一種空間用熔鑄炸藥邏輯伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

孫云忠 譚慶 吳臣

（湖南國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南省湘潭市 411207）

熔鑄炸藥因其裝填密度高，內(nèi)部缺陷少，燃燒時(shí)間可控，爆炸穩(wěn)定而應(yīng)用于空間衛(wèi)星的爆炸連接裝置上。在軌維護(hù)和維修、在軌加注、在軌功能擴(kuò)展和軟件升級(jí)等在軌服務(wù)任務(wù)日益成為我國(guó)衛(wèi)星發(fā)展的重要任務(wù)[1-11]?？臻g對(duì)接機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)航天器之間的捕獲和連接，捕獲機(jī)構(gòu)是空間對(duì)接機(jī)構(gòu)的重要組成部分。黃劍斌[12]提出了一種衛(wèi)星柔性對(duì)接補(bǔ)加一體化機(jī)構(gòu)方案；張曉天[13]提出了一種模塊化微小型衛(wèi)星對(duì)接機(jī)構(gòu)方案；高碧祥[14-15]提出了一種對(duì)接環(huán)式的空間對(duì)接機(jī)構(gòu)。本文在前述研究的基礎(chǔ)上，提出了一種邏輯型螺旋式衛(wèi)星捕獲伸縮機(jī)構(gòu)。

1 結(jié)構(gòu)原理

邏輯型螺旋式伸縮結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，其主要由直導(dǎo)引筒、花瓣片、伸縮舌、花瓣座、深溝球軸承、套筒1、套筒2、內(nèi)桿、一級(jí)止動(dòng)球、彈簧1、二級(jí)止動(dòng)球、彈簧2、內(nèi)桿制轉(zhuǎn)套、套筒支撐等組成。

直導(dǎo)引筒固定在捕獲機(jī)構(gòu)底座（圖中未畫(huà)出）上。

套筒支撐套接在直導(dǎo)引筒內(nèi)，且與直導(dǎo)引筒為過(guò)度配合。

花瓣座外端通過(guò)矩形凸起安裝在直導(dǎo)引筒內(nèi)的對(duì)稱(chēng)矩形槽內(nèi)，花瓣座可繞直導(dǎo)引筒縱軸滑動(dòng)，但不能轉(zhuǎn)動(dòng)；花瓣座后端與套筒2扣接在一起，軸向無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但可相互轉(zhuǎn)動(dòng)。

花瓣片用螺釘固定在套筒支撐左端。3 個(gè)花瓣片通過(guò)轉(zhuǎn)軸均布的安裝在花瓣座上的安裝孔內(nèi)，可沿轉(zhuǎn)軸縱軸旋轉(zhuǎn)，安裝在轉(zhuǎn)軸上的扭簧保證花瓣片能始終貼緊伸縮舌。

套筒1 套接安裝在套筒支撐內(nèi)，可繞套筒支撐縱軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn),但不能沿套筒支撐縱軸移動(dòng)。

套筒2 套接在套筒1 內(nèi)，且其上的右旋螺紋與套筒1 上的右旋螺紋進(jìn)行配合。

內(nèi)桿與伸縮舌用螺釘固定連接，且套接在套筒2 和套筒制轉(zhuǎn)套內(nèi)，其上的右旋外螺紋與套筒2 上的右旋內(nèi)螺紋進(jìn)行配合。套筒制轉(zhuǎn)套固定在捕獲機(jī)構(gòu)底座（圖中未畫(huà)出）上，其上的方形孔與內(nèi)桿上的方形結(jié)構(gòu)相配合，使得內(nèi)桿繞其縱軸的旋轉(zhuǎn)自由度被約束，僅能沿其縱軸滑動(dòng)。

3 對(duì)二級(jí)止動(dòng)球和彈簧2 對(duì)稱(chēng)套接在套筒1 上的側(cè)孔內(nèi)，彈簧2 將二級(jí)止動(dòng)球壓緊以貼緊套筒2。

3 對(duì)一級(jí)止動(dòng)球和彈簧1 對(duì)稱(chēng)套接在套筒2 上的側(cè)孔內(nèi)，彈簧1 將一級(jí)止動(dòng)球壓緊以貼緊內(nèi)桿。

伸縮機(jī)構(gòu)初始狀態(tài)如圖1 所示，一級(jí)止動(dòng)球在彈簧1 的作用下卡入內(nèi)桿上的球形槽內(nèi)，二級(jí)止動(dòng)球在彈簧2 的作用下貼緊套筒二級(jí)套筒2 的外圓柱面。

圖1：邏輯式螺旋式伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

工作時(shí)，捕獲平臺(tái)姿態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)帶著伸縮機(jī)構(gòu)靠近目標(biāo)衛(wèi)星，并將伸縮機(jī)構(gòu)插入目標(biāo)衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī)拉瓦爾噴管內(nèi)。

