阅读说明：本技术 一种可控自保护小型绳系弹射释放机构 (Controllable self-protection small rope system ejection release mechanism ) 是由 余本嵩 金栋平 冯水良 于 2020-03-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可控自保护小型绳系弹射释放机构,包括卫星模拟器、弹射分离模块、系绳切断模块、张力控制模块、线轴基座模块和基平台,能够有效模拟绳系卫星子星的整个释放过程,包括弹射分离,张力控制,系绳切断,状态测量及缓冲减振；采用了独特的弹射驱动结构,使得弹射部分相较于之前研究更加小巧,同时可靠性能也有显著提升,发生特殊情况时,系绳切断模块中的电热材料刀具能更快更有效地切断系绳；张力控制模块中采用的制动方式能够更加有效顺滑的控制系绳张力；线轴基座模块可有效对系绳长度及速率进行非接触式检测,同时在释放结束末端能很好地起到缓冲减振作用。(The invention discloses a controllable self-protection small-sized rope system ejection release mechanism which comprises a satellite simulator, an ejection separation module, a rope system cutting module, a tension control module, a spool base module and a base platform, and can effectively simulate the whole release process of a rope system satellite, including ejection separation, tension control, rope system cutting, state measurement and buffer vibration reduction; by adopting a unique ejection driving structure, the ejection part is smaller compared with the previous research, meanwhile, the reliability is obviously improved, and when special conditions occur, an electrothermal material cutter in the tether cutting module can cut the tether more quickly and effectively; the braking mode adopted in the tension control module can more effectively and smoothly control the tension of the tether; the bobbin base module can effectively carry out non-contact detection on the length and the speed of the tether, and can well play a role in buffering and damping at the tail end of the release.)

一种可控自保护小型绳系弹射释放机构

技术领域

本发明属于空间绳系卫星系统技术领域，特别涉及一种可控自保护小型绳系弹射释放机构。

背景技术

绳系卫星作为一种新型太空飞行器，受到广泛关注，其中最为关键的问题是如何对子星进行可靠地释放，这就需要一套完整可多次重复利用的释放机构用于地面物理仿真试验。国内外已有科研人员在系绳释放机构方面进行了研究。国外研究中，Menon等设计了释放机构中的制动部分，其运行方式为：由蜗杆传动下带动涡轮转动，系绳入口设计在涡轮上，由涡轮转动来改变系绳缠绕圈数从而使摩擦力发生变化。Lorenzo等设计了一种释放机构，由电磁力控制对模拟器进行弹射，含有简易制动装置，并且可以通过电机对系绳进行回收。国内研究中，文浩等设计了一种释放机构，通过伺服电机控制系绳展开速度进行释放。王加成等设计了一种带有刚性对接锥的弹射机构，利用齿轮齿条传动来完成释放与回收过程的模拟。

前人研究的释放机构存在一些不足，如Menon等设计的制动部分在释放过程中极易卡死；Lorenzo等设计的释放机构，在弹射释放过程中会产生瞬时冲击；文浩设计的释放机构比较简单，仅可模拟速度控制释放过程；王加成等设计的机构中弹射部件体积过大，在对接锥体碰到模拟器进行加速时，容易对其内部精密设备产生影响。

设计的释放机构均未加入系绳切断装置，也没有系绳长度及速率检测部件，而这无疑是绳系卫星释放机构中极其重要的一部分。不难发现，绳系卫星释放机构还存在大量需改进的地方。

发明内容

发明目的：本发明为了解决背景技术中的问题，提供了一种适用于微重力物理仿真实验平台的小型绳系卫星弹射释放机构，能够有效模拟绳系卫星子星的整个释放过程，包括弹射分离，张力控制，系绳切断，状态测量及缓冲减振等。

