CN104627392A - 轻型无冲击可重复利用的热刀式锁紧释放装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航天技术领域，旨在提供轻型无冲击可重复利用的热刀式锁紧释放装置及控制方法。该轻型无冲击可重复利用的热刀式锁紧释放装置包括热刀、热刀支座、限位装置、碳纤维薄壁杆件和组合捆绳；该控制方法包括步骤：对展开机构进行初始捆绑；利用预应力施加装置将组合捆绳套在展开机构的外表面上，剪断初始捆绑的绳子；调节组合捆绳的长度，取下预紧好的展开机构，并将热刀的两根导线，都连接到小卫星的电源上；解锁展开机构时，向热刀供电实现解锁。本发明的热刀体积小、质量轻，能在很小的电压和电流下，很短时间内熔断3mm迪尼玛绳，从而实现展开机构的解锁，整个过程无冲击、无污染、可靠性高、可重复利用。

Description

轻型无冲击可重复利用的热刀式锁紧释放装置及控制方法

技术领域

本发明是关于航天技术领域，特别涉及轻型无冲击可重复利用的热刀式锁紧释放装置及控制方法。

背景技术

随着航天技术的发展，越来越多的部件需要在轨展开。由于部件的重量及其对冲击环境的敏感性不同，需要不同的锁紧释放装置。火工装置是航天器上使用最早，也是最常用的锁紧释放装置。但火工装置也有一些不可克服的缺点，如：作动时对结构产生很大的解锁冲击；爆炸后产生的气体存在化学污染性；安全隐患较为明显和只能一次性使用等。在某些航天器上已不适合使用，因此，非火工装置的开发研究受到了越来越多的重视。

目前，国内外的热刀式锁紧释放技术都主要是利用高温共烧陶瓷电热元件(刀片形结构)熔断凯夫拉绳(熔点大于500℃)，但其构造相对复杂，质量、体积、所需功率和工作电压均较大(约40w，约42v)，由于热刀刀片形结构较尖锐，在与捆绳接触时，由于振动摩擦容易造成彼此间的损坏，且对捆绳的蠕变和张力敏感。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种无冲击、无污染、可靠性高、可重复利用、体积小、重量极轻、所需功率电压电流都很小的热刀式锁紧释放装置及其控制方法。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供轻型无冲击可重复利用的热刀式锁紧释放装置，用于实现展开机构的锁紧和释放，所述热刀式锁紧释放装置包括热刀、热刀支座、限位装置、碳纤维薄壁杆件和组合捆绳；所述热刀固定在热刀支座上，热刀支座和限位装置分别固定在不同的碳纤维薄壁杆件的外表面上；所述组合捆绳用于捆绑锁紧展开机构，并能将固定有热刀支座或者限位装置的碳纤维薄壁杆件一同捆绑在展开机构的外表面上，其中，限位装置用于限定组合捆绳的位置；

所述热刀为圆柱筒形结构的热刀，筒形结构内部设有一根电热丝，电热丝外部包裹有氧化镁粉末，筒形结构的两端分别采用硅橡胶封口，且筒形结构的一端引出两根导线，每根导线的一端引出筒形结构用于连接电源，另一端在筒形结构内部与电热丝连接；

所述组合捆绳是凯夫拉绳和迪尼玛绳连接组合而成的捆绳，并保证组合捆绳锁紧展开机构时，组合捆绳中的凯夫拉绳与固定有限位装置的碳纤维薄壁杆件接触，组合捆绳中的迪尼玛绳与固定有热刀的碳纤维薄壁杆件接触，即保证热刀与迪尼玛绳接触；热刀能通过通电加热熔断压在其表面的迪尼玛绳。

在本发明中，所述热刀的外筒壁为不锈钢材质的外筒壁，热刀中的电热丝为金属合金材料材质的电热丝。

在本发明中，所述热刀支座为U型槽结构的支座，U型槽结构的槽底设有通孔，用于将热刀支座通过抽芯铆钉铆接的方式固定在碳纤维薄壁杆件的外表面上；U型槽结构的两个槽边设有安装孔和螺纹孔，用于将热刀穿过两个槽边上的安装孔，并利用螺丝通过螺纹孔固定热刀。

