CN111806723B - 用于卫星太阳帆板的压紧释放机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于卫星太阳帆板的压紧释放机构，该压紧释放机构通过第一金属连接件、第二金属连接件、形状记忆合金、加热导线、保护管和金属弹簧相配合设置，可通过加热导线对形状记忆合金加热使其由弯折结构形变为直线型结构，脱离第二金属连接件，金属弹簧驱动太阳帆板释放展开。该用于卫星太阳帆板的压紧释放机构能够很好地实现对太阳帆板的高刚度连接且便于完成太阳帆板的解锁展开，具有结构简单、功耗低、可靠性好、通用性好、灵敏度好等优势。

Description

用于卫星太阳帆板的压紧释放机构

技术领域

本发明涉及一种用于卫星太阳帆板的压紧释放机构。

背景技术

目前，采用热刀式压紧释放装置可解决传统大卫星太阳帆板压紧释放机构常采用的火工品的冲击问题，但热刀式压紧释放装置具有承载力大、结构复杂、尺寸大且耗电量大等问题，并不适用于微小卫星。

近年来，与热刀式压紧释放装置原理相同的电阻丝熔线式解锁机构广泛应用于微小卫星展开机构中。国内外均有针对于结构简单、尺寸小、质量轻和功耗低的电阻丝熔线解锁机构的相关研究，但对绳索拉力及预紧力加载的分析研究较少，同时所设计的电阻丝熔线解锁机构通用性及扩展能力差，较难满足现代微小卫星的快速整星模块化布局与设计要求。

发明内容

基于此，有必要提供一种功耗低、整体结构较为简单且通用性好的用于卫星太阳帆板的压紧释放机构。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种用于卫星太阳帆板的压紧释放机构，包括第一金属连接件、第二金属连接件、第一形状记忆合金、第一加热导线、第一保护管和金属弹簧；

所述第一金属连接件用于连接星体，所述第二金属连接件用于连接太阳帆板，所述第二金属连接件具有限位槽；

预设状态下，所述第一形状记忆合金整体上呈弯折结构，所述第一形状记忆合金的一端连接所述第一连接件，所述第一形状记忆合金的另一端嵌入所述限位槽内；所述第一加热导线缠绕所述第一形状记忆合金；所述金属弹簧处于压缩状态，且其两端分别用于连接星体和太阳帆板；所述第一保护管用于设于星体和太阳帆板之间，且所述第一保护管罩住所述第一金属连接件、所述第二金属连接件、所述第一形状记忆合金和所述金属弹簧，用于维持所述第一形状记忆合金所处的温度环境；

释放状态下，所述第一加热导线通电并对所述第一形状记忆合金加热使其由弯折结构形变为直线型结构，解锁与所述第二金属连接件的嵌接，所述金属弹簧驱动所述太阳帆板释放展开。

进一步地，所述的用于卫星太阳帆板的压紧释放机构还包括第二形状记忆合金、第二加热导线和第二保护管；

预设状态下，所述第二形状记忆合金整体上呈弯折结构，所述第二形状记忆合金的一端用于连接星体，所述第二形状记忆合金的另一端用于连接太阳帆板，所述第二加热导线缠绕所述第二形状记忆合金，所述第二保护管罩住所述第二形状记忆合金，用于维持所述第二形状记忆合金所处的温度环境；

释放状态下，所述第二加热导线通电并对所述第二形状记忆合金加热使其由弯折结构形变为直线型结构，配合所述金属弹簧共同驱动所述太阳帆板释放展开，进一步提高释放太阳帆板的可靠性。

在其中一个实施例中，所述第一形状记忆合金和所述第二形状记忆合金均由Ni-Ti形状记忆合金材料制备而成，轻质且强度高。第一形状记忆合金和第二形状记忆合金依靠温度改变产生形变，从而驱动太阳帆板释放展开。

在其中一个实施例中，所述第一金属连接件、所述第二金属连接件、所述第一保护管和/或所述第二保护管采用钛合金材料制备而成，轻质且高刚度，同时保证第一形状记忆合金和第二形状记忆合金所处的环境温度稳定。

在其中一个实施例中，所述金属弹簧为不锈钢弹簧，保证在释放太阳帆板时具有一定的驱动力。

在其中一个实施例中，所述的用于卫星太阳帆板的压紧释放机构还包括金属垫片，所述金属垫片用于设置在所述第一金属连接件和星体之间、所述第二金属连接件和太阳帆板之间和/或所述第二形状记忆合金和星体之间，可进一步维持第一形状记忆合金和第二形状记忆合金所处的环境温度稳定。

