一种SMA丝驱动的弹射释放装置的制作方法

本发明涉及一种空间机构，具体涉及一种航天空间弹射释放装置，属于航天技术领域。

背景技术：

本发明用于释放部署在空间飞行器上的有效载荷。目前，航天器的传统解锁释放机构多为火工品螺栓。火工品螺栓在发射期间保护有效载荷，不解锁；发出程序指令后，能够及时、同步地在轨解锁。然而，火工品工作时会产生较大的冲击，对卫星的姿态控制和敏感设备造成很大的影响。火工品爆炸后所释放出的化学气体具有污染性，会对镜头和电子器件等精密器械造成损害。此外，从可靠性的角度讲，火工品只能使用一次，并容易受到意外点火。航天器上最终使用的火工品螺栓并不是在地面进行试验的螺栓，机构可靠性的验证方法不直接且成本巨大。这些设备产生的热量冲击和发射系统的重量给周围的结构设计造成了很大限制。

形状记忆合金丝(SMA丝)是一种智能材料，这种材料呈现一种热弹性马氏体式变化，即低于一定的转变温度时它们是柔性的，因其处于马氏体相，从而可以容易变形，当其温度上升到转变温度以上时，该材料恢复到其奥氏体相和以前的形状，并因而产生较大的应力，同样地，形状记忆合金丝在马氏体相时可以容易沿其轴向伸展并保持伸展状态，在其被加热到转变温度以上时，会沿其轴向恢复到伸展以前的状态，即收缩恢复，并产生较大的力。

技术实现要素：

本发明是为解决现有航天器解锁释放机构工作时冲击大，对设备造成影响，而且污染性强、不能重复使用，同时结构复杂的问题，进而提出一种SMA丝驱动的弹射释放装置。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种SMA丝驱动的弹射释放装置包括分离体、分离压缩弹簧、带螺纹的杆件、连接体、下限位钢珠、限位压缩弹簧、驱动压缩弹簧、复位压缩弹簧、钢珠保持架、滑动栓、连接套、销栓、上限位钢珠、形状记忆合金丝、外壳体和下端盖；

销栓为空心销栓，销栓的上部具有可储藏上限位钢珠的储藏槽，滑动栓上具有可储藏下限位钢珠的储藏槽；外壳体的上端安装在连接体上，下端安装有下端盖；销栓布置在外壳体内，外壳体的上端滑动穿过连接体，销栓内安装有钢珠保持架，钢珠保持架安装在下端盖上，钢珠保持架顶靠销栓，滑动栓布置在钢珠保持架内，形状记忆合金丝穿过滑动栓的下端并经外壳体引出，复位压缩弹簧布置在滑动栓和钢珠保持架之间，销栓下端内侧面开有与下限位钢珠配合的限位凹槽，钢珠保持架上设置有使下限位钢珠移动的下通孔，驱动压缩弹簧布置在外壳体内，驱动压缩弹簧的下端顶靠在销栓上，上端顶靠在外壳体上；

带螺纹的杆件的上端安装有垫片，下端穿过分离体的支撑台并与连接套连接，垫片与支撑台之间的带螺纹的杆件上套装有分离压缩弹簧，连接套套装在外壳体的上端，外壳体的上端开设有使上限位钢珠移动的上通孔，连接套内侧下方开有与上限位钢珠配合的拔模孔，限位压缩弹簧布置在外壳体的环形凹槽内且释放后能遮住外壳体上的通孔。

进一步地，连接套的上端开有螺纹孔，带螺纹的杆件的下端旋拧在连接套的螺纹孔内。

进一步地，分离体与连接体锁紧后以楔形环面配合接触。

进一步地，销栓和外壳体均为二阶梯式圆柱形结构。

进一步地，销栓的上部和滑动栓的结构均为哑铃形结构。

进一步地，形状记忆合金丝呈V形布置。

进一步地，钢珠保持架通过销钉固定在下端盖上。

进一步地，分离体为筒状结构，分离体内壁设置有支撑平台。

进一步地，它还包括缓冲座，缓冲座安装在下端盖的上端面上。

进一步地，它还包括上端盖，上端盖与连接体可拆卸连接，外壳体与上端盖可拆卸连接。

本发明的有益效果是：一、本发明利用形状记忆合金丝的记忆效应，作为空间机构弹射释放的动力触发开关，主要驱动力不是SMA提供的，SMA只是提供触发作用。对形状记忆合金丝进行通电，利用形状记忆合金丝的回复力来触发机构，利用钢珠、压缩弹簧、滑动栓、销栓、外壳体的相互配置关系完成动作。而使SMA形变所需要的电压电流又比较少，能耗低；二、与传统的空间解锁释放机构相比，本发明操作简便，解锁释放响应快，可在几十到几百毫秒之间完成触发；三、本发明装置的机构尺寸相对较小，质量轻，结构简单，节省空间，可释放有效载荷大；四、本发明装置冲击小、无污染，可重复使用。

