CN102788537B - 一种熔断sma丝空间连接与分离机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种熔断SMA丝空间连接与分离机构，其设置有：分瓣螺母、分瓣螺母的捆紧弹簧、捆紧弹簧的释放装置，该捆紧弹簧的释放装置为两根SMA丝，其中第一根的一端与分瓣螺母的捆紧弹簧上端连接，另一端与外壳上端连接，在捆紧弹簧的作用下呈张紧状态，第二根SMA丝的一端与分瓣螺母的捆紧弹簧另下端连接，另一端与外壳下端连接，在捆紧弹簧的作用下呈张紧状态，当两根SMA丝受到大电流加热时，其内部因发生相变产生巨大回复应力，同时因高温使材料断裂强度下降，在两者共同作用下发生断裂，解除对捆紧弹簧的约束，两根SMA丝互为备份，实现了冗余设计，保证了非常高的可靠性，所述连接与分离机构解锁彻底、可靠性高、抗振动、冲击载荷能力强。

Description

一种熔断SMA丝空间连接与分离机构

技术领域

本发明涉及航天器连接－分离机构的技术领域，特别涉及一种熔断SMA丝连接与分离机构，其利用形状记忆合金(SMA）丝在高温下回复应力增大同时断裂强度降低，从而引起SMA丝断裂解除捆紧弹簧对分瓣螺母的约束，实现分离的机构。

背景技术

航天器需要多种连接－分离机构实现连接与解锁功能，如多级运载火箭的分离、卫星或者宇宙飞船上太阳翼的展开等等。目前这种解锁装置多为火工品螺栓（又称爆炸螺栓）。随着技术的发展，尤其是新一代小型卫星的出现，火工品所引起的冲击和污染问题日趋严重，解决这一问题的一个主要焦点集中在应用形状记忆合金（SMA）发展新型的解锁机构。

在利用SMA研制新型连接与解锁机构上，国内外都有了一定的进展，提出了多种以SMA丝为驱动的设计方案，如美国Hi Shear科技公司提出的以SMA柱作为驱动的设计方案，国内提出的“微型大载荷SMA空间同步解锁机构”（中国专利申请号：200610011626.8），其中采用SMA丝作为驱动元件，其结构如图1所示，由SMA丝2、弹簧3、分瓣螺母4、螺栓5、定位环7、底座8组成，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1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。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，SMA丝2与底座8的连接采用绝缘材料机械止动的方式。图1所示状态为锁紧状态，当需要解锁时，对SMA丝2通电，SMA丝2收缩，带动定位环7下移，压缩弹簧3，解除对分瓣螺母4的约束，释放螺栓5，从而完成解锁。

“微型大载荷SMA空间同步解锁机构”虽然具有解锁载荷大、同步性好等优点，但其也具有较大的缺点：

（1）锁定的主要作用方向是该机构的径向方向，但在该机构在其解锁－锁定过程中却没有提供沿着该主要作用方向的收紧/放开，而锁定装置只是单纯地沿着轴向移动。结果，分瓣螺母4难以充分分瓣，底部仍连成一体，从而造成了其解锁不充分，成功率低，可靠性差。

（2）SMA丝和导线连接部分在壳体内部，不便于操作。

（3）该机构分瓣螺母的径向自由度靠定位环约束，但该定位环本身在沿轴向向下的自由度没有完全约束，仅靠弹簧压紧，在沿轴向存在较大的振动或冲击载荷时，定位环在惯性力作用下，很可能沿轴向向下运动，压缩弹簧，同时释放分瓣螺母，即，其抗振动及冲击载荷能力较差。

（4）机械压紧方式容易造成SMA丝损伤，从而造成SMA丝在使用过程中断裂。

（5）依靠SMA丝收缩实现驱动，而SMA丝长度较短，使得机构的设计裕度较小，同时，随着驱动次数的增加，SMA丝的驱动性能将发生衰减，进一步降低了该机构的设计裕度。

