CN103350759A - 盘绕式空间伸展臂应急拉索热切割装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种卫星盘绕式空间伸展臂的控制拉索的应急热切割装置，在不干涉伸展臂正常锁紧和展开的原则下，在展开出现故障时，通电切断伸展臂的控制绳索，使伸展臂强制展开。该装置采用近全包覆设计，而非传统悬臂梁结构，一方面可以在火箭发射的随机振动条件下保持结构完好，另一方面，作为应急切割装置，即使结构意外破坏，也可保证碎屑不会飞出而对其他星上器件造成影响。为了提高切割效率，在相应位置进行了特殊隔热设计，具有工作时间短，切断可靠，无污染，安装拆卸灵活，可多次重复使用等特点。

Description

盘绕式空间伸展臂应急拉索热切割装置

所属技术领域

本专利涉及一种航天器盘绕式空间伸展臂应急拉索热切割装置，在不干涉伸展臂正常锁紧和展开的原则基础上，在展开出现故障的任意时刻，可以切断伸展臂的控制绳索，使伸展臂强制展开，大大增加了盘绕式空间伸展臂展开任务的可靠性。该发明属于航天技术领域。 

背景技术

空间展开机构可以使卫星结构在发射时先约束在有限的空间内，入轨后再通过特定的操作变化为预定的构形。盘绕式空间伸展臂是一类基本的空间展开结构，具有质量轻、收拢比大、伸缩平稳、展开可靠等优点，可以将特定仪器伸出卫星，对于微小卫星，还可以充当重力梯度杆完成重力梯度稳定。 

盘绕式空间伸展臂通常由3根连续纵杆、横架和对角加劲索构成。纵杆、横架一般的材料为记忆合金，对角加劲索的材料一般为钢丝绳。收拢过程中，纵杆受弯沿周向盘紧，并贮存展开内能，三角形横架中的短杆翘曲程度减弱，沿纵杆盘绕方向的对角加劲索保持绷紧，其他方向的则呈松弛状态、并绕绷紧的对角加劲索对称折叠。展开时，过渡段的三角形横架产生弯曲变形，依靠横架中短杆贮存的应变能，把纵杆相互推开，对角加劲索受拉，其拉力正好与横架的推力平衡，在纵杆的应变能的作用下，逐层展开。 

盘绕式空间伸展臂最简单有效的控制方法是拉索展开法，即：利用高强柔性绳索控制伸展运动，绳索一端固定在顶盘，另一端连接电机或阻尼器，伸展臂在轨解除锁定后，便可以在自身变形能作用下、在拉索的控制下逐渐展开。 

由于卫星运行的太空环境比地面复杂得多，尽管在研制盘绕式空间伸展臂的过程中进行深入考虑和试验，还是存在很多问题可能导致伸展臂无法正常展开。比如，阻尼器在冷热真空环境中出现故障、伸展臂记忆合金材料受高低温影响等，这些将直接影响到卫星预定功能的实现。因此，从增加卫星可靠性的角度看，有必要考虑增加在不影响伸展臂正常展开的原则下，在应急状态下可以直接切断伸展臂拉索、使伸展臂在自身变形能作用下无控制展开的装置，以保证整星预定任务的实现。 

为实现应急切割，火工品切割器是一类比较成熟和可靠的选择，利用火药燃烧或爆炸产生的能量来完成释放功能，优点是可靠性高、能量储备大、作用时间短、结构紧凑、组成简单、重量和体积小等。但它也有一些不可克服的缺点，如工作时对结构冲击较大、可能产生有害气体、安全隐患较为明显和只能一次性使用等。热刀是一种利用电热元件发热进行切割的装置，在一些航天器也有使用，但一般是用来对展开部件进行锁紧和解锁，在解锁前，被锁定的部件和本体之间的相对位移被完全约束。对于盘绕式空间伸展臂，在切割装置工作前，切割装置不能对展开部件的正常展开产生干涉，同时又要保证简单快速有效的切割，因此，这种热切割装置是要进行特殊设计的。 

发明内容

专利的目的在于提供一种卫星盘绕式空间伸展臂的控制拉索的应急热切割装置,在不干涉伸展臂正常锁紧和展开的原则下，在展开出现故障时，通电切断伸展臂的控制绳索，使伸展臂强制展开。该装置具有工作时间短，切断可靠，无污染，安装拆卸灵活,可多次重复使用 等特点。 