技术方案：一种可控自保护小型绳系弹射释放机构，包括卫星模拟器、弹射分离模块、系绳切断模块、张力控制模块、线轴基座模块和基平台；

所述卫星模拟器上设有引导锥体，引导锥体与所述弹射分离模块相连；所述引导锥体包括电磁铁；所述线轴基座模块伸出系绳，与卫星模拟器连接；

所述弹射分离模块包括对接锥体、减震橡胶、第一固定件、缺齿齿轮、第一电机、第二固定件、导向杆、连接件、直杆、驱动弹簧、直齿条、滑块、可调挡板、挡板和铁块；所述铁块固定于对接锥体中心；对接锥体通过第一固定件与滑块连接，直齿条与滑块固定连接，沿直杆方向运动；所述直杆垂直于隔板设置；直齿条与隔板间有驱动弹簧；所述直齿条与缺齿齿轮啮合；缺齿齿轮由设置于第二固定件上的第一电机驱动；

所述系绳切断模块包括角度传感器、引导转件、第一支撑板、驱动系绳、导向轮、第二电机、固定轴、刀具、电热丝、电热箱、导向轴；所述引导转件与角度传感器伸出轴固定连接；所述系绳依次穿过引导转件通孔和导向轴中心孔；所述第二电机固定于第一支撑板上，与导向轮相连；导向轮与刀具通过驱动系绳相连；所述刀具设置于系绳上方，通过固定轴安装于第一支撑板上；所述电热箱设置于系绳下方，上方连接电热丝，用于发热熔断下压状态下的系绳；所述电热丝高度低于导向轴中心孔的高度；

所述张力控制模块包括第三电机、第二支撑板、制动圆柱、预紧轮、第一导向孔、第二导向轮、第三支撑板；所述第三电机固定于第二支撑板上，控制制动圆柱转动；所述制动圆柱包括两个圆柱体，二者间留有空隙；系绳穿过制动圆柱，与固定于第三支撑板上的预紧轮相连；所述第三支撑板上还设有第一导向孔和第二导向孔，穿过制动圆柱的系绳依次穿过第一导向孔、预紧轮、第二导向孔；

所述线轴基座模块包括光线发射模块、光线接收传感器、圆环、支撑圆柱、基座固定件、缓冲弹簧、阻尼块和线轴；所述线轴基座模块固定安装于底板上，基座固定件截面为“凸”形，所述线轴安装于固定件顶部，线轴内部设有螺纹，螺钉位于凸字形内部，阻尼块套装于螺钉外侧，与基座固定件顶端面接触；所述阻尼块与螺钉底面间还设有缓冲弹簧；所述线轴顶端还固定有光线发射模块；所述光线发射模块周向均匀分布有若干光线发射器；所述圆环与光线发射模块设置于统一平面，圆环内侧等间距分布有若干光线接收传感器；

所述弹射分离模块、系绳切断模块、张力控制模块和线轴基座模块均设置于基平台上；所述基平台包括竖直平行设置的挡板和底板；所述挡板和底板之间设有若干层平台进一步地，所述基平台还设有第二平台，所述第二平台上设有工控电脑。

进一步地，所述系绳优选为Dyneema系绳。

有益效果：

本发明具备以下功能：

张力控制功能：通过电机c转动可用来控制制动圆柱体，通过改变角度，来实现摩擦制动控制系绳拉力。

状态测量功能：系绳在释放过程中，可通过光测模块来实现长度和速率的测量，每当光线接收端传感器被触发，则更新系绳长度和速率，被触发6次则意味着系绳释放一圈。

缓冲减振功能：当系绳释放结束时，由于卫星模拟器的惯性会使系绳对线轴产生一个拉力，由于线轴固定部分有弹簧连接，可有效起到缓冲作用。

本发明采用了独特的弹射驱动结构，使得弹射部分相较于之前研究更加小巧，同时可靠性能也有显著提升，并且在弹射分离过程中不再是瞬间冲击加速而是有一个加速过程，减小对绳系卫星子星中精密设备的影响；发生特殊情况时，系绳切断模块中的电热材料刀具能更快更有效地切断系绳；张力控制模块中采用的制动方式能够更加有效顺滑的控制系绳张力；线轴基座模块可有效对系绳长度及速率进行非接触式检测，同时在释放结束末端能很好地起到缓冲减振作用。