附图说明

图1为本发明的一种SMA丝驱动的弹射释放装置的锁紧状态剖面图；

图2为图1的一种SMA丝驱动的弹射释放装置的锁紧状态正交剖面图；

图3为本发明的一种SMA丝驱动的弹射释放装置的释放状态剖面图；

图4为图3的一种SMA丝驱动的弹射释放装置的释放状态正交剖面图；

图5为形状记忆合金丝触发前后位移变化原理图；

图6为形状记忆合金丝受力分析图；

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

参见图1-图4所示，一种SMA丝驱动的弹射释放装置包括分离体1、分离压缩弹簧4、带螺纹的杆件5、连接体7、下限位钢珠9、限位压缩弹簧12、驱动压缩弹簧13、复位压缩弹簧14、钢珠保持架15、滑动栓16、连接套17、销栓18、上限位钢珠19、形状记忆合金丝21、外壳体22和下端盖24；

销栓18为空心销栓，销栓18的上部具有可容纳上限位钢珠19的环形槽，滑动栓16上具有可容纳下限位钢珠9的环形槽；外壳体22的上端安装在连接体7上，下端安装有下端盖24；销栓18布置在外壳体22内，外壳体22的上端滑动穿过连接体7，销栓18内安装有钢珠保持架15，钢珠保持架15安装在下端盖24上，钢珠保持架15顶靠销栓18，滑动栓16布置在钢珠保持架15内，形状记忆合金丝21穿过滑动栓16的下端并经外壳体22引出，复位压缩弹簧14布置在滑动栓16和钢珠保持架15之间，销栓18下端内侧面开有与下限位钢珠9配合的限位凹槽，钢珠保持架15上设置有使下限位钢珠9移动的下通孔，驱动压缩弹簧13布置在外壳体22内，驱动压缩弹簧13的下端顶靠在销栓18上，上端顶靠在外壳体22上；

带螺纹的杆件5的上端安装有垫片，下端穿过分离体1的支撑台并与连接套17连接，垫片与支撑台之间的带螺纹的杆件5上套装有分离压缩弹簧4，连接套17套装在外壳体22的上端，外壳体22的上端开设有使上限位钢珠19移动的上通孔，连接套17内侧下方开有与上限位钢珠19配合的拔模孔，限位压缩弹簧12布置在外壳体22的环形凹槽内且释放后能遮住外壳体22上的通孔。

复位压缩弹簧14布置在滑动栓16上端和保持架15封闭端之间，销栓18的外侧壁设置外环形台面，外壳体22设置内环形台面，驱动压缩弹簧13的下端顶靠在销栓18外环形台面上，上端顶靠在外壳体22的内环形台面上；销栓18下端的限位凹槽做成弧形凹槽以保证下限位钢珠9的稳定布置。

参见图1和图2所示，下端盖24也通过第一螺钉10固定到外壳体22上，在外壳体22上开有两个对称的方孔，便于形状记忆合金丝21的穿过。在外壳体22的上部开有环形的导向凹槽，在导向凹槽内将对形状记忆合金丝21进行固定和预紧，同时也进行导线的布置。参见图3所示，外壳体22上端突出的部分开有四个上通孔22-1，上通孔22-1可为圆孔，连接套17上设有的拔模孔17-1，使上限位钢珠19可以自由进出拔模孔17-1和上通孔22-1，在锁紧状态下，也使上限位钢珠19能保持在图1与图2所示锁紧位置。

