

所述弹簧销为台阶圆柱状，小直径段带有斜面，大直径段内部沿轴线有圆柱孔，且大直径段侧面沿母线有条状凹槽；所述保持架为长方体，可拆卸地安装于舵盘表面，其内部设置有弹簧销的安装孔，用于弹簧销伸缩，保持架上还设置有条状槽，用于安装导轨；导轨为t字形零件，向下插入所述条状槽内，并与弹簧销的条状凹槽相配合，限制弹簧销的转动，对弹簧销起到导向作用，能够使弹簧销的斜面始终面向锁定块；所述盖板为带有导向圆柱的平板结构，弹簧一端插入弹簧销沿轴线的圆柱孔内，另一端套接在盖板的导向圆柱上。

进一步的，所述扭片装置为细长组件，包括扭片、扭片保持架、螺钉以及垫块；

扭片两端有连接孔；多个扭片叠放使用，通过螺钉搭配垫块与扭片保持架连接；所述扭片保持架为圆柱状，一端带有方形凹槽，用于放置扭片和垫块。

进一步的，所述扭片为采用合金弹簧钢材料的长条形薄片状零件，5-20片成组叠加使用。

进一步的，所述扭片的单片厚度、叠加数量与垫块的厚度配合使用，总厚度小于等于扭片保持架方形凹槽的厚度。

进一步的，所述扭片装置最大扭转角度为90°+预扭角，预扭角可调。

进一步的，所述舵盘转动轴为圆台状结构。

进一步的，左展开轴和右展开轴伸入舵盘部分的表面具有mos2涂层，弹簧销的斜面上具有mos2涂层。

进一步的，所述右展开轴包括依次连接的圆柱段、法兰盘和六方头，法兰盘的边缘切削有小平面结构。

进一步的，只有将右展开轴逆时针旋转预扭角使其边缘小平面结构与栅格舵支耳上表面保持平行，才可使用螺钉将右展开轴与栅格舵固定，否则右展开轴上的安装孔与栅格舵上的螺纹孔无法对齐。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明根据栅格舵在不同使用环境下实现展开和锁定的需求，按照组合式、可调节的设计思想设计驱动栅格舵展开的弹性元件、弹性元件安装方式以及锁定销装置等。降低单个零件的制造复杂度，通过关键零件的更换以及数量变化调节机构产品性能，通过更换零件的方式在个别零件损坏的情况下保持机构功能的实现。

(2)降低了单个零件的制造复杂度，通过多个零件的组合实现预定功能；通过关键零件的更换以及数量变化达到调节机构产品性能的目的，以适应不同使用环境的需求。

(3)通过更换不同规格尺寸的小尺寸零件，可改变锁定销装置的力学性能。

(4)在个别零件损坏或超差等情况下，通过更换零件的方式保持机构功能的实现，避免机构整体失效或整体更换带来的时间和经济损失。

(5)右展开轴采取防差错设计，只有将右展开轴逆时针旋转预扭角使其边缘小平面与栅格舵支耳上表面保持平行，才可使用螺钉将右展开轴与栅格舵固定，否则右展开轴上的安装孔与栅格舵上的螺纹孔无法对齐。

附图说明

图1为组合可调式栅格舵展开锁定机构示意图；

图2是扭片装置示意图；

图3是锁定装置示意图之一；

图4为锁定装置示意图之二；

图5是右展开轴示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

为适应再入过程中的气动热环境，栅格舵一般采用钛合金材料，自身重量较大的钛合金栅格舵在连接栅格舵与火箭箭体的爆炸螺栓解锁后需通过弹性元件的作用驱动其展开。因钛合金栅格舵自身重量较大、转动惯量较大，需要弹性元件能够提供较大的展开力矩，并能够在栅格舵展开到位的位置仍能够保持一定的力矩，避免回弹和脱锁。

