CN113830329B - 一种基于记忆合金的压紧释放装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航天发射卫星技术领域，特别涉及一种基于记忆合金的压紧释放装置。包括壳体、滑块、驱动块、分瓣螺母、驱动弹簧盖、驱动弹簧，连杆机构、小球控制机构及驱动机构，其中滑块设置于壳体内，驱动弹簧和驱动弹簧盖由下至上设置于滑块的容置腔内，分瓣螺母与驱动弹簧盖螺纹连接，且分瓣螺母通过连杆机构与滑块连接，连杆机构在滑块向下移动时，拉动分瓣螺母，从而解除对驱动弹簧盖的锁紧；驱动机构、驱动块及小球控制机构由下至上设置于壳体底部，小球控制机构设置于滑块的下端外侧，用于限制滑块轴向移动；驱动机构用于驱动驱动块转动至设定位置。本发明满足卫星天线展开的任务要求，提高卫星天线压紧释放的可靠性、安全性。

Description

一种基于记忆合金的压紧释放装置

技术领域

本发明涉及航天发射卫星技术领域，特别涉及一种基于记忆合金的压紧释放装置。

背景技术

世界各国为开发空间资源，越来越重视航天卫星的发射，而研究满足当代航天任务的压紧释放装置显得尤为重要。为了减少发射时卫星的体积，发射前需要通过压紧释放装置将卫星的天线进行压紧，保证在发射过程中天线的展开载荷不受发射载荷的影响；当卫星进入预定轨道后，需要对卫星发送指令，控制压紧释放装置，释放卫星天线展开载荷，展开天线。

目前，主要采用的是火工分离技术的压紧释放装置，其工作原理是利用装置内部的自毁炸药瞬间反应产生的大气压使装置在短时间内分离。这种传统的火工品装置在分离时会产生较大的冲击、电磁和静电，这对运载器和卫星上的精密仪器产生较大的影响；火工品装置在制造、运输、存储过程中也有较高的安全隐患；传统火工品装置在爆炸时产生的碎片很难清理，会成为太空垃圾。随着各种微型卫星的发展，对卫星配件的要求也越来越高，传统的火工品装置很难再满足相关要求。因此，必须设计一种低冲击、无污染的压紧释放装置以满足航天卫星天线安全、可靠展开的需求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于记忆合金的压紧释放装置，该装置根据某微型搜救卫星天线展开的需要，设计使用SMA丝作为驱动源，以满足该卫星天线展开的任务要求，并提高卫星天线压紧释放的可靠性、安全性，延续传统火工品装置快速分离的优点，避免火工品爆炸时产生的一系列问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于记忆合金的压紧释放装置，包括壳体、滑块、驱动块、分瓣螺母、驱动弹簧盖、驱动弹簧，连杆机构、小球控制机构及驱动机构，其中滑块沿轴向滑动地设置于壳体内，滑块上设有容置腔；驱动弹簧和驱动弹簧盖由下至上设置于滑块的容置腔内，且驱动弹簧盖的上端由所述滑块内伸出；分瓣螺母容置于滑块内，且分瓣螺母与驱动弹簧盖螺纹连接，分瓣螺母通过至少两组连杆机构与滑块连接，连杆机构在滑块向下移动时，拉动分瓣螺母，从而解除对驱动弹簧盖的锁紧；

驱动机构、驱动块及小球控制机构由下至上设置于壳体底部，小球控制机构设置于滑块的下端外侧，用于限制滑块轴向移动；驱动机构用于驱动驱动块转动至设定位置，从而使小球控制机构解除对滑块的限位。

所述驱动机构包括SMA丝、发条盒、发条弹簧及驱动螺钉，其中SMA丝缠绕于所述驱动块的外侧；发条盒设置于壳体的底部，发条弹簧设置于发条盒内，且发条弹簧通过驱动螺钉与所述驱动块连接，发条弹簧给所述驱动块提供扭矩。

所述驱动块为中空的圆柱体结构，其外圆周上设有环形的SMA丝容置槽，顶部设有内凹槽，所述小球控制机构容置于内凹槽内，所述小球控制机构与所述驱动块之间设有摩擦环。

所述小球控制机构包括小球保持架、小球固定架及及控制球组，其中小球固定架放置于所述驱动块的上方，小球保持架设置于小球固定架的上方，小球保持架和小球固定架固定连接，小球保持架且与所述壳体相对固定；所述滑块与小球保持架和小球固定架之间形成沿周向均布的至少两个控制球容置腔，每个控制球容置腔内容置有一组控制球组；

