專利名稱：一種用于改變結構連接件剛性/阻尼特性的系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于結構連接件領域，更具體地說，涉及一種可以根據控制命令而改變結構連接件的特性的系統，以滿足特定條件的需要。
為了滿足對兩個結構之間的連接件或偶合件改變結構特性的需要，例如為了減小，濾除和/或分散來自一個偶合結構而作用于另一偶合結構的機械振動，或為了滿足對兩結構之間的動力結構連接的改變的需要，產生了各種不同的系統并已經投入了應用，每種系統都可以滿足一種具體的功能，例如粘彈性、摩擦能耗散器等；使用電動機、氣動裝置等的用于結構的相對定向裝置；根據偶合程序進行偶合的上述結構或該結構的具體裝置中的固定和釋放裝置。
有幾種已經為人們所熟知的系統，可以使兩個結構之間安全而又可拆卸地相互聯結；在其中一個第一條件下，兩個結構鎖合在一起并實現剛性聯結；至少還有一個第二條件，在此條件下，根據某一具體時刻所傳遞的控制命令，兩結構之間的聯結獲得釋放，兩個結構相互脫離。
特別是在太空技術領域，人們已經熟知了的許多不同系統都可以完成以下工作在進入預定軌道之前運載火箭和搭載載荷(例如人造衛星)相互鎖合在一起，一旦進入預定軌道，兩部分結構之間的剛性聯結就被打開，允許上述搭載載荷從運載火箭上脫離。
作為現有技術的一個實例，可以介紹一下申請人所擁有的公開號為0768241的歐洲專利申請，這項專利保護的是一種衛星固定和分離技術。本申請所描述的發明目的在于簡化了衛星在運載火箭上的固定以及進入軌道后的分離技術。這一目的是通過一個由螺栓聯結在運載火箭適配器的上邊環上的固定元件來達到的，固定元件是一個兩部分金屬帶構成的張緊帶，彎曲的金屬零件將衛星的下邊環固定在其上部，并將其環繞壓緊。
在美國專利號3737117中，公開了用于宇宙飛船太空對接系統的兩種錐體結構，其中之一構成了一艘飛船上的對接容器，另一個錐體結構在第二艘飛船上形成了一個錐狀突起。當兩個錐體對接元件相互偶合時，它們就掛在一起，對接產生的能量被一個密封艙中的壓縮氣體所吸收，密封艙的外部也就是第一艘飛船的錐體容器。所產生的反彈力被安裝在錐體容器上的一組致動柱體所抵消。
1981年11月26日的法國專利申請號8122144保護了一種固定釋放系統，這種系統可以使兩部分，一輛汽車和一個平臺暫時連接，而在真正使用期間又相互分離。這種系統允許兩部分在某一特定位置聯結成一體；而在某一時刻變為釋放狀態，此時汽車支承平臺和支架處于收起位置，從而釋放上述汽車部分。這種系統特別適合于航天領域。
美國專利號3564564中提到了一種用于固定太空船上的對接環的掛鉤裝置。這種裝置包括一個與一個儲能組件比如一個彈簧聯在一起的固定鉤，以及一個可以同時釋放固定鉤并在組件中儲能的組件柄。它還包括可以將固定鉤恰當定位并保持在組合位置直到適當的時刻加以釋放的觸發裝置。
EP0402263“臨時聯結裝置，特別是用于上述聯結件的人造衛星的搭載和釋放程序”，描述了一種可以在偶合元件之間施以機械保持張力的固定裝置，以及具有可以消除上述機械張力并產生允許元件之間相對運動的釋放動作的熱特性的釋放裝置，釋放裝置上帶有一個由形狀記憶材料制成的零件，它與固定裝置配合使用。
