一種SMA絲驅動的彈射釋放裝置的製作方法

2023-04-24 17:06:11 2

本發明涉及一種空間機構，具體涉及一種航天空間彈射釋放裝置，屬於航天技術領域。

背景技術：

本發明用於釋放部署在空間飛行器上的有效載荷。目前，太空飛行器的傳統解鎖釋放機構多為火工品螺栓。火工品螺栓在發射期間保護有效載荷，不解鎖；發出程序指令後，能夠及時、同步地在軌解鎖。然而，火工品工作時會產生較大的衝擊，對衛星的姿態控制和敏感設備造成很大的影響。火工品爆炸後所釋放出的化學氣體具有汙染性，會對鏡頭和電子器件等精密器械造成損害。此外，從可靠性的角度講，火工品只能使用一次，並容易受到意外點火。太空飛行器上最終使用的火工品螺栓並不是在地面進行試驗的螺栓，機構可靠性的驗證方法不直接且成本巨大。這些設備產生的熱量衝擊和發射系統的重量給周圍的結構設計造成了很大限制。

形狀記憶合金絲(SMA絲)是一種智能材料，這種材料呈現一種熱彈性馬氏體式變化，即低於一定的轉變溫度時它們是柔性的，因其處於馬氏體相，從而可以容易變形，當其溫度上升到轉變溫度以上時，該材料恢復到其奧氏體相和以前的形狀，並因而產生較大的應力，同樣地，形狀記憶合金絲在馬氏體相時可以容易沿其軸向伸展並保持伸展狀態，在其被加熱到轉變溫度以上時，會沿其軸向恢復到伸展以前的狀態，即收縮恢復，並產生較大的力。

技術實現要素：

本發明是為解決現有太空飛行器解鎖釋放機構工作時衝擊大，對設備造成影響，而且汙染性強、不能重複使用，同時結構複雜的問題，進而提出一種SMA絲驅動的彈射釋放裝置。

本發明為解決上述問題採取的技術方案是：一種SMA絲驅動的彈射釋放裝置包括分離體、分離壓縮彈簧、帶螺紋的杆件、連接體、下限位鋼珠、限位壓縮彈簧、驅動壓縮彈簧、復位壓縮彈簧、鋼珠保持架、滑動栓、連接套、銷栓、上限位鋼珠、形狀記憶合金絲、外殼體和下端蓋；

銷栓為空心銷栓，銷栓的上部具有可儲藏上限位鋼珠的儲藏槽，滑動栓上具有可儲藏下限位鋼珠的儲藏槽；外殼體的上端安裝在連接體上，下端安裝有下端蓋；銷栓布置在外殼體內，外殼體的上端滑動穿過連接體，銷栓內安裝有鋼珠保持架，鋼珠保持架安裝在下端蓋上，鋼珠保持架頂靠銷栓，滑動栓布置在鋼珠保持架內，形狀記憶合金絲穿過滑動栓的下端並經外殼體引出，復位壓縮彈簧布置在滑動栓和鋼珠保持架之間，銷栓下端內側面開有與下限位鋼珠配合的限位凹槽，鋼珠保持架上設置有使下限位鋼珠移動的下通孔，驅動壓縮彈簧布置在外殼體內，驅動壓縮彈簧的下端頂靠在銷栓上，上端頂靠在外殼體上；

帶螺紋的杆件的上端安裝有墊片，下端穿過分離體的支撐臺並與連接套連接，墊片與支撐臺之間的帶螺紋的杆件上套裝有分離壓縮彈簧，連接套套裝在外殼體的上端，外殼體的上端開設有使上限位鋼珠移動的上通孔，連接套內側下方開有與上限位鋼珠配合的拔模孔，限位壓縮彈簧布置在外殼體的環形凹槽內且釋放後能遮住外殼體上的通孔。

進一步地，連接套的上端開有螺紋孔，帶螺紋的杆件的下端旋擰在連接套的螺紋孔內。

進一步地，分離體與連接體鎖緊後以楔形環面配合接觸。

進一步地，銷栓和外殼體均為二階梯式圓柱形結構。

進一步地，銷栓的上部和滑動栓的結構均為啞鈴形結構。

進一步地，形狀記憶合金絲呈V形布置。

進一步地，鋼珠保持架通過銷釘固定在下端蓋上。

進一步地，分離體為筒狀結構，分離體內壁設置有支撐平臺。

進一步地，它還包括緩衝座，緩衝座安裝在下端蓋的上端面上。

進一步地，它還包括上端蓋，上端蓋與連接體可拆卸連接，外殼體與上端蓋可拆卸連接。

本發明的有益效果是：一、本發明利用形狀記憶合金絲的記憶效應，作為空間機構彈射釋放的動力觸發開關，主要驅動力不是SMA提供的，SMA只是提供觸發作用。對形狀記憶合金絲進行通電，利用形狀記憶合金絲的回覆力來觸發機構，利用鋼珠、壓縮彈簧、滑動栓、銷栓、外殼體的相互配置關係完成動作。而使SMA形變所需要的電壓電流又比較少，能耗低；二、與傳統的空間解鎖釋放機構相比，本發明操作簡便，解鎖釋放響應快，可在幾十到幾百毫秒之間完成觸發；三、本發明裝置的機構尺寸相對較小，質量輕，結構簡單，節省空間，可釋放有效載荷大；四、本發明裝置衝擊小、無汙染，可重複使用。