（6）该机构没有采取冗余设计，使得分离可靠性差，不符合航天使用要求。

发明内容

本发明主要解决现有技术中存在的解锁不彻底、未进行冗余设计及抗振动、冲击载荷能力差的问题，提供了一种解锁彻底、可靠性高、抗振动、冲击载荷能力强的熔断SMA丝空间连接与分离机构。

本发明采用的技术方案为：一种熔断SMA丝空间连接与分离机构，其包括：

分成两瓣的分瓣螺母，其内侧设有用于与一螺栓连接的螺纹，其顶端有相互配合的孔，并能通过轴与外壳连接；

设在所述分瓣螺母的外侧的捆紧弹簧，其在捆紧情况下内径等于分瓣螺母外径，其上端和第一根SMA丝一端连接，同时第一根SMA丝另一端通过锁紧套管和外壳连接，捆紧弹簧另下端和第二根SMA丝一端连接，同时第二根SMA丝另一端通过锁紧套管和外壳连接，通过两根SMA丝将完成对捆紧弹簧的约束；

两根SMA丝作为捆紧弹簧的释放装置，在连接状态下，其能维持对捆紧弹簧的约束，在对其通大电流加热后，其因内部发生相变产生巨大回复应力，同时因高温降低断裂强度，从而发生断裂，解除对捆紧弹簧的约束，捆紧弹簧在自身预紧力作用下松开，失去对分瓣螺母的约束，实现对所述的螺栓的释放。

进一步的，所述分瓣螺母的两瓣上端有相互配合的孔，并用一轴依次穿过两孔与外壳相连，两瓣螺母可沿轴向相互远离的方向转动，使两瓣螺母能完全张开。

进一步的，所述捆紧弹簧，其为圆柱螺旋扭转弹簧，设置在分瓣螺母外侧，在连接状态下，其处于扭紧的状态，其内径等于分瓣螺母外径，将分瓣螺母捆紧，从而维持了对分瓣螺母的径向约束，在分离状态下，其处于放松状态，其内径远大于分瓣螺母外径，从而放松对分瓣螺母的径向约束。

进一步的，两根SMA丝实现相同功能，互为备份，实现了冗余设计，提高了可靠性。

进一步的，分瓣螺母、捆紧弹簧和两根SMA丝在机构连接状态下所有自由度均被完全约束，保证在大振动、冲击载荷作用下不会有部件发生运动而发生分离。

本发明的原理在于：

本发明熔断SMA丝空间连接与分离机构设置有：分瓣螺母，用于上端通过轴与一外壳连接，另一端与一螺栓螺纹连接，其被分割成两瓣，两瓣螺母上端设置有配合的轴孔，并用一轴依次穿过两孔与外壳相连，两瓣螺母可沿轴向相互远离的方向转动，使两瓣螺母能完全张开；分瓣螺母的捆紧弹簧，其为圆柱螺旋扭转弹簧，设置在分瓣螺母外侧，在连接状态下，其处于扭紧的状态，其内径等于分瓣螺母外径，将分瓣螺母捆紧，从而维持了对分瓣螺母的径向约束，在分离状态下，其处于放松状态，其内径远大于分瓣螺母外径，从而放松对分瓣螺母的径向约束；捆紧弹簧的释放装置，其为两根SMA丝，其中第一根的一端与分瓣螺母的捆紧弹簧上端连接，另一端与外壳上端连接，在捆紧弹簧的作用下呈张紧状态，第二根SMA丝的一端与分瓣螺母的捆紧弹簧另下端连接，另一端与外壳下端连接，在捆紧弹簧的作用下呈张紧状态，当两根SMA丝受到大电流加热时，其内部因发生相变产生巨大回复应力，同时因高温使材料断裂强度下降，在两者共同作用下发生断裂，解除对捆紧弹簧的约束，两根SMA丝互为备份，实现了冗余设计，保证了非常高的可靠性。所述连接与分离机构解锁彻底、可靠性高、抗振动、冲击载荷能力强。

