CN100483291C - 微型大载荷sma空间同步解锁机构 - Google Patents

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Abstract

微型大载荷SMA空间同步解锁机构，采用底部连接在一起的分瓣螺母结构，分瓣螺母上部内有螺纹，与螺栓配合连接，并通过螺栓固定在上连接件上，分瓣螺母的底部连接在一起通过底座固定在下连接件上，分瓣螺母上部的周向有定位环，在常规安装状态下，定位环支撑分瓣螺母进行周向约束，保证分瓣螺母紧合，弹簧上端支撑定位环，下端支撑于底座，使其处于压缩状态，SMA丝一端与定位环相连，另一端固定在底座上，弹簧和驱动元件SMA丝配对使用，平常安装状态下，弹簧的力大于SMA丝，使SMA丝拉直，在工作时，通电加热SMA丝，SMA丝的力大于弹簧的力，SMA丝收缩带动定位环下移，解除对分瓣螺母的约束，从而完成机构的空间解锁功能。本发明能够解锁迅速，可以满足同步性的要求，且体积小、重量轻。

Description

微型大载荷SMA空间同步解锁机构
技术领域
本发明涉及一种空间解锁结构，特别是一种微型大载荷(即20000N)的SMA空间同步解锁机构。
背景技术
航天器需要多种分离解锁机构完成空间解锁功能，例如，与运载火箭的分离、卫星上大型太阳能帆板及其它附件的空间展开等。这种分离解锁机构主要有两方面的作用：一方面在发射期间保护有效载荷，防止受发射载荷的影响而解锁；另一方面，在指定时刻，以最小限度的有害影响，如振动和污染损害等，在飞行轨道迅速释放有效载荷，实现解锁功能。为保证连接，有些情况下航天器不止使用一个解锁机构，机构解锁的同步性是影响连接部件分离的又一重要因素。
随着新一代小型卫星的出现，卫星的内外部件更加贴近振动和污染源，因此发展低振动、无污染的空间解锁机构成为必然。在低振动空间解锁机构的研究上，一个主要的焦点是应用形状记忆合金SMA的形状记忆特性实现空间解锁功能。SMA材料加热时能回复到高温母相形状，产生6％左右的应变和巨大的回复力。因此，美国宇航局NASA以及一些著名的商业公司都有开展了以SMA作为机械驱动元件的新型的空间解锁结构的研究，其中DarinMckinnis，Fastening Apparatus Having Shape Memory AlloyActuator，NASA Johnson Space Center，MSC-21935-1.，介绍了NASA的空间解锁机构，采用SMA棒作解锁机构的驱动元件，其结构如图1、2、3所示，圆柱形固定套14通过螺纹固定在下连接件34上。活塞54位于固定套内，其下部与SMA棒24接触，内部与分瓣螺母72接触。分瓣螺母由沿周向均分为三部分的螺母组成，通过销钉78与活塞固定，如图2中A-A剖视图所示，连接状态，活塞的凸台68、70与分瓣螺母的凸台74、76配合，在活塞的作用下分瓣螺母的各部分紧密接触，在内部形成完整的螺纹，垫圈92固定在固定套上，对分瓣螺母有轴向限位的作用，螺栓26穿过上连接件36与分瓣螺母连接，由此实现两个部件的连接固定；分离解锁时，通电加热SMA棒解锁机构，SMA棒伸长，剪断销钉，驱动活塞上移，上移的距离刚好是分瓣螺母台阶的宽度，使得活塞的凸台68、70与分瓣螺母的凸台74、76脱开，分瓣螺母的径向约束解除，各部分向外张开，释放连接螺栓，从而实现上、下连接件间的分离解锁。
NASA的空间解锁机构虽然可以重复使用，但其缺点是：(1)需重新进行装配，操作复杂；(2)解锁时间较长，无法满足同步性要求；(3)为了保证连接和承载，其体积和质量都相对较大，不适合用于微型大载荷的空间解锁。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种解锁迅速，可以满足同步性的要求，且体积小、重量轻的微型大载荷SMA空间同步解锁机构。
本发明的技术解决方案：微型大载荷SMA空间同步解锁机构，其特点在于：采用底部连接在一起的分瓣螺母结构，分瓣螺母上部内有螺纹，与螺栓配合连接，并通过螺栓固定在上连接件上，分瓣螺母的底部连接在一起通过底座固定在下连接件上，分瓣螺母上部的周向有定位环，在常规安装状态下，定位环支撑分瓣螺母进行周向约束，保证分瓣螺母紧合，定位环靠弹簧和SMA丝进行轴向定位，弹簧上端支撑定位环，下端支撑于底座，使其处于压缩状态，SMA丝一端与定位环相连，另一端固定在底座上，弹簧和驱动元件SMA丝配对使用，平常安装状态下，弹簧的力大于SMA丝，使SMA丝拉直，在工作时，通电加热SMA丝，SMA丝的力大于弹簧的力，SMA丝收缩带动定位环下移，解除对分瓣螺母的约束，释放螺栓，从而完成机构的空间解锁功能。
本发明主要是利用SMA材料加热时能回复到高温母相形状，产生6％左右的应变和巨大的回复力实现机构解锁；利用SMA材料低温状态屈服应力低，高温状态屈服应力高的特性，与弹簧配合实现机构可重复使用的功能。安装状态(低温)，弹簧力大于低温时SMA丝的屈服力，SMA丝在弹簧力作用下处于张紧状态，弹簧压紧定位环，保证分瓣螺母紧合。通电加热(高温)，此时SMA丝的回复力大于弹簧力，SMA丝收缩，带动定位环下移，压缩弹簧，解除对分瓣螺母的约束，释放螺栓，从而完成机构的空间解锁功能。通电结束后，温度降低，SMA丝低温屈服力小于弹簧力，在弹簧力的作用下，SMA丝伸长，定位环恢复到初始位置，实现机构的可重复使用功能。
本发明与现有技术相比，在体积、质量、同步性等方面具有更多优势，更能满足航空航天器械对体积、质量的苛刻要求，具体表现在以下几个方面：
(1)底部连接的分瓣螺母结构，简化了机构设计，结构简单，可靠性高；
(2)本发明安装尺寸不超过Φ30mm，如图7所示，体积小，质量轻；
(3)本发明直接对SMA丝通电加热，现有技术则是通电加热电阻棒，再通过电阻棒传热加热SMA棒，两者相比，本发明所需加热时间更短，解锁更为迅速；
(4)通过试验表明，在直流电压28V作用下，本发明0.1s内机构分离解锁，能更好的满足机构的同步性要求；
(5)本发明采用SMA丝和弹簧配合拉动定位环，能够自动恢复原来的结构，现有技术则需要重新装配才能再次使用，因此本发明地面重复使用更为方便。
附图说明
图1为NASA的空间解锁机构结构示意图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为NASA的活塞与分瓣螺母外形图；
图4为本发明的装配结构示意图；
图5为本发明的内部结构三维示意图；
图6为本发明的底部连接的分瓣螺母结构示意图；
图7为本发明的安装尺寸示意图；
图8为本发明的SMA丝安装长度示意图。
具体实施方式
如图4、5所示，本发明由SMA丝2、弹簧3、分瓣螺母4、螺栓5、定位环7、底座8组成，本发明通过螺纹固定在下连接件1上，分瓣螺母4下部通过螺纹与底座8连接，上部由定位环7进行周向定位，并通过螺栓5与上连接件9固定，由此完成相邻两个部件的连接。分瓣螺母4，如图6所示，由沿周向均分分布的三部分组成，底部连接，内有膨胀螺钉6，可以通过膨胀螺钉6调整分瓣螺母4张开的尺寸。弹簧3下端与底座8接触，上端与定位环7接触，处于压缩状态，压紧定位环7，保证定位环7对分瓣螺母4的周向定位，使分瓣螺母4在装配状态下闭合，如图4所示。SMA丝2上端与定位环7相连，下端固定于底座8上，在弹簧力的作用下处于张紧状态。在通电加热SMA丝2实现解锁功能时，考虑到SMA丝2的绝缘问题，定位环7为绝缘材料。
本发明实施例中设计时采用SMA合金系中含Ti量50％、直径0.5mm的NiTi合金丝做为机构解锁驱动元件，通电加热时，SMA丝2的作动距离主要与两个因素有关：丝的原始长度和丝在低温下的塑性预拉伸变形量。SMA丝2原始长度越长、塑性预拉伸变形量越大，加热时合金丝收缩的距离也越大。综合考虑机构设计的尺寸要求和解锁所需SMA丝2收缩距离，计算确定预拉伸变形量为8％的SMA丝的有效安装长度为50mm，如图8所示。
弹簧3的设计需要满足两点要求：(1)低温下即安装状态，弹簧力要大于低温时SMA丝的屈服力，保证通电结束后SMA丝可以在弹簧力的作用下回复到低温变形的形状(实现机构可重复使用的功能)；(2)高温下即通电加热，弹簧力要小于高温时SMA丝2的回复力，这样SMA丝2才能克服弹簧阻力收缩(实现机构的解锁功能)。试验确定SMA丝的低温屈服力和高温回复力，通过计算确定弹簧刚度系数k＝20N/mm，安装状态下弹簧3的预压力为200N。
本发明的工作过程：安装状态下，定位环7的位置如图4所示，当控制系统发出解锁指令时，通电SMA丝2收缩，定位环7随之下移，压缩弹簧3，解除了分瓣螺母4的周向约束，分瓣螺母4沿周向松开，螺栓5的约束解除，相邻两部件解锁分离，完成机构的设计功能。通电结束后，在弹簧3的弹簧力作用下定位环7上移，SMA丝2恢复到装配状态下的长度，恢复原来的结构，从而可以进行下一次连接和解锁。