附圖說明

圖1為本發明的一種SMA絲驅動的彈射釋放裝置的鎖緊狀態剖面圖；

圖2為圖1的一種SMA絲驅動的彈射釋放裝置的鎖緊狀態正交剖面圖；

圖3為本發明的一種SMA絲驅動的彈射釋放裝置的釋放狀態剖面圖；

圖4為圖3的一種SMA絲驅動的彈射釋放裝置的釋放狀態正交剖面圖；

圖5為形狀記憶合金絲觸發前後位移變化原理圖；

圖6為形狀記憶合金絲受力分析圖；

具體實施方式

下面結合附圖並通過具體實施方式來進一步說明本發明的技術方案。

參見圖1-圖4所示，一種SMA絲驅動的彈射釋放裝置包括分離體1、分離壓縮彈簧4、帶螺紋的杆件5、連接體7、下限位鋼珠9、限位壓縮彈簧12、驅動壓縮彈簧13、復位壓縮彈簧14、鋼珠保持架15、滑動栓16、連接套17、銷栓18、上限位鋼珠19、形狀記憶合金絲21、外殼體22和下端蓋24；

銷栓18為空心銷栓，銷栓18的上部具有可容納上限位鋼珠19的環形槽，滑動栓16上具有可容納下限位鋼珠9的環形槽；外殼體22的上端安裝在連接體7上，下端安裝有下端蓋24；銷栓18布置在外殼體22內，外殼體22的上端滑動穿過連接體7，銷栓18內安裝有鋼珠保持架15，鋼珠保持架15安裝在下端蓋24上，鋼珠保持架15頂靠銷栓18，滑動栓16布置在鋼珠保持架15內，形狀記憶合金絲21穿過滑動栓16的下端並經外殼體22引出，復位壓縮彈簧14布置在滑動栓16和鋼珠保持架15之間，銷栓18下端內側面開有與下限位鋼珠9配合的限位凹槽，鋼珠保持架15上設置有使下限位鋼珠9移動的下通孔，驅動壓縮彈簧13布置在外殼體22內，驅動壓縮彈簧13的下端頂靠在銷栓18上，上端頂靠在外殼體22上；

帶螺紋的杆件5的上端安裝有墊片，下端穿過分離體1的支撐臺並與連接套17連接，墊片與支撐臺之間的帶螺紋的杆件5上套裝有分離壓縮彈簧4，連接套17套裝在外殼體22的上端，外殼體22的上端開設有使上限位鋼珠19移動的上通孔，連接套17內側下方開有與上限位鋼珠19配合的拔模孔，限位壓縮彈簧12布置在外殼體22的環形凹槽內且釋放後能遮住外殼體22上的通孔。

復位壓縮彈簧14布置在滑動栓16上端和保持架15封閉端之間，銷栓18的外側壁設置外環形臺面，外殼體22設置內環形臺面，驅動壓縮彈簧13的下端頂靠在銷栓18外環形檯面上，上端頂靠在外殼體22的內環形檯面上；銷栓18下端的限位凹槽做成弧形凹槽以保證下限位鋼珠9的穩定布置。

參見圖1和圖2所示，下端蓋24也通過第一螺釘10固定到外殼體22上，在外殼體22上開有兩個對稱的方孔，便於形狀記憶合金絲21的穿過。在外殼體22的上部開有環形的導向凹槽，在導向凹槽內將對形狀記憶合金絲21進行固定和預緊，同時也進行導線的布置。參見圖3所示，外殼體22上端突出的部分開有四個上通孔22-1，上通孔22-1可為圓孔，連接套17上設有的拔模孔17-1，使上限位鋼珠19可以自由進出拔模孔17-1和上通孔22-1，在鎖緊狀態下，也使上限位鋼珠19能保持在圖1與圖2所示鎖緊位置。

