CN101016891A - 形状记忆复合材料铰链驱动展开装置 - Google Patents

Abstract

形状记忆复合材料铰链驱动展开装置，它涉及一种驱动展开装置。它为了解决现有航天飞行器的驱动展开装置结构复杂、质量大、可靠性低、冲击大的缺点。它包括形状记忆复合材料驱动主体(1)、第一连接件(2)和第二连接件(3)，第一连接件(2)和第二连接件(3)分别固定在形状记忆复合材料驱动主体(1)的两端。相对于传统的展开装置，它的优点是结构简单、质量轻、可靠性高、扩展过程对系统的冲击小。

Description

形状记忆复合材料铰链驱动展开装置

技术领域

本发明涉及一种驱动展开装置。

背景技术

由于航天运载飞行器的空间限制，航天用可展开太阳能电池板、航天用可展开天线、航天用可展开反射镜、航天用可展开桁架、航天用可展开梁等空间可展开结构，在发射前必须折叠，当在轨工作时需自动展开。航天飞行器的展开驱动结构必须具有轻质、高可靠性等性能。随着航天技术、卫星通信、射电天文以及雷达技术的快速发展，航天飞行器可展开结构的需求已大大增加。

传统的航天用可展开驱动装置主要分为：弹簧式铰链驱动器和电机式机械控制型展开装置。弹簧式铰链驱动器展开装置为机械式结构，其由很多零部件组成，主要包括：弹簧、阻尼器、火工分离启动装置、机械锁定装置等。弹簧式铰链驱动器在发射前施予预紧力，由压紧杆固定于航天器上，航天器在轨运行后依靠火工品爆炸切断压杆，以实现弹簧铰链驱动结构展开。该展开方式的优点是展开结构相对简单，缺点是展开过程不可控、不可逆、对航天器有较大冲击、可靠性低；电机式机械控制型展开装置，依靠电动机驱动的机械控制系统实现展开，其由很多零部件组成，主要包括：电机、控制电路系统、火工分离启动装置、机械锁定装置等。该展开方式的优点是展开过程比较稳定，对结构造成的冲击较小，缺点是依靠整套控制系统工作的展开系统控制环节多、质量大、可靠性较低。另外，充气式展开是近年来开始研究的新型展开技术，其依靠压缩气体充气展开，优点是体积小、质量轻，但缺点是展开过程不可控、不可逆、不稳定，气体容易泄漏，且展开过程会对航天器造成较大的冲击。此外，展开面表面的树脂在在轨固化后其形状保持能较弱，存在较严重的蠕变和应力松弛。

常规的树脂基复合材料主要考虑材料的强度、刚度等静态或准静态的力学承载性能，主要用于结构材料。而形状记忆复合材料主要考虑材料的驱动、大变形(有限变形)等动态的力学驱动性能，具有比常规树脂基复合材料高得多的可回复应变(最高可达100％数量级)。相对于常规的树脂基复合材料，形状记忆复合材料是革命性的创新。形状记忆复合材料弹性模量大、强度较高，变形回复力较大，运动稳定性和可靠性较高，形状保持能力较好。智能材料和结构技术的发展，尤其是形状记忆聚合物及其复合材料等主动变形材料的出现和快速发展，为航天用可展开技术提供了崭新的应用手段，将极大的推动航天用飞行器展开结构的发展。

发明内容

为了解决现有航天飞行器的铰链驱动展开装置结构复杂、质量大、可靠性低、冲击大的缺点，而提出了一种形状记忆复合材料铰链驱动展开装置。

本发明包括形状记忆复合材料驱动主体1、第一连接件2和第二连接件3，第一连接件2和第二连接件3分别固定在形状记忆复合材料驱动主体1的两端。第一连接件2和第二连接件3分别固定在形状记忆复合材料驱动主体1的两端。第一连接件2和第二连接件3起到与外部器件连接的作用。形状记忆复合材料驱动主体1起到对铰链结构的支撑和驱动双重作用。

形状记忆复合材料铰链驱动展开装置的基本工作过程为：将形状记忆复合材料驱动主体1的温度加热到其玻璃化转化温度以上后，沿横向的中轴线将形状记忆复合材料驱动主体1弯折成具有一定夹角的弯曲状态(0°＜角度≤180°)；在保持约束条件下降温至玻璃化转变温度以下，待形状记忆复合材料驱动主体1硬化后，撤去约束，形状记忆复合材料铰链驱动展开装置保持弯折状态而不回复；当展开运动时，对形状记忆复合材料驱动主体1进行加温，形状记忆复合材料铰链驱动展开装置自动变形回复至未弯折以前的展开状态，即实现该装置的展开。

