CN105015804B - 一种用于太空空间的大承载压缩型形状记忆聚合物复合材料释放机构 - Google Patents

一种用于太空空间的大承载压缩型形状记忆聚合物复合材料释放机构 Download PDF

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Abstract

一种用于太空空间的大承载压缩型形状记忆聚合物复合材料释放机构，涉及一种聚合物复合材料释放机构。为解决传统释放机构在太空空间释放过程中产生冲击、爆炸碎片容易伤害周围设备的问题。本发明包括加热驱动装置以及材质为形状记忆聚合物复合材料的主结构连接器和释放机构连接器；主结构连接器包括法兰式连接盘和释放机构外套筒；释放机构连接器包括连接底盘和释放机构内套筒；释放机构外套筒套在释放机构内套筒的外侧，施加外力使释放机构外套筒和释放机构内套筒相对固定；加热驱动装置加热，形状记忆聚合物复合材料材质的释放机构外套筒和释放机构内套筒受热恢复直筒状态，彼此分离实现释放。本发明适用于航天设备等的释放领域。

Description

一种用于太空空间的大承载压缩型形状记忆聚合物复合材料 释放机构
技术领域
本发明涉及一种聚合物复合材料释放机构。
背景技术
在空间可展开结构、太阳能展开电池阵、月球舱及其他空间机构的分离过程中，传统的机械型释放机构系统复杂、重量大、可靠性较低，在空间结构中应用有一定的局限性。传统的爆炸型释放机构主要为爆炸螺栓等火工器，能够保证足够的机械强度，也能够保证可靠的保证分离，但在释放过程中产生冲击、爆炸碎片伤害周围的结构和设备，对空间环境造成污染等问题。
发明内容
本发明为解决传统释放机构在太空空间释放过程中产生冲击、爆炸碎片容易伤害周围设备的问题。
一种用于太空空间的大承载压缩型形状记忆聚合物复合材料释放机构，包括主结构连接器、释放机构连接器和加热驱动装置；主结构连接器和释放机构连接器的材质均为形状记忆聚合物复合材料；
所述主结构连接器包括法兰式连接盘和释放机构外套筒；法兰式连接盘位于释放机构外套筒的上端；
所述释放机构连接器包括连接底盘和释放机构内套筒，连接底盘位于释放机构内套筒的下端；
所述加热驱动装置设置为一套或者两套，
当加热驱动装置设置为一套时：
加热驱动装置设置在释放机构外套筒的内壁上或者释放机构内套筒的外壁上；
所述释放机构释放前，释放机构外套筒套在释放机构内套筒的外侧，加热驱动装置位于释放机构外套筒和释放机构内套筒的中间；加热驱动装置、释放机构外套筒和释放机构内套筒重叠的部分为压缩部分，在压缩部分施加外力，让释放机构外套筒和释放机构内套筒以及加热驱动装置产生凹槽，从而实现释放机构外套筒和释放机构内套筒的相对固定；所述释放机构释放时，加热驱动装置加热，形状记忆聚合物复合材料材质的释放机构外套筒和释放机构内套筒受热恢复直筒状态，释放机构外套筒脱离释放机构内套筒，彼此分离实现释放；
当加热驱动装置设置为两套时：
一套加热驱动装置设置在释放机构外套筒的内壁上或者设置在释放机构外套筒筒壁沿壁厚方向的中间层；另一套加热驱动装置设置在释放机构内套筒的外壁上或者设置在释放机构内套筒筒壁沿壁厚方向的中间层；
所述释放机构释放前，释放机构外套筒套在释放机构内套筒的外侧，各自设有加热驱动装置的释放机构外套筒和释放机构内套筒重叠的部分为压缩部分，在压缩部分施加外力，让释放机构外套筒和释放机构内套筒以及加热驱动装置产生凹槽，从而实现释放机构外套筒和释放机构内套筒的相对固定；所述释放机构释放时，加热驱动装置加热，形状记忆聚合物复合材料材质的释放机构外套筒和释放机构内套筒受热恢复直筒状态，释放机构外套筒脱离释放机构内套筒，彼此分离实现释放。
本发明具有以下有益效果：