本发明与现有的技术相比，具有解锁彻底、可靠性高、抗振动、冲击载荷能力强等特点，具体表现在经下几个方面：

（1）、本发明采用了一个被完全分割成为两瓣的分瓣螺母，其径向自由度被扭紧的捆紧弹簧完全约束，而捆紧弹簧由于SMA丝熔断而放松后，其内径变化非常大，提供了分瓣螺母径向张开运动的足够空间，和现有技术相比，其解锁更彻底，大大提高了分离的成功率，改善了可靠性。

（2）、本发明采用了两根SMA丝分别对捆紧弹簧上下两端进行约束，在进行分离时，无论哪一根SMA丝发生熔断都可以保证分瓣螺母的成功分离，采取这种冗余设计之后，其释放可靠性大大提高。

（3）、本发明中在SMA丝没有发生熔断前，整个机构中不存在未进行约束或约束不彻底的地方，可保证在振动和冲击载荷作用下，整个机构中不会有部件发生运动，从而造成连接失效，保证了很好的抗振动和冲击载荷的能力。

（4）、本发明中SMA丝和外壳的固定采取锁紧套管固定的方式，这样和现有技术相比SMA丝更不易因机械损伤而断裂，从而提高了使用可靠性。

附图说明

图1为现有技术中“微型大载荷SMA空间同步解锁机构”结构示意图；

图2为本发明熔断SMA丝空间连接与分离机构的连接状态剖视图；

图3为本发明熔断SMA丝空间连接与分离机构的分离状态剖视图；

图4为本发明分瓣螺母与捆紧弹簧连接状态及电路示意图；

图5为本发明分瓣螺母与捆紧弹簧分离状态及电路示意图；

图6为本发明捆紧弹簧松开过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。

根据本发明的一个方面，所述的熔断SMA丝空间连接与分离机构设置有：分瓣螺母，用于与一螺栓螺纹连接，其完全分割成两瓣，两瓣螺母上设置有配合的轴孔，并用一轴依次穿过两孔与外壳相连，两瓣螺母可沿轴向相互远离的方向转动，使两瓣螺母能完全张开；所述分瓣螺母的捆紧弹簧，其为圆柱螺旋扭转弹簧，设置在分瓣螺母外侧，在连接状态下，其处于扭紧的状态，其内径等于分瓣螺母外径，将分瓣螺母捆紧，从而维持了对分瓣螺母的径向约束，在分离状态下，其处于放松状态，其内径远大于分瓣螺母外径，从而放松对分瓣螺母的径向约束；所述约束装置的释放装置，其为两根SMA丝，其中第一根SMA丝的一端与捆紧弹簧上端连接，另一端与外壳上端连接，在捆紧弹簧的作用下呈张紧状态，当其受到大电流加热时，其内部因相变产生巨大回复应力，同时因高温使材料断裂强度下降，在两者共同作用下发生断裂，解除对捆紧弹簧的约束，第二根SMA丝的一端与捆紧弹簧的下端连接，另一端与外壳下端连接，其与第一根SMA丝实现相同功能，互为备份，实现了冗余设计。

根据本发明的一个实施方式，所述分瓣螺母的上端有相互配合的轴孔，通过轴将两瓣螺母连接在外壳上，并且两瓣螺母能沿轴自由转动，实现分离。

根据本发明的一个实施方式，所述分瓣螺母外侧设置有分瓣螺母捆紧弹簧，其为圆柱扭转弹簧，在连接状态下，处于扭紧的状态，其内径等于分瓣螺母外径，将分瓣螺母捆紧，从而维持了对分瓣螺母的径向约束，在分离状态下，其处于放松状态，其内径远大于分瓣螺母外径，从而放松对分瓣螺母的径向约束。