复位压缩弹簧14也处于压缩状态，装配在钢珠保持架15和滑动栓16之间，复位压缩弹簧14可以顶住滑动栓16，使滑动栓16保持在图1与图2所示的位置上，从而使下限位钢珠9也处于图1所示状态，下限位钢珠9通过钢珠保持架15的下通孔进入销栓18的限位凹槽内，进而限制销栓18的轴向运动。复位压缩弹簧14处于压缩状态还可以使装置不会因为振动等外界因素而可能造成的误触发，但是复位压缩弹簧14的压缩力不能太大，应该小于形状记忆合金丝21所能提供的轴向力与可靠裕度的乘积。

分离压缩弹簧4的上端面和下端面分别作用在垫片3上和分离体1的支撑平台1-1上。分离压缩弹簧4的压缩力作用在垫片3上，使连接套17有向上的轴向力，该作用力也作为装置承受载荷的指标。通过更换分离压缩弹簧4即可满足各种不用工作情况要求。最大的载荷应该在四个限位钢球的承受范围之内。

限位压缩弹簧12装配在外壳体22的环形凹槽内，其下端面固定到外壳体上，上端面固定到套筒11上。在锁紧状态下，限位压缩弹簧12处于压缩状态。当分离体1带动连接套17分离之后，限位压缩弹簧12推动套筒11上移到如图3与图4所示位置，挡住外壳体22的四个上通孔22-1，防止上限位钢珠19从上通孔掉落出外壳体22外。

如图2所示，钢珠保持架15也开有矩形槽孔，便于形状记忆合金丝21的穿过及上下移动。滑动栓16底部也开有沟槽，使形状记忆合金丝21穿过。但凡有形状记忆合金丝21穿过的拐角区域，为了避免应力集中，结构上都有圆角设计。

如图2所示，形状记忆合金丝21此时应该处于绷紧状态，最大程度上保证丝的回缩力全部作用在滑动栓16上。

由于形状记忆合金丝21的布置已经确定且不可旋转，形成轴孔配合关系的销栓18和外壳体22之间，钢珠保持架15与销栓18之间，滑动栓16与钢珠保持架15之间都有相应的导向设计，使四者之间都只做相对轴向直线运动，保证形状记忆合金丝21不受到影响。

参见图1所示，为方便操作，拆装方便，连接套17的上端开有螺纹通孔，带螺纹的杆件5的下端旋拧在连接套17的螺纹通孔内。

参见图2所示，分离体1与连接体7以楔形环面配合接触。如此设置，本装置锁紧后，分离体1和连接体7能稳定可靠的连接为一体，保证了二者对接的稳定性。

参见图1-图4所示，销栓18和外壳体22均为二阶梯式圆柱形结构。销栓18由上至下为渐扩的二阶梯式圆柱形结构，外壳体22也为由上至下渐扩的二阶梯式圆柱形结构，这样连接体7中部的孔径较小，减少开孔成本，整体结构加工方便，可靠运行，还能保证整体装置弹射释放的稳定运行。驱动压缩弹簧13处于压缩状态，其上端面作用在外壳体22的一个环形台面上，下端面作用在销栓18的底部环形面上，驱动压缩弹簧13所提供的力主要为了克服四个上限位钢珠19与销栓18之间的摩擦力。可根据因分离载荷不同而造成的摩擦力大小不同来选择驱动压缩弹簧13。

参见图1-图4所示，销栓18的上部和滑动栓16的结构均为哑铃形结构。如此设置，便于钢珠的限位和储藏，有利于解除下限位钢珠9对销栓18的轴向约束，解除上限位钢珠19对连接套7的轴向约束。如图2所示，销栓18的下端开有矩形槽孔，避免在销栓18向下移动时对形状记忆合金丝21造成干涉。

参见图1-图4所示，形状记忆合金丝呈V形布置。这样有利于充分发挥形状记忆合金丝(SMA丝)的回缩力作用。

参见图1和图3所示，钢珠保持架15通过销钉25固定在下端盖24上。这样拆装方便。

参见图1-图4所示，分离体1为筒状结构，分离体1内壁设置有支撑平台1-1。分离压缩弹簧4的上端面和下端面分别作用在垫片3上和分离体1的支撑平台1-1上。分离压缩弹簧4的压缩力作用在垫片3上，使连接套17有向上的轴向力，该作用力也作为装置承受载荷的指标。通过更换分离压缩弹簧4即可满足各种不用工作情况要求。最大的载荷应该在四个限位钢球的承受范围之内。为了保证带螺纹的杆件5向上运动后刚性冲击分离体1的顶面，在分离体1的顶面设置缓冲垫2，以缓冲带螺纹的杆件5的释放力。

