一种空间在轨加注自锁式对接接口装置的制作方法

文档序号:19904161发布日期:2020-02-11 14:15
一种空间在轨加注自锁式对接接口装置的制作方法

本发明涉及一种航天中应用的对接接口装置,属于空间操作技术领域。



背景技术:

在轨加注是指在空间轨道上利用服务航天器对目标航天器进行推进剂补给的在轨操作,也就是为卫星、空间站等航天器进行气、液补给,其作用类似于空中加油机,这是空间在轨服务操作技术体系中的重要组成部分之一。传统的航天器在发射入轨后,其携带的推进剂和各组成??榫凸袒?,这就会产生一些问题:一是在初期携带的推进剂耗尽后,即使其他系统仍能正常工作,航天器使用寿命也即将终结;二是为了节省推进剂,延长在轨使用时间,航天器的机动能力往往受到限制,必须有劲悠着点儿使;三是作为一个大系统,航天器的一个关键部件失效后会导致整星无法工作,这不禁让人扼腕。

通过发展在轨加注、在轨??楦坏仍诠觳僮?,可为航天器加注燃料、更换故障部件,将为航天器提供新的动力源泉,使其重新进入工作状态,对于降低航天运输成本和任务风险、增强空间飞行器的任务适应性、延长空间飞行器的寿命都具有重要的作用,对于人类大规模、常态化的空间探索活动具有深远影响。因此,以在轨加注为代表的在轨服务操作技术拥有广泛的应用前景。

航天器推进剂多为有毒、有污染、有腐蚀性的液体,加注的整个过程要求不能存在泄露,否则会污染环境,烧蚀损毁航天器。

在空间操作工程实际应用中,传统的加注接口设计方案在锁紧后进行加注操作的较长时间内,由于各种环境干扰和控制误差、机械部件的加工精度误差、重达几十吨的航天器惯性等因素必然存在,将会造成加注航天器和受注航天器的相对位置微小变化以及机械手臂空间位置的微震动,从而使得加注接口和受注接口之间也必然存在不小的作用力。这些力的存在,也正是加注接头与受注接头间需要进行锁紧的原因所在。

然而,传统的设计方案在加注完成后的分离时刻,外挡圈和钢球以及凹槽之间紧密接触,在加注接头受拉力或者推力的情况下,均可能会导致外挡圈退回的困难性,从而造成无法及时分离的现象,持续在较大力的作用下,可能会造成接触表面防冷焊的镀层磨损,严重者甚至在外挡圈和钢球之间无法避免地发生冷焊现象。

一旦发生冷焊现象可能会造成如下所述严重后果:(1)导致输油管与加注接口的连接断裂,轻则推进剂飞散到空间中造成污染与浪费,重则飞溅到受注航天器或加注航天器上,造成航天器的烧蚀损毁;(2)在控制系统不知情的情况下,加注机械臂进行强制性分离,可能导致加注航天器上另一条抓捕机械臂与受注航天器的刚性连接部位相关产生变形或断裂。

下面所述“近似平面式挡圈”和“斜面”均是在剖视图下的直观描述,实际对应于环形挡圈和内锥套。

申请公开号为cn104058109a的中国专利“一种卫星在轨自主加注用液体传输接口”的设计方案存在如下问题:结构复杂,而且由于采用了通过近似平面的挡圈把钢球挤压进入凹槽锁紧,移开挡圈进行解锁释放的方案,若在受力的作用下进行分离,会出现卡死现象,也就是说驱动平面式挡圈进行平移运动从而实现解锁的力,无法克服挡圈被卡死的力。

授权公告号为cn106005487b的中国专利“一种空间在轨加注对接接口装置”的设计方案存在如下问题:

(1)摒弃了cn104058109a中的平面而采用了斜面挤出锥形孔中的钢球到小凹槽内实现锁紧。

一方面由于锥形孔的小口直径不能超过钢球的直径,故而锥形孔的结构决定了钢球只能伸出很短的一小部分,这就意味着接触面积小而使得干扰力造成的压强大,加之开凹槽处应力集中,所以对应的被挤压的小凹槽边缘很容易被破坏。