一、本发明利用形状记忆聚合物材料自身的恢复特性进行释放的启动，完成整个释放过程，释放过程中平稳无冲击，对太空空间环境无污染，对设备整体空间结构无损伤。
二、本发明采用的是加热驱动装置开环控制，通电后电加热装置升温，当达到材料的玻璃化转变温度以后，就会启动释放机构。整体释放机构结构简单可靠，系统结构控制环节少，系统可靠性高。
三、本发明采用了纤维增强的形状记忆聚合物作为释放机构的主要承力部分，并利用形状记忆特性作为释放机构的释放驱动器，降低了空间释放机构的重量，在承受力、可靠性相当的情况下，有效的降低了释放机构的重量，而且该释放机构释放过程平稳、承载力大，能够承担大负载机构的释放。
附图说明
图1压缩型形状记忆聚合物复合材料释放机构压缩前的结构示意图；
图2压缩型形状记忆聚合物复合材料释放机构压缩后的结构示意图；
图3加热驱动装置设置在释放机构外套筒筒壁沿壁厚方向的中间层时的主结构连接器结构示意图；
图4加热驱动装置设置在释放机构内套筒筒壁沿壁厚方向的中间层时的释放机构连接器结构示意图；
图5加热驱动装置设置在释放机构外套筒的内壁上时的主结构连接器结构示意图；
图6加热驱动装置设置在释放机构内套筒的外壁上时的释放机构连接器结构示意图；
图7压缩型形状记忆聚合物复合材料释放机构压缩前的结构示意图；
图8压缩型形状记忆聚合物复合材料释放机构压缩后的结构示意图；
图9加热驱动装置与释放机构外套筒分开设置时的主结构连接器结构示意图；
图10加热驱动装置与释放机构内套筒分开设置时的释放机构连接器结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1—图10说明本实施方式，一种用于太空空间的大承载压缩型形状记忆聚合物复合材料释放机构，包括主结构连接器A、释放机构连接器B和加热驱动装置C；主结构连接器A和释放机构连接器B的材质均为形状记忆聚合物复合材料；
所述主结构连接器A包括法兰式连接盘A1和释放机构外套筒A2；法兰式连接盘A1位于释放机构外套筒A2的上端；
所述释放机构连接器B包括连接底盘B1和释放机构内套筒B2，连接底盘B1位于释放机构内套筒B2的下端；
所述加热驱动装置C设置为一套或者两套，
如图7—图10所示，当加热驱动装置C设置为一套时：
加热驱动装置C设置在释放机构外套筒A2的内壁上或者释放机构内套筒B2的外壁上；
所述释放机构释放前，释放机构外套筒A2套在释放机构内套筒B2的外侧，加热驱动装置C位于释放机构外套筒A2和释放机构内套筒B2的中间；加热驱动装置C、释放机构外套筒A2和释放机构内套筒B2重叠的部分为压缩部分，在压缩部分施加外力，让释放机构外套筒A2和释放机构内套筒B2以及加热驱动装置C产生凹槽，从而实现释放机构外套筒A2和释放机构内套筒B2的相对固定；所述释放机构释放时，加热驱动装置C加热，形状记忆聚合物复合材料材质的释放机构外套筒A2和释放机构内套筒B2受热恢复直筒状态，释放机构外套筒A2脱离释放机构内套筒B2，彼此分离实现释放；
如图1—图6所示，当加热驱动装置C设置为两套时：
一套加热驱动装置C设置在释放机构外套筒A2的内壁上(图5)或者设置在释放机构外套筒A2筒壁沿壁厚方向的中间层(图3)；另一套加热驱动装置C设置在释放机构内套筒B2的外壁上(图6)或者设置在释放机构内套筒B2筒壁沿壁厚方向的中间层(图4)；
所述释放机构释放前，释放机构外套筒A2套在释放机构内套筒B2的外侧，各自设有加热驱动装置C的释放机构外套筒A2和释放机构内套筒B2重叠的部分为压缩部分，在压缩部分施加外力，让释放机构外套筒A2和释放机构内套筒B2以及加热驱动装置C产生凹槽，从而实现释放机构外套筒A2和释放机构内套筒B2的相对固定；所述释放机构释放时，加热驱动装置C加热，形状记忆聚合物复合材料材质的释放机构外套筒A2和释放机构内套筒B2受热恢复直筒状态，释放机构外套筒A2脱离释放机构内套筒B2，彼此分离实现释放。