Claims (3)

1、微型大载荷SMA空间同步解锁机构，其特征在于：采用底部连接在一起的分瓣螺母结构，分瓣螺母(4)上部内有螺纹，与螺栓(5)配合连接，并通过螺栓(5)固定在上连接件(9)上，分瓣螺母(4)的底部连接在一起通过底座(8)固定在下连接件(1)上，分瓣螺母(4)上部的周向有定位环(7)，在常规安装状态下，定位环(7)支撑分瓣螺母(4)进行周向约束，保证分瓣螺母(4)紧合，定位环(7)依靠弹簧(3)和SMA丝(2)进行轴向定位，弹簧(3)上端支撑定位环(7)，下端支撑于底座(8)，使其处于压缩状态，SMA丝(2)一端与定位环(7)相连，另一端固定在底座(8)上，弹簧(3)和驱动元件SMA丝(2)配对使用，平常安装状态下，弹簧(3)的力大于SMA丝(2)，使SMA丝(2)拉直，在工作时，通电加热SMA丝(2)，SMA丝(2)的力大于弹簧(3)的力，SMA丝(2)收缩带动定位环(7)下移，解除对分瓣螺母(4)的约束，释放螺栓(5)，从而完成机构的空间解锁功能。
2、根据权利要求1所述的微型大载荷SMA空间同步解锁机构，其特征在于：所述的定位环(7)为绝缘材料。
3、根据权利要求1所述的微型大载荷SMA空间同步解锁机构，其特征在于：所述的分瓣螺母(4)内有膨胀螺钉(6)，通过膨胀螺(6)钉调整工作状态下分瓣螺母(4)张开的尺寸。
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