所述控制球组包括一个小球及设置于小球上方的两个大球；

所述滑块的下端外圆周上设有限位槽，位于上方的一个大球容置于限位槽内，从而限制所述滑块轴向移动。

所述驱动块的侧壁上端边缘沿周向均布有多个内豁口，当多个内豁口与多个所述控制球组一一对应时，所述小球落入内豁口内，从而使两个所述大球沿径向移动，从而脱离所述滑块上的限位槽。

所述滑块为底部封闭的圆筒形结构，且所述滑块外圆周上设有至少两个凸台结构，凸台结构的左右两侧均设有滚珠架，滚珠架上沿高度方向设有多个滚珠；所述连杆机构容置于凸台结构内。

所述连杆机构包括上下设置的两个平行连杆，每个连杆的两端分别与所述滑块和所述分瓣螺母铰接。

所述壳体包括上盖、外壳及底板，其中外壳的下端与底板连接，上端与上盖连接；上盖上设有用于所述驱动弹簧盖的上端穿过的孔。

所述外壳的上部内侧沿周向均布多个滑槽，各滑槽均与所述滑块的轴线平行，所述滑块的凸台结构容置于所述滑槽内。

本发明与现有技术相比的优点及有益效果是：

高强度性和可靠性：本发明根据航天时冷热变化、大冲击、强震动等复杂的空间环境来设计压紧释放装置的强度和承载能力，基于记忆合金的压紧释放装置有足够的强度来克服运载体产生的振动压紧天线；当卫星脱离运载体进入预定轨道后，该装置也具备较高的可靠性使天线能顺利展开。

结构小型化和轻型化：由于卫星的空间条件限制，基于记忆合金的压紧释放装置在设计时采用较为简单可靠的结构，整个装置体积小、重量轻，这就节约了压紧释放装置在卫星中的安装空间并减少了其在卫星中的重量占比。

快速响应性：基于记忆合金的压紧释放装置的相应速度取决于形状记忆合金（SMA）丝的加热速度，由于SMA丝的电阻率远大于一般电工材料，所以只需要较小的电流和电压，就可使SMA丝瞬间加热，压紧释放装置即可快速响应。

可重复性和可重调性：基于记忆合金的压紧释放装置可多次重复使用，在地面上进行试验校核，并对装置进行调整，保证了装置工作时的可靠性。

附图说明

图1为本发明一种基于记忆合金的压紧释放装置的结构示意图；

图2为本发明中滑块的结构示意图；

图3为本发明中驱动块的结构示意图；

图中：1为上盖，2为外壳，3为滑块，4为小球保持架，5为小球固定架，6为摩擦环，7为驱动块，8为驱动螺钉，9为底板，10为连杆，11为分瓣螺母，12为驱动弹簧盖，13为滚珠，14为滚珠架，15为驱动弹簧，16为大球，17为SMA丝，18为发条盒，19为发条弹簧，20为小球，71为SMA丝容置槽，72为内豁口，73为驱动槽，74为摩擦环槽，75为内凹槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供的一种基于记忆合金的压紧释放装置，包括壳体、滑块3、驱动块7、分瓣螺母11、驱动弹簧盖12、驱动弹簧15，连杆机构、小球控制机构及驱动机构，其中滑块3沿轴向滑动地设置于壳体内，滑块3上设有容置腔；驱动弹簧15和驱动弹簧盖12由下至上设置于滑块3的容置腔内，且驱动弹簧盖12的上端由滑块3内伸出；分瓣螺母11容置于滑块3内，且分瓣螺母11与驱动弹簧盖12螺纹连接，分瓣螺母11通过至少两组连杆机构与滑块3连接，连杆机构在滑块3向下移动时，拉动分瓣螺母11，从而解除对驱动弹簧盖12的锁紧；驱动机构、驱动块7及小球控制机构由下至上设置于壳体底部，小球控制机构设置于滑块3的下端外侧，用于限制滑块3轴向移动；驱动机构用于驱动驱动块7转动至设定位置，从而使小球控制机构解除对滑块3的限位。

如图1所示，本发明的实施例中，壳体包括上盖1、外壳2及底板9，其中外壳2的下端与底板9连接，上端与上盖1连接；上盖1上设有用于驱动弹簧盖12的上端穿过的孔，外壳2的上部内侧沿周向均布多个滑槽，各滑槽均与滑块3的轴线平行。

本发明的实施例中，驱动机构包括SMA丝17、发条盒18、发条弹簧19及驱动螺钉8，其中SMA丝17缠绕于驱动块7的外侧；发条盒18设置于壳体的底部，发条弹簧19设置于发条盒18内，且发条弹簧19通过驱动螺钉8与驱动块7连接，发条弹簧19给驱动块7提供扭矩。SMA丝17是形状记忆合金，是一种集感知和驱动于一体的智能材料，它是压紧释放装置中的核心驱动元件。利用SMA丝17带动驱动块7转动，当驱动块7转动一定角度后，解除对连杆机构的约束，在驱动弹簧15的作用下，连杆机构沿轴向移动，带动分瓣螺母11沿径向移动。

