一种镍钛形状记忆合金航天器连接分离结构

本发明属于航天器连接分离，具体涉及一种镍钛形状记忆合金航天器连接分离结构。

背景技术：

1、连接分离机构是实现航天器本体和部件之间牢固连接，又能按规定要求在运行轨道上实现释放分离的机构，涉及连接和分离的功能。其中有火工装置和非火工装置两种，火工装置依靠爆炸进行分离，冲击大，难以精确控制分离过程，不可重复使用。随着近些年来航天器在轨服务要求延长，又增加了可重复使用功能、对接功能等要求。采用镍钛形状记忆合金为主体的航天器连接分离结构可快速实现伸缩动作，可以重复使用而且行程小、能精准控制分离、冲击载荷小、安全性高。

2、镍钛形状记忆合金的特性是在低温下呈现马氏体组织，高温时呈现奥氏体组织。较为典型的是单程记忆效应，首先对合金在马氏体状态下进行加载产生变形，然后将合金加热至奥氏体转变完成温度af以上，合金通过相变由马氏体组织转变为奥氏体组织重新获得加载之前的形状。进一步的对合金进行热机械循环训练之后，还可以获得双程记忆的特性，在加热和冷却过程中都发生形变。本发明采用的就是双程记忆效应，加热时镍钛合金回缩，冷却时镍钛合金伸长，从而实现航天器的连接和分离。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种镍钛形状记忆合金航天器连接分离结构，主体结构为球体易于连接和对齐，采用镍钛形状记忆合金杆为连接杆，力学性能好，结构简单，零部件少。而且是非火工的分离结构，连接和分离时的冲击小。

2、本发明的一种镍钛形状记忆合金航天器连接分离结构，由顶盖a、非完整球型主体b、多级镍钛形状记忆合金伸缩杆组c1、单级镍钛形状记忆合金伸缩杆组c2和底盖d组成，航天器连接分离结构是关于其a-a中心横截面的上下对称结构，故以a-a中心横截面上半部为例，进行描述：所述的顶盖a上面设有沉孔组1的三个沉孔，且在中部圆周上均布，用来将螺钉头部嵌入其中，避免螺钉头的凸起，顶盖a下面中心设有凹坑2用于放置给电热丝组14供电的电源装置，电源装置和动作部件一体化，结构简化；非完整球型主体b的上半部近a-a中心横截面的同一水平面内，设有孔组ⅰ3的四个孔，且呈十字型排列；非完整球型主体b的上半部靠上的同一水平面内，设有孔组ⅱ4的四个孔，且呈十字型排列，十字型排列的连接更牢固，抵抗外部作用力的能力强；非完整球型主体b的中心设有孔5用来通过导线，非完整球型主体b的孔组ⅰ3的四个孔和孔组ⅱ4的四个孔内端均以小孔形式与孔5连通；非完整球型主体b的上面设有螺纹孔组6的三个螺纹孔，且与顶盖a中沉孔组1的三个沉孔位置对应，用于连接顶盖a和非完整球型主体b；多级镍钛形状记忆合金伸缩杆组c1中四套多级伸缩杆的套筒ⅱ11外圈分别与非完整球型主体b中孔组ⅰ3的四个孔过盈连接；单级镍钛形状记忆合金伸缩杆组c2由结构相同的四个单级镍钛形状记忆合金伸缩杆组成；

3、单级镍钛形状记忆合金伸缩杆组c2的四个单级镍钛形状记忆合金伸缩杆的垫片ⅲ18外圈分别与非完整球型主体b中孔组ⅱ4的四个孔过盈连接；顶盖a、非完整球型主体b和底盖d自上而下顺序排列，并经螺钉固接，形成完整的球型体易于航天器在太空中的再次连接。

