CN101694523B - 记忆合金定标锁及用其实现卫星定标装置锁定解锁的方法 - Google Patents

Abstract

记忆合金定标锁，将记忆合金弹簧一端从套筒底部的小孔伸出并在侧面用螺钉固定，另一端固定在限位块上后伸出套筒侧面。套筒外的记忆合金丝加装热缩套管后，通过压接方式与控制电路的导线相连。金属轴的一端固定在限位块上，另一端连接软绳。本发明定标锁具有体积小、重量轻、结构简单、可靠性高的特点。用其实现定标装置锁定解锁时，此组件通过螺钉固定在定标装置底座上。将软绳拉直一定时间，金属轴伸入定标装置摆杆的锁定孔，弹簧无回复力时即完成锁定。需解锁时，控制电路给记忆合金弹簧加电，达到其相变温度后，弹簧恢复记忆的原始形状，带动金属轴向套筒内回缩，从摆杆锁定孔脱离后实现解锁。

Description

记忆合金定标锁及用其实现卫星定标装置锁定解锁的方法

技术领域

本发明属于航天光学遥感器技术领域，涉及一种利用形状记忆合金制成的定标锁及利用其实现红外光学遥感相机定标装置的锁定解锁的方法。

背景技术

定标装置是一种通过驱动机构使面源黑体在定标时挡住光路、不定标时退出光路的装置，通过控制黑体按预定时序和指令完成切入、切出光路的动作实现星上黑体的定标功能。定标装置中含活动部件，在发射时要求将活动部件锁定，入轨后进行一次性解锁。

定标装置外形如图1所示，由底座10、配重块11、电磁铁12、定标锁13、摆杆14、黑体15、下限位块16、支撑架17、加热片18、上限位块19及固定螺钉和控制电路组成。定标锁13、电磁铁12通过螺钉固定在底座10的同一侧；摆杆14通过螺钉固定在电磁铁12的转轴上，摆杆14的一端连接配重块11，另一端与支撑架17相连，黑体15背面粘接加热片18后通过螺钉固定在支撑架17上，摆杆14固定在在底座10的另一侧。

定标锁13用于锁定摆杆14和底座10，避免发射过程中摆杆14带动黑体15摆动，影响星上黑体定标性能。

红外遥感相机对地照相任务中包括低温定标、对地成像、高温定标三部分工作。低温定标放在对地成像前，高温定标放在对地成像后。定标过程的动作是一样的，区别在于黑体15的温度不同，黑体15的低温点是环境温度，高温点是通过温控电路控制加热片18得到的。摆杆14与下限位块16接触时，黑体15位于光路外，为不定标状态；摆杆14与上限位块19接触时，黑体15挡住光路，定标装置处于定标状态。

以往光学遥感相机上进行定标装置的锁定时，常用的锁定结构形式有机械锁、电磁吸合装置等。机械锁是通过步进电机驱动凸轮转动，凸轮推动一端带有顶尖的伸缩杆，凸轮在高点时顶尖与活动部件接触实现锁定、在低点时顶尖与活动部件分离实现解锁，锁定解锁过程均需给电机通电。电磁吸合装置通过加电时产生的磁力将活动部件上的铁块吸住实现锁定，二者不直接接触，有一定间隙；断电后磁力消失实现解锁。这两种结构形式体积较大、重量较重，需使用电机、电磁铁等电器设备，降低了可靠性。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可靠性高、结构简单、体积小、重量轻的定标锁及利用其实现定标装置活动部件的锁定解锁的方法。

本发明的技术解决方案是：记忆合金定标锁，包括套筒、记忆合金弹簧、限位块、金属轴、软绳、热缩套管和压线端子；记忆合金弹簧和限位块位于套筒内部，金属轴的一部分位于套筒内部，金属轴的另一部分位于套筒外部；记忆合金弹簧的一端从套筒底部的轴向通孔引出并通过螺钉从垂直方向压紧固定；记忆合金弹簧的另一端伸入限位块的轴向通孔并折转90°后从限位块的侧面及套筒侧面的开口处穿出，在与限位块的轴向通孔垂直的位置通过螺钉压紧固定；记忆合金弹簧位于套筒外部的两个引出端加装热缩套管，所述两个引出端位于热缩套管外的部分分别通过压线端子和导线进行压接；金属轴的一端通过螺纹固定在限位块上，软绳穿过金属轴另一端的径向小孔后，留好长度并打结呈环状。

