一种海域用救生伞的伞衣自动脱离装置设计*

雷晓峰，李彦卿，石文星，陈青山，卢 猛

(凯迈(洛阳)气源有限公司，河南 洛阳 471003)

一种海域用救生伞的伞衣自动脱离装置设计*

雷晓峰，李彦卿，石文星，陈青山，卢 猛

(凯迈(洛阳)气源有限公司，河南 洛阳 471003)

由于此前我国海用救生伞的脱离装置为手动，且操作程序繁琐，特研制了一种全自动脱离装置。本文详细介绍了此装置的组成、工作原理及设计计算方法。脱离装置主要用于降落伞伞衣与脱离锁片的自动脱离，从而实现飞行员与救生伞伞衣的分离。

脱离装置；伞衣；自动脱离

Abstract: Because the release device of rescue parachute is manual, and the operation procedures is cumbersome, a fully automated device is developed. In this paper，the composition of this device, working principle and design calculations are described，the device is mainly used for automatic parachute canopy and detachment from the locking plate in order to achieve separation of the pilot and the rescue parachute canopy.

Key words: release device；canopy；release automatically

0 引 言

此前，我国海用救生伞的脱离装置为手动，飞行员掉入海中时，只能靠手动脱开降落伞，且操作程序繁琐。当飞行员由于弹射时受伤或下降时间太短等原因无法手动脱伞时，新型脱离装置遇水即可自动使伞衣和脱离锁片(连接飞行员背带)分离，避免出现飞行员和伞衣相互缠绕，甚至被伞拖着沉入海中的情况。

而欧美国家装备的现役海上救生设备，早在二十几年前已实现全自动化，无需人工干涉。

脱离装置是救生伞的关键部件，在使用时要完成两种不同的功能。在分离之前要确保伞衣和飞行员可靠的连接；在分离时和分离后，要保证可靠的分离[1-2]。其分离解锁过程直接关系到飞行员的生命安全，因此对伞衣脱离装置设计有如下要求。

(1) 连接承载要求：分离前保证伞衣与飞行员连接可靠。

(2) 可靠分离要求：装置应使飞行员与伞衣迅速、准确而可靠地解锁与分离，必须保证解锁与分离的可靠性。

(3) 分离冲击要求：在分离过程中要求对锁体冲击小，不损伤分离装置本体。

(4) 密封要求：装置分离过程中，保证火工品产生的有限高压气体不外漏，从而保证可靠解锁与分离。

(5) 安全性要求：要求在对火工脱离装置进行安装、操作、维护和试验时，不发生火工品误起爆。要求分离过程中不能破坏锁体结构和危及飞行员的安全。

1 脱离装置结构设计

1.1 组成及工作原理

脱离装置主要用于伞衣与脱离锁片的自动脱离，实现飞行员与救生伞伞衣的分离，其结构组成见图1。

图1 脱离装置结构组成图1.锁体 2.活塞销 3.O型密封圈 4. O型密封圈 5.弹簧 6.挡圈 7.螺钉堵头 8.火工品 9.盖板 10. 螺钉 11.连接销 12.轴套 13. O型密封圈 14.定位螺钉 15.脱离锁片

本脱离装置仅为机械结构，工作时锁体1腔体内还安装有电路板、感应电极和电池等。救生伞通过背带和连接销11与锁体1连接，飞行员通过背带和脱离锁片15与锁体1连接。当飞行员落到海面上时，感应电极遇水导通电路后给火工品8通电，火工品8点爆后瞬时在狭小的封闭空间内产生高压气体，高压气体经过锁体1的气体通道后到达O型密封圈3和O型密封圈4(两个)之间的封闭容腔，气体作用力再通过两个活塞销2压缩弹簧5，弹簧5经压缩后变短，当活塞销2伸出部分从脱离锁片15中缩进挡圈中后即可实现脱离功能。为了增加可靠性，活塞销2在高压气体作用下继续缩进，通过过盈配合卡死在锁体预留台阶孔内，实现锁体1与脱离锁片15的彻底脱离，即而实现飞行员与救生伞的分离。

1.2 密封结构

脱离装置采用4道密封圈结构围成封闭容腔，可确保火工品被点爆后产生的高压气体不发生泄漏[3]，从而保证活塞销与锁体卡死有足够的动力。

1.3 卡紧结构

卡紧机构的作用是当火工品被点爆后产生高压气体推动活塞销克服弹簧阻力、O型圈及负载摩擦阻力和压入力(过盈配合阻力)后，实现活塞销与锁体的卡死，从而实现伞衣与脱离锁片的彻底脱离，大大提高了装置的可靠性。火工品作用后的状态见图2所示。