具体实施方式二：本实施方式所述主结构连接器A还设有挡销A3；挡销A3设置在释放机构外套筒A2的套筒内壁上；释放机构外套筒A2套在释放机构内套筒B2的外侧时，挡销A3挡住释放机构内套筒B2，连接底盘B1露在释放机构外套筒A2的下方。
其它步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式所述形状记忆聚合物复合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、形状记忆聚酯、形状记忆苯乙烯-丁二烯聚合物或形状记忆聚降冰片烯。
其它步骤和参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式所述形状记忆聚合物复合材料中含有增强纤维。
其它步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式所述增强纤维为碳纤维、石墨纤维或玻璃纤维。
其它步骤和参数与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式含有碳纤维、石墨纤维或玻璃纤维的形状记忆聚合物复合材料采用缠绕成型、模压热固成型等方式。
其它步骤和参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：本实施方式缠绕成型方法中纤维缠绕角度为30度-80度，固化时间为10-24小时。
其它步骤和参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式所述加热驱动装置C为电加热膜或碳纳米纸。加热驱动装置C加热时驱动形状记忆聚合物复合材料主结构连接器A和释放机构连接器B恢复直筒状态。
其它步骤和参数与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式所述连接底盘B1上设有连接孔B1-1。
其它步骤和参数与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：一种用于太空空间的大承载压缩型形状记忆聚合物复合材料释放机构的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
如果加热驱动装置C设置为两套的释放机构，其制作方法包括以下步骤：
步骤一：分别制作含有加热驱动装置C的主结构连接器A、释放机构连接器B；
步骤二：按照图1所示，将主结构连接器A、释放机构连接器B装配起来；
步骤三：将压缩部分加热到玻璃化温度以上，利用冲压工具将压缩部分压缩；得到一种大承载压缩型形状记忆聚合物复合材料释放机构；
利用冲压工具将压缩部分压缩：在释放机构外套筒A2外侧释放机构外套筒A2外侧对应的压缩部分，利用冲压工具冲压一道或者多道凹槽；
凹槽呈“一”字形、“十”字形、“X”字形或不规则形状；
如果加热驱动装置C设置为一套的释放机构，其制作方法包括以下步骤：
步骤一：分别制作主结构连接器A、释放机构连接器B；
步骤二：将加热驱动装置C设置在释放机构外套筒A2的内壁上或者释放机构内套筒B2的外壁上；然后按照图7所示，将主结构连接器A、释放机构连接器B装配起来；
步骤三：将压缩部分加热到玻璃化温度以上，利用冲压工具将压缩部分压缩；得到一种大承载压缩型形状记忆聚合物复合材料释放机构；
利用冲压工具将压缩部分压缩：在释放机构外套筒A2外侧释放机构外套筒A2外侧对应的压缩部分，利用冲压工具冲压一道或者多道凹槽；
凹槽呈“一”字形、“十”字形、“X”字形或不规则形状。