根据本发明的另一个实施方式，所述的第一根SMA丝一端和分瓣螺母的捆紧弹簧上端相连，另一端和外壳上端相连；第二根SMA丝的一端和分瓣螺母的捆紧弹簧下端相连，另一端和外壳下端相连，两根SMA丝和外壳相连端都采用SMA丝锁紧套管进行锁紧。

本发明的技术解决方案特征包括：采用一个被完全分割成两瓣的分瓣螺母，两瓣分瓣螺母的上端有相互配合的孔，并用一轴依次穿过两孔与外壳相连，两瓣螺母可沿轴向相互远离的方向转动，使两瓣螺母能完全张开；在连接状态时，分瓣螺母被捆紧弹簧捆紧，此时，捆紧弹簧上下两端分别和两根SMA丝连接，并且，两根SMA丝都通过锁紧套管固定在外壳上，两根SMA丝由于受到捆紧弹簧的作用，处于绷紧状态，同时连接螺栓拧入闭合的分瓣螺母之中，起到连接作用。当需要分离时，同时对两根SMA丝加大电流，在大电流作用下，SMA丝被加热，使得其温度升高，当温度达到其相变温度后，其内部会发生相变，由解孪晶马氏体变成奥氏体，同时发生收缩。由于SMA丝两端都被约束，在发生收缩时其内部应力迅速增大，与此同时，由于SMA丝的温度在大电流加热作用下迅速升高，导致其断裂强度下降，在两个因素的共同作用下，SMA丝发生断裂，解除对捆紧弹簧的约束。由于捆紧弹簧上下两端分别被两根SMA丝约束，只要其中一根SMA丝发生断裂，捆紧弹簧都能迅速放松对分瓣螺母的捆紧。在失去捆紧弹簧的约束后连接螺栓能自由的从分瓣螺母中脱出，实现对被连接物体的分离。

以下结合附图2、3、4说明本发明的一个具体实施例的结构。

如图2所示，在连接状态下，本发明的分瓣螺母4被捆紧弹簧10约束，使得其不能沿径向张开，并且形成完整螺母副；分瓣螺母4上端有配合的孔，并通过轴15与外壳16连接，从而限定了分瓣螺母4的空间位置。通过这两方面的约束，使得分瓣螺母4形成了紧固、有效的连接。另外，在处于连接状态时，整个连接结构，包括：第一根SMA丝2、第二根SMA丝12、分瓣螺母4、捆紧弹簧10，都进行了约束，不存在可运动的部件，从而保证了在承受振动及冲击载荷时，该连接结构仍然紧固、可靠。

如图2所示，在连接状态下，捆紧弹簧10的上端和第一根SMA丝2连接，同时第一根SMA丝2的另一端通过锁紧套管13固定于外壳16上端；捆紧弹簧10的下端和第二根SMA丝12连接，同时第二根SMA丝12的另一端通过锁紧套管23固定于外壳16下端，通过对捆紧弹簧10上下两端进行约束，保证了捆紧弹簧10始终处于捆紧状态。如图4所示，第一根SMA丝2和第二根SMA丝12分别串连于两个独立的加热电路中，通过控制各个加热电路的开关可实现对两根SMA丝的加热。在该结构中，捆紧弹簧10两端分别被两根独立的SMA丝约束，而且两根SMA丝的加热电路也是独立的，这使得该设计方案同时保证了机械冗余度和电冗余度，具有很高的可靠性。

如图3所示，在分离状态下，第一根SMA丝2和第二根SMA丝12在大电流作用下被迅速加热，使得其内部发生解孪晶马氏体向奥氏体的转变，产生很大的回复应力，同时，由于高温的作用，SMA材料的断裂强度下降，在两者共同作用下，第一根SMA丝2或第二根SMA丝12发生断裂，实现对捆紧弹簧10的释放，捆紧弹簧10在自身预紧力作用下迅速放松，如图5所示，完成对分瓣螺母4径向约束的释放，实现对连接螺栓5的分离。捆紧弹簧10释放过程示意如图6所示