本装置基于热切割原理,主要由发热部分和支撑部分组成,具体结构如下： 

发热元件部分由高温共烧陶瓷电热基板[3]、引线[4]、以及聚酰亚胺绝缘胶带[5]组成。支撑部分由钛合金左支座[1]和右支座[2]组成。左支座结构中有发热元件安装槽[6]，其宽度与发热元件[3]相同，深度比发热元件略小，长度方向留有一定裕度。将发热元件在左支座中放好后，利用左支座安装槽内两个小凸台及右支座对应位置对发热元件进行多点对称固定，并在发热片安装接口[9]处用螺钉固定。左右支座下部分开切割槽[7]，使此处发热元件裸露，作为主要切割部位，并约束盘绕式空间伸展臂拉索的游动范围。同时，考虑卫星运行的太空环境以及切割器的热效率，在左右支架与发热元件接触部位均设计隔热槽，减小左右支架和发热元件主要发热部位之间的接触面积，减小热传导，提高切割效率。 

整个切割装置通过最下面的四个通孔[8]用螺钉安装到主结构上，盘绕式空间伸展臂拉索从左右支架的通槽[7]中穿过，发热元件的安装高度可以根据拉索的位置进行调节，安装原则是发热元件使拉索偏离原来的位置3-5mm，使切割装置既不会干涉拉索正常的运动，又能时时保证与拉索的接触。 

应急切割时，发热元件通电发热，温度迅速达到500℃以上，盘绕式空间伸展臂的拉索采用大力马线，其熔断温度约为145℃，在太空环境中，可以保证在5s左右切断，切割污染较小，可多次重复使用，为地面试验提供了很大方便。 

本发明的优点在于： 

一、作为应急切割装置，本切割装置可以时刻保持与伸展机构拉索的接触，在不干涉盘绕式空间伸展臂正常展开的条件下，保证展开失败时，迅速切断伸展臂拉索，使伸展臂强制展开； 

二、发热陶瓷片硬脆易碎，其支座采用近全包覆设计，多点接触固定，与传统悬臂梁结构相比，在火箭发射的随机振动环境中可以更好地保持结构完整； 

三、发热陶瓷片四角处最易发生破坏，其支座采用近全包覆设计，即使陶瓷片发生破坏，碎屑也不会飞出切割装置，避免影响其他星上元件； 

四、考虑真空环境，发热元件固定支座进行特殊隔热设计，一方面提高了热切割的效率，另一方面避免了局部高温对星上其他元件的影响； 

五、切割槽的设计将盘绕式空间伸展臂拉索的游动范围约束在发热元件温度最高处附近，向下打通的设计保证了在不改变拉索两固定端的情况下，对该热切割装置进行方便安装和拆卸； 

六、发热元件的沿长度方向的安装位置具有一定裕度，可以根据实际切割效果对切割位置进行微调； 

七、体积小，总量轻，结构简单，结构适应性强，可以切割大多数拉索，切割迅速，污染小，成本低，可靠性高，可多次重复使用。 

附图说明

图1为本专利结构的立体分解图； 

图2为本专利发热元件结构图； 

图3为本专利发热元件安装方式； 

图4为本专利安装好的外观立体图； 

图5为本专利所应用的盘绕式空间伸展臂。 

图中具体标号如下: 

1---左支座    2---右支座              3---高温共烧陶瓷发热片 

4---引线      5---聚酰亚胺胶带        6---安装槽 

7---切割槽    8---与主结构连接接口    9---发热片固定接口 

具体实施方式

下面结合附图和实施方案对本发明的技术方案进一步说明。 

本专利的目的在于提供一种卫星盘绕式空间伸展臂控制拉索的应急热切割装置,在不干涉伸展臂正常锁紧和展开的原则下，在展开出现故障时，通电切断伸展臂的控制绳索，使伸展臂强制展开。 

如图[1]所示，本装置基于热切割原理,主要由发热部分和支撑部分组成,发热元件部分由高温共烧陶瓷电热基板[3]、引线[4]、以及聚酰亚胺绝缘胶带[5]组成。高温共烧陶瓷[3]是一种中低温发热元件，制作时在氧化铝生片上印刷电阻浆料，经叠片层压后，在1650℃左右的高温下金属与陶瓷共烧而成，具有具有耐腐蚀、耐高温、无污染、寿命长、高效节能、温度均匀、导热性能良好、热补偿速度快等优点。如图2所示，这里使用的高温共烧陶瓷尺寸为10*20*1.3mm，电阻为3.0Ω，在12V直流电压下，5秒内可达到100-230℃，最高温度大于500℃。该发热元件主要发热部位（电阻浆料密集处）在距头部2-14mm处，通电后其余部位发热较小，可直接用聚酰亚胺胶带做绝缘。 