本发明形状记忆复合材料驱动主体1由形状记忆聚合物材料、增强相材料和/或埋布于其中的电阻加热材料组成，各组分材料的体积含量为：形状记忆聚合物材料5～98份，增强相材料2～95份，电阻加热材料0～100份；更合适的含量为形状记忆聚合物材料40～90份，增强相材料10～60份，电阻加热材料1～99份；最适合的含量为形状记忆聚合物材料50份，增强相材料50份，电阻加热材料10份。

本发明形状记忆复合材料驱动主体1的形状记忆聚合物材料为苯乙烯系形状记忆聚合物、环氧树脂系形状记忆聚合物、氰酸酯系形状记忆聚合物、形状记忆聚氨酯、形状记忆聚酯、形状记忆苯乙烯-丁二烯共聚物、形状记忆反式聚异戊二烯或形状记忆聚降冰片烯。

本发明形状记忆复合材料驱动主体1的增强相材料为石墨纤维、碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维、硼纤维、碳化硅纤维、炭黑、碳纳米管、镍粉、石墨粉、晶须、碳化硅粉末、铜粉、银粉和铝粉中的一种或两种以上的混合。

本发明形状记忆复合材料驱动主体1的电阻材料为镍铬电阻材料、镍铬铁电阻材料、铁铬电阻材料、镍铬铝铁电阻材料、铁铬铝电阻材料、钼电阻材料、纯镍电阻材料、锰铜电阻材料、康铜电阻材料、铜镍电阻材料、铁电阻材料、铜电阻材料、不锈钢电阻材料中的一种或两种以上的混合。

相对于传统的弹簧式铰链驱动器和电机式机械控制型展开装置，形状记忆复合材料铰链驱动展开装置的主要优点是：

(1)、结构简单、质量轻、可靠性高。形状记忆复合材料依靠材料的热临界玻璃化转变温度自激发以实现展开，无需额外的复杂控制系统，结构较为简单。同时，决定展开运动的影响因素少(只依赖于温度)，系统展开可靠性相对较高。

(2)、展开过程运动对系统的冲击小，尤其避免了展开的开始瞬间和展开末期剧烈的冲击载荷。由于形状记忆复合材料自身的材料阻尼较大，展开由热激励缓慢自启动，展开过程运动平稳，对航天器所引起的振动极小。

(3)、展开过程可控制，便于重复工作。通过控制形状记忆复合材料的温度可以控制展开速度，且形状记忆复合材料具有多次热-机械循环可重复性，形状记忆复合材料铰链驱动展开装置能够重复工作。

(6)、驱动方式灵活，形状记忆复合材料铰链驱动展开装置可以通过航天飞行器自带的电源加热驱动，也可采用太阳能加热驱动，驱动方式灵活。

(7)、具有设计的灵活性。

形状记忆复合材料铰链驱动展开装置可广泛应用于航天、航空、医学、建筑和交通领域：航天用可展开太阳能电池板的驱动器、航天用可展开天线的驱动器、航天用可展开反射镜的驱动器、航天用可展开桁架的驱动器、航天用可展开梁的驱动器等航天飞行器的可展开结构的驱动器；能随意变形的飞行器机翼的驱动器、可展开太阳能电池板的驱动器、可展开反射镜的驱动器、可展开桁架的驱动器、可展开梁的驱动器、能收缩-伸展的人工肌肉的驱动器、机器人的驱动器、汽车后视镜的转向驱动器、能随意变形的玩具的驱动器、能自动卷起-展开的窗帘的驱动器、能随意变形的仿生鱼的尾和鳍的驱动器、能随意变形的仿生鸟的翅膀的驱动器。