在其中一个实施例中，所述金属垫片由钛合金材料制备而成，轻质且高刚度。

在其中一个实施例中，所述第一金属连接件、所述第二金属连接件、所述第一形状记忆合金、所述第一保护管、所述金属弹簧和所述第一保护管用于设于星体的中上部；所述第二形状记忆合金和所述第二保护管用于设于星体的下部，从而进一步提高释放太阳帆板的可靠性。

在其中一个实施例中，所述第一金属连接件整体上呈T形结构，具有相互垂直的第一板接部和第二板接部，所述第一板接部用于通过螺钉连接星体，所述第二板接部用于通过螺钉连接所述第一形状记忆合金，结构简单，安装方便，稳固性高。

在其中一个实施例中，所述第二金属连接件整体上呈弓形结构，具有位于中间的限位槽和位于所述限位槽两侧的两翼部，其两翼部分别通过螺钉连接太阳帆板，结构简单，安装方便且稳固性高。

本发明的有益效果是：

上述用于卫星太阳帆板的压紧释放机构基于第一形状记忆合金的形变特性，并配合第一金属连接件、第二金属连接件、第一加热导线、第一保护管和金属弹簧的结构设计，能够很好地实现对太阳帆板的高刚度连接且便于完成太阳帆板的解锁展开，具有结构简单、功耗低、可靠性好、通用性好、灵敏度好等优势，易于操作，可承受冲击、振动和过载等复杂环境。

进一步地，上述用于卫星太阳帆板的压紧释放机构通过设置配合第一形状记忆合金和金属弹簧发生形变的第二形状记忆合金，可进一步提高压紧释放机构的可靠性。

另外，上述用于卫星太阳帆板的压紧释放机构通过选用特定材质的各元件组合以及尺寸调整，可实现整体结构的轻质、高刚度和小尺寸，并保证第一形状记忆合金和第二形状记忆合金的灵敏性。

附图说明

图1为一实施方式的卫星太阳帆板压紧释放机构的结构示意图；

图2为图1的星太阳帆板压紧释放机构的另一视角的结构示意图；

图3为图1的卫星太阳帆板压紧释放机构的上端压紧释放机构的局部放大结构示意图；

图4为图1的卫星太阳帆板压紧释放机构的上端压紧释放机构的另一视角的局部放大结构示意图；

图5为图1的卫星太阳帆板压紧释放机构的下端压紧释放机构的局部放大结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、星体，2、太阳帆板，10、上端压紧释放机构，11、第一金属连接件，12、第二金属连接件，13、第一形状记忆合金，14、金属弹簧，15、第一保护管，20、下端压紧释放机构，21、第二形状记忆合金，22、第二保护管，30、金属垫片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请结合图1至5，一实施方式的用于卫星太阳帆板的压紧释放机构，包括第一金属连接件11、第二金属连接件12、第一形状记忆合金13、第一加热导线、金属弹簧14、第一保护管15、第二形状记忆合金21、第二加热导线、第二保护管22和金属垫片30。第一金属连接件11、第二金属连接件12、第一形状记忆合金13、第一加热导线、第一保护管15和金属弹簧14相配合形成上端压紧释放机构10。第二形状记忆合金21、第二加热导线和第二保护管22相配合形成下端压紧释放机构20。

请进一步结合图3和图4，在上端压紧释放机构10中，第一金属连接件11优选使用钛合金材料制作而成，轻质且高刚度，用于连接卫星主体1(简称“星体”)。具体地，第一金属连接件11整体上呈T形结构，具有相互垂直的第一板接部和第二板接部。第一板接部可通过沉头内六角螺钉和相关固定元件连接星体，第二板接部可通过沉头内六角螺钉和相关固定件连接所述第一形状记忆合金13，结构简单，安装方便，稳固性高。

第二金属连接件12优选使用钛合金材料制作而成，轻质且高刚度，用于连接太阳帆板2。具体地，第二金属连接件12整体上呈弓形结构(例如，“

形结构”等)，具有位于中部区域的限位槽和位于限位槽两侧的两翼部，其两翼部可分别通过沉头内六角螺钉螺钉和相关固定元件连接太阳帆板2，结构简单，安装方便且稳固性高。

预设状态下，第一形状记忆合金13整体上呈弯折结构，第一形状记忆合金13的一端连接第一连接件，第一形状记忆合金13的另一端嵌入限位槽内，形成高刚度地锁紧限位。第一加热导线(图中未示意)缠绕第一形状记忆合金13，第一加热导线连接星体1上的电源。金属弹簧14处于压缩状态，且其两端分别用于连接星体1和太阳帆板2。第一保护管15连接星体，设于星体1和太阳帆板2之间，且第一保护管15罩住第一金属连接件11、第二金属连接件12、第一形状记忆合金13和金属弹簧14，用于维持第一形状记忆合金13所处的温度环境，避免温度变化致使第一形状记忆合金13提前产生形变。