最后，在歐洲專利號0469939“兩物體之間的多固定點聯結裝置”中，披露了上述物體之一具有由聯結桿相連的活動開口零件以便同時控制它們。另一個物體具有固定開口零件。這種裝置的操作分為兩個步驟，第一步要通過開口零件建立聯結關系，第二步對楔形零件進行調整。如果鎖合系統的作用被終止，開口零件僅僅允許作轉動運動。
如上所述，所有這些文件所披露的用于偶合的固定和/或釋放裝置，允許兩部分結構以一種鎖合的方式相互聯結在一起，直至某一預定時刻這種聯結終止，以便上述結構之間相互分離，或者與此過程相反。適合于在這種結構之間相互聯結的通用方法，是啟動至少一個火藥筒或打開鎖合它們的機械聯結件。
那么，在已知的聯結技術中，防止偶合結構之一產生的沖擊和振動傳遞到另一個結構上的裝置還沒有被看到，這對后者會產生機械影響；這對于比如宇宙飛船領域是十分重要的，當按照通常的火藥助推方法使飛船之間產生分離時會產生嚴重的沖擊和振動。這種沖擊和振動通過所使用的偶合件直接傳遞到所運載的精密有效載荷(例如人造衛星)上。
在上述現有技術中，并沒有涉及這些沖擊和振動所帶來的問題，盡管這些問題會對釋放結構產生嚴重的影響。
總而言之，本發明的系統通過在兩結構之間插入一個第三結構而使兩結構聯結在一體，包括至少一個偶合段，上述結構能夠穩定地結合在一起是由于預緊力的作用，而預緊力是由至少一個環狀機械預緊金屬帶所產生的，而環狀預緊金屬帶包括一個聯結上述第一結構和上述第三中間結構中至少一個偶合段的第一剛性變化元件組，和一個第二剛性變化元件組，它把上述結構聯結為一體，跨越上述第三中間結構的至少一個偶合段。
還有，本發明的系統還能完成到目前為止按現有技術制造的已知偶合系統所不能完成的其它功能。例如，通過安裝附件，可以使所述接頭的剛性發生臨時變化，以獲得聯結結構之間動態偶合結構的改變，從而改變運載火箭的飛行控制規程；比如，或者改變接頭的外形，以達到使兩偶合結構之間獲得新的定向的目的，例如在折疊和調整天線的情況下，或者必須將衛星散布在軌道位置的時候。
本發明還可以用于需要對接觸聯結結構之間的熱塑性變形和熱聯結進行分離或隔離的場合，就像在望遠鏡和/或需要可靠分離的有效載荷的組件中那樣。
還有，根據本發明通過配置系統，可以通過預先限定的離散的接頭在兩個偶合結構之間架設載荷傳遞通道。
這些和其它目的通過一種如權力要求1所述的系統都可以完成，這對于專家而言在技術上是顯而易見的。
圖中
圖1是根據本發明的偶合系統的最簡單的實施例的一個非常簡化的略圖2是圖1中偶合結構的立體示意圖；圖3A-C是橫剖面示意圖，表示了圖1中偶合系統的第一實施例的工作過程；圖4A-C是橫剖面示意圖，表示了圖1中偶合系統的第二實施例的工作過程；圖5A-D是表示使用本發明的系統的兩個偶合結構之間的應變傳遞情況的示意圖；圖6A-E是表示根據本發明的偶合系統的不同應用情況的示意圖。
以下參照附圖，描述用于空間技術領域中的本發明的系統的最佳實施例，在所有插圖中，相似的零件使用相同的序號，這樣，在圖1中，第一結構的上面部分1表示的是比如一個運載火箭，第二結構的下面部分2表示的是由衛星或貨艙組成的一個有效載荷2，1和2上面的偶合嘴1a、2a都帶有法蘭4，4，并且與夾在1、2之間的中間結構3相聯結，結構3的兩個端面帶有法蘭5，5。具體到這種情況，可以認為所要偶合的結構1和結構2都是回轉體，盡管專家都清楚在更為一般的情況下本發明可以用于任何其它輪廓橫截面的結構。
