一种级间分离装置、火箭及分离方法与流程

1.本公开涉及级间分离的技术领域，尤其涉及一种级间分离装置、火箭及分离方法。


背景技术：

2.级间分离一般是指火箭下面级关机后与上面级相互分离，目的是脱离燃料耗尽级的多余载荷。为了保证分离前连接强度与分离过程的可靠性，一般采用爆炸螺栓对级间进行连接，需要进行级间分离时，只需引爆爆炸螺栓即可。
3.由于不能确保单个爆炸螺栓在进行级间分离时能够100%成功引爆，因此需要通过设备功能层面串联等方式增加级间分离的冗余度，这也直接增加了加了相应设备的复杂度和制造成本。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本公开提供一种级间分离装置、火箭及分离方法，以降低级间分离结构的复杂性，提高级间分离的可靠性。
5.本公开的技术方案是这样实现的：第一方面，本公开提供一种级间分离装置，包括钩爪、自锁机构和驱动机构，所述级间分离装置具有第一状态和第二状态；在第一状态时，所述自锁机构与所述钩爪锁定，所述钩爪将第一部件紧固在第二部件，所述自锁机构用于控制所述驱动机构处在驱动关闭状态；在第二状态时，所述自锁机构与所述钩爪解锁，所述自锁机构用于控制所述驱动机构处在驱动打开状态，使得所述驱动机构分离所述钩爪与所述第一部件。
6.作为可选的实施方式，所述级间分离装置还具有中间状态，所述中间状态位于所述第一状态和所述第二状态之间；所述驱动机构包括第一驱动单元，所述自锁机构与所述第一驱动单元的驱动方式相同；在所述第一状态，所述自锁机构的驱动源处在打开状态，在所述中间状态和所述第二状态，所述自锁机构的驱动源与所述第一驱动单元的驱动源均处在打开状态。
7.作为可选的实施方式，所述第一驱动单元和所述自锁机构均包括缸体以及位于所述缸体的活塞，所述自锁机构所包括的缸体侧壁具有第一开口，所述第一驱动单元所包括的缸体侧壁具有第二开口，所述第一开口和所述第二开口连接；其中，在所述第一状态，所述自锁机构所包括的活塞密封所述第一开口，在所述中间状态和所述第二状态，所述自锁机构所包括的活塞位于所述第一开口与所述自锁机构所包括的缸体的缸底之间。
8.作为可选的实施方式，所述驱动机构包括第二驱动单元，所述第二驱动单元包括设在所述钩爪上的开爪弹性件，所述开爪弹性件用于在所述第二状态时分离所述钩爪与所述第一部件。
9.作为可选的实施方式，所述装置还包括夹紧机构，所述夹紧机构与所述第二部件背离所述第一部件的表面相抵；所述夹紧机构为可爆炸式夹紧机构，所述可爆炸式夹紧机构为爆炸螺栓。
10.作为可选的实施方式，所述装置还包括可移动机构，所述可移动机构包括导轨以及设在所述导轨上的滑块，所述导轨设在所述第二部件上；所述夹紧机构和所述自锁机构均设在所述可移动机构上；所述开爪弹性件的一端与所述钩爪连接，所述开爪弹性件的另一端与所述滑块连接。
11.作为可选的实施方式，所述钩爪与所述第一部件之间具有接触面，所述接触面与水平面之间的夹角大于所述钩爪与所述第一部件接触时的自锁角。
12.第二方面，本公开提供一种火箭，包括前述的装置。
13.第三方面，本公开提供一种级间分离方法，应用上述级间分离装置，所述级间分离装置具有第一状态和第二状态，所述方法包括：在第一状态时，所述自锁机构与所述钩爪锁定，所述钩爪将所述第一部件紧固在第二部件，所述自锁机构控制所述驱动机构处在驱动关闭状态；在第二状态时，所述自锁机构与所述钩爪解锁，所述自锁机构控制所述驱动机构处在驱动打开状态，所述驱动机构分离所述钩爪与所述第一部件。
14.作为可选的实施方式，当所述装置还包括中间状态，所述方法还包括：在所述第一状态，所述自锁机构的驱动源处在打开状态，在所述中间状态和所述第二状态，所述自锁机构的驱动源与所述第一驱动单元的驱动源均处在打开状态；和/或，当所述装置还包括开爪弹性件，所述驱动机构分离所述钩爪与所述第一部件，包括：所述开爪弹性件将所述钩爪从所述第一部件拉开。
15.上述技术方案中的优点或有益效果至少包括：本实施例的级间分离装置具有第一状态和第二状态，在第一状态时，钩爪用于对第一部件施加压力，使第一部件紧固在第二部件，然后通过自锁机构锁定钩爪，使钩爪不能活动，当进入第二状态时，只需要使自锁机构与钩爪解锁，驱动机构分离钩爪与第一部件，进而使得第一部件和第二部件能够分离，从而在级间分离装置的机械结构上实现级间稳固连接和分离时的有效脱离，无需通过设备串联的方式增加级间分离冗余度，降低结构复杂度和制造成本，提升级间分离的可靠性。