所述的记忆合金弹簧由钛镍形状记忆合金丝制成，记忆合金丝直径为0.3mm；记忆合金弹簧的回复力不小于2N，收缩位移量不小于9mm、恢复记忆形状时间不大于15s。

所述的套筒为聚酰亚胺材料，端部留有法兰，用于将定标锁固定。

所述的限位块为聚酰亚胺材料，呈圆柱形。

所述的金属轴为钛合金材料，表面经防冷焊处理。

记忆合金定标锁实现定标装置锁定解锁的方法，步骤如下：

(1)在地面运输及卫星发射过程中，定标装置中的活动部件处于锁定状态。锁定时，将定标装置的摆杆靠在下限位块的平面上，使得定标锁的金属轴的中心与摆杆的锁定孔中心对齐；然后将金属轴上的软绳缓慢拉直，使得金属轴进入摆杆的锁定孔内，在限位块达到极限位置并维持一定时间后，松开软绳，使得金属轴的端面与摆杆的端面齐平，完成锁定；

(2)在地面测试及卫星入轨后，红外光学遥感相机的每次对地成像都需要进行定标，此时摆杆处于活动状态，通过外部控制电路给记忆合金弹簧通电一定时间，使记忆合金达到相变温度并恢复到记忆的原始形状，记忆合金弹簧在收缩过程中带动金属轴向套筒的内侧运动，金属轴从摆杆的锁定孔中脱离，实现解锁。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)结构简单。定标锁仅由套筒、记忆合金弹簧、限位块、金属轴、软绳、压线端子等几个零件构成，零部件少、零件本身结构简单，零件间为机械连接、无机构和电气设备，因此结构简单；

(2)重量轻。定标锁中多为非金属零件，通过适当的设计各零件的尺寸，如记忆合金弹簧仅Φ0.3mm、软绳仅Φ1mm，金属轴仅Φ3mm，定标锁重量为0.05kg。若使用机械锁结构，质量约1.9kg；电磁吸合装置质量约0.6kg，因此在这三种结构中，本发明的记忆合金定标锁重量最轻；

(3)体积小。本发明的定标锁外形尺寸仅为Φ18mm×36mm，而通常的机械锁为107mm×95mm×120mm，电磁吸合式外形尺寸为Φ25mm×35mm，因此本发明记忆合金定标锁体积小；

(4)锁定安全可靠。锁定原理是金属轴从底座上固定通孔伸出，进入活动部件摆杆的锁定孔，轴孔配合实现锁定，此锁定方式为机械式锁定，轴孔接触面大。机械锁只是用顶尖从侧面与活动部件接触，接触面较小；电磁吸合装置是靠加电后磁力吸住活动部件上的铁块，为满足活动部件运动要求二者之间有一定间隙，因此接触面为0。因此记忆合金定标锁的锁定形式更安全可靠；

(5)无需通电锁定。通过用手拉直软绳一定时间即可实现锁定，由于是机械锁定，因此发射过程无需通电即可维持锁定状态。而机械锁需要在发射过程中给电机通电来保持锁定状态，电磁吸合装置需在发射过程给电磁铁加电，以产生磁力吸住活动部件上的铁块来保持活动部件的锁定状态。