如图3所示，本发明的实施例中，驱动块7为中空的圆柱体结构，其外圆周上设有环形的SMA丝容置槽71，顶部设有内凹槽75，小球控制机构容置于内凹槽内75，小球控制机构与驱动块7之间设有摩擦环6。

进一步地，内凹槽75的底部设有摩擦环槽74和驱动槽73，其中摩擦环槽74靠近驱动块7的中心孔设置。摩擦环6上沿周向设有等间距分布的多个摩擦球，多个摩擦球容置于摩擦环槽74内。驱动螺钉8的上端容置于驱动槽73内。

如图1所示，本发明的实施例中，小球控制机构包括小球保持架4、小球固定架5及控制球组，其中小球固定架5放置于驱动块7的上方，小球保持架4设置于小球固定架5的上方，且小球保持架4和小球固定架5固定连接；小球保持架4与壳体相对固定；滑块3与小球保持架4和小球固定架5之间形成沿周向均布的至少两个控制球容置腔，每个控制球容置腔内容置有一组控制球组，控制球组限制滑块3轴向移动。

具体地，控制球组包括一个小球20及设置于小球20上方的两个大球16；滑块3的下端外圆周上设有限位槽，位于上方的一个大球16容置于限位槽内，从而限制滑块3轴向移动。采用大球16与大球16的接触，逐级减小压紧载荷，降低装置对记忆合金驱动力的要求。

进一步地，如图3所示，驱动块7的侧壁上端边缘沿周向均布有多个内豁口72，当多个内豁口72与多个控制球组一一对应时，小球20落入内豁口72内，内豁口72刚好容纳小球20，从而使两个大球16沿径向移动，从而脱离滑块3上的限位槽。

如图2所示，本发明的实施例中，滑块3为底部封闭的圆筒形结构，且滑块3的外圆周上设有至少两个凸台结构，凸台结构的左右两侧均设有滚珠架14，滚珠架14上沿高度方向设有多个滚珠13；滑块3的凸台结构容置于外壳2的滑槽内。连杆机构容置于凸台结构内。

具体地，连杆机构包括上下设置的两个平行连杆10，每个连杆10的两端分别与滑块3和分瓣螺母11铰接。在压紧状态下，连杆10受天线载荷在分瓣螺母上的径向载荷，连杆10由于受驱动块7的限位而不能移动，且驱动弹簧15处于压缩状态，满足了对天线载荷的要求。

本发明的实施例中，驱动弹簧盖12的上端为螺栓结构，驱动弹簧盖12压紧时，驱动弹簧15压缩，大球16约束滑块3使其不能轴向移动，发条弹簧19给驱动块7提供一定的扭矩，使其在装置中始终保持一定的角度，防止发生误转。

本发明提供的一种基于记忆合金的压紧释放装置，其工作原理是：

给SMA丝17通电加热，SMA丝17受热收缩，带动驱动块7转动，当驱动块7转动到内豁口72与小球20相对应时，小球20在相邻的大球16的作用下跳入驱动块7的内豁口72中。此时，中间的大球16在上方的大球16的作用下沿轴向移动，这样会使上方大球16缺少中间大球16在径向上的作用力，使其沿径向移动，解锁滑块3，使滑块3在驱动弹簧15的弹簧力作用下向下移动，同时带动连杆10沿径向移动；分瓣螺母11在驱动弹簧盖12的作用下沿轴向运动，在连杆10的带动下沿径向移动，这两个运动的合成使分瓣螺母11在上盖1的斜面上滑动，从而解锁释放驱动弹簧盖12的螺栓，完成载荷的释放。

复位时，停止对SMA丝17通电，SMA丝17由于记忆效应伸长到加热前的长度。发条弹簧19对驱动块7有扭转力矩，当用外力推动滑块3压缩驱动弹簧15，使滑块3回到初始位置时，在发条弹簧19的作用下，大球16相继退回初始位置，完成复位。

本发明提出的一种基于记忆合金的压紧释放装置，采用转动控制滑动的设计原理进行设计，采用小球实现对驱动力的控制，在一定程度上减小了驱动弹簧传递到驱动块的力，大大降低了对SMA丝恢复力的要求。此外，采用发条弹簧实现对驱动块的限位，防止驱动块在发射任务中发生误转，发条弹簧在装置中还具有绷紧SMA丝的作用，减少了在装配时，SMA丝的弯曲带来的位移余量。

