专利名称：微型大载荷sma空间同步解锁机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种空间解锁结构，特别是一种微型大载荷(即20000N)的SMA空间同步解锁机构。
背景技术：
航天器需要多种分离解锁机构完成空间解锁功能，例如，与运载火箭的分离、卫星上大型太阳能帆板及其它附件的空间展开等。这种分离解锁机构主要有两方面的作用一方面在发射期间保护有效载荷，防止受发射载荷的影响而解锁；另一方面，在指定时刻，以最小限度的有害影响，如振动和污染损害等，在飞行轨道迅速释放有效载荷，实现解锁功能。为保证连接，有些情况下航天器不止使用一个解锁机构，机构解锁的同步性是影响连接部件分离的又一重要因素。
随着新一代小型卫星的出现，卫星的内外部件更加贴近振动和污染源，因此发展低振动、无污染的空间解锁机构成为必然。在低振动空间解锁机构的研究上，一个主要的焦点是应用形状记忆合金SMA的形状记忆特性实现空间解锁功能。SMA材料加热时能回复到高温母相形状，产生6％左右的应变和巨大的回复力。因此，美国宇航局NASA以及一些著名的商业公司都有开展了以SMA作为机械驱动元件的新型的空间解锁结构的研究，其中Darin Mckinnis，Fastening Apparatus Having Shape Memory AlloyActuator，NASA Johnson Space Center，MSC-21935-1.，介绍了NASA的空间解锁机构，采用SMA棒作解锁机构的驱动元件，其结构如图1、2、3所示，圆柱形固定套14通过螺纹固定在下连接件34上。活塞54位于固定套内，其下部与SMA棒24接触，内部与分瓣螺母72接触。分瓣螺母由沿周向均分为三部分的螺母组成，通过销钉78与活塞固定，如图2中A-A剖视图所示，连接状态，活塞的凸台68、70与分瓣螺母的凸台74、76配合，在活塞的作用下分瓣螺母的各部分紧密接触，在内部形成完整的螺纹，垫圈92固定在固定套上，对分瓣螺母有轴向限位的作用，螺栓26穿过上连接件36与分瓣螺母连接，由此实现两个部件的连接固定；分离解锁时，通电加热SMA棒解锁机构，SMA棒伸长，剪断销钉，驱动活塞上移，上移的距离刚好是分瓣螺母台阶的宽度，使得活塞的凸台68、70与分瓣螺母的凸台74、76脱开，分瓣螺母的径向约束解除，各部分向外张开，释放连接螺栓，从而实现上、下连接件间的分离解锁。
NASA的空间解锁机构虽然可以重复使用，但其缺点是(1)需重新进行装配，操作复杂；(2)解锁时间较长，无法满足同步性要求；(3)为了保证连接和承载，其体积和质量都相对较大，不适合用于微型大载荷的空间解锁。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种解锁迅速，可以满足同步性的要求，且体积小、重量轻的微型大载荷SMA空间同步解锁机构。
本发明的技术解决方案微型大载荷SMA空间同步解锁机构，其特点在于采用底部连接在一起的分瓣螺母结构，分瓣螺母上部内有螺纹，与螺栓配合连接，并通过螺栓固定在上连接件上，分瓣螺母的底部连接在一起通过底座固定在下连接件上，分瓣螺母上部的周向有定位环，在常规安装状态下，定位环支撑分瓣螺母进行周向约束，保证分瓣螺母紧合，定位环靠弹簧和SMA丝进行轴向定位，弹簧上端支撑定位环，下端支撑于底座，使其处于压缩状态，SMA丝一端与定位环相连，另一端固定在底座上，弹簧和驱动元件SMA丝配对使用，平常安装状态下，弹簧的力大于SMA丝，使SMA丝拉直，在工作时，通电加热SMA丝，SMA丝的力大于弹簧的力，SMA丝收缩带动定位环下移，解除对分瓣螺母的约束，释放螺栓，从而完成机构的空间解锁功能。
