一种应用于航天器的并联式缓冲承载系统技术方案

本发明专利技术公开一种应用于航天器的并联式缓冲承载系统，该系统包括承载框架结构和并联缓冲单元。不同于传统的缓冲杆机构的座椅缓冲系统，并联缓冲承载系统依靠缓冲单元的压缩塑性变形吸收冲击动能，通过本发明专利技术提供的缓冲单元设计方法，能够实现对多个方向着陆冲击的全向缓冲，同时实现在正常发射和使用环境中对航天员及其座椅的支撑固定，极大地降低了安装空间和结构重量。本发明专利技术可广泛应用于航空、汽车、船舶等中发生的冲击碰撞能量吸收，以有效保护生命安全。命安全。命安全。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于航天器的并联式缓冲承载系统


[0001]本专利技术涉及一种应用于航天器的并联式缓冲承载系统，在飞船“硬着陆”冲击环境中起到缓冲作用。

技术介绍

[0002]对于载人航天器而言，保障航天员的生命安全是设计的首要因素。威胁载人飞船航天员安全的因素之一，是飞船发射时的振动载荷和飞船返回着陆时的冲击载荷。对于飞船发射时的振动载荷，一般通过将航天员和座椅与飞船主体结构牢固安装，提高承载结构固有频率的方式，降低发射振动对航天员的影响。飞船着陆过程中，如果飞船减速伞、气囊或反推火箭未能正常工作，导致舱体以较高的速度直接撞击地面，对宇航员造成过高的冲击载荷，威胁宇航员的生命安全，称之为“硬着陆”，因此载人飞船均采用航天员座椅缓冲器用于吸收故障着陆时的冲击载荷。
[0003]传统的载人飞船座椅缓冲器一般采用活塞式吸能机构，例如一种用于航天器的仪器设备或人员着陆的缓冲装置(专利号ZL201610329702.3)，在飞船着陆过程中，压迫缓冲器活塞杆压缩，压缩过程中，杆内的能量吸收元件把冲击能量吸收掉。这种方式已经成熟应用在苏联“联盟号”飞船和我国“神舟”飞船上。但是这种活塞式吸能机构具有以下问题：1)只能沿活塞杆运动方向单向吸收能量，因此一般只能吸收飞船着陆重力方向的冲击而不能吸收飞船水平运动速度引起的冲击；2)能量吸收需要很长的活塞运动行程导致吸能机构需要很长的安装空间，侵占飞船内人员和其他设备空间；3)活塞式吸能机构不利于航天员和座椅固定，需要额外的连接结构和压紧机构承受飞船发射时人员和座椅的振动载荷；4)每个人座椅系统都需要独立的活塞式吸能机构，在多名航天员时使用效率不高。