另外一方面,在受干扰后撤力时,钢球挤向后撤力所在的一侧,平面对钢球施加力的方向与后撤力成钝角,平面挡圈和小凹槽边缘一起抵抗平衡后撤力。但该方案中,由于斜面不同于平面,其所施加的力的方向与后撤干扰力的方向成锐角。故而,在受到的干扰力为后撤力时,在上述两个方面的影响下,两者的锁定容易失效而脱离。

分析可见,尽管cn106005487b方案摒弃了平面式而采用了斜面式挡圈(内锥套),缓解了平面式挡圈容易卡死问题,但是却未能提出新颖可靠的锁死方案,并进行有效的设计布局,从而导致其又陷入了另外一个凹槽边缘易损坏、连接容易脱离的问题中。

(2)采用了电动机带减速器传动、齿轮传动,丝杠螺母副传动,而且在丝杠螺母副传动中为了不让螺母旋转而强制其走直线,而开设了多道键,增大了摩擦和功耗。这种设计机构繁琐,体积庞大,传动效率不高,且对丝杠加工精度有较高要求。

(3)丝杠传动存在反向行程间隙,每次反转解锁时均会对同一处丝杠和螺母配合的螺纹和键与键槽接触的同一处均造成反复的冲击,容易产生疲劳裂纹。

(4)仅仅考虑了建立连接后加注时刻的密封问题,没有考虑加注导入过程、加注分离过程、加注分离后的液体密封问题,故而存在管道内液体飞溅泄漏现象。

在轨加注对接接口装置是实现空间飞行器在轨加注的关键组件,需要自主完成服务飞行器与目标飞行器之间推进剂管路的对接、锁紧、密封以及解锁分离等功能。



技术实现要素:

为了克服现有技术的不足,本发明提供一种空间在轨加注自锁式对接接口装置,能够实现双自封带压加注,全程密封不漏液,自锁可靠并能快速安全分离、无卡死。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种空间在轨加注自锁式对接接口装置,包括受注接口和加注接口。

所述的受注接口包括浮动体、固定阀芯、弹簧、受注弹簧壳体、锁定部件壳体、内锥套、永磁体和电磁线圈;所述的加注接口包括外壳体、弹簧和浮动阀芯;所述的受注弹簧壳体同轴固定在锁定部件壳体内,受注弹簧壳体侧壁沿周向在同一圆环上均布若干通孔,在受注弹簧壳体和锁定部件壳体之间设置有内锥套和锁紧用球体,所述的内锥套上安装有永磁体,能够分别在弹簧或电磁线圈的作用下沿受注弹簧壳体轴向往复运动,推动锁紧用球体朝向受注弹簧壳体轴心部分伸出通孔或缩回通孔内;所述的固定阀芯安装在受注弹簧壳体中心,与受注弹簧壳体之间形成受注通道;所述的浮动体能够沿受注弹簧壳体轴向往复运动,并在弹簧作用下运动至固定阀芯和受注弹簧壳体之间,封闭受注通道;所述的加注接口的外壳体外壁与受注弹簧壳体内壁间隙配合,外壳体与浮动阀芯之间形成加注通道,并随着浮动阀芯沿加注壳体轴线的往复运动,封闭或打开加注通道,浮动阀芯在弹簧的作用下封闭加注通道;当外壳体与受注弹簧壳体对接时,外壳体推动浮动体离开固定阀芯,固定阀芯推动浮动阀芯后退,加注通道和受注通道连通。

所述的加注接口位于加注平台中心位置,受注接口位于受注平台中心位置;受注平台外设置有防尘?;ふ?,只有执行加注任务时将?;ふ址?;加注接头四周均布有若干个高度大于加注接头高度的定位销,与受注接口四周的若干个锥筒配合定位。

所述的固定阀芯周围同轴安装有一号浮动体和二号浮动体;以朝向加注接口一端为前,一号浮动体的外壁后端有凸起,二号浮动体的内壁前端有凸起;固定阀芯为台阶柱结构,前端外径大于后端外径;一号浮动体在弹簧作用下,前端与固定阀芯外壁台阶面连接;二号浮动体在另一弹簧作用下,内壁凸起与固定阀芯前端外壁连接,并能够在对接加注接口时被外壳体推动,带动二号浮动体脱离固定阀芯,打开受注通道。