附图说明

图1是具体实施方式二的结构示意图；图2是具体实施方式三的结构分解示意图；图3是具体实施方式三的结构示意图；图4是具体实施方式四的结构分解示意图；图5是具体实施方式四的结构示意图；图6是具体实施方式五的结构示意图；图7是具体实施方式五的结构分解示意图；图8是具体实施方式二的增加有导电导体4的结构示意图；图9是具体实施方式三的增加有导电导体4的结构示意图；图10是具体实施方式四的增加有导电导体4的结构示意图；图11是具体实施方式五的增加有导电导体4的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图3、图5和图6说明本实施方式，本实施方式由形状记忆复合材料驱动主体1、第一连接件2和第二连接件3组成，第一连接件2和第二连接件3分别固定在形状记忆复合材料驱动主体1的两端；第一连接件2和第二连接件3分别固定在形状记忆复合材料驱动主体1的两端；第一连接件2和第二连接件3用于与外部器件连接的作用；形状记忆复合材料驱动主体1起到对铰链结构的支撑和驱动双重作用；形状记忆复合材料铰链驱动展开装置的基本工作过程为：将形状记忆复合材料驱动主体1的温度加热到其玻璃化转化温度以上后，沿横向的中轴线将形状记忆复合材料驱动主体1弯折成具有一定夹角的弯曲状态(0°＜角度≤180°)；在保持约束条件下降温至玻璃化转变温度以下，待形状记忆复合材料驱动主体1硬化后，撤去约束，形状记忆复合材料铰链驱动展开装置保持弯折状态而不回复；当展开运动时，对形状记忆复合材料驱动主体1进行加温，形状记忆复合材料铰链驱动展开装置自动变形回复至未弯折以前的展开状态，即实现该装置的展开。本实施方式提高了展开结构的可靠性、稳定性和降低其质量。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于形状记忆复合材料驱动主体1的形状为平板型；其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。该形状具有结构简单、可靠性高的特点。

具体实施方式三：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于形状记忆复合材料驱动主体1的形状为双反曲面型，两个曲面板的弧面侧相邻近，两个曲面板的纵向中轴线在同一平面内；其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。该形状具有结构简单、驱动力较大、结构稳定性好、可靠性高的特点。

具体实施方式四：结合图4和图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三不同点在于形状记忆复合材料驱动主体1的形状为双反曲面夹平板型，在两个曲面板的中间夹有平板，平板的纵向中轴线与两个曲面板的纵向中轴线在同一平面内；其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。该形状具有驱动力大、结构稳定性良好、可靠性高的特点。

具体实施方式五：结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三不同点在于形状记忆复合材料驱动主体1的形状为四反曲面型，四个曲面板的弧面两两相切；其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。该形状具有驱动力大、结构稳定性极好的特点。

具体实施方式六：结合图2、图3、图4、图5、图6和图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四或具体实施方式五不同点在于形状记忆复合材料驱动主体1的曲面板的纵轴线的垂直横截面为圆弧或椭圆弧形；其它组成和连接方式与具体实施方式四或具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图1、图3、图5和图6说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于形状记忆复合材料驱动主体1与第一连接件2和第二连接件3采用粘接、机械连接或粘接与机械连接相结合的连接；其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同点在于形状记忆复合材料驱动主体1的形状记忆复合材料由形状记忆聚合物材料、增强相材料和/或电阻材料组成；各组分材料的体积含量为：形状记忆聚合物材料5～98份，增强相材料2～95份，电阻加热材料0～100份；其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同点在于形状记忆复合材料驱动主体1的形状记忆复合材料的各组分材料的体积含量为：形状记忆聚合物材料40～90份，增强相材料10～60份，电阻加热材料1～99份；其它组成和连接方式与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式八不同点在于形状记忆复合材料驱动主体1的形状记忆复合材料的各组分材料的体积含量为：形状记忆聚合物材料50份，增强相材料50份，电阻加热材料10份；其它组成和连接方式与具体实施方式八相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式八不同点在于形状记忆复合材料驱动主体1的形状记忆聚合物材料为苯乙烯系形状记忆聚合物、环氧树脂系形状记忆聚合物、氰酸酯系形状记忆聚合物、形状记忆聚氨酯、形状记忆聚酯、形状记忆苯乙烯-丁二烯共聚物、形状记忆反式聚异戊二烯或形状记忆聚降冰片烯；其它组成和连接方式与具体实施方式八相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式八不同点在于形状记忆复合材料驱动主体1的增强相材料为石墨纤维、碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维、硼纤维、碳化硅纤维、炭黑、碳纳米管、镍粉、石墨粉、晶须、碳化硅粉末、铜粉、银粉和铝粉中的一种或两种以上的混合；其它组成和连接方式与具体实施方式八相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式八不同点在于形状记忆复合材料驱动主体1的电阻材料为镍铬电阻材料、镍铬铁电阻材料、铁铬电阻材料、镍铬铝铁电阻材料、铁铬铝电阻材料、钼电阻材料、纯镍电阻材料、锰铜电阻材料、康铜电阻材料、铜镍电阻材料、铁电阻材料、铜电阻材料、不锈钢电阻材料中的一种或两种以上的混合。