附图说明
16.附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
17.图1示出了根据本公开示例性实施例的级间分离装置处于第一状态的剖视结构示意图；图2为图1中a-a向的结构示意图；图3示出了根据本公开示例性实施例的级间分离装置处于中间状态的结构示意图；
图4示出了根据本公开示例性实施例的级间分离装置处于第二状态的剖视结构示意图；图5示出了根据本公开示例性实施例的级间分离方法的流程示意图；图6示出了根据本公开示例性实施例级间分离装置具有中间状态时，级间分离方法的流程示意图；图7示出了根据本公开示例性实施例级间分离装置还包括开爪弹性件时，级间分离方法的流程示意图；钩爪100、自锁机构200、驱动机构300、可移动机构400、连接流道500、夹紧机构600、接触面101、销轴102、缸体201、活塞202、流体接口203、第一驱动单元310、活塞311，第二驱动单元320、导轨401、滑块402、第一部件701、第二部件702。
18.具体实施例方式下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。
19.需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例方式及实施例方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例方式来详细说明本公开。
20.本文使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”；术语“一些实施例”表示“至少一些实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。需要注意，本公开中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。
21.需要注意，本公开中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。
22.参见图1-图4，本公开的实施例提供了一种级间分离装置，包括钩爪100、自锁机构200和驱动机构300；级间分离装置具有第一状态和第二状态；在第一状态时，自锁机构200与钩爪100锁定，钩爪100将第一部件701紧固在第二部件702，自锁机构200用于控制驱动机构300处在驱动关闭状态；在第二状态时，自锁机构200与钩爪100解锁，自锁机构200用于控制驱动机构300处在驱动打开状态，使得驱动机构300分离钩爪100与第一部件701。
23.基于上述结构，本实施例的级间分离装置，从第一状态切换至第二状态的工作过程如下：先驱动自锁机构200动作，使自锁机构200与钩爪100解锁，钩爪100恢复能够自由活动的状态；然后驱动机构300动作，使钩爪100与第一部件701分离，级间分离装置完成从第一状态切换至第二状态，第一部件701与第二部件702在重力等因素影响下自然脱离。
24.基于上述结构，本实施例通过钩爪100对第一部件701施加压力，使第一部件701与第二部件702紧固相连，然后通过自锁机构200限制钩爪100活动，在需要进行分离时，只需要使自锁机构200与钩爪100分离，并且驱动机构300动作使钩爪100和第一部件701分离即
可实现第一部件701和第二部件702的级间脱离，从而在机械结构上实现级间稳固连接和分离时的有效脱离，相比较现有技术，本实施例级间分离装置可在级间分离装置本身的机械结构上实现多冗余设计，无需通过设备串联的方式增加级间分离冗余度，降低结构复杂度和制造成本，提升级间分离的可靠性。
25.作为本公开实施例的优选实施方式，级间分离装置还具有中间状态，中间状态位于第一状态和第二状态之间；驱动机构300包括第一驱动单元310，自锁机构200与第一驱动单元310的驱动方式相同；在第一状态，自锁机构200的驱动源处在打开状态，在中间状态和第二状态，自锁机构200的驱动源与第一驱动单元310的驱动源均处在打开状态。
26.具体举例来说，参见图1-图4，第一驱动单元310和自锁机构200均包括缸体以及位于缸体的活塞。