所述的受注弹簧壳体内壁朝向固定阀芯前端的位置沿周向设有密封圈,密封圈在浮动体或外壳体外壁的作用下始终处于压缩状态。

所述的二号浮动体前端凸起的内壁沿周向设置有密封圈,密封圈在固定阀芯或一号浮动体外壁的作用下始终处于压缩状态。

所述的浮动阀芯周围同轴安装有三号浮动体;以朝向受注接口一端为前,浮动阀芯为前后两端外径大于中段外径的台阶柱,外壳体前端开口向内收拢;所述的浮动体在连接浮动阀芯的弹簧作用下连接外壳体开口收拢处,封闭加注通道,并能够在对接受注接口时被浮动阀芯带动,在受注通道打开后脱离外壳体,打开加注通道。

所述的浮动阀芯前端外壁沿周向设置有密封圈,浮动阀芯前端外径小于三号浮动体内径,密封圈在外壳体前端开口的内壁或三号浮动体内壁的作用下始终处于压缩状态。

所述的锁紧用球体不少于4个。

所述的内锥套形成的斜面对钢球所施加的力与后撤干扰力的方向成钝角。

本发明的有益效果是:由于采用

(1)利用钢球自锁原理对加注接口的外壳体光轴即可进行可靠锁紧,无需在加注接口外壳体上开沟槽,避免了应力集中现象,降低了加注接口的断裂风险;干扰力(如后撤力)越大则锁紧力越大;更重要的优势在于利用锁死部件的巧妙布局,避免了在传统加注接口设计方案中,由于钢球陷入挡圈和沟槽中而造成的难以分离即卡死现象的出现。

本发明设计方案,巧妙地采用了钢球配合内锥套实现滚动自锁和滑动自锁的原理,既能实现可靠的连接锁紧,而且由于斜面的缘故,又能在加注分离时,内锥套后撤方便省力,不卡死。

本发明在空间在轨加注领域中,接口锁定后的安全分离,这一核心问题上具有突破性的应用参考价值。

(2)考虑到推进剂多为有害有腐蚀性的液体,本发明巧妙地设计了具备带压加注,双头均具有自封特性的接头,加注前两者均各自密封,不会有推进剂泄露;导入并加注的过程中,二者阀芯紧密接触,一号浮动体和加注接头壳体也紧密接触,在两个紧密接触的阀芯和两个紧密接触的一号浮动体和加注接头壳体之间,逐渐开始形成液流通道,直到最终极限深入工位,液流开度达到最大,该装置的导入和加注是一体的;分离过程,加注接头壳体从受注接头内部逐渐撤出,撤出过程中不会带出输送液体;分离后,两者均各自密封,不会有推进剂泄露。

本发明在空间在轨加注领域中,加注前、加注中、加注分离、加注后的液体密封性要求这一核心问题上具有较大的应用参考价值。

(3)巧妙地设计了过渡体角色,保障了三个轴向密封圈在一号浮动体分别与受注接头外壳体和受注接头固定阀芯,加注接头外壳体与加注接头浮动阀芯,分离与恢复的运动中,密封圈不会因失去束缚而膨胀,被移动部件挤变形或撕裂,并能够全程处于受压状态,借助于密封圈的受压后膨胀力实现密封圈与移动部件表面的紧密接触,达到液压缸式密封效果。确保密封圈的长寿命和全程良好的密封性能。

(4)该装置在以下两个方面有效地降低了加注过程中的动力消耗,加注过程中锁死动作与释放动作迅速且可靠,锁死后也不需要耗能维持,降低了在轨加注任务中的能耗;仅仅依靠弹簧力配合巧妙地钢球内锥套配合设计,即可实现稳定可靠的自锁。同时需要明确的一点是,强大可靠自锁力的提供并不是靠弹簧弹力提供的,而是整个加注接口外壳体、内锥套和位于两者之间的钢球这种具备自锁特性的设计结构所决定的。在受到外界干扰力(例如加注接头的后撤力)时,干扰力越大,锁紧力也越大。弹簧的主要作用仅仅是保证锁紧后的加注的整个过程中,钢球与内锥套、加注接口外壳体之间紧密接触。