在本发明中，所述限位装置通过抽芯铆钉铆接的方式固定在碳纤维薄壁杆件的外表面上。

在本发明中，所述组合捆绳中的凯夫拉绳和迪尼玛绳通过八字形铝制接头连接，且凯夫拉绳和迪尼玛绳的直径相同。

在本发明中，所述热刀式锁紧释放装置设有四根碳纤维薄壁杆件，其中，两根碳纤维薄壁杆件上设有热刀，另外两根碳纤维薄壁杆件上固定有限位装置；并保证组合捆绳锁紧展开机构时，热刀与限位装置在展开机构上呈交叉对称分布，即热刀与限位装置相互间的夹角为90度。

在本发明中，所述组合捆绳采用5/12凯夫拉绳、1/12迪尼玛绳、5/12凯夫拉绳、1/12迪尼玛绳依次连接而成的组合绳。

提供基于所述的热刀式锁紧释放装置的控制方法，用于实现展开机构的锁紧和释放，展开机构用于固定在小卫星上工作，所述控制方法具体包括下述步骤：

步骤A：利用任意一根绳子将展开机构捆绑成收拢状态，并将固定有热刀的碳纤维薄壁杆件、固定有限位装置的碳纤维薄壁杆件一同捆绑在展开机构的外表面上，绳子经过两处限位装置、两个热刀，捆扎在整个展开机构的中部外表面上；

步骤B：将预应力施加装置的钢索上下两端固定，并将步骤A中初始捆绑好的展开机构固定在小卫星上，小卫星下方采用预应力施加装置中的合适高度的平台支撑；再将事先计算好长度的组合捆绳两端分别沿相对的方向穿过八字形铝制接头，围成一个环形，套在展开机构的外表面上，利用限位装置和热刀支座完成组合捆绳的限位；将组合捆绳穿过八字形铝制接头的上下两端分别与筒形拉力计和钢索相连接，然后剪断初始捆绑的绳子，并确保钢索、筒形拉力计、花篮螺栓，以及用于连接组合捆绳两端的八字形铝制接头，都在同一铅锤线上；

步骤C：通过拧花篮螺栓调节组合捆绳的长度，采用竖向施加预应力，并同时观察筒形拉力计的读数，当筒形拉力计的度数达到所需固定预应力时，利用工装工具(如液压钳)以固定的力矩将用于连接组合捆绳两端的八字形铝制接头捏扁，实现组合捆绳两端连接固定，剪断多余组合捆绳，取下预紧好的展开机构；并将热刀式锁紧释放装置中热刀的两根导线，都连接到小卫星的电源上(小卫星通过控制系统实现控制电源对热刀进行通电、断电，从而控制热刀的切割)；

步骤D：当需要解锁展开机构时，通过向热刀解锁装置中的热刀供电(小卫星会通过控制系统控制小卫星电源通过导线向热刀式锁紧释放装置中的热刀供电)，热刀升温熔断迪尼玛绳，展开机构能在自身(扭簧)的作用力下，实现解锁。

在本发明中，所述热刀式锁紧释放装置中的热刀能在供电后30s内达到500℃以上的温度。

在本发明中，所述预应力施加装置包括钢索、筒形拉力计、花篮螺栓，以及用于支撑小卫星的平台。

本发明的工作原理：通过预应力施加装置对捆绳施加固定的预应力，使展开机构处于稳定收拢状态，然后通过对热刀通电加热，熔断紧紧压在其表面的低熔点迪尼玛绳(熔点为144～152℃)，实现对展开机构的解锁。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明实现了对捆绳施加预应力的流程化、标准化；且热刀体积小、质量轻，能在很小的电压和电流(15v、1.68A)下，很短时间内(30s)熔断3mm迪尼玛绳，从而实现展开机构的解锁，整个过程无冲击、无污染、可靠性高、可重复利用。另外，且本发明价格低廉，制作简单，可批量化生产，因此拥有巨大的经济效益，在小型航天器解锁领域有着很高的实用价值和推广价值。