图2 火工品作用后的状态图1，4.O型封圈 2.活塞铂 3.弹簧 5.锁体 6.挡圈

2 设计计算

2.1 卡紧结构压入力计算

为了保证分离后，活塞销彻底锁死在锁体内，提高装置工作可靠性。设计利用火工品产生的高压气体将活塞销楔入锁体中，通过配合圆柱面过盈连接实现卡死活塞销的目的。

压入力可按下公式计算；

Pxi=pmax×π×df×Lf×μ

式中参数定义参照现行国家标准《极限与配合 过盈配合的计算和选用》(GB/T5371-2004)表1内容，此文不再详述[4]。

其中锁体材料选用2A12硬铝合金，活塞销材料选用15-5PH特研不锈钢，各计算参数数值见表1。

表1 计算参数数值表

由于结构限制，活塞销与锁体实际最大结合长度Lfmax=1.1 mm，如果计算上结合长度比1.1大，则可能使两个活塞销卡死行程过大而撞在一起后反弹重新从卡槽中脱离，达不到卡死活塞销的目的；考虑卡死功能要求，还要求Lfmin≥0.5 mm，否则活塞销可能不能牢靠的卡死在卡槽中。

将表1数据代入，可以求得：

=1451.04NPximin=725.52 (N)

2.2 O型圈摩擦阻力计算

O型密封圈是一种小截面的圆环形密封元件，分别用于活塞销与锁体和挡圈间的气体密封。假设密封圈在装入之前的截面呈圆形，由于装入后径向尺寸小于O型圈直径，使密封圈装入时产生预压缩。下面计算密封圈在预压缩条件下产生的初始摩擦阻力F[5]：

式中：d为圆截面直径；E为密封圈材料的弹性模量；μ为密封圈材料的泊桑系数；e为与压缩率。已知d=1.8 m，密封圈活动接触面直径D1=12.1 mm(密封圈与锁体)，D2=8.9 mm(密封圈与活塞销)，密封圈压缩后高度b=1.55 mm，E=7.84 MPa，μ=0.47，e=(d-b)/d=0.139。f1为密封圈与锁体(挡圈)内壁之间的摩擦系数。依据材料力学手册，取f1=0.4。

密封圈与锁体之间摩擦力：F1=22.9N

密封圈与活塞销之间摩擦力：F2=16.8N

2.3 火工品爆炸力设计

火工品爆炸力对本机构工作可靠性起着至关重要的作用，因此本文也给出了火工品爆炸力的计算方法。

火工品产生的高压气体应克服装置内部摩擦力、吊挂载荷产生的摩擦力、弹簧阻力和活塞销压入力的合力后才能正常工作，可以用下式表示：

F=Pxi+F1+F2+F3+F4

吊挂载荷所产生的摩擦力(钢-钢的静摩擦系数μ1=0.15)：

F3=F×μ1=750×0.15=112.5 N

弹簧阻力：

活塞销压缩到位时的弹簧高度：H=11.2 mm

F4=K(H0-H)=1.4×(28-11.2)=23.5 N

可以求得：

Fmax=1 626.74 N；Fmin=901.22 N

火工品产生的高压气体对活塞销的有效作用面积为：

S=πRV2=π62=131.1 mm2

通过Pro/E软件求出火工品气腔容积V1=274.03 mm3

所以：在0.274 cm3中，P1=6.87～12.4 MPa

由于0.274 cm3在生产中不容易实施，根据理想气体状态方程P1V1=P2V2换算出：

在5 cm3的封闭空腔中，P=0.38～0.68 MPa

因此，火工品只要能在5 cm3的封闭容腔中产生0.4～0.68 MPa的爆炸力即可满足本机构的要求。

3 结 语

介绍了一种海域用伞衣脱离装置的工作原理、结构设计及计算方法具有工程设计参考价值，原理样机进行了脱离试验。试验结果显示，本脱离装置可以实现设计目的，且该装置具有体积小及使用方便灵活的特点，因此，在宇航救生中有着广阔的应用前景。

[1] 叶耀坤，严 楠，杨立欣.钢球式解锁螺栓分离装置的强度计算[J].航天返回与遥感,2010.12(6)：66-72.

[2] 任春全，严 楠，叶耀坤.导弹级间火工分离装置综述[J].航天返回与遥感,2010.12(6)：70-77.

[3] 刘敬喜.O型密封圈的选型与使用[J].液压气动与密封，2013，33(6)：57-59.

[4] GB/T 5371-2004，极限与配合.过盈配合的计算和选用[S].

[5] 徐辅仁.O型活塞密封圈所产生的摩擦阻力[J].重型机械，1989，1(1)：33-51.

Design of a Sea Area with Canopy Rescue Parachute Automatic Release Device

LEI Xiao-feng，LI Yan-qing，SHI Wen-xing，CHEN Qing-shan，LU Meng

(CAMA(luoyang)GasSupplyCo.，Ltd，LuoyangHenan471003，China)

2014-07-07

雷晓峰(1976-)，男，河南洛阳人，高级工程师，主要从事军用阀门设计方面的工作。

TH138

A

1007-4414(2014)04-0168-03