释放状态下，第一加热导线通电并对第一形状记忆合金13加热使其由弯折结构形变为直线型结构(由90°展开为180°)，解锁与第二金属连接件12的嵌接，脱离第二金属连接件12，金属弹簧14驱动太阳帆板2释放展开。

请进一步结合图5，在下端压紧释放机构20中，在预设状态下，第二形状记忆合金21整体上呈弯折结构，第二形状记忆合金21的一端用于连接星体1，第二形状记忆合金21的另一端用于连接太阳帆板。星体1的底部优选设有槽孔，用于设置金属垫片30及放置第二形状记忆合金21。第二加热导线(图中未示意)缠绕第二形状记忆合金21，第二加热导线连接星体1上的电源。第二保护管22罩住第二形状记忆合以及延伸覆盖槽孔所在的区域，用于维持第二形状记忆合金21所处的温度环境。

释放状态下，第二加热导线通电并对第二形状记忆合金21加热使其由弯折结构形变为直线型结构(由90°展开为180°)，配合金属弹簧14共同驱动太阳帆板2释放展开，进一步提高释放太阳帆板2的可靠性。

其中，第一形状记忆合金13和第二形状记忆合金21使用Ni-Ti形状记忆合金材料制作而成。

金属弹簧14置优选使用不锈钢材料制作而成，置于第一保护管15内，用于在释放时给予太阳帆板2一定的驱动力。

第一保护管15和第二保护管22均优选使用钛合金材料制作而成，轻质且高刚度。优选地，第一保护管15和第二保护管22固定于星体1上，不随释放运动与星体1发生分离。通过设置第一保护管15和第二保护管22，便于分别保证第一形状记忆合金13和第二形状记忆合金21所处环境的温度保持稳定，避免外界的因素致使温度变化(如太阳光照射等)致使形状记忆合金提前产生形变，破坏释放机构。

进一步地，金属垫片30优选使用钛合金材料制作，轻质且高刚度。上端压紧释放机构10在连接位置处设置金属垫片30的作用是辅助固定第一金属连接件11和星体1以及辅助固定第二金属连接件12和太阳帆板2。下端压紧释放机构20在连接位置处设置金属垫片30的作用是避免第二形状记忆合金21由于与星体1和太阳帆板2的直接接触导致受热发生形变，使第二形状记忆合金21所处环境的温度保持稳定。

另外，本实施方式中的压紧释放机构中的加热系统可由星体1上的电源、与星体1连接处的元件、与合金片连接处的元件、第一加热导线和第二加热导线组成。

其中一个实施例中，压紧释放机构中第一形状记忆合金13展开后的尺寸可以为20mm*15mm*2mm，开有两个直径6mm的螺孔。在第一金属连接件11的中部开矩形孔，尺寸与第一记忆合金元件展开后的尺寸相同。将第一记忆合金元件嵌套在矩形孔内，具体可通过安装螺钉实现第一形状记忆合金13的稳固固定。第一金属连接件11中的第一板接部(纵向长板)的尺寸可以为50mm*100mm*1mm，第二板接部(中间横向短板)的尺寸可以为50mm*15mm*1mm。第一金属连接件11可通过4个沉头内六角螺钉及相关固定元件固定到星体上。第二金属连接件12中间突出部分的长度优选大于20mm，以便于实现嵌套。其中螺柱直径具体可以为4.5mm，螺孔为6mm。第二形状记忆合金21展开后的尺寸可以设置为20mm*40mm*2mm，开有4个直径6mm的螺孔。星体1的下端连接处制作出尺寸为20mm*10mm*10mm的槽孔，在槽孔处放置尺寸为20mm*10mm*1mm的金属垫片30，放置第二形状记忆合金21，便于安装螺钉以实现第二形状记忆合金21的稳固固定。金属弹簧14的直径优选约为90mm。第一保护管15优选为圆柱形管，直径为100mm。第二保护管22优选为矩形管，直径为尺寸为25mm*40mm。金属垫片30的尺寸可以为直径12mm的圆形金属片。通过小尺寸的各元件组合，即能满足常规卫星太阳帆板压紧释放的要求，结构简单，且质量轻，易于操作，灵敏度高。