附图说明

图1是本发明卫星模拟器弹射释放机构总体示意图；

图2是本发明卫星模拟器弹射释放机构弹射分离模块示意图；

图3是本发明卫星模拟器弹射释放机构弹射分离模块左视图；

图4是本发明卫星模拟器弹射释放机构系绳切断模块示意图；

图5是本发明卫星模拟器弹射释放机构角度测量引导转件示意图；

图6是本发明卫星模拟器弹射释放机构张力控制模块示意图；

图7是本发明卫星模拟器弹射释放机构线轴基座模块第一示意图；

图8是本发明卫星模拟器弹射释放机构线轴基座模块第二示意图。

附图标记说明

1-对接锥体，2-减震橡胶，3-第一固定件，4-缺齿齿轮，5-第一电机，6-第二固定件，7-导向杆，8-连接件，9-直杆，10-驱动弹簧，11-直齿条，12-滑块，13-可调挡板，14-隔板，15-铁块，16-角度传感器，17-引导转件，18-第一支撑板，19-驱动系绳，20-导向轮，21-第二电机，22-固定轴，23-刀具，24-电热丝，25-电热箱，26-第三电机，27-第二支撑板，28-第一支撑架，29-制动圆柱，30-第二支撑架，31-预紧轮，32-导向孔，33-第三支撑板，34-光线发射模块，35-光线接受传感器，36-圆环，37-支撑圆柱，38-基座固定件，39-螺钉，40-缓冲弹簧，41-阻尼块，42-线轴，43-导向轴，44-系绳，45-卫星模拟器，46-引导锥体，47-第一设备平台，48-工控电脑，49-第二设备平台，50-底板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，本发明提供了一种可控自保护小型绳系弹射释放机构，包括卫星模拟器45、弹射分离模块、系绳切断模块、张力控制模块、线轴基座模块和基平台；

卫星模拟器45上设有引导锥体46，引导锥体与所述弹射分离模块相连；所述引导锥体46包括电磁铁。线轴基座模块伸出系绳44，与卫星模拟器45连接。系绳44优选为Dyneema系绳，这种材料在碰到电热丝会瞬间熔断，能比传统剪断更加有效所述弹射分离模块如图2-3所示，包括对接锥体1、减震橡胶2、第一固定件3、缺齿齿轮4、第一电机5、第二固定件6、导向杆7、连接件8、直杆9、驱动弹簧10、直齿条11、滑块12、可调挡板13、挡板14和铁块15。铁块15被固定于对接锥体1的中心，对接锥体1通过第一固定件3与滑块12相连接，直齿条11与第一固定件3相连接，直齿条11，对接锥体1和第一固定件3形成共同运动的整体。滑块12安装在导向杆7上，减震橡胶2和可调挡板13相连接，并一起固定于导向杆7上。第二固定件6通过长螺钉固定在隔板14上，第一电机5安装在第二固定件6上，其上安装有缺齿齿轮4，并与直齿条11相啮合。直杆9固定于隔板14上，穿过直齿条11中的孔。驱动弹簧10套在直杆9上，其直径小于直齿条11中的孔，不能穿过其孔。导向杆7通过连接件8固定于隔板14。

系绳切断模块如图4-5所示，包括角度传感器16、引导转件17、第一支撑板18、驱动系绳19、导向轮20、第二电机21、固定轴22、刀具23、电热丝24、电热箱25、导向轴43；所述引导转件17与角度传感器16伸出轴固定连接；所述系绳44依次穿过引导转件通孔和导向轴中心孔；所述第二电机21固定于第一支撑板上，与导向轮20相连；导向轮20与刀具23通过驱动系绳19相连；所述刀具23设置于系绳44上方，通过固定轴22安装于第一支撑板上；所述电热箱25设置于系绳44下方，上方连接电热丝24，用于发热熔断下压状态下的系绳44；所述电热丝24高度低于导向轴43中心孔的高度。

