一种温度触发型形状记忆合金快速作动装置及其控制方法

1.本发明涉及形状记忆合金快速作动装置的技术领域，尤其涉及一种温度触发型形状记忆合金快速作动装置及其控制方法。


背景技术：

2.随着结构与功能一体化材料在各行各业的广泛应用，非火工分离装置在连接与分离领域有逐渐替代火工解锁器的趋势，其具有体积小、重量轻、低冲击甚至无冲击等优点，能够适应小型卫星及运载火箭的应用需求。在众多非火工分离装置中，形状记忆合金由于具有优良的性能而得到广泛的重视，是各国航天机构非火工装置研究的重点，其中形状记忆合金快速作动及控制方法是航天器的连接与分离领域的重要研究内容。
3.在常用的形状记忆合金解锁装置中，通过电加热的方式进行加热解锁时间相对较长，并且出现形状记忆合金阻值越大，加热的电压和电流需求越大，时间越长的特点。同时，温度越低解锁时间越长。


技术实现要素：

4.针对上述产生的问题，本发明的目的在于提供一种温度触发型形状记忆合金快速作动装置及其控制方法。
5.为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
6.一种温度触发型形状记忆合金快速作动装置，其中，包括：切槽螺栓1、锁紧螺母2、被分离结构板3、主结构板4、sma管5、加热层6和绝热封装7，所述锁紧螺母2安装在切槽螺栓1的尾端，所述被分离结构板3、所述主结构板4和所述sma管5均套设在所述切槽螺栓1上，所述被分离结构板3、所述主结构板4和所述sma管5均设于切槽螺栓1的顶端和所述锁紧螺母2之间，sma管5的端部抵于所述锁紧螺母2，sma管5的外侧套设有所述加热层6，加热层6的外侧套设有所述绝热封装7，所述切槽螺栓1上设有切槽结构，所述切槽结构设于所述被分离结构板3和所述主结构板4之间。
7.上述的温度触发型形状记忆合金快速作动装置，其中，还包括：rtd8和线缆9，所述加热层6上连接有所述rtd8，所述加热层6通过所述rtd8和所述线缆9连接。
8.上述的温度触发型形状记忆合金快速作动装置，其中，还包括：安装垫片10，所述安装垫片10套设在所述切槽螺栓1上，所述安装垫片10靠近所述切槽螺栓1的顶端设置，所述被分离结构板3靠近所述安装垫片10设置，所述主结构板4靠近所述sma管5设置。
9.上述的温度触发型形状记忆合金快速作动装置，其中，还包括：保温层11，所述加热层6和所述绝热封装7之间设有所述保温层11。
10.上述的温度触发型形状记忆合金快速作动装置，其中，所述绝热封装7上开设有多个排气孔12，所述加热层6为火工燃料，所述绝热封装7上安装有与所述火工燃料相接触的至少一个起爆器13，多个所述起爆器13均与供电线14连接，通过多个所述起爆器13起爆所述火工燃料，通过火工燃料的燃烧给所述sma管5加热。
11.上述的温度触发型形状记忆合金快速作动装置，其中，所述加热层6为铝粉混合物料，所述绝热封装7上安装有与所述铝粉混合物料相接触的至少一个引燃装置15，多个所述引燃装置15均与供电线14连接，通过多个所述引燃装置15引燃所述铝粉混合物料，通过铝热反应给所述sma管5加热。
12.上述的温度触发型形状记忆合金快速作动装置，其中，所述绝热封装7的外侧设有磁控装置16，所述磁控装置16和供电线14连接，通过所述磁控装置16对所述sma管5进行电磁微波加热。
13.一种温度触发型形状记忆合金快速作动装置的控制方法，适用于上述的温度触发型形状记忆合金快速作动装置，其中，所述控制方法为：
14.s1：对所述加热层6通电，所述加热层6将电能转化成热能，所述sma管5吸收所述加热层6产生的热量，当所述sma管5达到一定温度以后，所述sma管5沿其轴向伸长，产生对切槽螺栓1的两个端部的轴向推力；
15.s2：所述切槽螺栓1位于所述sma管5内，所述切槽螺栓1的尾端被所述锁紧螺母2拧紧，所述锁紧螺母2不能够产生位移，sma管5伸长的推力将所述切槽螺栓1拉长；