如图1所示，本发明提出一种组合可调式栅格舵展开锁定机构，包括栅格舵1、舵盘2、锁定块3、锁定装置4、扭片装置5、左展开轴6以及右展开轴7；

所述栅格舵1上端的两个耳片上设置有轴孔，通过左展开轴6和右展开轴7安装在舵盘2上；

所述左展开轴6和右展开轴7均为多台阶圆柱体，所述舵盘2具有相互垂直的展开轴和转动轴两条轴线，所述栅格舵1两个耳片中部的轴孔与所述舵盘2的展开轴轴孔以及左展开轴6和右展开轴7的轴线同轴，所述左展开轴6和右展开轴7分别从左右两侧穿入栅格舵1耳片轴孔以及舵盘2的展开轴轴孔，左展开轴6和右展开轴7均通过螺钉与栅格舵1连接；

扭片装置5安装在舵盘2展开轴轴孔内部，扭片装置5一端与舵盘2通过螺钉连接，另一端通过螺钉与右展开轴7连接，且设置有预扭角，即栅格舵展开到位时，扭片装置5仍会对栅格舵施加一个因扭转了预扭角度而产生的力矩作用，通过调节预扭角可改变预扭力矩大小；

在扭片装置5的驱动下，栅格舵1从折叠位置展开，展开到位时栅格舵1上的锁定块3与舵盘2接触，与锁定装置4配合完成栅格舵1与舵盘2的锁定，锁定后舵盘2连带栅格舵1一起在伺服舵机和传动机构的作用下实现转动。

扭片为采用合金弹簧钢材料的长条形薄片状零件，当扭片两端受扭发生扭转变形会产生弹性势能，其两端一端连接到舵盘，一端连接到栅格舵，即能够在栅格舵和舵轴之间形成驱动栅格舵展开的力矩。单片扭片上产生的力矩取决于扭片的弹性模量、强度、厚度、宽度和长度和扭转角度，采取叠加的方式增减扭片数量，从而调整力矩值。扭片装置见图2，由扭片保持架、扭片、垫块和螺栓组成，通过使用不同材料、数量的扭片组能够为栅格舵展开提供不同大小的展开力矩。

具体的，扭片装置5为细长组件，包括扭片51、扭片保持架52、螺钉53以及垫块54；

扭片51两端有连接孔；多个扭片51叠放使用，通过螺钉53搭配垫块54与扭片保持架52连接；所述扭片保持架52为圆柱状，一端带有方形凹槽，用于放置扭片51和垫块54。

优选的，所述扭片51为采用合金弹簧钢材料的长条形薄片状零件，5-20片成组叠加使用。

优选的，所述扭片51的单片厚度、叠加数量与垫块54的厚度配合使用，总厚度小于等于扭片保持架52方形凹槽的厚度。

优选的，所述扭片装置5最大扭转角度为90°+预扭角，预扭角可调。

扭片装置安装顺序为，先将一侧的扭片保持架、扭片和垫块通过螺栓连接，再连接另一则的保持架和垫块。扭片保持架通过搭配不同的垫块就可以适配不同材料、规格、数量的扭片，从而达到调节展开力矩的目的。

安装后扭片装置的一端与舵盘连接，一端与栅格舵连接，且设置了一个预扭角，即栅格舵展开到位时，扭片组仍会对栅格舵施加一个因扭转了预扭角度而产生的力矩作用，通过调节预扭角可改变预扭力矩大小。

扭片装置与舵盘、栅格舵安装顺序为，先令栅格舵轴孔与舵盘展开轴孔同轴，然后安装左展开轴，随后从另一侧将扭片装置放入舵盘内并用螺钉将扭片保持架与舵盘固定，将右展开轴插入舵盘中，使用螺钉连接右展开轴与扭片保持架，此后将右展开轴逆时针旋转预扭角使其边缘小平面与栅格舵支耳上表面保持平行，最后使用螺钉将右展开轴与栅格舵固定。

在扭片力矩的驱动下，栅格舵从折叠位置展开，展开到位时栅格舵上的锁定块与舵盘接触，舵盘上的锁定销从两侧插入锁定块上的销孔，完成栅格舵与舵盘的锁定，锁定后舵盘连带栅格舵一起在伺服舵机和传动机构的作用下实现转动。