本发明的工作过程如下：

如图2所示的是机构连接状态，此时分瓣螺母4被捆紧弹簧10捆紧，形成完整螺纹副。分瓣螺母4上端通过轴15和外壳16连接，约束了分瓣螺母4的空间位置。捆紧弹簧10的上端与第一根SMA丝2一端连接，第一根SMA丝2另一端通过套管锁紧方式与外壳16上端连接，捆紧弹簧10的下端与第二根SMA丝12一端连接，第二根SMA丝12另一端通过套管锁紧方式与外壳16下端连接。通过两根SMA丝2、12的约束，保证了捆紧弹簧10能保持对分瓣螺母4的捆紧状态。当需要进行分离时，通过两个独立的电路分别对第一根SMA丝2及第二根SMA丝12加热，使得SMA丝温度升高，导致其内部发生解孪晶马氏体向奥氏体的转变，产生很大的回复应力，同时，由于高温的作用，SMA材料的断裂强度下降，在两者共同作用下，第一根SMA丝2或第二根SMA丝12发生断裂，实现对捆紧弹簧10的释放，捆紧弹簧10在自身预紧力作用下迅速放松，完成对分瓣螺母4径向约束的释放，实现对连接螺栓5的分离。

另外，可以理解，捆紧弹簧10属于可变形弹性元件，当然也可采用公知的其它弹性元件来代替。

Claims (5)

1.一种熔断SMA丝空间连接与分离机构，其特征在于包括：

分成两瓣的分瓣螺母（4），其内侧设有用于与一螺栓（5）连接的螺纹，其顶端有相互配合的孔，并能通过轴与外壳连接；

设在所述分瓣螺母（4）的外侧的捆紧弹簧（10），其在捆紧情况下内径等于分瓣螺母外径，其上端和第一根SMA丝（2）一端连接，同时第一根SMA丝（2）另一端通过第一锁紧套管（13）和外壳（16）连接，捆紧弹簧（10）下端和第二根SMA丝（12）一端连接，同时第二根SMA丝（12）另一端通过第二锁紧套管（23）和外壳（16）连接，通过两根SMA丝（2、12）将完成对捆紧弹簧（10）的约束；

两根SMA丝（2、12）作为捆紧弹簧（10）的释放装置，在连接状态下，其能维持对捆紧弹簧（10）的约束，在对其通大电流加热后，其因内部发生相变产生巨大回复应力，同时因高温降低断裂强度，从而发生断裂，解除对捆紧弹簧（10）的约束，捆紧弹簧（10）在自身预紧力作用下松开，失去对分瓣螺母（4）的约束，实现对所述的螺栓（5）的释放。

2.根据权利要求1所述的熔断SMA丝空间连接与分离机构，其特征在于，所述分瓣螺母（4）的两瓣上端有相互配合的孔，并用一轴依次穿过两孔与外壳（16）相连，两瓣螺母可沿轴向相互远离的方向转动，使两瓣螺母能完全张开。

3.根据权利要求1所述的熔断SMA丝空间连接与分离机构，其特征在于，所述捆紧弹簧（10），其为圆柱螺旋扭转弹簧，设置在分瓣螺母（4）外侧，在连接状态下，其处于扭紧的状态，其内径等于分瓣螺母（4）外径，将分瓣螺母（4）捆紧，从而维持了对分瓣螺母（4）的径向约束，在分离状态下，其处于放松状态，其内径远大于分瓣螺母外径，从而放松对分瓣螺母（4）的径向约束。

4.根据权利要求1所述的熔断SMA丝空间连接与分离机构，其特征在于，两根SMA丝（2、12）实现相同功能，互为备份，实现了冗余设计，提高了可靠性。

5.根据权利要求1所述的熔断SMA丝空间连接与分离机构，其特征在于，分瓣螺母（4）、捆紧弹簧（10）和两根SMA丝（2、12）在机构连接状态下所有自由度均被完全约束，保证在大振动、冲击载荷作用下不会有部件发生运动而发生分离。

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