附图说明

图1为定标装置的结构组成及其与定标锁的位置关系示意图；

图2为定标装置锁定状态示意图；

图3为本发明记忆合金定标锁的结构原理图；

图4为定标锁底部视图；

图5是本发明中记忆合金与导线压接形式示意图；

图6为采用本发明定标锁完成定标装置锁定的工作原理图；

图7为采用本发明定标锁完成定标装置解锁的工作原理图。

具体实施方式

如图3所示，本发明记忆合金定标锁包括套筒1、记忆合金弹簧2、螺钉3、限位块4、金属轴5、软绳6、热缩套管7、压线端子8、导线9。记忆合金弹簧2和限位块4位于套筒1内部，金属轴5一部分在套筒1内、一部分在套筒1外。记忆合金弹簧2的一端从套筒1底部的轴向通孔引出并通过螺钉3从垂直方向拧入压紧，固定后的记忆合金丝伸出套筒外，根据走线空间留够长度；记忆合金弹簧2的另一端伸入限位块4的轴向通孔折转90°后从侧面及套筒1侧面开口处穿出，在限位块4的轴向通孔垂直位置装入螺钉3将记忆合金丝压紧固定；套筒1外部的记忆合金丝加上热缩套管7，保留一部分记忆合金丝在热缩套管7外，将其和导线9的金属丝分别伸入压线端子8的两端，通过压接工艺完成记忆合金丝与导线9的连接；金属轴5的一端通过螺纹固定在限位块4上，软绳6穿过金属轴5另一端的径向小孔后，根据操作空间留好长度后打结呈环状。

如图4所示，为套筒1底部的外形结构图。中间的圆孔为引出记忆合金弹簧2一端的通孔，右侧的矩形开口为引出忆合金弹簧2另一端的通孔，三个圆孔为与底座10的安装孔。两侧的异形轮廓是为适应安装空间而设计的。

本发明实施例中，记忆合金弹簧2为钛镍形状记忆合金，记忆合金丝直径为0.3mm，回复力≥2N，收缩位移量≥9mm，解锁响应时间≤15s。收缩位移量≥9mm是因为摆杆14的厚度为5mm，其内侧与底座10之间有4mm间距，这个收缩量可以保证完全解锁；回复力≥2N是根据摆杆14及黑体15等作用在金属轴5上的压力及金属轴5运动过程的摩擦阻力计算得出，满足这个回复力即可实现金属轴回缩9mm。在外部串了20Ω电阻后，在28V直流电压下记忆合金上的电流约1.36A，通电15s产生的热量通过辐射可以及时散掉。

套筒1、限位块4为聚酰亚胺材料，螺钉3固定记忆合金丝时，螺纹中及螺钉头外应加硅橡胶703防松和绝缘。金属轴5为钛合金材料，表面需作防冷焊处理。金属轴5拧入限位块4时，在螺纹中加入MS螺纹胶。金属轴5一端做成螺纹，另一端沿60°方向截掉两侧，中间留有一定宽度，在此位置垂直于金属轴5的轴线打一个小孔，与软绳6接触的部位均做成光滑表面。穿线孔孔径为Φ1.5mm，穿线孔内表面要求光滑，边缘倒圆角。软绳6直径小于Φ1.5mm，应耐磨、耐拉，能承受不低于40N的拉力，保证设计裕余度≥20。

如图5所示，两个记忆合金丝根据走线空间留好长度后分别放入两个压线端子8的一端，两根导线9分别放入压线端子的另一端，经压接工艺完成压接，导线连入控制电路的电源接口。记忆合金丝不能与导线9直接焊接，二者需分别接入压线端子8两端的金属孔内，通过压接钳完成压接，并需经过试验调整出合适的压接力，以保证连接强度和导通要求。记忆合金丝与导线9通过压线端子8实现连接。本发明实施例中，压线端子8规格为2803-4-000，导线9规格为AR19×0.12。

在采用本发明定标锁对卫星定标装置进行锁定和解锁时，定标锁通过套筒1法兰上的孔用螺钉固定在定标装置的底座10的侧面，如图1所示。

在地面运输前或发射前最后一次测试完成后，需通过定标锁13将摆杆14与底座10锁定，避免因摆杆14带动黑体15活动而造成零部件损坏和定标性能降低，此时摆杆14与下限位块16接触，如图2所示。需锁定时用手将软绳6拉直，使限位块4达到极限位置，金属轴5进入摆杆14的锁定孔内，维持一定时间(约30s)，金属轴5端部与摆杆14的侧面基本平齐、不再回缩，即完成锁定，锁定后状态如图6所示。发射前最后一次测试完成后进行锁定，剪断软绳6，避免产生多余物。将软绳6拉直所施加的外力需克服记忆合金弹簧2与套筒1内壁、限位块4与套筒1内壁、金属轴5与底座10通孔内壁、金属轴5与摆杆14锁定孔内壁的摩擦阻力和记忆合金弹簧2的回复力，要求软绳6拉直后能承受40N的拉力。通过限位块4的极限位置控制拉伸行程9mm。