本发明主要是利用SMA材料加热时能回复到高温母相形状，产生6％左右的应变和巨大的回复力实现机构解锁；利用SMA材料低温状态屈服应力低，高温状态屈服应力高的特性，与弹簧配合实现机构可重复使用的功能。安装状态(低温)，弹簧力大于低温时SMA丝的屈服力，SMA丝在弹簧力作用下处于张紧状态，弹簧压紧定位环，保证分瓣螺母紧合。通电加热(高温)，此时SMA丝的回复力大于弹簧力，SMA丝收缩，带动定位环下移，压缩弹簧，解除对分瓣螺母的约束，释放螺栓，从而完成机构的空间解锁功能。通电结束后，温度降低，SMA丝低温屈服力小于弹簧力，在弹簧力的作用下，SMA丝伸长，定位环恢复到初始位置，实现机构的可重复使用功能。
本发明与现有技术相比，在体积、质量、同步性等方面具有更多优势，更能满足航空航天器械对体积、质量的苛刻要求，具体表现在以下几个方面(1)底部连接的分瓣螺母结构，简化了机构设计，结构简单，可靠性高；(2)本发明安装尺寸不超过Ф30mm，如图7所示，体积小，质量轻；(3)本发明直接对SMA丝通电加热，现有技术则是通电加热电阻棒，再通过电阻棒传热加热SMA棒，两者相比，本发明所需加热时间更短，解锁更为迅速；(4)通过试验表明，在直流电压28V作用下，本发明0.1s内机构分离解锁，能更好的满足机构的同步性要求；(5)本发明采用SMA丝和弹簧配合拉动定位环，能够自动恢复原来的结构，现有技术则需要重新装配才能再次使用，因此本发明地面重复使用更为方便。
图1为NASA的空间解锁机构结构示意图；
图2为图1的A-A剖视图；图3为NASA的活塞与分瓣螺母外形图；图4为本发明的装配结构示意图；图5为本发明的内部结构三维示意图；图6为本发明的底部连接的分瓣螺母结构示意图；图7为本发明的安装尺寸示意图；图8为本发明的SMA丝安装长度示意图。
具体实施例方式
如图4、5所示，本发明由SMA丝2、弹簧3、分瓣螺母4、螺栓5、定位环7、底座8组成，本发明通过螺纹固定在下连接件1上，分瓣螺母4下部通过螺纹与底座8连接，上部由定位环7进行周向定位，并通过螺栓5与上连接件9固定，由此完成相邻两个部件的连接。分瓣螺母4，如图6所示，由沿周向均分分布的三部分组成，底部连接，内有膨胀螺钉6，可以通过膨胀螺钉6调整分瓣螺母4张开的尺寸。弹簧3下端与底座8接触，上端与定位环7接触，处于压缩状态，压紧定位环7，保证定位环7对分瓣螺母4的周向定位，使分瓣螺母4在装配状态下闭合，如图4所示。SMA丝2上端与定位环7相连，下端固定于底座8上，在弹簧力的作用下处于张紧状态。在通电加热SMA丝2实现解锁功能时，考虑到SMA丝2的绝缘问题，定位环7为绝缘材料，SMA丝2与底座8的连接采用绝缘材料机械止动的方式。
本发明实施例中设计时采用SMA合金系中含Ti量50％、直径0.5mm的NiTi合金丝做为机构解锁驱动元件，通电加热时，SMA丝2的作动距离主要与两个因素有关丝的原始长度和丝在低温下的塑性预拉伸变形量。SMA丝2原始长度越长、塑性预拉伸变形量越大，加热时合金丝收缩的距离也越大。综合考虑机构设计的尺寸要求和解锁所需SMA丝2收缩距离，计算确定预拉伸变形量为8％的SMA丝的有效安装长度为50mm，如图8所示。
