基于形状记忆聚合物驱动的航天温控式百叶窗机构的制作方法

本发明设计属于热控技术领域，特别具体涉及一种基于形状记忆聚合物驱动的航天温控式百叶窗机构，可用于航天航空设备的温度控制。

技术背景

作为航天器主动热控方式，温控百叶窗是航天器研制中的关键技术之一。航天温控式百叶窗机构通过调节覆盖在散热基面旋转叶片的角度来控制基面对外辐射散热强度，实现航天器表面对外辐射散热的最佳效果。为了保证航天器在轨工作时各种设备在不同环境温度下的正常运行，需要在航天器上设计并安装温控百叶窗，以自动检测温度变化，并通过百叶窗的张开与闭合，改变有效辐射率，进而达到温度控制的作用。

2010年哈尔滨工业大学宋一新在他的硕士学位论文“卫星热控百叶窗设计及仿真分析”中，提出了一种热控百叶窗结构。如图1所示，该热控百叶窗由窗体结构，驱动组件，联动机构和角度传感器四个部分组成，窗体结构包括框架，叶片组件，滑动副组件；驱动部件包括蜗杆传动，传动轴系，步进电机，一体化连接支架；联动机构包括拉杆，摆杆，滑动副组件。这是一种利用电机驱动，拉杆联动及蜗杆传动的电动百叶窗设计方案，但是这种设计存在以下问题：

1)驱动组件结构较为复杂，无法根据外界温度变化自动调节百叶窗叶片角度；

2)由于采用电机驱动，有一定的振动和噪音，影响了系统的整体稳定性。

2007年清华大学航天航空学院的万凯、任建勋和过增元，在工程热物理学报中发表的“微热控百叶窗驱动器的分析与模拟”一文中，提出了一种微热控百叶窗驱动器，如图2所示，该驱动器利用热电制冷作为温控装置，利用高膨胀系数的金属作为活动部件，实现热控百叶窗的开合。该驱动器包括金属带材层、陶瓷层、电极层和半导体层，但是这种设计存在以下问题：

1)需要额外供应驱动能量，由电能转化为热能需要一定的时间，响应时间长。

2)驱动力不足，只能驱动较小的百叶窗结构。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述已有的技术不足，提供一种基于形状记忆聚合物驱动的温控式百叶窗机构，以简化驱动结构，增大驱动力，提高系统的稳定性。

为实现上述目的，本发明基于形状记忆聚合物驱动的航天温控式百叶窗机构，包括驱动室、窗体主体结构和联动机构，其特征在于：

所述驱动室6，其内侧上部和下部分别设有形状记忆聚合物弹簧10A和10B，该上部形状记忆聚合物弹簧10A的一端与驱动室6的上部内侧壁固定，另一端连接有悬空的工字梁9；该下部形状记忆聚合物弹簧10B的一端与驱动室6的下部内侧壁固定，另一端连接有连杆8；

所述窗体主体结构，由N个叶片单元和框架15组成，每个叶片单元包括叶片1和叶片轴3，叶片轴3的两端固定在框架15上，叶片1安装在叶片轴3上，N≥2；

所述联动机构，主要由固定铰链11、转动杆12、连杆8和活动杆16构成，转动杆12的一端固定在悬空的工字梁9上，另一端与活动杆16的中间位置固接，转动杆12的中部与固定铰链11连接，活动杆16的下端与连杆8相连；当上部形状记忆聚合物弹簧10A发生形变时，悬空的工字梁9上下运动带动转动杆12绕固定铰链11转动，使活动杆16作上下运动带动连杆8转动，连杆8的转动带动叶片单元转动。

本发明具有以下优点：

1)本发明利用上部形状记忆聚合物弹簧10A和下部形状记忆聚合物弹簧10B作为驱动源，有效地提高了驱动力；

2)本发明所设计的联动机构结构简单，易于加工实现；

3)本发明由于采用上部形状记忆聚合物弹簧10A和下部形状记忆聚合物弹簧10B驱动，联动机构联动而不需要电机驱动，没有振动和噪音，有效地提高系统稳定性。

附图说明

图1为现有的热控百叶窗结构图；

图2为现有的热控百叶窗驱动器结构图；

图3为本发明的形状记忆聚合物驱动的航天温控式百叶窗结构图；

图4为图3的驱动部分放大图。

具体实施方式

参照图3和图4，本发明的温控式百叶窗机构包括叶片1、底部辐射板2、叶片轴3、安装底板5、驱动室6、连杆8、悬空的工字梁9、上部形状记忆聚合物弹簧10A、下部形状记忆聚合物弹簧10B、固定铰链11、转动杆12、框架15和活动杆16。其可分为驱动机构、窗体主体结构和联动机构三部分。其中：