16.s3：当所述切槽螺栓1被拉到一定长度后，所述切槽螺栓1从所述切槽结构处断开；
17.s4：所述被分离结构板3、所述主结构板4通过所述切槽螺栓1锁紧，所述切槽螺栓1断开后，所述被分离结构板3和所述主结构板4之间的约束消失，所述被分离结构板3和所述主结构板4分离。
18.本发明由于采用了上述技术，使之与现有技术相比具有的积极效果是：
19.(1)本发明针对形状记忆合金解锁装置解锁时间较长等不利情况，提出保温法、火工法、铝热法和微波加热法四种加热方法解决形状记忆合金解锁装置的解锁时间较长等问题，利用保温法的预热功能，火工法和铝热法快速升温的特点和微波加热法的均匀受热等特点，弥补传统电加热法的缺点，加快解锁速度，减小解锁时间上的误差；
20.(2)本发明中，增加保温层进行预热处理，能够减少解锁所用的时间，同时能够提高记忆金属解锁时的稳定性；
21.(3)本发明中，火工燃料燃烧过程当中释放的热量最大，可以最大限度的降低解锁时间；
22.(4)本发明中，铝热法在保证解锁时间最短的同时，保证了解锁过程的稳定性；
23.(5)本发明中，微波加热法可以直接从sma管内部加热，受热均匀，解锁过程快且稳定。
附图说明
24.图1是本发明的一种温度触发型形状记忆合金快速作动装置的结构示意图。
25.图2是本发明的一种温度触发型形状记忆合金快速作动装置的剖面示意图。
26.图3是本发明的一种温度触发型形状记忆合金快速作动装置的胀断解锁示意图。
27.图4是本发明的一种温度触发型形状记忆合金快速作动装置的安装保温层的结构示意图。
28.图5是本发明的一种温度触发型形状记忆合金快速作动装置的填充火工燃料的结构示意图。
29.图6是本发明的一种温度触发型形状记忆合金快速作动装置的填充铝粉混合物料的结构示意图。
30.图7是本发明的一种温度触发型形状记忆合金快速作动装置的安装磁控装置的结构示意图。
31.图8是不同阻值的形状记忆合金解锁时间曲线。
32.附图中：1、切槽螺栓；2、锁紧螺母；3、被分离结构板；4、主结构板；5、sma管；6、加热层；7、绝热封装；8、rtd；9、线缆；10、安装垫片；11、保温层；12、排气孔；13、起爆器；14、供电线；15、引燃装置；16、磁控装置。
具体实施方式
33.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
34.请参照图1至图8所示，示出了一种温度触发型形状记忆合金快速作动装置，其中，包括：切槽螺栓1、锁紧螺母2、被分离结构板3、主结构板4、sma管5、加热层6和绝热封装7，锁紧螺母2安装在切槽螺栓1的尾端，被分离结构板3、主结构板4和sma管5均套设在切槽螺栓1上，被分离结构板3、主结构板4和sma管5均设于切槽螺栓1的顶端和锁紧螺母2之间，sma管5的端部抵于锁紧螺母2，sma管5的外侧套设有加热层6，加热层6的外侧套设有绝热封装7，切槽螺栓1上设有切槽结构，切槽结构设于被分离结构板3和主结构板4之间。
35.进一步，在一种较佳实施例中，还包括：rtd8和线缆9，加热层6上连接有rtd8，加热层6通过rtd8和线缆9连接。
36.进一步，在一种较佳实施例中，还包括：安装垫片10，安装垫片10套设在切槽螺栓1上，安装垫片10靠近切槽螺栓1的顶端设置，被分离结构板3靠近安装垫片10设置，主结构板4靠近sma管5设置。
37.进一步，在一种较佳实施例中，还包括：保温层11，加热层6和绝热封装7之间设有保温层11。
38.进一步，在一种较佳实施例中，绝热封装7上开设有多个排气孔12，加热层6为火工燃料，绝热封装7上安装有与火工燃料相接触的至少一个起爆器13，多个起爆器13均与供电线14连接，通过多个起爆器13起爆火工燃料，通过火工燃料的燃烧给sma管5加热。
39.进一步，在一种较佳实施例中，加热层6为铝粉混合物料，绝热封装7上安装有与铝粉混合物料相接触的至少一个引燃装置15，多个引燃装置15均与供电线14连接，通过多个引燃装置15引燃铝粉混合物料，通过铝热反应给sma管5加热。