弹簧3的设计需要满足两点要求(1)低温下即安装状态，弹簧力要大于低温时SMA丝的屈服力，保证通电结束后SMA丝可以在弹簧力的作用下回复到低温变形的形状(实现机构可重复使用的功能)；(2)高温下即通电加热，弹簧力要小于高温时SMA丝2的回复力，这样SMA丝2才能克服弹簧阻力收缩(实现机构的解锁功能)。试验确定SMA丝的低温屈服力和高温回复力，通过计算确定弹簧刚度系数k＝20N/mm，安装状态下弹簧3的预压力为200N。
本发明的工作过程安装状态下，定位环7的位置如图4所示，当控制系统发出解锁指令时，通电SMA丝2收缩，定位环7随之下移，压缩弹簧3，解除了分瓣螺母4的周向约束，分瓣螺母4沿周向松开，螺栓5的约束解除，相邻两部件解锁分离，完成机构的设计功能。通电结束后，在弹簧3的弹簧力作用下定位环7上移，SMA丝2恢复到装配状态下的长度，恢复原来的结构，从而可以进行下一次连接和解锁。
权利要求
1.微型大载荷SMA空间同步解锁机构，其特征在于采用底部连接在一起的分瓣螺母结构，分瓣螺母(4)上部内有螺纹，与螺栓(5)配合连接，并通过螺栓(5)固定在上连接件(9)上，分瓣螺母(4)的底部连接在一起通过底座(8)固定在下连接件(1)上，分瓣螺母(4)上部的周向有定位环(7)，在常规安装状态下，定位环(7)支撑分瓣螺母(4)进行周向约束，保证分瓣螺母(4)紧合，定位环(7)依靠弹簧(3)和SMA丝(2)进行轴向定位，弹簧(3)上端支撑定位环(7)，下端支撑于底座(8)，使其处于压缩状态，SMA丝(2)一端与定位环(7)相连，另一端固定在底座(8)上，弹簧(3)和驱动元件SMA丝(2)配对使用，平常安装状态下，弹簧(3)的力大于SMA丝(2)，使SMA丝(2)拉直，在工作时，通电加热SMA丝(2)，SMA丝(2)的力大于弹簧(3)的力，SMA丝(2)收缩带动定位环(7)下移，解除对分瓣螺母(4)的约束，释放螺栓(5)，从而完成机构的空间解锁功能。
2.根据权利要求1所述的微型大载荷SMA空间同步解锁机构，其特征在于所述的定位环(7)为绝缘材料。
3.根据权利要求1所述的微型大载荷SMA空间同步解锁机构，其特征在于所述的SMA丝(2)与底座(8)的连接采用绝缘材料机械止动的方式。
4.根据权利要求1所述的微型大载荷SMA空间同步解锁机构，其特征在于所述的分瓣螺母(4)内有膨胀螺钉(6)，通过膨胀螺(6)钉调整工作状态下分瓣螺母(4)张开的尺寸。
全文摘要
微型大载荷SMA空间同步解锁机构，采用底部连接在一起的分瓣螺母结构，分瓣螺母上部内有螺纹，与螺栓配合连接，并通过螺栓固定在上连接件上，分瓣螺母的底部连接在一起通过底座固定在下连接件上，分瓣螺母上部的周向有定位环，在常规安装状态下，定位环支撑分瓣螺母进行周向约束，保证分瓣螺母紧合，弹簧上端支撑定位环，下端支撑于底座，使其处于压缩状态，SMA丝一端与定位环相连，另一端固定在底座上，弹簧和驱动元件SMA丝配对使用，平常安装状态下，弹簧的力大于SMA丝，使SMA丝拉直，在工作时，通电加热SMA丝，SMA丝的力大于弹簧的力，SMA丝收缩带动定位环下移，解除对分瓣螺母的约束，从而完成机构的空间解锁功能。本发明能够解锁迅速，可以满足同步性的要求，且体积小、重量轻。
文档编号B64G1/64GK1827475SQ20061001162
公开日2006年9月6日 申请日期2006年4月10日 优先权日2006年4月10日
发明者闫晓军, 张可 申请人:北京航空航天大学