27.由于自锁机构200将钩爪100锁止，在自锁机构200解锁，驱动机构300无法驱动钩爪100与第一部件701分离，因此，如果驱动机构300在自锁机构200解锁前动作，那么不仅钩爪100与第一部件701无法有效分离，而且由于驱动机构300动作的影响，将对自锁机构200造成较大的损害，严重影响结构可靠性。
28.针对上述问题，本公开使自锁机构200所包括的缸体201侧壁具有第一开口，第一驱动单元310所包括的缸体侧壁具有第二开口，第一开口和第二开口通过连接流道500连接；其中，在第一状态，自锁机构200所包括的活塞202密封第一开口，在中间状态和第二状态，自锁机构200所包括的活塞202位于第一开口与自锁机构200所包括的缸体201的缸底之间。
29.由于第一驱动单元310和自锁机构200均为活塞机构，自锁机构200和开启第一驱动单元310为常闭式控制逻辑，需要依靠流体驱动，当通以高压流体后，流体通过从自锁机构200的上的流体接口203进入自锁机构200的缸体201内，自锁机构200才能够动作；然后流体从自锁机构200的缸体201上的第一开口经连接流道500从第二开口进入第一驱动单元310的缸体内，第一驱动单元310的活塞311才能够动作。
30.上述结构使得流体从第二开口进入第一驱动单元310的缸体前，必须要先进入自锁机构200的缸体，并使自锁机构200的活塞202运动到第一开口与自锁机构200的缸体201的缸底之间的位置，流体才能够从第一开口流通到第二开口进入第一驱动单元310的缸体内，使第一驱动单元310的活塞311运动，从而实现以机械结构控制自锁机构200和第一驱动单元310的动作时序的功能，提升可靠性。
31.参见图1-图4，上述结构中，由于自锁机构200的活塞202必须运动到第一开口与自锁机构200的缸体201的缸底之间的位置，流体才能够从第一开口流通到第二开口，从而实现通过自锁机构的活塞202的行程来决定第一驱动单元310的流道开闭，因此可以有效避免自锁机构200未完全解锁时，第一驱动单元310先动作的可能性，从而达到以机械控制时序的方式使自锁机构200和开第一驱动单元310先后动作，提高了级间分离装置的可靠性。
32.参见图1-图4，在结构上，为了提高自锁机构的活塞和第一驱动单元的活塞的气密性，在上述活塞沿其周向环设密封挡圈。
33.此外，在流体控制的冗余设计方面，可根据需要，采用双电磁阀、冗余电爆阀、冗余自锁阀等作为流体控制层面的冗余设计，例如采用电磁阀控制流体源与自锁机构200之间的通断，为防止电磁阀失效，可以将自锁阀、电爆阀等设置在旁路，实现控制层面的冗余设
计，以确保流体控制的可靠性。其中，流体可以是气体也可以是液体。
34.作为本公开实施例的优选实施方式，驱动机构300包括第二驱动单元320，第二驱动单元320包括设在钩爪100上的开爪弹性件，开爪弹性件用于在第二状态时分离钩爪100与第一部件701。本实例中，开爪弹性件可选用弹簧件。
35.在第一状态时，开爪弹性件为蓄能状态；在从第一状态切换至第二状态时候，自锁机构200与钩爪100解锁，开爪弹性件释放蓄能并驱动钩爪100与第一部件701分离。
36.基于上述结构，本实施例可实现第一驱动单元310和第二驱动单元320的双冗余结构，第一驱动单元310依据控制信号驱动，而第二驱动单元320由开爪弹性件在释放蓄能的时候自动动作，从而在第一驱动单元310出现卡滞或无法动作的情况下，钩爪100依然能够依靠开爪弹性件的作用力打开，同理，在开爪弹性件卡滞或失效等情况下，钩爪100也能够依靠第一驱动单元310打开；本实施例方式通过在结构上实现了冗余，从而避免级间分离装置打不开的问题，提高级间分离装置的可靠性。
37.参见图1-图4，作为本实施例的优选实施方式，级间分离装置还包括夹紧机构600；夹紧机构600与第二部件702背离第一部件701的表面相抵；夹紧机构600为可爆炸式夹紧机构，可爆炸式夹紧机构为爆炸螺栓。
38.在第一状态时，夹紧机构600对第二部件702施加压力；钩爪100与夹紧机构600相配合，使第一部件701与第二部件702紧固连接；通过夹紧机构600对第二部件702施加压力，从而与钩爪100对第一部件701施加的压力相互配合，形成对第一部件701和第二部件702的夹紧力，在第一状态时，能够牢牢卡住第一部件701和第二部件702，使第一部件701和第二部件702紧固连接。