40.进一步，在一种较佳实施例中，绝热封装7的外侧设有磁控装置16，磁控装置16和供电线14连接，通过磁控装置16对sma管5进行电磁微波加热。
41.一种温度触发型形状记忆合金快速作动装置的控制方法，适用于上述的温度触发型形状记忆合金快速作动装置，其中，控制方法为：
42.s1：对加热层6通电，加热层6将电能转化成热能，sma管5吸收加热层6产生的热量，当sma管5达到一定温度以后，sma管5沿其轴向伸长，产生对切槽螺栓1的两个端部的轴向推力；
43.s2：切槽螺栓1位于sma管5内，切槽螺栓1的尾端被锁紧螺母2拧紧，锁紧螺母2不能够产生位移，sma管5伸长的推力将切槽螺栓1拉长；
63.本发明的进一步实施例中，在铝热反应过程当中，不产生任何气体，所以不需要预留排气孔12；
64.本发明的进一步实施例中，内部的形状记忆金属吸收大量的热能以后，形状记忆合金轴向伸长，拉断切槽螺栓1或其他连接装置，完成解锁工作。
65.本发明的进一步实施例中，方案四：如图7所示，在形状记忆合金两侧安装有磁控装置16，通过磁控装置16产生电子流振荡，在形状记忆合金当中能量转换成热量，使形状记忆合金内部均匀受热；
66.本发明的进一步实施例中，形状记忆金属受热以后，产生轴向生产，将切槽螺栓1拉断，完成解锁工作。
67.本发明的进一步实施例中，发明效果：本发明的有益效果如下：
68.本发明的进一步实施例中，增加保温层11进行预热处理，能够减少解锁所用的时间，同时能够提高记忆金属解锁时的稳定性。
69.本发明的进一步实施例中，火工燃料燃烧过程当中释放的热量最大，可以最大限度的降低解锁时间；
70.本发明的进一步实施例中，铝热法在保证解锁时间最短的同时，保证了解锁过程的稳定性；
71.本发明的进一步实施例中，微波加热法可以直接从sma管5内部加热，受热均匀，解锁过程快且稳定。
72.本发明的进一步实施例中，连接方式：
73.本发明的进一步实施例中，方案一：保温法形状记忆合金解锁装置连接方式，产品内部是由形状记忆合金材料加工成的合金管，在加热后可以产生轴向延伸，并且能够产生巨大的推力；
74.本发明的进一步实施例中，在合金管外侧安装有加热层6，负责形状记忆合金解锁时的加热工作；
75.本发明的进一步实施例中，加热层6外侧为保温层11，能够进行保温和预热工作；
76.本发明的进一步实施例中，最外层为绝热封装7，可以保护内部装置不受到破坏，同时减小了内部热量向外扩散，影响到其他设备的使用。
77.本发明的进一步实施例中，方案二：火工法形状记忆合金解锁装置连接方式，产品内部是由形状记忆合金材料加工成的合金管，在加热后可以产生轴向延伸，并且能够产生巨大的推力；
78.本发明的进一步实施例中，紧贴形状记忆合金的加热材料为火工燃料，通过火工燃料的燃烧来完成合金管的伸长工作；
79.本发明的进一步实施例中，在形状记忆合金解锁装置的底部安装有起爆器13和供电线14，进行火工燃料的引燃工作；
80.本发明的进一步实施例中，最外层的绝热封装7上设置有多个排气孔12，可以将火工燃料燃烧产生的气体有效排出。
81.本发明的进一步实施例中，方案三：铝热法形状记忆合金解锁装置连接方式，产品内部是由形状记忆合金材料加工成的合金管，在加热后可以产生轴向延伸，并且能够产生巨大的推力；
82.本发明的进一步实施例中，在紧贴形状记忆合金的容腔内放置已经配重量比例调整好的铝热反应混合物料；
83.本发明的进一步实施例中，铝热反应条件需要采用特殊的引燃方式，所以在形状记忆合金解锁装置的底部安装有引燃装置15和供电线14，用于铝热反应的引燃工作；
84.本发明的进一步实施例中，由于铝热反应没有气体产生，在最外侧的绝热封装7上不需要设置排气孔12。
85.本发明的进一步实施例中，方案四：微波法形状记忆合金解锁装置连接方式，产品内部是由形状记忆合金材料加工成的合金管，在加热后可以产生轴向延伸，并且能够产生巨大的推力；