定标时摆杆14要带动黑体15上下摆动，因此需在卫星入轨后、工作前先执行解锁指令，完成星上一次性解锁，此后摆杆14不需要再锁定。地面测试前，如果发现定标锁13处于锁定状态，也需先进行解锁，解锁过程同星上一致。假设T₀时刻接收到解锁指令后，控制电路给记忆合金丝加电，电源为直流28±3V，外部串接一20Ω电阻，此时电流约1.36A，达到钛镍记忆合金相变温度(65～80℃)后，记忆合金弹簧2会恢复到记忆的原始形状，恢复记忆形状的过程会带动金属轴5收缩约9mm，从摆杆14中脱离实现解锁，T₀+15s时刻接收到解锁结束指令后，记忆合金丝断电即完成解锁任务，解锁后的状态如图7所示。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.记忆合金定标锁，其特征在于包括：套筒(1)、记忆合金弹簧(2)、限位块(4)、金属轴(5)、软绳(6)、热缩套管(7)和压线端子(8)；记忆合金弹簧(2)和限位块(4)位于套筒(1)内部，金属轴(5)的一部分位于套筒(1)内部，金属轴(5)的另一部分位于套筒(1)外部；记忆合金弹簧(2)的一端从套筒(1)底部的轴向通孔引出并通过螺钉(3)从垂直方向压紧固定；记忆合金弹簧(2)的另一端伸入限位块(4)的轴向通孔并折转90°后从限位块(4)的侧面及套筒(1)侧面的开口处穿出，在与限位块(4)的轴向通孔垂直的位置通过螺钉(3)压紧固定；记忆合金弹簧(2)位于套筒(1)外部的两个引出端加装热缩套管(7)，所述引出端位于热缩套管(7)外的部分与导线(9)同时伸入压线端子(8)中进行压接；金属轴(5)的一端通过螺纹固定在限位块(4)上，软绳(6)穿过金属轴(5)另一端的径向小孔后，留好长度并打结呈环状；记忆合金弹簧(2)为钛镍形状记忆合金。

2.根据权利要求1所述的记忆合金定标锁，其特征在于：所述的记忆合金弹簧(2)由钛镍形状记忆合金丝制成，记忆合金丝直径为0.3mm；记忆合金弹簧(2)的回复力不小于2N，收缩位移量不小于9mm、恢复记忆形状时间不大于15s。

3.根据权利要求1所述的记忆合金定标锁，其特征在于：所述的套筒(1)为聚酰亚胺材料，端部留有法兰，用于将定标锁(13)固定。

4.根据权利要求1所述的记忆合金定标锁，其特征在于：所述的限位块(4)为聚酰亚胺材料，呈圆柱形。

5.根据权利要求1所述的记忆合金定标锁，其特征在于：所述的金属轴(5)为钛合金材料，表面经防冷焊处理。

6.根据权利要求1～5所述的任一记忆合金定标锁实现卫星定标装置锁定解锁的方法，其特征在于步骤如下：

1)在地面运输及卫星发射过程中，定标装置中的活动部件处于锁定状态； 锁定时，将定标装置的摆杆(14)靠在下限位块(16)的平面上，使得定标锁的金属轴(5)的中心与摆杆(14)的锁定孔中心对齐；然后将金属轴(5)上的软绳(6)缓慢拉直，使得金属轴(5)进入摆杆(14)的锁定孔内，在限位块(4)达到极限位置并维持一定时间后，松开软绳(6)，使得金属轴(5)的端面与摆杆(14)的端面齐平，完成锁定；

(2)在地面测试及卫星入轨后，红外光学遥感相机的每次对地成像都需要进行定标，此时摆杆(14)处于活动状态，通过外部控制电路给记忆合金弹簧(2)通电一定时间，使记忆合金达到相变温度并恢复到记忆的原始形状，记忆合金弹簧(2)在收缩过程中带动金属轴(5)向套筒(1)的内侧运动，金属轴(5)从摆杆(14)的锁定孔中脱离，实现解锁。 

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