具体实施方式十四：结合图8、图9、图10和图11说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于增加了导电导体4，形状记忆复合材料驱动主体1的端部边缘处设有两个导电导体4与电源的正负极连接；其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式十四不同点在于导电导体4连接于电阻加热材料或增强相材料中石墨纤维或碳纤维上；将电压直接加载于导电导体4上，使电阻加热材料或增强相材料中石墨纤维或碳纤维发热以对形状记忆复合材料驱动主体1加热，以实现驱动装置从折叠收缩状态到展开状态的运动；其它组成和连接方式与具体实施方式十四相同。

具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一不同点在于形状记忆复合材料驱动主体1的加热方式为通过太空空间环境存在的射线辐射直接对形状记忆复合材料加热，以实现形状记忆复合材料铰链驱动展开装置从折叠收缩状态到展开状态的运动；其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

Claims (10)

1、形状记复合材料铰链驱动展开装置，其特征在于它包括形状记忆复合材料驱动主体(1)、第一连接件(2)和第二连接件(3)，第一连接件(2)和第二连接件(3)分别固定在形状记忆复合材料驱动主体(1)的两端。

2、根据权利要求1所述的形状记忆复合材料铰链驱动展开装置，其特征在于形状记忆复合材料驱动主体(1)的形状为平板型、双反曲面型、双反曲面夹平板型或四反曲面型。

3、根据权利要求2所述的形状记忆复合材料铰链驱动展开装置，其特征在于形状记忆复合材料驱动主体(1)的曲面板的纵轴线的垂直横截面为圆弧或椭圆弧形。

4、根据权利要求1所述的形状记忆复合材料铰链驱动展开装置，其特征在于形状记忆复合材料驱动主体(1)与第一连接件(2)和第二连接件(3)采用粘接、机械连接或粘接与机械连接相结合的连接。

5、根据权利要求1所述的形状记忆复合材料铰链驱动展开装置，其特征在于形状记忆复合材料驱动主体(1)的形状记忆复合材料由形状记忆聚合物材料、增强相材料和/或电阻材料组成；各组分材料的体积含量为：形状记忆聚合物材料5～98份，增强相材料2～95份，电阻加热材料0～100份。

6、根据权利要求5所述的形状记忆复合材料铰链驱动展开装置，其特征在于形状记忆复合材料驱动主体(1)的形状记忆复合材料的各组分材料的体积含量为：形状记忆聚合物材料40～90份，增强相材料10～60份，电阻加热材料1～99份。

7、根据权利要求5所述的形状记忆复合材料铰链驱动展开装置，其特征在于形状记忆复合材料驱动主体(1)的形状记忆复合材料的各组分材料的体积含量为：形状记忆聚合物材料50份，增强相材料50份，电阻加热材料10份。

8、根据权利要求5所述的形状记忆复合材料铰链驱动展开装置，其特征在于形状记忆复合材料驱动主体(1)的形状记忆聚合物材料为苯乙烯系形状记忆聚合物、环氧树脂系形状记忆聚合物、氰酸酯系形状记忆聚合物、形状记忆聚氨酯、形状记忆聚酯、形状记忆苯乙烯-丁二烯共聚物、形状记忆反式聚异戊二烯或形状记忆聚降冰片烯。形状记忆复合材料驱动主体(1)的增强相材料为石墨纤维、碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维、硼纤维、碳化硅纤维、炭黑、碳纳米管、镍粉、石墨粉、晶须、碳化硅粉末、铜粉、银粉和铝粉中的一种或两种以上的混合。形状记忆复合材料驱动主体(1)的电阻材料为镍铬电阻材料、镍铬铁电阻材料、铁铬电阻材料、镍铬铝铁电阻材料、铁铬铝电阻材料、钼电阻材料、纯镍电阻材料、锰铜电阻材料、康铜电阻材料、铜镍电阻材料、铁电阻材料、铜电阻材料、不锈钢电阻材料中的一种或两种以上的混合。

9、根据权利要求1所述的形状记忆复合材料铰链驱动展开装置，其特征在于增加了导电导体(4)，形状记忆复合材料驱动主体(1)的端部边缘处设有两个导电导体(4)与电源的正负极连接，导电导体(4)连接于电阻加热材料或增强相材料中石墨纤维或碳纤维上。

10、根据权利要求1所述的形状记忆复合材料铰链驱动展开装置，其特征在于形状记忆复合材料驱动主体(1)的加热方式为通过太空空间环境存在的射线辐射直接对形状记忆复合材料加热。

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