86.本发明的进一步实施例中，微波法解锁装置在形状记忆合金从内部开始生热，所以外侧直接安装绝热封装7；
87.本发明的进一步实施例中，在最外侧安装磁控装置16，产生的电子流能够转化成热量，对形状记忆金属进行加热。
88.本发明的进一步实施例中，主要特点：
89.本发明的进一步实施例中，显著降低了分离释放时的冲击，改善了卫星等航天器的冲击环境；
90.本发明的进一步实施例中，去掉了火工品起爆器13的防电磁干扰、静电等措施，减轻了点火系统的负担；
91.本发明的进一步实施例中，不存在火药燃烧或爆炸时产生的有害气体或碎片，不污染周围的环境；
92.本发明的进一步实施例中，可以多次使用，便于进行试验验证，易于保证释放装置的可靠性；
93.本发明的进一步实施例中，采用形状记忆合金，单位质量的元件能输出更大的作动力；
94.本发明的进一步实施例中，实现了连接分离装置的微小化和轻质化，降低了航天器的发射成本。
95.本发明的进一步实施例中，微小型低冲击分离装置采用集成化、轻量化、小型化设计，具有性价比高、功耗低、应用范围广、分离释放冲击力小的特点，能充分满足微小型卫星对于能替代传统火工品的新型低冲击连接分离装置的需求。该分离装置主要由记忆合金管、绝热封装7模块、切槽钛杆、钛合金螺帽、加热片、导电线缆9等组成。
96.本发明的进一步实施例中，性能指标：承载能力：5kg以下载荷的单点连接与分离；分离冲击力：≤0.2n
·
s；启动电压：12v；启动电流：1a；产品可靠度：≥0.999；分离时间：≤30s。
97.本发明的进一步实施例中，装置重量包括钛杆、螺帽、保护套≤30g，仅包含记忆合金管、绝热封装7模块≤9g。
98.本发明的进一步实施例中，装置工作温度：-50℃～60℃。
99.本发明的进一步实施例中，装置功耗：≤9w。
100.本发明的进一步实施例中，装置寿命：地面存储≥2年；空间存储≥3个月。
101.本发明的进一步实施例中，胀断器用于连接与分离机构中预紧杆的胀断，从而实
现机构解锁的功能。胀断器产品由形状记忆合金管(sma)、绝缘层、加热片及供电导线组成。
102.本发明的进一步实施例中，胀断器解锁原理，当给加热片供电使sma达到相变温度后，胀断器膨胀产生轴向力和形变位移将预紧杆的切槽部位断裂，完成解锁功能。
103.本发明的进一步实施例中，胀断器安装流程分为机械、电气及复装三部分。
104.本发明的进一步实施例中，机械：预紧杆穿串—螺帽旋入—安装抗扭工装—加预紧扭矩—涂防松胶。
105.本发明的进一步实施例中，电气：连接供电线14线缆9—上电加热—胀断后断电。
106.本发明的进一步实施例中，复装：拆除解锁器—解锁器复位—更换预紧杆。
107.本发明的进一步实施例中，胀断器可反复多次使用，为了地面测试和准备安装，可通过复位工装复位。复位工装由液压泵、液压缸、压力表和机架等部分组成，设计用来产生压缩胀断器所需的力和行程。
108.本发明的进一步实施例中，复位胀断器三个步骤：安装在夹具中的位置；往复压动液压泵手柄直到压力表示数达到30mpa～34mpa；通过泄压螺钉释放压力并移除胀断器。
109.本发明的进一步实施例中，产品维护和贮存：a.保持胀断器表面清洁，拿放时需戴橡胶手套，避免手上汗液对胀断器表面的腐蚀；b.轻拿轻放避免胀断器受到剧烈撞击；c.装配时避免碎屑掉入胀断器轴系中；d.产品应放置在温度为15℃～25℃之间、湿度为小于50％的环境下；e.产品应远离火源，不宜接触有腐蚀液体和气体的环境；f.产品应水平摆放，不宜放在高处，避免掉落损坏。
110.本发明的进一步实施例中，包装箱运输要求：包装箱与运输工具的连接应牢固可靠；避免重物挤压或跌落，导致线缆9和绝缘层损坏。
111.本发明的进一步实施例中，注意事项：飞行产品复位次数不得大于5次；胀断器胀断预紧杆后应在2s内切断电源。
112.以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。