附图说明

图1为热刀解锁装置整体结构示意图。

图2为热刀内部构造示意图。

图3为热刀及热刀支座示意图。

图4为组合捆绳及限位装置示意图。

图5为预应力施加装置工作示意图。

图6为对组合捆绳施加预紧力的流程框图。

图7为组合捆绳示意图。

图8为八字形铝制接头示意图

图中的附图标记为：1热刀；2热刀支座；3限位装置；4迪尼玛绳；5凯夫拉绳；6碳纤维薄壁杆件；7花篮螺栓；8组合捆绳；9展开机构；10筒形拉力计；11八字形铝制接头；12小卫星；13硅橡胶；14电热丝；15导线；16外筒壁；17氧化镁粉末；18螺纹孔；19通孔。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示的一种轻型无冲击可重复利用的热刀解锁装置包括热刀1、热刀支座2、限位装置3、碳纤维薄壁杆件6、组合捆绳8，其中，碳纤维薄壁杆件6设有四根；该热刀式锁紧释放装置能对展开机构9实现锁紧和释放。

所述热刀1固定在热刀支座2上，热刀支座2和限位装置3分别通过抽芯铆钉铆接的方式，固定在不同的碳纤维薄壁杆件6的外表面上，两根碳纤维薄壁杆6上设有热刀1，另外两根碳纤维薄壁杆件6上固定有限位装置3。这里采用抽芯铆钉铆接的固定方式操作简单，连接强度高，可靠性高。

所述组合捆绳8用于捆绑锁紧展开机构9，且经过固定有热刀支座2或者限位装置3的碳纤维薄壁杆件6捆绑在展开机构9的中部外表面，并保证组合捆绳8锁紧展开机构9时，热刀1与限位装置3在展开机构9上呈交叉对称分布，即热刀1与限位装置3相互间的夹角为90度。其中，限位装置3用于限定组合捆绳8的位置，具体可参考图4。

如图2所示，所述热刀1为圆柱筒形结构的热刀1，筒形结构的外筒壁16为不锈钢材质的外筒壁16，筒形结构内部设有一根金属合金材料材质的电热丝14，电热丝14外部包裹有氧化镁粉末17，筒形结构的两端分别采用硅橡胶13封口，且筒形结构的一端引出两根导线15。导线15引出筒形结构的一端用于连接小卫星12的电源，导线15的另一端在筒形结构内部分别与电热丝14连接。这样设计的优点是，在发射时的剧烈振动下，圆形光滑外筒壁16尽可能的减少了对迪尼玛绳4的磨损。

如图3所示，所述热刀支座2为U型槽结构的支座，U型槽结构的槽底设有通孔19，用于将热刀支座2通过抽芯铆钉铆接的方式固定在碳纤维薄壁杆件6的外表面上；U型槽结构的两个槽边分别设有安装孔和螺纹孔18，用于将热刀1穿过两个槽边上的安装孔，并利用螺丝通过螺纹孔18固定热刀1。

对于组合捆绳8的设计必须满足以下两个方面的要求：1、捆绳在符合空间环境适应性的同时，熔点要尽量低；2、捆绳的蠕变一定要尽量小。如图7所示，本设计组合捆绳8采用5/12凯夫拉绳5、1/12迪尼玛绳4、5/12凯夫拉绳5、1/12迪尼玛绳4依次连接而成，且每段凯夫拉绳5和迪尼玛绳4之间通过八字形铝制接头11连接，八字形铝制接头11的结构可参考图8。这样设计的优点是将迪尼玛绳4的低熔点特性和凯夫拉绳5的耐蠕变特性很好的结合起来。