上述結構1、2和3相互鎖合，以便形成所需機械特性的組合；這種鎖合可以通過環繞上述法蘭或適配環4、5安裝一些預緊帶6來實現(見圖2)，例如在西班牙專利申請號9501994和9702028中就是采用的這種方法，這里以申請人的名義引述其中的描述作為參考。上述金屬預緊帶6產生一個預緊力，從而提供足夠的聯結張力。
然而，任何其它類型的已知偶合技術都可以用來實現這一目的。
為了描述之便，下面設想一個由三個大致呈圓柱狀的結構和兩個預緊帶組成的偶合系統。
在這種系統的內部，至少帶有一個用于改變剛性的第一組聯結件7，每個聯結件7的端部都分別聯結著下部結構1的內表面和構成中間結構3的偶合段的內表面。還有，在上述中間結構3的內表面和上述上部結構2的內表面之間，帶有第二組聯結件7。第一組和第二組中聯結件7的數目以及它們的機械性能是由每種情況下的具體應用決定的。
在每對聯結件的內側，還帶有一組可變剛性聯結件8，其端部跨越中間結構3聯結在結構1和2上。這些聯結件8的數量和機械特性同樣取決于具體的應用場合。
上述可變剛性聯結件7和8構成了雙穩態元件，這得益于極限或歐拉載荷原理。這些雙穩態元件中的每一個，都是基于預緊帶具有兩種狀態的特性一個受力彎曲而沒有超過極限載荷(如圖2中所示的條件)的第一非穩態；和一個第二穩態或靜態，此時沒有超過上述載荷，而上述元件仍回復原有的長度。
同樣，上述元件7和8提供了根據本發明的系統所需的特性，比如滿足剛性功能，啟動釋放鎖合結構，消振，隔熱以及改變偶合外形的能力。
以下，將參照圖3A-C和圖5A-C，解釋根據本發明的偶合系統的第一實施例的工作過程。
圖3A表示了結構1和結構2通過第三結構3剛性聯結的起始狀態，這種聯結是通過兩個環6與成對的法蘭4、5相互聯結來實現的。在該圖中，根據本發明的第一實施例，可變剛性元件7和8理想化為雙穩態線性組件，在其第一非穩態條件下，由序號9指示上述元件7和8相對于結構1和2的內表面的固定位置，由序號10指示元件7相對于上述中間結構3的固定位置。上述元件7和8的某些理想聯結位置是通過序號11來指示的。
圖5A中顯示的也是這種第一狀態，其中粗箭頭表示的是作用在偶合結構之一上的載荷向處于另一端的結構傳遞的方向標。這種初始結構是有意義的，例如，在受到載荷時，滿足所需要的結構特性。
現在來看圖3B和圖5B，圖中表示了偶合結構的狀態和一個預緊帶6打開偶合時的狀態，例如，那個使下部結構1和中間結構3保持偶合的預緊帶6。下部預緊帶6以一種為人們所熟知的技術從法蘭4、5上脫離，具體細節在這里就不再描述，以便允許雙穩態元件7恢復到靜態，從而使法蘭4、5相互脫離。在圖5B中，可以看到載荷在偶合結構中的傳遞路線(粗箭頭)。
這樣，在這一階段，結構特性是由新的載荷傳遞路線所決定的，進一步說，是根據具體應用所決定的新的結構聯結件所確定的。通常情況下，使得結構1和結構2、3組件之間構成較大剛性聯結的元件7的尺寸和數量的確定，要保證獲得低于預定的起始結構特性(較低的剛性)。
最后，參考圖3C和圖5C。圖中，采用了根據本發明的系統的偶合結構狀態，并展示了新的載荷傳遞路線，如果是在結構1和3分離之后，就必須恢復到一個較大值的結構特性，這可以通過使得第二預緊帶6脫離來實現，結果使雙穩態元件8恢復到靜態，從而使結構3和2之間相互分離。