所以对于用于克服弹簧弹力来撤回内锥套的电磁力而言,其力的大小也无需很大,由此进一步降低了在轨加注任务中的能耗。

附图说明

图1是受注平台和加注平台示意图,其中加注接口平台上的锥形台的斜率与导向口锥筒结构的斜率相吻合;

图2是受注接口示意图(全剖图);

图3是加注接口示意图;

图4是彼此分离情况下二者在加注前时刻的准备工位示意图;

图5是加注接口导入受注接口内部但二者阀芯尚未接触时两者相对工位示意图;

图6是受注接口内一号浮动体后退到达二号浮动体时,相对工位示意图;

图7是加注接口到达行程极限,流量通道完全打开的极限工位示意图。

具体实施方式

为了便于描述,所述锁紧用球体在本说明书中一律称之为“钢球”,但并非该球体的材质必为钢制,具体选用材料应当根据实际工程需要,在考虑材质的多方面性能的情况下,进行确定。

本发明包括受注接口和加注接口两部分,具体包括受注接口固定阀芯1、受注接口内部外弹簧2、受注接口内部内弹簧3、一号浮动体4、二号浮动体5、受注弹簧壳体6、钢球7、锁定部件壳体8、内锥套9、永磁体10、锁定用弹簧11、电磁线圈部件12、加注接口外壳体13、加注接头内部外弹簧14、加注接头的浮动阀芯15、加注接头内部内弹簧16、三号浮动体17、加注接头轴向密封圈18、受注接头轴向密封圈19、沉头紧固螺钉20。

所述的受注弹簧壳体同轴固定在锁定部件壳体内,受注弹簧壳体侧壁沿周向在同一圆环上均布若干通孔,在受注弹簧壳体和锁定部件壳体之间设置有内锥套和锁紧用球体,所述的内锥套上安装有永磁体,能够分别在弹簧或电磁线圈的作用下沿受注弹簧壳体轴向往复运动,推动锁紧用球体朝向受注弹簧壳体轴心部分伸出通孔或缩回通孔内;所述的固定阀芯安装在受注弹簧壳体中心,与受注弹簧壳体之间形成受注通道;所述的浮动体能够沿受注弹簧壳体轴向往复运动,并在弹簧作用下运动至固定阀芯和受注弹簧壳体之间,封闭受注通道;

所述的加注接口的外壳体外壁与受注弹簧壳体内壁间隙配合,外壳体与浮动阀芯之间形成加注通道,并随着浮动阀芯沿加注壳体轴线的往复运动,封闭或打开加注通道,浮动阀芯在弹簧的作用下封闭加注通道;当外壳体与受注弹簧壳体对接时,外壳体推动浮动体离开固定阀芯,固定阀芯推动浮动阀芯后退,加注通道和受注通道连通。

受注接头阀芯是固定的,而加注接头的阀芯是浮动的,且二者均略有突出;加注接头的浮动阀芯顶部设有小锥体与受注接头阀芯上的锥形孔相配合,起到一定的定位作用,确保在两侧弹簧力的作用下,两阀芯端部能够完全紧密接触。

无论加注接口还是受注接口,其内部的弹簧在二者分离状态下均处于受压缩状态,在深入的整个过程受注接口中外圈弹簧先进一步被压缩,内圈弹簧随后也被继续压缩,而在加注接口中,胡克系数稍小的内圈弹簧先受压动作,外圈弹簧后动作。

二号浮动体和三号浮动体的存在,是为了分别保证在一号浮动体与受注接头固定阀芯,加注接头外壳体与加注接头浮动阀芯,分离与恢复的运动中不被撕裂而延长使用寿命,以及保障加注的整个过程中正常的密封性能而设计的。

钢球自始至终地处于受注接头的壳体上均布的锥形孔中,钢球数量越多夹紧越可靠,但是由于开锥形孔数目也会越多,故而钢球数量应当综合工程实际需要考虑成本和选用的材料强度考虑确定,一般不少于4个。钢球在锥形孔内,可以露出部分但不会全部露出而脱落,锥形孔数量等于与之相配合的钢球的数量。