在其他实施例中，压紧释放机构中各元件的尺寸可以根据实际情况进行调整，满足卫星太阳帆板压紧释放的要求。

本实施方式的基于形状记忆合金的卫星太阳帆板压紧释放机构，克服了热刀式压紧释放机构承载力大、结构复杂、尺寸大且耗电量大等一系列问题，结构简单合理，具有结构简单、功耗低、可靠性好、通用性好、灵敏度好、尺寸小、节约成本等优势，大大降低了操作难度，提高了稳定性和效率，可实现星体与太阳帆板的高刚度连接，承受冲击、振动和过载等复杂环境，完成太阳帆板的解锁展开。

该基于形状记忆合金的用于卫星太阳帆板压紧释放机构提供一种新的压紧释放机构设计思路，对航天领域科学研究和形状记忆合金材料的性能研究与应用有重大的推动作用。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于卫星太阳帆板的压紧释放机构，其特征在于，包括第一金属连接件、第二金属连接件、第一形状记忆合金、第一加热导线、第一保护管、金属弹簧、第二形状记忆合金、第二加热导线和第二保护管；

所述第一金属连接件用于连接星体，所述第二金属连接件用于连接太阳帆板，所述第二金属连接件具有限位槽；

预设状态下，所述第一形状记忆合金整体上呈弯折结构，所述第一形状记忆合金的一端连接所述第一金属连接件，所述第一形状记忆合金的另一端嵌入所述限位槽内；所述第一加热导线缠绕所述第一形状记忆合金；所述金属弹簧处于压缩状态，且其两端分别用于连接星体和太阳帆板；所述第一保护管用于设于星体和太阳帆板之间，且所述第一保护管罩住所述第一金属连接件、所述第二金属连接件、所述第一形状记忆合金和所述金属弹簧，用于维持所述第一形状记忆合金所处的温度环境；所述第二形状记忆合金整体上呈弯折结构，所述第二形状记忆合金的一端用于连接星体，所述第二形状记忆合金的另一端用于连接太阳帆板，所述第二加热导线缠绕所述第二形状记忆合金，所述第二保护管罩住所述第二形状记忆合金，用于维持所述第二形状记忆合金所处的温度环境；

释放状态下，所述第一加热导线通电并对所述第一形状记忆合金加热使其由弯折结构形变为直线型结构，解锁与所述第二金属连接件的嵌接，所述金属弹簧驱动所述太阳帆板释放展开；所述第二加热导线通电并对所述第二形状记忆合金加热使其由弯折结构形变为直线型结构，配合所述金属弹簧共同驱动所述太阳帆板释放展开。

2.根据权利要求1所述的用于卫星太阳帆板的压紧释放机构，其特征在于，所述第一形状记忆合金和所述第二形状记忆合金均由Ni-Ti形状记忆合金材料制备而成。

3.根据权利要求2所述的用于卫星太阳帆板的压紧释放机构，其特征在于，所述第一金属连接件、所述第二金属连接件、所述第一保护管和/或所述第二保护管采用钛合金材料制备而成。

4.根据权利要求2所述的用于卫星太阳帆板的压紧释放机构，其特征在于，所述金属弹簧为不锈钢弹簧。

5.根据权利要求1至4任一项所述的用于卫星太阳帆板的压紧释放机构，其特征在于，还包括金属垫片，所述金属垫片用于设置在所述第一金属连接件和星体之间、所述第二金属连接件和太阳帆板之间和/或所述第二形状记忆合金和星体之间。

6.根据权利要求5所述的用于卫星太阳帆板的压紧释放机构，其特征在于，所述金属垫片由钛合金材料制备而成。

7.根据权利要求1至4任一项所述的用于卫星太阳帆板的压紧释放机构，其特征在于，所述第一金属连接件、所述第二金属连接件、所述第一形状记忆合金、所述金属弹簧和所述第一保护管用于设于星体的中上部；所述第二形状记忆合金和所述第二保护管用于设于星体的下部。

8.根据权利要求7所述的用于卫星太阳帆板的压紧释放机构，其特征在于，所述第一金属连接件整体上呈T形结构，具有相互垂直的第一板接部和第二板接部，所述第一板接部用于通过螺钉连接星体，所述第二板接部用于通过螺钉连接所述第一形状记忆合金。

9.根据权利要求7所述的用于卫星太阳帆板的压紧释放机构，其特征在于，所述第二金属连接件整体上呈弓形结构，具有位于中间的限位槽和位于所述限位槽两侧的两翼部，其两翼部分别通过螺钉连接太阳帆板。

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