這樣，雙穩態元件8比元件7具有較大的結構特性(較大的剛性)，這將滿足此后結構1、2之間的最終偶合要求。在上述圖5C中，結構1、2、3之間所保持的相互聯結關系以及結構1、2之間的載荷傳遞路線是可以實現的。
另一方面，在圖4A-C，5A、5B和5D中，介紹了本發明的第二最佳實施例的工作過程，相比之下省去了最大的搭扣8，取而代之的是第二組搭扣7′。在這種情況下，對比圖4A和5A、4B和5B、4C和5D，可以看出偶合結構之間不同的載荷傳遞路線，象以前一樣，如本發明的第一實施例中所描述的那樣，取決于張力環的釋放順序。
本發明的最佳應用是作為一種用來將衛星送入軌道的運載火箭級間助推分離裝置的消振系統，它包括由兩個預緊帶6聯結在一起的三個柱體1、2、3；一個聯結中間柱體和下部柱體2，3的雙穩態可變剛性第一組元件7，包括比如三個可變元件；和一個聯結下部和上部柱體1，2的雙穩態可變剛性第二組元件8。其工作過程如下。
在發射和飛行過程中，直至第一級即將從運載火箭上脫落的瞬間，六個可變剛性元件7，8都保持在非穩定狀態，所有的結構都在預緊帶6的作用下一直保持接觸，整個組件都保持初始結構特性。
當收到相應的指令時，下部的預緊帶脫落，于是釋放開相互接觸的結構1，3的法蘭；在這種情況下，雙穩態元件組7轉換到一個穩定的靜態位置，這樣就引起一個第一結構特性變化，變得低于起始特性(剛性變小)。在這種推進器和有效載荷之間偶合剛性較小的狀態下，發射級的助推分離所產生的振動對后者的影響被減低到最小。
一旦發生了上述分離，就必須恢復或至少部分恢復接近初始特性的結構特性(剛性)，在此剛性下一旦發出相應的指令，第二上部預緊帶6就發生分離，從而釋放開中間和上部結構3，2的法蘭5，4。一旦發生這種情況，雙穩態元件8處于穩態靜止位置，這樣就恢復了先前運行中的失去的部分剛性。
最后，參照圖6A至6E，說明了根據本發明的系統的幾項應用，其中6A表示用于消除所受到的箭頭CH方向的沖擊的消振結構；圖6B表示用作一個具有可變剛性/阻尼的緩沖結構；而圖6C是把本發明的系統用作可變幾何結構的略圖，它允許對偶合結構之一的頂端加以改變，例如改變一個θ角；在圖6E中，聯結元件7、8的具體排列允許載荷的傳遞在兩個結構之間轉換。
關于剩下的圖6D，給出了本發明的系統的一種變化的實施例，其中中間偶合元件3由一個波紋管狀的結構所取代，這樣可以確保滿足至少對于一組聯結元件7在兩被偶合結構之間提供連續/不連續的偶合。
可以證明，本發明允許制成一種集現有技術系統的所有功能于一體的主動式的或“智能的”聯結結構，而其實際制作卻十分簡單，并且可以包含于任何類型的偶合結構中。
權利要求
1.一種用于改變結構連接件剛性/阻尼特性的系統，其特征在于，它包括至少一個中間偶合結構(3)，可以在其兩端接納兩個被偶合的結構(1、2)的接合部位；第一和第二可釋放閉鎖裝置(6)，在一種相互偶合關系中用于固定所述結構(1、2)中的第一結構與中間結構(3)中的第一部分，而所述兩結構中的第二結構與所述中間結構的第二相對部分相偶合；一組具有第一結構阻尼特性的第一可伸展雙穩態元件(7)，分布在所述結構的內圓周表面上，這些雙穩態元件的一端固定在所要偶合的所述第一結構(1)的內表面上，而其另一端則固定在所述中間偶合結構(3)的內表面上，當由于所述第一可釋放