技术实现思路

[0004]针对载人飞船发射过程中多名航天员的承载和返回冲击吸能问题，本专利技术提出了一种应用于航天器的并联式缓冲承载系统，其为基于新型轻质点阵结构的并联式缓冲承载系统，在飞船发射、重返大气层等正常情况下对航天员和座椅系统提供支撑和固定作用，不发生明显的变形；在飞船“硬着陆”工况下，提供缓冲吸能功能，确保宇航员过载能够在合理范围内，保护宇航员的生命安全。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种应用于航天器的并联式缓冲承载系统，包括上方的座椅安装平台和底部的缓冲单元；多个所述底部的缓冲单元通过并联布局方式倾斜均布在所述座椅安装平台下方；所述缓冲单元采用3D打印的点阵结构，座椅安装平台采用焊接制备，所述缓冲单元和座椅安装平台上设置开有螺栓孔的连接板，所述缓冲单元和座椅安装平台通过连接板连接。
[0007]进一步地，所述缓冲单元采用的轻质化点阵结构。
[0008]进一步地，所述座椅安装平台采用整体框架结构，其上集中布置将多个座椅。
[0009]进一步地，底部的缓冲单元采用的是3D金属打印的加工方法。
[0010]进一步地，通过改变缓冲单元数量、倾斜角度适应不同座椅安装平台重量和冲击速度的缓冲吸能需求。
[0011]与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：
[0012]1.不同于传统活塞式缓冲机构的单向能量吸收方式，本专利技术采用的多个缓冲单元倾斜并联布局的方式，在各方向都具有一定的能量吸收能力，因此该结构具有多个方向的缓冲吸能能力，能够同时吸收飞船着陆重力方向和水平方向的冲击。
[0013]2.本专利技术采用的点阵吸能缓冲点阵结构，具有高效吸能的特点，相比于传统拉杆缓冲结构所占空间体积小，从而降低了在飞船内的安装空间。
[0014]3.本专利技术利用缓冲单元的刚度和强度的可设计性，既能够在飞船正常工作时提供对安装平台以及平台上航天员和座椅的承载功能，又能够在飞船“硬着陆”工况下缓冲吸能，起到保护航天员生命安全的作用。
[0015]4.本专利技术采用的将多名航天员集中在安装平台上方一起安装，再通过多个缓冲单元并联将安装平台安装在飞船舱内的方式，提高了多名航天员时的承载和吸能效率，相比传统座椅缓冲器独立安装方式，在未来能够容纳更多航天员的新一代载人飞船任务中具有更高的使用效率和更小的重量优势。
附图说明
[0016]图1为本专利技术的座椅承载缓冲系统的基本构成示意图；
[0017]图2本专利技术的缓冲单元整体结构示意图；
[0018]图3本专利技术航天座椅安装平台示意图；
[0019]图4为连接板示意图。
具体实施方式
[0020]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0021]如图1所示，本专利技术的应用于航天器的并联式缓冲承载系统，由上方的座椅安装平台1和底部的缓冲单元2组成。所述座椅安装平台1上方用于安装航天员座椅，多个缓冲单元2采用并联布局的方式安装在座椅安装平台1的下方。其中，座椅安装平台1根据座椅的安装位置及缓冲单元安装位置进行设计，采用工字梁焊接主体框架，并根据座椅安装点和缓冲平台安装点进行进一步加工设计，材料采用铝合金或者钛合金。底部的缓冲单元2采用不锈钢材料点阵结构，通过3D打印技术制备，其尺寸大小满足载荷要求和空间限制。
[0022]缓冲单元2采用3D打印技术制备的点阵结构，在飞船发射、重返大气层等正常情况下具有足够的刚度和强度，从而将座椅安装平台1连接固定在飞船舱内，并在飞船正常工作时提供对座椅安装平台1以及其上航天员和座椅的承载功能。在飞船“硬着陆”工况下，当冲击载荷超过点阵结构压溃变形的极限载荷时，通过点阵结构压溃塑性变形吸收平台上航天员和座椅的冲击动能，起到在飞船“硬着陆”时缓冲吸能，保护航天员生命安全的作用。点阵结构的胞元结构由体心立方的角点与中心点间的空心杆元通过节点连接构成，空心杆元的
直径和壁厚在沿杆元轴线方向均可设计，点阵胞元如图3属于弯曲主导型的吸能结构，所述的点阵结构可根据实际工作需要，由点阵胞元沿着空间3个方向复制阵列一定数量得到。
[0023]首先根据宇航员的过载要求以及安装需求和限制，确定缓冲过程中的座椅安装平台1的载荷和缓冲单元2的配置个数，再根据能量关系确定缓冲单元2缓冲所需行程，利用缓冲单元2的压缩率确定缓冲单元2的在缓冲方向的高度尺寸。为避免在工作中缓冲单元出现整体屈曲失效，设计缓冲单元的整体长细比为3：2，如图2所示。多个缓冲单元2倾斜并联布局，缓冲单元2在各方向都具有一定的能量吸收能力，因此具有多个方向的缓冲吸能的能力。通过6个缓冲单元2、安装位置为座椅安装平台上的安装板，安装角度相较垂直与座椅平台平面方向倾斜30
°
，能够满足不同着陆条件下，多种航天员人数配置下的承载和吸能需求。
[0024]利用座椅安装平台1的载荷和缓冲单元2的横向尺寸计算平均压溃应力，确定其代表性胞元的尺寸参数，如图3所示，胞元的边长L为50mm，杆件截面最大外径D1为8mm，最小外径D2为4mm，厚度t为0.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于航天器的并联式缓冲承载系统，其特征在于：包括上方的座椅安装平台和底部的缓冲单元；多个所述底部的缓冲单元通过并联布局方式倾斜均布在所述座椅安装平台下方；所述缓冲单元采用3D打印的点阵结构，座椅安装平台采用焊接制备，所述缓冲单元和座椅安装平台上设置开有螺栓孔的连接板，所述缓冲单元和座椅安装平台通过连接板连接。2.根据权利要求1所述的一种应用于航天器的并联式缓冲承载系统，其特征在于：所述缓冲单元采用的轻质化点阵结构。3.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨先锋，李博，张桥，罗敏，杨嘉陵，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：