4、所述的多级镍钛形状记忆合金伸缩杆组c1由四套多级伸缩杆组成，多级镍钛形状记忆合金伸缩杆组c1采用多级伸长和回缩的形式缩小了占用的空间，三级伸缩杆组叠加的总回缩量是同一空间尺寸下回缩量的约2.8倍。四套多级伸缩杆结构相同，均由圆柱杆ⅰ7、垫片ⅰ8、套筒ⅰ9、垫片ⅱ10和套筒ⅱ11组成，圆柱杆ⅰ7、垫片ⅰ8、套筒ⅰ9、垫片ⅱ10、套筒ⅱ11由内而外顺序排列，且圆柱杆ⅰ7与垫片ⅰ8接触的底面和垫片ⅰ8固接，套筒ⅰ9的顶部圆环面与垫片ⅰ8固接，套筒ⅰ9的外圈底面和垫片ⅱ10固接，套筒ⅱ11的顶部圆环面与垫片ⅱ10固接，因为要兼顾伸长和回缩的动作，所以套筒和垫片要紧固连接；垫片ⅰ8和垫片ⅱ10均为套筒式，垫片ⅰ8内圈轴向设有线槽组ⅰ12a的30至35个线槽，垫片ⅰ8外圈轴向设有线槽组ⅱ12b的30至35个线槽，且在垫片ⅰ8横截面的圆周上均布；垫片ⅱ10内圈轴向设有线槽组ⅲ12c的35至40个线槽，垫片ⅱ10外圈轴向设有线槽组ⅳ12d的35至40个线槽，且在垫片ⅱ10横截面的圆周上均布；线槽组ⅰ12a、线槽组ⅱ12b、线槽组ⅲ12c和线槽组ⅳ12d的线槽中均匹配电热丝组14的相应数量的电热丝；凹槽ⅰ15和凹槽ⅱ16位于垫片ⅰ8和垫片ⅱ10的底端用来通过电热丝形成通电回路；垫片ⅰ8、套筒ⅰ9、垫片ⅱ10、套筒ⅱ11的底端设有贯穿孔13用于通过导线连接电热丝。伸长状态为常态，此时圆柱杆ⅰ7、套筒ⅰ9、套筒ⅱ11的长度最长；回缩状态为动作状态，垫片ⅰ8上的电热丝通电升温从而加热了圆柱杆ⅰ7和套筒ⅰ9，套筒ⅰ9回缩拉动了垫片ⅰ8，垫片ⅰ8又拉动了圆柱杆ⅰ7，圆柱杆ⅰ7本身回缩；垫片ⅱ10上的电热丝通电升温从而加热了套筒ⅰ9和套筒ⅱ11，套筒ⅱ11回缩拉动了垫片ⅱ10，垫片ⅱ10拉动了套筒ⅰ9，套筒ⅰ9本身也回缩。总的来讲圆柱杆ⅰ7、套筒ⅰ9、套筒ⅱ11因被加热自身产生了回缩引起总体长度的减小。

5、所述的单级镍钛形状记忆合金伸缩杆组c2由四套单级镍钛形状记忆合金伸缩杆组成，四套单级镍钛形状记忆合金伸缩杆结构相同，均由圆柱杆ⅱ17、线槽组ⅴ12e和垫片ⅲ18组成，且圆柱杆ⅱ17外圈的底部和垫片ⅲ18固接，也是为了要兼顾伸长和回缩的动作，垫片ⅲ18内圈轴向设有线槽组ⅴ12e的25至30个线圈，且在垫片ⅲ18横截面的圆周上均布，垫片ⅲ18的外圈和非完整球型主体b中孔组ⅱ4的四个孔过盈连接。单级镍钛形状记忆合金伸缩杆组c2可以使连接更加可靠。同时航天器在太空中再次连接时，单级镍钛形状记忆合金伸缩杆组c2起到定位作用，单级镍钛形状记忆合金伸缩杆组c2作为定位杆使连接变得高效，可以快速定位好多级镍钛形状记忆合金伸缩杆组c1的连接位置。再次连接时单级镍钛形状记忆合金伸缩杆组c2的圆柱杆ⅱ17首先进入限位槽中，然后转动到末端此时多级镍钛形状记忆合金伸缩杆组c1将到达制定的连接位置。

6、所述的顶盖a、非完整球型主体b和底盖d的材料相同，均为航天用钛合金、镁合金、镍基高温合金和不锈钢中的任意一种；所述的圆柱杆ⅰ7、套筒ⅰ9、套筒ⅱ11和圆柱杆ⅱ17的材料均为镍钛形状记忆合金。镍钛合金可以重复回缩和伸长因此本发明可以在太空中实现航天器的多次连接和分离，做到重复使用，可以很好的满足目前的需求。

7、本发明的有益效果在于：

8、本发明属于非火工分离装置，连接分离装置体型小，重量轻，冲击小，动作简单。

9、本发明的主体为球体相对于其他连接结构，球体的外型更易于航天器连接时的配对，当球体接触到连接位置时，只用推力就可以很方便的使连接结构紧密结合。

10、本发明的单级镍钛形状记忆合金伸缩杆组c2为定位杆，可使连接变得高效，快速定位好多级镍钛形状记忆合金伸缩杆组c1的连接位置。

11、本发明的多级镍钛形状记忆合金伸缩杆组c1，使镍钛形状记忆合金杆在限订距离内可伸缩长度增大2.8倍。

技术特征：

1.一种镍钛形状记忆合金航天器连接分离结构，其特征在于由顶盖(a)、非完整球型主体(b)、多级镍钛形状记忆合金伸缩杆组(c1)、单级镍钛形状记忆合金伸缩杆组(c2)和底盖(d)组成，航天器连接分离结构是关于其a-a中心横截面的上下对称结构，故以a-a中心横截面上半部为例，进行描述：所述的顶盖(a)上面设有沉孔组(1)的三个沉孔，且在中部圆周上均布，顶盖(a)下面中心设有凹坑(2)；非完整球型主体(b)的上半部近a-a中心横截面的同一水平面内，设有孔组ⅰ(3)的四个孔，且呈十字型排列；非完整球型主体(b)的上半部靠上的同一水平面内，设有孔组ⅱ(4)的四个孔，且呈十字型排列；非完整球型主体(b)的中心设有孔(5)，非完整球型主体(b)的孔组ⅰ(3)的四个孔和孔组ⅱ(4)的四个孔内端均以小孔形式与孔(5)连通；非完整球型主体(b)的上面设有螺纹孔组(6)的三个螺纹孔，且与顶盖(a)中沉孔组(1)的三个沉孔位置对应；多级镍钛形状记忆合金伸缩杆组(c1)中四套多级伸缩杆的套筒ⅱ(11)外圈分别与非完整球型主体(b)中孔组ⅰ(3)的四个孔过盈连接；单级镍钛形状记忆合金伸缩杆组(c2)由结构相同的四个单级镍钛形状记忆合金伸缩杆组成；单级镍钛形状记忆合金伸缩杆组(c2)的四个单级镍钛形状记忆合金伸缩杆的垫片ⅲ(18)外圈分别与非完整球型主体(b)中孔组ⅱ(4)的四个孔过盈连接；顶盖(a)、非完整球型主体(b)和底盖(d)自上而下顺序排列，并经螺钉固接，形成完整的球型体。