閉鎖裝置(6)的作用使得所述第一結構與所述中間結構鎖合為一體時，每個所述第一雙穩態元件(7)都處于一種局部彎曲的狀態；一組第二可伸展雙穩態元件(8)，其第二結構阻尼特性大于所述第一雙穩態元件(7)的第一結構阻尼特性，分布在所述結構的內圓周表面上，這些雙穩態元件(8)的一端固定在所要偶合的所述第一結構(1)的內表面上，而其另一端固定在所述結構(2)的內表面上，當所述第一結構(1)通過所述中間結構(3)與所述第二結構(2)閉鎖偶合時，且由于所述第一和第二可釋放閉鎖裝置(6)的作用，每個所述第二雙穩態元件(8)都處于一種局部彎曲狀態，這樣就確定了一系列初始結構特性。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述第一和第二結構(1，2)的偶合端上都帶有一個法蘭部分(4)，而所述中間結構3的兩端都分別帶有一個類似的偶合法蘭(5)，并且每個第一和第二可釋放閉鎖裝置(6)中都包含兩個預緊環，用于沿圓周環繞固定所述第一和第二結構(1、2)與所述中間結構(3)的接頭，把相鄰結構的所述法蘭部分(4、5)包在其中。
3.根據權利要求1或2所述的系統，其特征在于，在所述第一和第二可釋放閉鎖裝置(6)中提供可以在預定的時刻打開所述偶合結構的閉鎖關系的裝置。
4.根據權利要求3所述的系統，其特征在于，所述閉鎖關系的打開在所述第一和/或第二可釋放閉鎖裝置中是相互獨立的。
5.根據前述任何一項權利要求所述的系統，其特征在于，當打開所述第一可釋放閉鎖裝置(6)的閉鎖時，所述第一雙穩態元件組(7)恢復到非彎曲的靜止狀態，因而成為被偶合的所述第一結構(1)和所述中間偶合結構(3)之間的唯一連接。
6.根據權利要求1至5中任何一項權利要求所述的系統，其特征在于，所述第一雙穩態元件(7)在非彎曲的靜止狀態下的結構特性低于其初始狀態的結構特性。
7.根據權利要求5或6所述的系統，其特征在于，當所述中間結構(3)和被偶合的所述第二結構(2)之間的所述第二可釋放閉鎖裝置(6)的閉鎖狀態被打開時，所述第二雙穩態元件組(8)恢復到非彎曲的靜止狀態，因而成為被偶合的所述第一和第二結構之間的唯一連接。
8.根據權利要求5至7中任何一項權利要求所述的系統，其特征在于，所述第二雙穩態元件(8)在非彎曲的靜止狀態時比所述第一雙穩態元件(7)在同樣狀態下的結構特性要好，但要低于其初始狀態的結構特性。
9.根據前述任何一項權利要求所述的系統，其特征在于，所述第一偶合結構包括一個波紋管狀的結構。
全文摘要
一種改變結構連接件剛性/阻尼特性的系統,至少包括一個用于接納兩個結構的中間結構;在一偶合狀態下,可釋放閉鎖裝置將兩結構和中間結構固定;第一雙穩態元件組的結構阻尼特性不同于第二雙穩態元件組的結構阻尼特性,第一雙穩態元件組與上述結構之一和上述中間結構連接,第二雙穩態元件組與上述兩個結構連接,當所有上述結構都偶合在一起時,上述雙穩態元件都處于一種非穩定狀態。本發明可以用于宇宙飛船領域。
文檔編號B64G1/64GK1253898SQ99109839
公開日2000年5月24日 申請日期1999年7月16日 優先權日1998年11月18日
發明者米格爾·蘭喬·東塞爾, 恩里克·卡夫雷拉·雷韋爾塔, 費爾南多·塞斯佩多薩·卡斯坦 申請人:建筑航空股份有限公司