参见图2所示，一种SMA丝驱动的弹射释放装置还包括缓冲座23，缓冲座23安装在下端盖24的上端面上。下端盖24的上面用螺钉固定了缓冲座23，以缓冲销栓18下移所带来的冲击。

参见图1和图2所示，一种SMA丝驱动的弹射释放装置还包括上端盖8，上端盖8与连接体7可拆卸连接，外壳体22与上端盖8可拆卸连接。上端盖8通过第二螺钉20连接到外壳体22上。

工作原理：利用直流电源DC对形状合金记忆丝21进行通电加热，形状合金记忆丝进行收缩形状记忆合金(SMA)丝在低于其相变温度时，通常为85℃，SMA丝经过预拉伸会变长，最大拉伸率根据丝径的不同而有所不同。当SMA丝的温度高于相变温度之后，SMA丝会回缩到对其进行预拉伸之前的长度，回缩过程中还会产生应力，称之为回缩力。)由于形状记忆合金丝21的回缩，拉动滑动栓16沿轴向向上运动，销栓18对下限位钢珠9的径向分力将下限位钢珠9压入到滑动栓16的储藏槽内，从而解除下限位钢珠9对销栓18的轴向约束，由驱动弹簧13带动销栓18沿轴向向下运动，进而解除销栓18对上限位钢珠19的径向约束，由连接套17对上限位钢珠19的径向分力将上限位钢珠19压入外壳体22内部进入销栓18的储藏槽内，解除限位钢珠19对连接套17的轴向约束，处于压缩状态的分离压缩弹簧4带动螺栓杆5连接的连接套17向上运动，实现分离体1与连接体7的分离。如图3与图4所示。

在分离装置中，如图2所示的形状记忆合金丝21呈V型的布置方式也有利于充分发挥回缩力作用。为有效的提供滑动栓16的轴向作用力，形状合金记忆丝21在滑动栓16与外壳体21之间的部分和轴向距离、径向距离组成一个假想的直角三角形，如图5所示，其中SMA丝组成该三角形的斜边。在常温状态下，即装置触发前，SMA丝的斜边长为t，直角边c表示SMA丝在滑动栓16上的作用点到SMA丝在外壳体22上的作用点的轴向距离，另一直角边b表示SMA丝在外壳体22上的作用点到SMA丝在滑动栓16上的作用点的径向距离，并且b为常量。在达到相变温度之后，SMA丝长将缩短到预拉伸之前的长度，此时，该假想直角三角形的斜边长度将变短，根据勾股定理可以求出在轴向上的距离变化Δc，该距离也是SMA丝所能提供的触发位移量。为保证顺利触发，Δc应该大于能够解除滑动栓16对下限位钢珠9约束的最小轴向位移与可靠裕度的乘积。其中倾斜角度越小时，SMA丝越近似于垂直方向，SMA丝在轴向上的分力也就越大，反之越小。经过计算，能够引起触发的角度范围应该在15°-67°之间。

通过改变SMA丝的倾斜角度β或者外壳体穿入SMA丝的孔的长度d，都可以改变SMA丝作用在滑动栓16上垂直方向上的力F的大小。由于整个SMA丝的收缩都集中在t上，所以增长或者缩短d的长度可以相应的增大和减小Δc的倍增系数。

如图6所示，当SMA丝带动滑动栓16上移，其倾斜角度β越来越大，作用在滑动栓16上的力也越来越小。但在收缩过程中，F要始终大于复位压缩弹簧5的压缩力。

该装置可以在极短的时间(几十到几百毫秒)内完成分离动作，从而完成载荷的释放。简单的复位方式使得装置更方便使用，也有利于装置的反复试验。

装置的复位也很简单，销栓18的上部开有的螺纹孔，是便于销的安装和复位，通过特定的工装并利用销栓18上部的螺纹孔，使销栓18克服驱动压缩弹簧13的压缩力，上升到如图1与图2所示的位置。当销栓18回到装置锁紧状态的位置后，不再通电受热的形状记忆合金丝21在复位压缩弹簧14的压缩力作用下又拉伸到室温(或者低于其相变温度)下预拉伸之后的长度，同时，复位压缩弹簧14下压滑动栓16，使下限位钢珠9滑落到钢珠保持架15的下通孔(圆孔)内和销栓18上的限位凹槽18-1内。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。