39.参见图1-图4，级间分离装置还包括可移动机构400，可移动机构400包括导轨401以及设在导轨401上的滑块402，导轨401设在第二部件702上；夹紧机构600和自锁机构200均设在可移动机构400上；开爪弹性件的一端与钩爪100连接，开爪弹性件的另一端与滑块402连接。
40.本实例中，夹紧机构600优选为夹紧螺栓，夹紧螺栓的第一端旋接于滑块402上，夹紧螺栓的第二端伸出滑块402外，沿一个方向旋转夹紧螺栓可使夹紧螺栓自下往上旋，从而使夹紧螺栓的第二端顶触于第二部件702上，并向第二部件702施加压力；沿另一个方向旋转夹紧螺栓可使夹紧螺栓自上往下旋，从而使夹紧螺栓的第二端与第二部件702分离；或者也可以通过向上移动滑块402使夹紧螺栓的第二端顶触于第二部件702上，并向第二部件702施加压力；向下移动滑块402使夹紧螺栓的第二段与第二部件702分离。参照图2，滑块402和导轨401可采用燕尾槽接触的方式滑动连接。
41.参见图1-图4，作为优选的实施例方式，夹紧螺栓可选用爆炸螺栓，爆炸螺栓与驱动单元300之间构成双冗余或者三冗余的结构，进一步增本实施例的级间分离装置的可靠性，保障需要分离时，第一部件701与第二部件702能够有效脱离。
42.参见图1-图4，作为优选的实施例方式，钩爪100的一端具有钩部，钩部可以钩住第一部件701，并对第一部件701施加向下的压力；钩爪100的另一端通过销轴102转动连接于一个固定部件上，钩爪100可沿销轴102转动。钩爪100与第一部件701之间具有接触面101，接触面101与水平面之间的夹角大于钩爪100与第一部件701接触时的自锁角。其中，自锁角也称为摩擦角，即，物体恰好能从粗糙斜面上匀速下滑时斜面的倾角；自锁角根据材料、加
工和受力条件等决定。
43.在第一状态时，钩爪100与第一部件701连接，此时，由于接触面101与水平面之间的夹角大于钩爪100与第一部件701接触时的自锁角，使钩爪100相对于销轴102产生一个逆时针方向的开启力矩，自锁机构200与钩爪100相连，以限制钩爪100在开启力矩的作用下打开，从而压紧第一部件701，此时可同时旋紧夹紧螺栓403，使得夹紧螺栓403与钩爪100相配合，将第一部件701和第二部件702相互夹紧，实现两级约束。优选的，自锁机构200可通过插入钩爪100与滑块402中间的间隙，使钩爪100不具有转动空间，从而限制钩爪100活动。
44.本公开的实施例还提供一种火箭，包括前述的级间分离装置，其中第一部件701可以是火箭的整流罩，第二部件702可以是火箭的上面级。
45.本实施例方式的原理与效果与前述的级间分离装置基本相同，因此，在本实施例方式中不重复描述。
46.参照图1、图3、图4和图5，本公开的实施例还提供应用上述级间分离装置，级间分离装置具有第一状态和第二状态，方法包括：步骤s101,在第一状态时，自锁机构200与钩爪100锁定，钩爪100将第一部件701紧固在第二部件702，自锁机构200控制驱动机构300处在驱动关闭状态；步骤s103，在第二状态时，自锁机构200与钩爪100解锁，自锁机构200控制驱动机构300处在驱动打开状态，驱动机构300分离钩爪100与第一部件701。
47.参照图1、图3、图4和参照图6，作为可选的实施例方式，当装置还包括中间状态，方法还包括：步骤s102，在中间状态，自锁机构200的驱动源与第一驱动单元310的驱动源处在打开状态；在第一状态，自锁机构200的驱动源处在打开状态；在第二状态，自锁机构200的驱动源与第一驱动单元310的驱动源处在打开状态。
48.参照图1、图3、图4和参照图7，当装置还包括开爪弹性件，驱动机构300分离钩爪100与第一部件701，包括：步骤s104,开爪弹性件将钩爪100从第一部件701拉开。
49.本实施例方式的原理与效果与前述的级间分离装置基本相同，因此，在本实施方式中不重复描述。
50.本公开的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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公开和简化描述，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公开的限制。
51.本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。