组合捆绳8锁紧展开机构9时，组合捆绳8中的凯夫拉绳5与固定有限位装置3的碳纤维薄壁杆件6接触，组合捆绳8中的迪尼玛绳4与固定有热刀1的碳纤维薄壁杆件6接触。只在组合捆绳8与热刀1接触处采用小段迪尼玛绳4，其余大部分采用凯夫拉绳5，热刀1能通过通电加热熔断压在其表面的迪尼玛绳4。其关键点是，由于热刀1熔断的部分必须是迪尼玛绳4，因此要保证两段迪尼玛绳4的中心位置尽量在热刀1处。

如图5、如图6所示，基于所述的热刀式锁紧释放装置的控制方法，利用预应力施加装置实现展开机构9的锁紧和释放，展开机构9用于固定在小卫星12上工作，预应力施加装置包括钢索、筒形拉力计10、花篮螺栓7，以及用于支撑小卫星12的平台。所述控制方法具体包括下述步骤：

步骤A：利用任意一根绳子将展开机构9捆绑成收拢状态，绳子经过两处限位装置3、两个热刀1，捆扎在整个展开机构9的中部外表面上；

步骤B：将预应力施加装置的钢索上下两端固定，并将步骤A中初始捆绑好的展开机构9固定在小卫星12上，小卫星12下方采用预应力施加装置中的合适高度的平台支撑；再将事先计算好长度的组合捆绳8两端分别沿相对的方向穿过八字形铝制接头11，围成一个环形，套在展开机构9的外表面上，利用限位装置3和热刀支座2完成组合捆绳8的限位；将组合捆绳8穿过八字形铝制接头11的上下两端分别与筒形拉力计10和钢索相连接，然后剪断初始捆绑的绳子，并确保钢索、筒形拉力计10、花篮螺栓7，以及用于连接组合捆绳8两端的八字形铝制接头11，都在同一铅锤线上；

步骤C：通过拧花篮螺栓7调节组合捆绳8的长度，采用竖向施加预应力，并同时观察筒形拉力计10的读数，当筒形拉力计10的度数达到所需固定预应力时，利用液压钳等工装工具以固定的力矩将用于连接组合捆绳8两端的八字形铝制接头11捏扁，实现组合捆绳8两端连接固定，剪断多余组合捆绳8，取下预紧好的展开机构9；并将热刀式锁紧释放装置中热刀1的两根导线15，都连接到小卫星12的电源上(小卫星12能通过控制系统实现控制电源对热刀1进行通电、断电，从而控制热刀1的切割)；

步骤D：当需要解锁展开机构9时，通过小卫星12的系统提供的直流稳压电源，向热刀解锁装置中的热刀1供电，在很小的电压和电流下，在很短的时间内，热刀1能升温到500℃以上的温度，从而使迪尼玛绳4熔断，展开机构9在自身的(扭簧)作用力下，具有向外扩张的趋势，因此，组合捆绳8熔断，即可实现展开机构9的解锁。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.轻型无冲击可重复利用的热刀式锁紧释放装置，用于实现展开机构的锁紧和释放，其特征在于，所述热刀式锁紧释放装置包括热刀、热刀支座、限位装置、碳纤维薄壁杆件和组合捆绳；所述热刀固定在热刀支座上，热刀支座和限位装置分别固定在不同的碳纤维薄壁杆件的外表面上；所述组合捆绳用于捆绑锁紧展开机构，并能将固定有热刀支座或者限位装置的碳纤维薄壁杆件一同捆绑在展开机构的外表面上，其中，限位装置用于限定组合捆绳的位置；

所述热刀为圆柱筒形结构的热刀，筒形结构内部设有一根电热丝，电热丝外部包裹有氧化镁粉末，筒形结构的两端分别采用硅橡胶封口，且筒形结构的一端引出两根导线，每根导线的一端引出筒形结构用于连接电源，另一端在筒形结构内部与电热丝连接；

所述组合捆绳是凯夫拉绳和迪尼玛绳连接组合而成的捆绳，并保证组合捆绳锁紧展开机构时，组合捆绳中的凯夫拉绳与固定有限位装置的碳纤维薄壁杆件接触，组合捆绳中的迪尼玛绳与固定有热刀的碳纤维薄壁杆件接触，即保证热刀与迪尼玛绳接触；热刀能通过通电加热熔断压在其表面的迪尼玛绳。