钢球、加注接口外壳体、内锥套作为锁紧机构的核心部件,其加工过程均经过热处理工艺进行表面强化,同时采用相关防止发生太空冷焊现象的相关技术进行镀层处理。

本发明中内锥套形成的斜面对钢球所施加的力恰好与后撤干扰力的方向成钝角,干扰力越大造成的锁紧力也越大,针对各种大小的干扰力具备自适应性。

如图1所示,加注接口位于加注平台中心位置,受注接口位于受注平台中心位置。加注平台位于加注“机械臂末端”,加注平台通过附着在“加注机械臂”上的推进剂输送柔性管道与加注航天器的储液箱相连;受注平台位于受注航天器储液舱外壁上,内部与储液箱相通连。受注平台外应当设置有防尘?;ふ?,只有执行加注任务时才会将?;ふ址?,以免太空垃圾进入。加注接头四周均布有四个高度高于其的定位销,起到?;ぜ幼⒔涌?,导向与定位,同时防止加注接头和受注接头发生相对转动的目的。受注接口平台上开有与四个定位销相配合的锥筒,锥筒小径部分直径与定位销相等。

如图6所示,此时液流通道尚未形成,两个接头仍均处于自封状态。此后二号浮动体将开始带着一号浮动体一起后退,此时二者阀芯紧密接触,一号浮动体和加注接头壳体也紧密接触,随着浮动体的后退,在两个紧密接触的阀芯和两个紧密接触的一号浮动体和加注接头壳体之间,逐渐开始形成液流通道,直到最终极限深入工位。

钢球、受注接头壳体外表、内锥套的内表面三者组合为锁死结构,斜面坡度的设计与选用的材质摩擦系数有关,具体角度可通过受力分析进行计算。

直观地来分析,也不难理解,当加注对接口因干扰因素发生后撤时会将力传递给钢球,钢球把力传递给内锥套,内锥套坡度的存在使得后撤的力越大,加注接头外壳体所受的锁紧力也越大。所以,只要内锥套在径向不产生破裂,自锁平衡就不会被打破,加注接头就不会从受注接头的内部撤出而分离。显然,由于内锥套自身强度因素以及锁紧部件壳体的?;ぷ饔?,破裂现象难以发生,锁死结构足够可靠。

为了保障三个轴向密封圈在一号浮动体与受注接头外壳体、受注接头固定阀芯,加注接头外壳体与加注接头浮动阀芯,分离与恢复的运动中,密封圈不会因失去束缚而膨胀,进而挡住时移动部件的去路,造成轴向密封圈的被挤变形与撕裂,以及能够全程处于受压状态,实现密封圈与移动部件表面的紧密接触。本发明中采取了如下设计:

(1)加注接头浮动阀芯上的径向密封圈:三号浮动体对与受注接头外壳体与阀芯的分离后的再次恢复起到过度作用的,保障了加注接头浮动阀芯上的径向密封圈始终处于压缩状态,借助于密封圈的受压膨胀力,完全等同于活塞杆可以在液压缸体内伸入与伸出的密封原理,该装置中的径向的密封圈就类似于液压缸伸出活塞杆处的液压缸缸口内起径向密封的密封圈。

(2)受注接头外壳体上的径向密封圈:加注接头外壳体小径部分也即前端部分对于浮动1与受注接头外壳体间的分离后的再次恢复起到过渡作用,保障了受注接头外壳体上的径向密封圈始终处于压缩状态。

(3)一号浮动体上的径向密封圈:二号浮动体对于一号浮动体与受注接头固定阀芯分离后的再次恢复起到过渡作用,保障了一号浮动体上的密封圈保持受压缩状态不变。

具体而言,如图6所示,原来一号浮动体与固定阀芯之间配合使一号浮动体上的轴向密封圈受压,来起到密封作用。在一号浮动体在加注接头壳体的推动下前进并与固定阀芯分离时,二号浮动体立即无间隔地接替了原来固定阀芯的角色,与一号浮动体配合,从而继续使一号浮动体上的密封圈保持受压缩状态不变。在加注完成而分离,一号浮动体退回原来与固定阀芯配合的位置时,二号浮动体又会将此个角色还给受注接头固定阀芯??杉鸥《宄涞绷斯墒拐叩淖饔?。