如图1所示，支撑部分由钛合金左支座[1]和右支座[2]组成。如图3所示，左支座结构中有发热元件安装槽[6]，其宽度与发热元件[3]相同，对发热元件进行宽度方向的几何限位，安装槽深度比发热元件略小，以确保发热元件始终被左右支座夹紧，固定可靠。发热元件长度方向并未作严格几何限位，留有一定裕度，安装时可以根据切割效果进行微调。如图1所示，考虑卫星运行的太空环境以及切割器的热效率，在左右支架与发热元件接触部位均设计隔热槽，减小左右支架和发热元件主要发热部位之间的接触面积，避开发热元件的主要发热部位，减小热传导，提高切割效率。因此，左支座结构中，与发热元件接触的主要表面退化为2个对称的小凸台，其位置避开发热元件主要发热部位，右支座结构中，除与左支座2个小凸台对应的位置作为固定表面，在其他主要接触表面设计了凹槽，使接触面积尽量小。将发热元件在左支座中放好后，在发热片固定接口[9]处利用左右支座对应两个螺栓对发热元件进行固定。 

左右支座下相同位置开切割槽[7]，使此处发热元件裸露，作为主要切割部位，并约束盘绕式空间伸展臂拉索的游动范围在发热片温度最高处附近。盘绕式空间伸展臂拉索从左右支架的通槽中穿过，切割槽向下打通的设计保证了在不改变拉索两固定端的情况下，对该热切 割装置进行方便安装和拆卸。发热元件的安装高度可以根据拉索的位置进行调节，安装原则是发热元件使拉索偏离原来的位置3-5mm，使切割装置既不会干涉拉索正常的运动，又能时时保证与拉索的接触。 

应急切割时，发热元件通电发热，温度迅速达到500℃以上，盘绕式空间伸展臂的拉索采用航天中常用的大力马线，其熔断温度约为145℃，在太空环境中，可以保证在5s左右切断，该装置体积小，总量轻，结构简单，结构适应性强，安装拆卸方便；可以切割大多数拉索，切割迅速，污染小，成本低，可靠性高，可多次重复使用。 

Claims (6)

1.一种盘绕式空间伸展臂应急拉索热切割装置，其特征在于：该热切割装置基于热切割原理,主要由发热部分和支撑部分组成，发热部分由高温共烧陶瓷电热基板、引线、以及聚酰亚胺绝缘胶带组成，支撑部分由钛合金左支座和右支座组成；支撑部分采用近全包覆设计，多点对称接触固定，更适应火箭发射振动环境，避免陶瓷片破坏后碎屑飞出；左右支座结构中设计发热元件安装槽，仅对长度方向安装位置不做完全约束，留有一定裕度，可根据实际切割效果进行位置微调；支撑部分进行特殊隔热设计，左支架与发热元件接触主要表面退化为2个对称的小凸台，其位置避开发热元件主要发热部位，右支座结构主要接触表面设计凹槽，提高热切割效率，避免局部高温影响其他星上元件；支撑部分下部开切割槽，使此处发热元件裸露，作为主要切割部位，盘绕式空间伸展臂拉索从切割槽通过，其游动范围被约束在发热元件温度最高处，高度使拉索偏离原来的位置3-5mm。

2.根据权利要求1所述的盘绕式空间伸展臂应急拉索热切割装置，其特征在于：该热切割装置基于热切割原理,主要由发热部分和支撑部分组成，发热部分由高温共烧陶瓷电热基板、引线、以及聚酰亚胺绝缘胶带组成，支撑部分由钛合金左支座和右支座组成。

3.根据权利要求1所述的盘绕式空间伸展臂应急拉索热切割装置，其特征在于：支撑部分采用近全包覆设计，多点对称接触固定，更适应火箭发射振动环境，避免陶瓷片破坏后碎屑飞出。

4.根据权利要求1所述的盘绕式空间伸展臂应急拉索热切割装置，其特征在于：左右支座结构中设计发热元件安装槽，仅对长度方向安装位置不做完全约束，留有一定裕度，可根据实际切割效果进行位置微调。

5.根据权利要求1所述的盘绕式空间伸展臂应急拉索热切割装置，其特征在于：支撑部分进行特殊隔热设计，左支架与发热元件接触主要表面退化为2个对称的小凸台，其位置避开发热元件主要发热部位，右支座结构主要接触表面设计凹槽。

6.根据权利要求1所述的盘绕式空间伸展臂应急拉索热切割装置，其特征在于：支撑部分下部开切割槽，使此处发热元件裸露，作为主要切割部位，盘绕式空间伸展臂拉索从切割槽通过，其游动范围被约束在发热元件温度最高处，高度使使拉索偏离原来的位置3-5mm。

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