2.根据权利要求1所述的热刀式锁紧释放装置，其特征在于，所述热刀的外筒壁为不锈钢材质的外筒壁，热刀中的电热丝为金属合金材料材质的电热丝。

3.根据权利要求1所述的热刀式锁紧释放装置，其特征在于，所述热刀支座为U型槽结构的支座，U型槽结构的槽底设有通孔，用于将热刀支座通过抽芯铆钉铆接的方式固定在碳纤维薄壁杆件的外表面上；U型槽结构的两个槽边设有安装孔和螺纹孔，用于将热刀穿过两个槽边上的安装孔，并利用螺丝通过螺纹孔固定热刀。

4.根据权利要求1所述的热刀式锁紧释放装置，其特征在于，所述限位装置通过抽芯铆钉铆接的方式固定在碳纤维薄壁杆件的外表面上。

5.根据权利要求1所述的热刀式锁紧释放装置，其特征在于，所述组合捆绳中的凯夫拉绳和迪尼玛绳通过八字形铝制接头连接，且凯夫拉绳和迪尼玛绳的直径相同。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的热刀式锁紧释放装置，其特征在于，所述热刀式锁紧释放装置设有四根碳纤维薄壁杆件，其中，两根碳纤维薄壁杆件上设有热刀，另外两根碳纤维薄壁杆件上固定有限位装置；并保证组合捆绳锁紧展开机构时，热刀与限位装置在展开机构上呈交叉对称分布，即热刀与限位装置相互间的夹角为90度。

7.根据权利要求6所述的热刀式锁紧释放装置，其特征在于，所述组合捆绳采用5/12凯夫拉绳、1/12迪尼玛绳、5/12凯夫拉绳、1/12迪尼玛绳依次连接而成的组合绳。

8.基于权利要求1所述的热刀式锁紧释放装置的控制方法，用于实现展开机构的锁紧和释放，展开机构用于固定在小卫星上工作，其特征在于，所述控制方法具体包括下述步骤：

步骤A：利用任意一根绳子将展开机构捆绑成收拢状态，并将固定有热刀的碳纤维薄壁杆件、固定有限位装置的碳纤维薄壁杆件一同捆绑在展开机构的外表面上，绳子经过两处限位装置、两个热刀，捆扎在整个展开机构的中部外表面上；

步骤B：将预应力施加装置的钢索上下两端固定，并将步骤A中初始捆绑好的展开机构固定在小卫星上，小卫星下方采用预应力施加装置中的合适高度的平台支撑；再将事先计算好长度的组合捆绳两端分别沿相对的方向穿过八字形铝制接头，围成一个环形，套在展开机构的外表面上，利用限位装置和热刀支座完成组合捆绳的限位；将组合捆绳穿过八字形铝制接头的上下两端分别与筒形拉力计和钢索相连接，然后剪断初始捆绑的绳子，并确保钢索、筒形拉力计、花篮螺栓，以及用于连接组合捆绳两端的八字形铝制接头，都在同一铅锤线上；

步骤C：通过拧花篮螺栓调节组合捆绳的长度，采用竖向施加预应力，并同时观察筒形拉力计的读数，当筒形拉力计的度数达到所需固定预应力时，利用工装工具以固定的力矩将用于连接组合捆绳两端的八字形铝制接头捏扁，实现组合捆绳两端连接固定，剪断多余组合捆绳，取下预紧好的展开机构；并将热刀式锁紧释放装置中热刀的两根导线，都连接到小卫星的电源上；

步骤D：当需要解锁展开机构时，通过向热刀解锁装置中的热刀供电，热刀升温熔断迪尼玛绳，展开机构能在自身的作用力下，实现解锁。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述热刀式锁紧释放装置中的热刀能在供电后30s内达到500℃以上的温度。

10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述预应力施加装置包括钢索、筒形拉力计、花篮螺栓，以及用于支撑小卫星的平台。