压紧释放装置的压紧和释放是卫星任务中的一个重要环节，卫星的天线能否正常展开关系到进入预定轨道的卫星能否接收到地面的信号，也决定了发射任务的成败。本发明提出的一种基于记忆合金的压紧释放装置，与传统的火工品装置相比较，具有重复使用的特点，即在使用前可对装置进行全功能的检查和多次试验，以保证装置的可靠性。基于航天中微型卫星天线展开的需要，并参照航天指标对压紧释放装置进行设计，构建三维模型，然后通过仿真分析和实验验证相结合的研究方法，对本发明的基本功能、使用性能进行测试和分析，该压紧释放装置具备高强度性和可靠性，消除了传统火工品装置在制造、运输、储存等过程中的安全隐患，其体积小和重量轻，节约了卫星升空的成本，也能够按照要求快速响应，展开天线，装置释放载荷时对卫星的冲击也较小。本发明也可应用于其它航天器。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。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、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于记忆合金的压紧释放装置，其特征在于，包括壳体、滑块（3）、驱动块（7）、分瓣螺母（11）、驱动弹簧盖（12）、驱动弹簧（15）、连杆机构、小球控制机构及驱动机构，其中滑块（3）沿轴向滑动地设置于壳体内，滑块（3）上设有容置腔；驱动弹簧（15）和驱动弹簧盖（12）由下至上设置于滑块（3）的容置腔内，且驱动弹簧盖（12）的上端由所述滑块（3）内伸出；分瓣螺母（11）容置于滑块（3）内，且分瓣螺母（11）与驱动弹簧盖（12）螺纹连接，分瓣螺母（11）通过至少两组连杆机构与滑块（3）连接，连杆机构在滑块（3）向下移动时，拉动分瓣螺母（11），从而解除对驱动弹簧盖（12）的锁紧；

驱动机构、驱动块（7）及小球控制机构由下至上设置于壳体底部，小球控制机构设置于滑块（3）的下端外侧，用于限制滑块（3）轴向移动；驱动机构用于驱动驱动块（7）转动至设定位置，从而使小球控制机构解除对滑块（3）的限位；

所述滑块（3）为底部封闭的圆筒形结构，且滑块（3）的外圆周上设有至少两个凸台结构，凸台结构的左右两侧均设有滚珠架（14），滚珠架（14）上沿高度方向设有多个滚珠（13）；所述连杆机构容置于凸台结构内；

所述连杆机构包括上下设置的两个平行连杆（10），每个连杆（10）的两端分别与所述滑块（3）和所述分瓣螺母（11）铰接；

所述驱动机构包括SMA丝（17）、发条盒（18）、发条弹簧（19）及驱动螺钉（8），其中SMA丝（17）缠绕于所述驱动块（7）的外侧；发条盒（18）设置于壳体的底部，发条弹簧（19）设置于发条盒（18）内，且发条弹簧（19）通过驱动螺钉（8）与所述驱动块（7）连接，发条弹簧（19）给所述驱动块（7）提供扭矩；

所述驱动块（7）为中空的圆柱体结构，其外圆周上设有环形的SMA丝容置槽（71），顶部设有内凹槽，所述小球控制机构容置于内凹槽内，所述小球控制机构与所述驱动块（7）之间设有摩擦环（6）；

所述小球控制机构包括小球保持架（4）、小球固定架（5）及控制球组，其中小球固定架（5）放置于所述驱动块（7）的上方，小球保持架（4）设置于小球固定架（5）的上方，且小球保持架（4）和小球固定架（5）固定连接，小球保持架（4）与所述壳体相对固定；所述滑块（3）与小球保持架（4）和小球固定架（5）之间形成沿周向均布的至少两个控制球容置腔，每个控制球容置腔内容置有一组控制球组；

所述控制球组包括一个小球（20）及设置于小球（20）上方的两个大球（16）；所述滑块（3）的下端外圆周上设有限位槽，位于上方的一个大球（16）容置于限位槽内，从而限制所述滑块（3）轴向移动；

所述驱动块（7）的侧壁上端边缘沿周向均布有多个内豁口（72），当多个内豁口（72）与多个所述控制球组一一对应时，所述小球（20）落入内豁口（72）内，从而使两个所述大球（16）沿径向移动，从而脱离所述滑块（3）上的限位槽。

2.根据权利要求1所述的基于记忆合金的压紧释放装置，其特征在于，所述壳体包括上盖（1）、外壳（2）及底板（9），其中外壳（2）的下端与底板（9）连接，上端与上盖（1）连接；上盖（1）上设有用于所述驱动弹簧盖（12）的上端穿过的孔。

3.根据权利要求2所述的基于记忆合金的压紧释放装置，其特征在于，所述外壳（2）的上部内侧沿周向均布多个滑槽，各滑槽均与所述滑块（3）的轴线平行，所述滑块（3）的凸台结构容置于所述滑槽内。

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