2.根据权利要求1所述的镍钛形状记忆合金航天器连接分离结构，其特征在于，所述的多级镍钛形状记忆合金伸缩杆组(c1)由四套多级伸缩杆组成，四套多级伸缩杆结构相同，均由圆柱杆ⅰ(7)、垫片ⅰ(8)、套筒ⅰ(9)、垫片ⅱ(10)和套筒ⅱ(11)组成，圆柱杆ⅰ(7)、垫片ⅰ(8)、套筒ⅰ(9)、垫片ⅱ(10)、套筒ⅱ(11)由内而外顺序排列，且圆柱杆ⅰ(7)与垫片ⅰ(8)接触的底面和垫片ⅰ(8)固接，套筒ⅰ(9)的顶部圆环面与垫片ⅰ(8)固接，套筒ⅰ(9)的外圈底面和垫片ⅱ(10)固接，套筒ⅱ(11)的顶部圆环面与垫片ⅱ(10)固接；垫片ⅰ(8)和垫片ⅱ(10)均为套筒式，垫片ⅰ(8)内圈轴向设有线槽组ⅰ(12a)的30至35个线槽，垫片ⅰ(8)外圈轴向设有线槽组ⅱ(12b)的30至35个线槽，且在垫片ⅰ(8)横截面的圆周上均布；垫片ⅱ(10)内圈轴向设有线槽组ⅲ(12c)的35至40个线槽，垫片ⅱ(10)外圈轴向设有线槽组ⅳ(12d)的35至40个线槽，且在垫片ⅱ(10)横截面的圆周上均布；线槽组ⅰ(12a)、线槽组ⅱ(12b)、线槽组ⅲ(12c)和线槽组ⅳ(12d)的线槽中均匹配电热丝组(14)的相应数量的电热丝；凹槽ⅰ(15)和凹槽ⅱ(16)位于垫片ⅰ(8)和垫片ⅱ(10)的底端；垫片ⅰ(8)、套筒ⅰ(9)、垫片ⅱ(10)、套筒ⅱ(11)的底端设有贯穿孔(13)。

3.根据权利要求1所述的镍钛形状记忆合金航天器连接分离结构，其特征在于，所述的单级镍钛形状记忆合金伸缩杆组(c2)由四套单级镍钛形状记忆合金伸缩杆组成，四套单级镍钛形状记忆合金伸缩杆结构相同，均由圆柱杆ⅱ(17)、线槽组ⅴ(12e)和垫片ⅲ(18)组成，且圆柱杆ⅱ(17)外圈的底面和垫片ⅲ(18)固接，垫片ⅲ(18)内圈轴向设有线槽组ⅴ(12e)的25至30个线圈，且在垫片ⅲ(18)横截面的圆周上均布。

4.根据权利要求1所述的镍钛形状记忆合金航天器连接分离结构，其特征在于，所述的顶盖(a)、非完整球型主体(b)和底盖(d)的材料相同，均为航天用钛合金、镁合金、镍基高温合金和不锈钢中的任意一种；所述的圆柱杆ⅰ(7)、套筒ⅰ(9)、套筒ⅱ(11)和圆柱杆ⅱ(17)的材料均为镍钛形状记忆合金。

技术总结
一种镍钛形状记忆合金航天器连接分离结构属航天器连接分离技术领域，本发明由顶盖、非完整球型主体、多级镍钛形状记忆合金伸缩杆组、单级镍钛形状记忆合金伸缩杆组和底盖组成，且成上下对称结构，连接后外观呈球型体。多级伸缩杆组和单级镍钛形状记忆合金伸缩杆组通过导线连接的电热丝来改变温度，进一步触发镍钛形状记忆合金的伸缩，能实现多级伸缩杆组和单级镍钛形状记忆合金伸缩杆组的伸缩，从而完成航天器的连接和分离。本发明结构简单，空间尺寸小，球型体易于航天器之间的连接，可适应不同的航天器，实现模块化连接；多级镍钛形状记忆合金伸缩杆组的回缩量是同一空间尺寸下回缩量的2.8倍，能极大地扩展应用范围。

技术研发人员：高佳丽,王志强,董琴,郝云波,韦洪超,龚弦馨,赵凯
受保护的技术使用者：上海理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5