當(dāng)伸縮機(jī)完全進(jìn)入目標(biāo)衛(wèi)星拉瓦爾噴管后，傳動(dòng)裝置（圖中未畫(huà)出）驅(qū)動(dòng)套筒1 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)內(nèi)桿、套筒2，以及與二者固定構(gòu)件向前運(yùn)動(dòng)。當(dāng)套筒2 上的球形槽運(yùn)動(dòng)至二級(jí)止動(dòng)球處時(shí)，二級(jí)止動(dòng)球在彈簧的作用下卡入球形槽內(nèi)，此時(shí)，伸縮舌和花瓣片已通過(guò)目標(biāo)衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī)拉瓦爾噴管喉部。

圖5：套筒2 轉(zhuǎn)速-時(shí)間、位移-時(shí)間曲線

圖6：內(nèi)桿位移-時(shí)間與速度-時(shí)間曲線

當(dāng)二級(jí)止動(dòng)球卡入球形槽后，二級(jí)止動(dòng)球產(chǎn)生的切向力將比一級(jí)止動(dòng)球產(chǎn)生的切向力大。套筒1 在傳動(dòng)裝置作用下順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，套筒1 套筒1 和套筒2 將以相同運(yùn)動(dòng)速度，帶動(dòng)內(nèi)桿和伸縮舌一起向后縮回，如圖2 所示，伸縮舌將花瓣片撐開(kāi)，使其貼緊目標(biāo)衛(wèi)星拉瓦爾噴管喉部，與阻尼器一起完成對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星的捕獲。

圖2：伸縮機(jī)構(gòu)捕獲完成示意圖

對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星實(shí)施釋放動(dòng)作時(shí)，將上述動(dòng)作反向?qū)嵤┘纯伞?/p>

2 多剛體動(dòng)力學(xué)仿真分析

為驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可靠性和平順性，使用剛體動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件進(jìn)行分析。螺釘、螺栓等固定件使用固定副代替，彈簧采用軟件自帶的模塊進(jìn)行代替。

通過(guò)仿真得到了如圖3 所示的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，分別是初始；內(nèi)桿和套筒2 伸出；套筒2 和內(nèi)桿伸出到位；內(nèi)桿后收到位，花瓣片撐開(kāi)到位；內(nèi)桿前伸復(fù)位到位；內(nèi)桿、套筒2 開(kāi)始收回；內(nèi)桿、套筒2 收回到位。

圖3：機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程仿真示意圖

套筒1、套筒2 和內(nèi)桿的動(dòng)力學(xué)曲線，分別如圖4、5、6 所示。分析套筒1 的轉(zhuǎn)速-時(shí)間動(dòng)力學(xué)曲線可知，套筒1 先進(jìn)行正向回轉(zhuǎn)，0,85s 處開(kāi)始減速進(jìn)行反向回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速曲線符合電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線規(guī)律。

圖4：套筒1 的轉(zhuǎn)速-時(shí)間曲線

從0-0.125s，套筒1 在電機(jī)的傳動(dòng)下開(kāi)始正向加速旋轉(zhuǎn)，0.125s左右進(jìn)入勻速旋轉(zhuǎn)階段。套筒2 和內(nèi)桿在套筒1 的帶動(dòng)下一起運(yùn)動(dòng)，0.75s 左右套筒2 和內(nèi)桿一起向前伸出60mm，滿足設(shè)計(jì)的要求，套筒2 旋至限位銷(xiāo)位置，軸向位移限制，速度降為0，內(nèi)桿相對(duì)套筒2 反向旋轉(zhuǎn)，做向后運(yùn)動(dòng)，花瓣式鎖緊片開(kāi)始張開(kāi)。0.9s 左右，內(nèi)桿收回8mm，如圖4 所示，內(nèi)桿和捕獲桿到達(dá)最后制止點(diǎn)，花瓣式鎖緊片張開(kāi)到位，邏輯絲杠機(jī)構(gòu)此時(shí)完成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的捕獲。

隨后電機(jī)反轉(zhuǎn)，套筒2 相對(duì)套筒1 靜止，內(nèi)桿正向旋轉(zhuǎn)向前運(yùn)動(dòng)，花瓣式鎖緊片開(kāi)始釋放，1.125s 左右，內(nèi)桿伸出8mm，花瓣閉鎖片被完全釋放，此時(shí)內(nèi)桿旋至限位銷(xiāo)位置，軸向位移限制，內(nèi)桿相對(duì)套筒2 靜止，套筒2 克服二級(jí)止動(dòng)球摩擦力開(kāi)始帶動(dòng)內(nèi)桿反向旋轉(zhuǎn)。套筒2 和內(nèi)一起反向運(yùn)動(dòng)完成復(fù)位。通過(guò)動(dòng)力學(xué)曲線分析機(jī)構(gòu)零件運(yùn)動(dòng)可以看出伸縮機(jī)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了一種邏輯型螺旋式的衛(wèi)星捕獲伸縮機(jī)構(gòu)。采用分析法對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可靠性進(jìn)行了論證，并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了建模和剛體動(dòng)力學(xué)仿真，結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的衛(wèi)星捕獲伸縮機(jī)構(gòu)原理上是可行的，且質(zhì)量?jī)H為3.5kg，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。