Claims (5)

1.一种用于太空空间的大承载压缩型形状记忆聚合物复合材料释放机构，其特征在于其包括主结构连接器(A)、释放机构连接器(B)和加热驱动装置(C)；主结构连接器(A)和释放机构连接器(B)的材质均为形状记忆聚合物复合材料；所述形状记忆聚合物复合材料中含有增强纤维，所述增强纤维为碳纤维、石墨纤维或玻璃纤维；含有碳纤维、石墨纤维或玻璃纤维的形状记忆聚合物复合材料采用缠绕成型、模压热固成型方式；所述缠绕成型方法中纤维缠绕角度为30度-80度，固化时间为10-24小时；
所述加热驱动装置(C)为电加热膜或碳纳米纸；
所述主结构连接器(A)包括法兰式连接盘(A1)和释放机构外套筒(A2)；法兰式连接盘(A1)位于释放机构外套筒(A2)的上端；
所述释放机构连接器(B)包括连接底盘(B1)和释放机构内套筒(B2)，连接底盘(B1)位于释放机构内套筒(B2)的下端；
所述加热驱动装置(C)设置为一套或者两套，
当加热驱动装置(C)设置为一套时：
加热驱动装置(C)设置在释放机构外套筒(A2)的内壁上或者释放机构内套筒(B2)的外壁上；
所述释放机构释放前，释放机构外套筒(A2)套在释放机构内套筒(B2)的外侧，加热驱动装置(C)位于释放机构外套筒(A2)和释放机构内套筒(B2)的中间；加热驱动装置(C)、释放机构外套筒(A2)和释放机构内套筒(B2)重叠的部分为压缩部分，在压缩部分施加外力，让释放机构外套筒(A2)和释放机构内套筒(B2)以及加热驱动装置(C)产生凹槽，从而实现释放机构外套筒(A2)和释放机构内套筒(B2)的相对固定；所述释放机构释放时，加热驱动装置(C)加热，形状记忆聚合物复合材料材质的释放机构外套筒(A2)和释放机构内套筒(B2)受热恢复直筒状态，释放机构外套筒(A2)脱离释放机构内套筒(B2)，彼此分离实现释放；
当加热驱动装置(C)设置为两套时：
一套加热驱动装置(C)设置在释放机构外套筒(A2)的内壁上或者设置在释放机构外套筒(A2)筒壁沿壁厚方向的中间层；另一套加热驱动装置(C)设置在释放机构内套筒(B2)的外壁上或者设置在释放机构内套筒(B2)筒壁沿壁厚方向的中间层；
所述释放机构释放前，释放机构外套筒(A2)套在释放机构内套筒(B2)的外侧，各自设有加热驱动装置(C)的释放机构外套筒(A2)和释放机构内套筒(B2)重叠的部分为压缩部分，在压缩部分施加外力，让释放机构外套筒(A2)和释放机构内套筒(B2)以及加热驱动装置(C)产生凹槽，从而实现释放机构外套筒(A2)和释放机构内套筒(B2)的相对固定；所述释放机构释放时，加热驱动装置(C)加热，形状记忆聚合物复合材料材质的释放机构外套筒(A2)和释放机构内套筒(B2)受热恢复直筒状态，释放机构外套筒(A2)脱离释放机构内套筒(B2)，彼此分离实现释放。
2.根据权利要求1所述的一种用于太空空间的大承载压缩型形状记忆聚合物复合材料释放机构，其特征在于所述主结构连接器(A)还设有挡销(A3)；挡销(A3)设置在释放机构外套筒(A2)的套筒内壁上；释放机构外套筒(A2)套在释放机构内套筒(B2)的外侧时，挡销(A3)挡住释放机构内套筒(B2)，连接底盘(B1)露在释放机构外套筒(A2)的下方。
3.根据权利要求2所述的一种用于太空空间的大承载压缩型形状记忆聚合物复合材料释放机构，其特征在于所述形状记忆聚合物复合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、形状记忆聚酯、形状记忆苯乙烯-丁二烯聚合物或形状记忆聚降冰片烯。
4.根据权利要求3所述的一种用于太空空间的大承载压缩型形状记忆聚合物复合材料释放机构，其特征在于所述连接底盘(B1)上设有连接孔(B1-1)。
5.一种如权利要求1至4中任意一项所述的用于太空空间的大承载压缩型形状记忆聚合物复合材料释放机构的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
如果加热驱动装置(C)设置为两套的释放机构，其制作方法包括以下步骤：
步骤一：分别制作含有加热驱动装置(C)的主结构连接器(A)、释放机构连接器(B)；
制作主结构连接器(A)、释放机构连接器(B)的形状记忆聚合物复合材料中含有增强纤维，所述增强纤维为碳纤维、石墨纤维或玻璃纤维；含有碳纤维、石墨纤维或玻璃纤维的形状记忆聚合物复合材料采用缠绕成型、模压热固成型方式；所述缠绕成型方法中纤维缠绕角度为30度-80度，固化时间为10-24小时；
所述加热驱动装置(C)为电加热膜或碳纳米纸；
步骤二：将主结构连接器(A)、释放机构连接器(B)装配起来；
步骤三：将压缩部分加热到玻璃化温度以上，利用冲压工具将压缩部分压缩；得到一种大承载压缩型形状记忆聚合物复合材料释放机构；
利用冲压工具将压缩部分压缩：在释放机构外套筒(A2)外侧，利用冲压工具冲压一道或者多道凹槽；
凹槽呈“一”字形、“十”字形、“X”字形或不规则形状；
如果加热驱动装置(C)设置为一套的释放机构，其制作方法包括以下步骤：
步骤一：分别制作主结构连接器(A)、释放机构连接器(B)；
制作主结构连接器(A)、释放机构连接器(B)的形状记忆聚合物复合材料中含有增强纤维，所述增强纤维为碳纤维、石墨纤维或玻璃纤维；含有碳纤维、石墨纤维或玻璃纤维的形状记忆聚合物复合材料采用缠绕成型、模压热固成型方式；所述缠绕成型方法中纤维缠绕角度为30度-80度，固化时间为10-24小时；
所述加热驱动装置(C)为电加热膜或碳纳米纸；
步骤二：将加热驱动装置(C)设置在释放机构外套筒(A2)的内壁上或者释放机构内套筒(B2)的外壁上；然后将主结构连接器(A)、释放机构连接器(B)装配起来；
步骤三：将压缩部分加热到玻璃化温度以上，利用冲压工具将压缩部分压缩；得到一种大承载压缩型形状记忆聚合物复合材料释放机构；
利用冲压工具将压缩部分压缩：在释放机构外套筒(A2)外侧，利用冲压工具冲压一道或者多道凹槽；
凹槽呈“一”字形、“十”字形、“X”字形或不规则形状。
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