舵盘为整体机加成型，具有体积大、外形复杂、加工复杂的特点，为降低单个零件的制造复杂度，设计组合式锁定装置，通过多个零件的组合实现预定功能，还能够通过关键零件的更换改变产品尺寸和性能，能够通过更换零件的方式在个别零件损坏的情况下保持机构功能的实现。舵盘2转动轴为圆台状结构。

如图3、图4所示，锁定装置4是一个长方体组件，包括弹簧销41、保持架42、导轨43、弹簧44以及盖板45；

所述弹簧销41为台阶圆柱状，小直径段带有斜面，大直径段内部沿轴线有圆柱孔，且大直径段侧面沿母线有条状凹槽；所述保持架42为长方体，可拆卸地安装于舵盘表面，其内部设置有弹簧销41的安装孔，用于弹簧销伸缩，保持架42上还设置有条状槽，用于安装导轨43；导轨43为t字形零件，向下插入所述条状槽内，并与弹簧销41的条状凹槽相配合，限制弹簧销41的转动，对弹簧销41起到导向作用，能够使弹簧销41的斜面始终面向锁定块3；所述盖板45为带有导向圆柱的平板结构，弹簧44一端插入弹簧销41沿轴线的圆柱孔内，另一端套接在盖板45的导向圆柱上。

弹簧销不直接安装在舵盘上，而是从过保持架和导轨与舵盘组合。舵盘表面两个凸起区域预留用于安装保持架和导轨的方形空间，外方内圆的保持架起到与舵盘结合以及对弹簧销导向的作用，保证弹簧销在保持架内的移动。t字形导轨安装后，通过与弹簧销上的凹槽配合，能够限制弹簧销在保持架内的滚转并起到导向作用，能够使弹簧销的斜面始终面向锁定块。弹簧一端插入弹簧销尾端的圆柱孔，一端套接在盖板上的导向圆柱上，能够保持弹簧不发生弯曲失稳。针对不同的需求，能够在不改变舵盘本体这一最复杂零件的条件下，通过更换不同规格尺寸的弹簧销、保持架、导轨、弹簧等复杂度较低的小零件，即可改变锁定销装置的强度、刚度、压缩力等性能，与锁定块实现不同间隙值的配合，在个别零件损坏的情况下可以快速更换，保持机构功能的实现。

锁定装置安装顺序为，先将保持架放入舵盘凸起区域的方槽内，然后将t字形导轨自上向下安装，使之插入保持架的凹槽内，并用螺钉固定导轨；此后将弹簧销放入保持架的圆柱孔内，令弹簧销的条状凹槽向上与导轨相配合，并保持弹簧销的斜面向外；将弹簧一端插入弹簧销尾端的圆柱孔，另一端套接在盖板上的导向圆柱上，并将盖板压入舵盘凸起，使用螺钉将盖板固定在舵盘凸起区域。

左展开轴6和右展开轴7伸入舵盘2部分的表面具有mos2涂层，弹簧销41的斜面上具有mos2涂层。

如图5所示，右展开轴7包括依次连接的圆柱段、法兰盘和六方头，法兰盘的边缘切削有小平面结构。本发明中右展开轴7进行了防错设计。只有将右展开轴7逆时针旋转预扭角使其边缘小平面结构与栅格舵支耳上表面保持平行，才可使用螺钉将右展开轴7与栅格舵1固定，否则右展开轴7上的安装孔与栅格舵1上的螺纹孔无法对齐。

经过地面静力实验，地面展开锁定实验、地面传递特性实验等实验验证，保证了该发明能够满足功能和性能的需求，并已通过cz-2cy37火箭的发射验证了其设计的合理性和可靠性，四套栅格舵均可靠、同步展开锁定，并在火箭一子级的再入返回过程中经受了复杂力热环境的考验，极大提高了火箭子级再入返回的落点精度。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域的公知技术。