张力控制模块如图6所示，包括第三电机26、第二支撑板27、第一支撑架28、制动圆柱29、第一支撑架30、预紧轮31、导向孔32、第三支撑板33；第三电机26固定于第二支撑板27上，第二支撑板27固定于第一支撑架28。制动圆柱29安装于第三电机26上，导向孔32和预紧轮31固定于第三支撑板33，第三支撑板33固定于第三支撑架30。系绳44穿过导向孔32和预紧轮31。第三电机26固定于第二支撑板27上，控制制动圆柱29转动。制动圆柱29包括两个圆柱体，二者间留有空隙；系绳穿过制动圆柱，与固定于第三支撑板上的预紧轮相连；所述第三支撑板上还设有导向孔，穿过制动圆柱的系绳依次穿过第一导向孔、预紧轮、第二导向孔；

线轴基座模块如图7-8所示，包括光线发射模块34、光线接收传感器35、圆环36、支撑圆柱37、基座固定件38、螺钉39、缓冲弹簧40、阻尼块41和线轴42；线轴基座模块固定安装于底板50上，基座固定件截面为“凸”形，线轴42安装于固定件顶部，线轴内部设有螺纹，螺钉39位于凸字形内部，阻尼块41套装于螺钉39外侧，与基座固定件38顶端面接触；阻尼块41与螺钉39底面间还设有缓冲弹簧40。线轴42顶端还固定有光线发射模块34。光线发射模块34周向均匀分布有若干光线发射器；所述圆环36与光线发射模块34设置于同一平面，圆环36内侧等间距分布有6个光纤接收传感器35。

弹射分离模块、系绳切断模块、张力控制模块和线轴基座模块均设置于基平台上；所述基平台包括竖直平行设置的挡板和底板；所述挡板和底板之间设有第一平台和第二平台。第一平台上放置上述不同模块；第二平台设有工控电脑。

释放开始前，卫星模拟器45中的引导锥体46与对接锥体1由电磁力吸引连接。启动第一电机5，带动缺齿齿轮4逆时针旋转，由于缺齿齿轮4与直齿条11相啮合，将带动直齿条11向后运动，从而压缩驱动弹簧10。由于缺齿部分的原因，当缺齿齿轮4与直齿条11不再啮合时，直齿条11上只作用驱动弹簧10的回复力，在弹簧回复力作用下，对接锥体1部分带动滑块12，在导向杆引导作用下向前加速运动，此时由卫星模拟器45发出信号将其电磁部分断电，使得引导锥体46与对接锥体1之间不再有电磁力，当滑块12向前滑动碰到减振橡胶2时，由于可调挡板13的阻挡作用，滑块12会瞬间减速至零，而卫星模拟器45则会以末端速度稳定出射。

正常释放阶段，卫星模拟器45的面内俯仰角可由角速度传感器16测得，起连接作用的Dyneema系绳44穿过引导转件17上的孔，可带动其转动，由于引导转件17与角速度传感器16的伸出轴相固连，从而只要测得引导转件17的转动角度即可得出面内俯仰角。安装于角度传感器16和电热箱25的中间的导向轴43起到引导方向的作用。Dyneema系绳44穿过预紧轮31，可提供一定的初始张力，防止系绳松弛，通过第三电机26带动制动圆柱29旋转可以改变制动角度，导致摩擦力改变从而实现对Dyneema系绳44中的张力控制，且不易卡死。Dyneema系绳44需要依次穿过导向孔32和预紧轮31。线轴42在出线过程中，光线发射端34需保持持续发射状态，每当Dyneema系绳44划过光线发射端34时，会阻碍光线接受传感器35接受光线。通过触发次数，即可计算Dyneema系绳44的释放长度和速率，被触发6次则意味着Dyneema系绳44释放一圈。释放结束时，由于卫星模拟器的惯性，导致Dyneema系绳44对线轴42产生一个瞬间拉力，弹簧40与阻尼块41可有效起到缓冲作用。若发生异常情况，可发送信号至电热箱25，使电热丝24瞬间加热成高温状态，同时第二电机21带动导向轮20转动，从而带动刀具23向下转动，将Dyneema系绳44压至电热丝24上，由于Dyneema系绳44的熔点较低，在电热丝24的高温和刀具23的作用下，Dyneema系绳44将瞬间熔断，实现小阻力断绳。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。