驱动机构，主要由驱动室6、上部形状记忆聚合物弹簧10A和下部形状记忆聚合物弹簧10B，悬空的工字梁9、连杆8、驱动室安装螺孔7和限位孔13构成。上部形状记忆聚合物弹簧10A和下部形状记忆聚合物弹簧10B材料中均添加有Fe₃O₄纳米颗粒；上部基于形状记忆聚合物弹簧10A的一端与驱动室6的上部内侧壁固定，另一端与悬空的工字梁9相连。驱动室6的上部内侧壁上设有限位孔13，下部形状记忆聚合物弹簧10B的一端固定在驱动室6的下部内侧壁，另一端与连杆8连接；驱动室6的侧壁两边上设有若干个安装螺孔7，用于安装盖板封闭驱动室。

窗体主体结构，由安装底板5，框架15和N个叶片单元组成，每个叶片单元包括叶片1和叶片轴3，叶片轴3的两端分别固定在框架15和连杆8上，叶片1安装在叶片轴3上，N≥2；叶片1采用碳纤维材料，叶片1的背光表面采用低发射率热控涂层处理减少漏热，叶片1对光面采用F46镀银二次表面处理。叶片轴3采用钛合金材料，框架15和底部辐射板2均采用碳纤维和环氧无纬布材料设计，底部辐射板2喷涂辐射白漆。框架15与安装底板5固接，安装底板5上设有若干个底板安装螺孔4，安装底板5通过这些底板安装螺孔4与航天器固定安装。

联动机构，主要由固定铰链11、转动杆12、连杆8和活动杆16构成。活动杆16上套有两个限位垫片14，固定铰链11固定在驱动室6的内侧壁上，转动杆12的中部与固定铰链11连接，转动杆12的一端固定在悬空的工字梁9上，转动杆12的另一端与活动杆16的中间位置垂直固接，活动杆16的上端穿过限位孔13伸出，活动杆16的下端与连杆8相连，当上部形状记忆聚合物弹簧10A发生形变时，悬空的工字梁9上下运动带动转动杆12绕固定铰链11转动，使活动杆16作上下运动带动连杆8转动，连杆8的转动带动叶片单元转动。

本发明的工作过程如下：

当航天设备温度低于设备的标定温度时，温控式百叶窗机构叶片1静止在叶片轴3上，此时形状记忆聚合物弹簧10A和10B处于初始状态，活动杆16位于下端极限位置，下端的限位垫片14压紧驱动室6侧壁。

当航天器的在轨情况发生变化时，设备温度上升，在设备温度高于设备的标定温度时，形状记忆聚合物弹簧10A和10B发生拉伸形变，形状记忆聚合物弹簧10A驱动悬空工字梁9向下运动；悬空工字梁9带动转动杆12绕固定铰链11逆时针转动，转动杆12带动活动杆16通过限位孔13向上移动，活动杆16带动连杆8顺时针转动，形状记忆聚合物弹簧10B同时驱动连杆8的另一端逆时针转动，连杆8的转动带动叶片1绕叶片轴3顺时针转动。活动杆16上的限位垫片14限制了活动杆16的上下移动范围，当叶片1转动到90°时，活动杆16位于上端极限位置，上端的限位垫片14压紧驱动室6侧壁，至此该温控式百叶窗叶片完全展开，底部辐射板2向外辐射能量，设备温度降低。

当设备温度降低到低于设备标定温度时，由于形状记忆聚合物的形状记忆效应，形状记忆聚合物弹簧10A和10B产生收缩形变，形状记忆聚合物弹簧10A驱动悬空工字梁9向上运动；悬空工字梁9带动转动杆12绕固定铰链11顺时针转动，转动杆12带动活动杆16通过限位孔13向下移动，活动杆16带动连杆8逆时针转动，形状记忆聚合物弹簧10B同时驱动连杆8的另一端顺时针转动，连杆8的转动带动叶片1绕叶片轴3逆时针转动使叶片1恢复到初始状态。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。