復位壓縮彈簧14也處於壓縮狀態，裝配在鋼珠保持架15和滑動栓16之間，復位壓縮彈簧14可以頂住滑動栓16，使滑動栓16保持在圖1與圖2所示的位置上，從而使下限位鋼珠9也處於圖1所示狀態，下限位鋼珠9通過鋼珠保持架15的下通孔進入銷栓18的限位凹槽內，進而限制銷栓18的軸向運動。復位壓縮彈簧14處於壓縮狀態還可以使裝置不會因為振動等外界因素而可能造成的誤觸發，但是復位壓縮彈簧14的壓縮力不能太大，應該小於形狀記憶合金絲21所能提供的軸向力與可靠裕度的乘積。

分離壓縮彈簧4的上端面和下端面分別作用在墊片3上和分離體1的支撐平臺1-1上。分離壓縮彈簧4的壓縮力作用在墊片3上，使連接套17有向上的軸向力，該作用力也作為裝置承受載荷的指標。通過更換分離壓縮彈簧4即可滿足各種不用工作情況要求。最大的載荷應該在四個限位鋼球的承受範圍之內。

限位壓縮彈簧12裝配在外殼體22的環形凹槽內，其下端面固定到外殼體上，上端面固定到套筒11上。在鎖緊狀態下，限位壓縮彈簧12處於壓縮狀態。當分離體1帶動連接套17分離之後，限位壓縮彈簧12推動套筒11上移到如圖3與圖4所示位置，擋住外殼體22的四個上通孔22-1，防止上限位鋼珠19從上通孔掉落出外殼體22外。

如圖2所示，鋼珠保持架15也開有矩形槽孔，便於形狀記憶合金絲21的穿過及上下移動。滑動栓16底部也開有溝槽，使形狀記憶合金絲21穿過。但凡有形狀記憶合金絲21穿過的拐角區域，為了避免應力集中，結構上都有圓角設計。

如圖2所示，形狀記憶合金絲21此時應該處於繃緊狀態，最大程度上保證絲的回縮力全部作用在滑動栓16上。

由於形狀記憶合金絲21的布置已經確定且不可旋轉，形成軸孔配合關係的銷栓18和外殼體22之間，鋼珠保持架15與銷栓18之間，滑動栓16與鋼珠保持架15之間都有相應的導向設計，使四者之間都只做相對軸向直線運動，保證形狀記憶合金絲21不受到影響。

參見圖1所示，為方便操作，拆裝方便，連接套17的上端開有螺紋通孔，帶螺紋的杆件5的下端旋擰在連接套17的螺紋通孔內。

參見圖2所示，分離體1與連接體7以楔形環面配合接觸。如此設置，本裝置鎖緊後，分離體1和連接體7能穩定可靠的連接為一體，保證了二者對接的穩定性。

參見圖1-圖4所示，銷栓18和外殼體22均為二階梯式圓柱形結構。銷栓18由上至下為漸擴的二階梯式圓柱形結構，外殼體22也為由上至下漸擴的二階梯式圓柱形結構，這樣連接體7中部的孔徑較小，減少開孔成本，整體結構加工方便，可靠運行，還能保證整體裝置彈射釋放的穩定運行。驅動壓縮彈簧13處於壓縮狀態，其上端面作用在外殼體22的一個環形檯面上，下端面作用在銷栓18的底部環形面上，驅動壓縮彈簧13所提供的力主要為了克服四個上限位鋼珠19與銷栓18之間的摩擦力。可根據因分離載荷不同而造成的摩擦力大小不同來選擇驅動壓縮彈簧13。

參見圖1-圖4所示，銷栓18的上部和滑動栓16的結構均為啞鈴形結構。如此設置，便於鋼珠的限位和儲藏，有利於解除下限位鋼珠9對銷栓18的軸向約束，解除上限位鋼珠19對連接套7的軸向約束。如圖2所示，銷栓18的下端開有矩形槽孔，避免在銷栓18向下移動時對形狀記憶合金絲21造成幹涉。

參見圖1-圖4所示，形狀記憶合金絲呈V形布置。這樣有利於充分發揮形狀記憶合金絲(SMA絲)的回縮力作用。

參見圖1和圖3所示，鋼珠保持架15通過銷釘25固定在下端蓋24上。這樣拆裝方便。

參見圖1-圖4所示，分離體1為筒狀結構，分離體1內壁設置有支撐平臺1-1。分離壓縮彈簧4的上端面和下端面分別作用在墊片3上和分離體1的支撐平臺1-1上。分離壓縮彈簧4的壓縮力作用在墊片3上，使連接套17有向上的軸向力，該作用力也作為裝置承受載荷的指標。通過更換分離壓縮彈簧4即可滿足各種不用工作情況要求。最大的載荷應該在四個限位鋼球的承受範圍之內。為了保證帶螺紋的杆件5向上運動後剛性衝擊分離體1的頂面，在分離體1的頂面設置緩衝墊2，以緩衝帶螺紋的杆件5的釋放力。