之所以设计为无间隔地接替,目的是为了防止密封圈在无约束下膨胀,导致难以再次装进去,而且会由于挡住了移动部件的去路会被撕裂。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明,本发明包括但不仅限于下述实施例。

如图1所示,加注设施设计方案为,加注接口位于加注平台中心位置,受注接口位于受注平台中心位置。加注平台位于“加注机械臂”末端,加注平台通过“加注机械臂”上附着的推进剂柔性管道与加注航天器的储液箱相连。受注平台位于受注航天器储液箱外壁上,内部与储液箱相通连,并且受注平台外设置有防尘?;ふ?,只有执行加注任务时才会将?;ふ址?。加注接头四周均布有四个高度高于其的定位销,起到?;ぜ幼⒔涌?,导向与定位,同时防止加注接头和受注接头发生相对转动的目的。加注接口平台上开有与四个定位销相配合的锥筒,锥筒小径部分直径与定位销相等。

如图4所示,在加注接头与受注接头彼此处于分离状态时,钢球在弹簧的作用下露出最多;如图5和图6所示,导入并加注但还尚未锁死的过程中,由于电磁力将内锥套撤离钢球,所以钢球一直在锥形孔处于回缩不露头状态;如图7所示,锁死后,处于加注接头外壳体和内锥套之间,在弹簧力的作用下时时刻刻保持紧密接触。

假设此处的受注航天器是卫星,且“抓捕机械臂”的抓捕部位为普遍带有的且相对其他部件有一定强度优势的akm喷管。

首先,加注航天器先使用一只“抓捕用机械臂”捕获受注卫星的akm喷管,再用另外一只末端安装有加注平台的“加注机械臂”开展加注操作。

整个在轨加注过程包括三步:

(1)导入并加注过程??刂啤凹幼⒒当邸?,使得其上的加注平台与受注卫星上的受注平台进行对接导入与加注操作。具体而言,令受注卫星上的电磁铁通电,进而通过电磁吸力克服弹簧弹力将内锥套从钢球处撤回,为加注接头的导入扫清障碍。此后,随着加注接头在受注接头内部的不断深入,首先发生接触的是两个阀芯,之后,加注接头外圈与二号浮动体开始接触,并推动二号浮动体后退,此时,在受注接头内只有外圈弹簧继续压缩后退,内圈弹簧由于胡克系数稍大故尚不动作。随着深入的不断进行,直到二号浮动体与一号浮动体接触并挤压,随后继续的深入,会导致受注接头内的内圈弹簧也发生后退压缩。在两个紧密接触的阀芯和紧密接触的一号浮动体和加注接头壳体之间,逐渐开始形成液流通道。直到加注接头外圈轴肩部分接触到受注接头内部的挡台,液流通道的开度达到最大。

(2)锁死过程。由于在四个锥筒的底部置有压力传感器,当四个定位销插入到锥筒底部时,压力传感器将压力信号转换为电信号,反馈到控制系统,当压力超过设定值时,受注航天器控制系统判定此时状态为导入成功,一方面,向加注航天器发送通信信号,令“加注机械臂”即时停止加注平台的深入动作,另一方面,同时激发自身受注平台上受注接口的电磁部件进行断电动作,使得内锥套在弹簧力的作用下退回到钢球处,从而将钢球挤出压紧加注接口外壳体,从而使得受注接口和加注接口间可以实现稳定可靠自锁,保障在轨加注任务的安全可靠进行。

(3)接头分离过程。受注航天器控制系统收到储液箱中的传感器反馈回来的推进剂已加满信号时,会再次发送指令触发电磁铁部件通电启动,从而用磁吸力将内锥套从钢球处撤离,实现解锁,随后加注航天器驱动“加注机械臂”将自己的加注接口从卫星受注接口结构中平稳抽出,至此在轨加注任务完成。随后,加注航天器开始驱动“抓捕机械臂”也断开与受注卫星的连接,将受注后的卫星释放,转而去执行对其他对象新的加注任务。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,依据本发明技术实质所作的修改、等同替换等,均应包含在本发明的?;し段е?。

再多了解一些
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