參見圖2所示，一種SMA絲驅動的彈射釋放裝置還包括緩衝座23，緩衝座23安裝在下端蓋24的上端面上。下端蓋24的上面用螺釘固定了緩衝座23，以緩衝銷栓18下移所帶來的衝擊。

參見圖1和圖2所示，一種SMA絲驅動的彈射釋放裝置還包括上端蓋8，上端蓋8與連接體7可拆卸連接，外殼體22與上端蓋8可拆卸連接。上端蓋8通過第二螺釘20連接到外殼體22上。

工作原理：利用直流電源DC對形狀合金記憶絲21進行通電加熱，形狀合金記憶絲進行收縮形狀記憶合金(SMA)絲在低於其相變溫度時，通常為85℃，SMA絲經過預拉伸會變長，最大拉伸率根據絲徑的不同而有所不同。當SMA絲的溫度高於相變溫度之後，SMA絲會回縮到對其進行預拉伸之前的長度，回縮過程中還會產生應力，稱之為回縮力。)由於形狀記憶合金絲21的回縮，拉動滑動栓16沿軸向向上運動，銷栓18對下限位鋼珠9的徑向分力將下限位鋼珠9壓入到滑動栓16的儲藏槽內，從而解除下限位鋼珠9對銷栓18的軸向約束，由驅動彈簧13帶動銷栓18沿軸向向下運動，進而解除銷栓18對上限位鋼珠19的徑向約束，由連接套17對上限位鋼珠19的徑向分力將上限位鋼珠19壓入外殼體22內部進入銷栓18的儲藏槽內，解除限位鋼珠19對連接套17的軸向約束，處於壓縮狀態的分離壓縮彈簧4帶動螺栓杆5連接的連接套17向上運動，實現分離體1與連接體7的分離。如圖3與圖4所示。

在分離裝置中，如圖2所示的形狀記憶合金絲21呈V型的布置方式也有利於充分發揮回縮力作用。為有效的提供滑動栓16的軸向作用力，形狀合金記憶絲21在滑動栓16與外殼體21之間的部分和軸向距離、徑向距離組成一個假想的直角三角形，如圖5所示，其中SMA絲組成該三角形的斜邊。在常溫狀態下，即裝置觸發前，SMA絲的斜邊長為t，直角邊c表示SMA絲在滑動栓16上的作用點到SMA絲在外殼體22上的作用點的軸向距離，另一直角邊b表示SMA絲在外殼體22上的作用點到SMA絲在滑動栓16上的作用點的徑向距離，並且b為常量。在達到相變溫度之後，SMA絲長將縮短到預拉伸之前的長度，此時，該假想直角三角形的斜邊長度將變短，根據勾股定理可以求出在軸向上的距離變化Δc，該距離也是SMA絲所能提供的觸發位移量。為保證順利觸發，Δc應該大於能夠解除滑動栓16對下限位鋼珠9約束的最小軸向位移與可靠裕度的乘積。其中傾斜角度越小時，SMA絲越近似於垂直方向，SMA絲在軸向上的分力也就越大，反之越小。經過計算，能夠引起觸發的角度範圍應該在15°-67°之間。

通過改變SMA絲的傾斜角度β或者外殼體穿入SMA絲的孔的長度d，都可以改變SMA絲作用在滑動栓16上垂直方向上的力F的大小。由於整個SMA絲的收縮都集中在t上，所以增長或者縮短d的長度可以相應的增大和減小Δc的倍增係數。

如圖6所示，當SMA絲帶動滑動栓16上移，其傾斜角度β越來越大，作用在滑動栓16上的力也越來越小。但在收縮過程中，F要始終大於復位壓縮彈簧5的壓縮力。

該裝置可以在極短的時間(幾十到幾百毫秒)內完成分離動作，從而完成載荷的釋放。簡單的復位方式使得裝置更方便使用，也有利於裝置的反覆試驗。

裝置的復位也很簡單，銷栓18的上部開有的螺紋孔，是便於銷的安裝和復位，通過特定的工裝並利用銷栓18上部的螺紋孔，使銷栓18克服驅動壓縮彈簧13的壓縮力，上升到如圖1與圖2所示的位置。當銷栓18回到裝置鎖緊狀態的位置後，不再通電受熱的形狀記憶合金絲21在復位壓縮彈簧14的壓縮力作用下又拉伸到室溫(或者低於其相變溫度)下預拉伸之後的長度，同時，復位壓縮彈簧14下壓滑動栓16，使下限位鋼珠9滑落到鋼珠保持架15的下通孔(圓孔)內和銷栓18上的限位凹槽18-1內。

本發明已以較佳實施案例揭示如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍內，當可以利用上述揭示的結構及技術內容做出些許的更動或修飾為等同變化的等效實施案例，但是凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施案例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發明技術方案範圍。