基于SMA驱动的分离装置研究概述

赵守强 刘凌 赵天翔 曹新玉

摘 要：文章是针对记忆合金在分离装置上的应用，对国内外领域现状进行介绍与分析。现有分离装置有：SMA分瓣螺母空间解锁机构、张开型自收拢记忆合金解锁器、旋转式SMA分离螺母空间压紧释放装置。此类装置多应用于航天领域，如星箭分离，帆板展开等。这些都需要分离机构来帮助它完成一些相应的重要工作，而基于记忆合金的分离装置对航天领域具有举足轻重的作用。

关键词：记忆合金；分离装置；SMA

中图分类号：V47 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）25-0087-02

Abstract： In this paper， the application of memory alloy in separation device is introduced and analyzed in the field of domestic and foreign. The existing separation devices include： space unlocking mechanism of SMA split valve nut， opening type self-closing memory alloy unlocking device， and rotating SMA separating nut space pressing releasing device. Most of these devices are used in the field of space， such as separation of star and arrow， deployment of canvas， and so on. All these require the separation mechanism to help it to complete some important work， and the separation device based on memory alloy plays an important role in the aerospace field.

Keywords： memory alloy； separating device； SMA

1 概述

记忆合金在某种激励下所产生的驱动力对分离装置运行具有重要作用，而分离装置在很多领域有着至关重要的作用，特别是在航天器上具有非常广泛的应用，例如天线、太阳帆板的展开和释放，火箭与星体的分离等。当前我国关于这方面的研究主要在火工领域，所制作的分离装置也以这类领域为主，例如爆炸螺栓，爆炸螺母等。但是火工爆炸方式有很多弊端与不足，爆炸所引发的振动，产生的灰尘都会对装置的稳定性产生影响，并且其不能重复利用。相较于火工爆炸式的分离装置，基于SMA驱动的分离装置原理简单，可以充分利用，振动小，更不会产生灰尘。所以此类装置得到航空机构的重视。

2 国内外研究进展

（1）国外研究现状。美国洛德马丁公司在1993年就开始了基于SMA分离装离装置的研发，研制了两种以SMA为驱动的分离螺母Low Force Nut 和 Two-Stage Nut，简称LFN和TSN。LFN的推动机构是SMA驱动器，通过加热SMA金属，产生形变，产生的应力是连接的螺栓断裂，所应用的螺栓进行刻痕处理，从而方便螺栓的失效從而实现连接件与被连接件的分离；TSN型分离装置，卸除螺栓上的预加载荷，再实现螺栓与螺母的分离。在1999年，这两类装置在Mightsat 星搭载的SMARD装置上进行实验，经过一系列数据分析和实验，最终成功实现装置的分离，实现了预期的效果。韩国航空大学在2010年Minsu Lee、WonjunTak和Byungkyu Kim三人研制了利用SMA弹簧的极限载荷和可控分离时间的装置，该装置有两个释放弹簧和一个驱动弹簧在加上变形模块、外壳、阻拦器。在30W输入功率下分离时间为55s，SMA丝为1.75mm，在150N的预加载荷下其最大冲击是11.09g，变形模块厚度1mm时极限载荷为1510N。2011年Min-hyoung Lee等人研制一种SMA分离装置，其由驱动模块、支撑模块、释放模块和外壳组成。驱动模块包括一个固定的记忆合金装置和一盒进行了冗余设计的记忆合金驱动器；支撑模块由钢球和中间锁定块组成；分离模块由螺旋弹簧，旋转零件和分离销组成。该装置在输入电流时为2A时，分离时间为1.5s；当电流增加3A时，分离时间为0.45s。该装置能稳定释放50kg的负载，并且在没有预加载的情况下，我们会发现，它的分离冲击会变为4g。在2013韩国科学技术高级研究院和韩国航空航天研究所以分离螺母和SMA丝为基础研制了一种具有分离时间短、结构简单、高预加载、低冲击的非火工品分离装置，该装置为圆柱形结构，其尺寸为Φ35×72mm，质量为0.275kg。其元件包括外壳、SMA丝、安全弹簧、触发块、套筒、锁定套筒、压缩弹簧、螺栓和分离螺母等，图1分别为其分离前后状态示意图。该装置在分离时，通过SMA丝收缩，带动触发块向上移动，解除对锁定套筒的轴向约束，锁定套筒在压缩弹簧的作用下，带动与其相连的滚轴轴向运动，进而解除对分瓣螺母的径向约束，在预紧力作用下，实现螺栓与分瓣螺母的分离。该分离装置作动简单、迅速，在电源功率为10.4W（2A，5.2V）分离时间为50ms，可承受的预加载荷为15kN，最大分离冲击为350g。（2）国内研究现。我国在2004年发射了试验二号卫星，在这次的试验中我国采用了记忆合金分离装置，首次在太阳能帆板解锁上实现了应用。鉴于记忆合金这种新型的材料应用，其控制性、稳定性和参数都存在或多或少的不足与不完善。所以这类解锁结构在我国航天上的应用并不广泛。具体的现有分离装置有：SMA分瓣螺母空间解锁机构、张开型自收拢记忆合金解锁器、旋转式SMA分离螺母空间压紧释放装置。2008年东方红卫星航天有限公司研制出这种张开型的自收拢记忆合金解锁器，它是一种低载荷空间解锁机构。对电阻丝通电加热后，记忆合金拉动解锁的组件，实现解锁。2010年北京航空航天大学的张小勇、闫晓军等人研制了SMA的分瓣螺母空间解锁机构。在6V直流电压下，加热SMA丝产生恢复应力，其应力大于复位弹簧的推力，箍筒下移，装置分离；SMA丝冷却，复位弹簧回复，箍筒上移，复位结合，完成连接。这个装置在解锁时间上会实现0.3秒内就可以解锁完毕，解锁的同步性也会小于0.04秒。2012年，哈尔滨工业大学的刘荣强研制了旋转式SMA分离螺母空间压紧释放装置。通电时SMA丝收缩拉动旋臂旋转，卡销失去约束，主驱动推动滚轮旋转，进而释放滚柱和分离螺母，最终实现释放。

3 SMA连接分离驱动原理

（1）形状记忆合金材料。记忆合金材料是早20实际60年代逐渐形成和发展的一种新型的具有功能性的材料，简称之为SMA。它的本质是在一定的温度下，会实现材料的相体从奥氏体到马氏体转变的合金，在初始状态的记忆合金马氏体能够塑性变形，提高温宿到某一平衡或者临界温度以上又可恢复成最开始的状态，我们称这种能够回复到初始状态的能力成为记忆效应，它形变量是一般弹性材料的20倍以上，最大回复应变为8%，回复应力为300～600MPa。SMA主要有钛镍基、铜基和铁基这三大，镍钛基是目前发现的形状记忆效应最好的一种，其抗拉强度大于1000MPa，延伸率也大于20%，回复应力会相应的变大，它的稳定性良好，具有循环性，抵抗腐蚀和摩擦的能力也非常优秀，是一种非常优秀的功能材料。（2）形状记忆合金性能和效应。形状记忆合金是具有回复能力的，这也是称之为记忆性的原因，其记忆性体现在恢复性，加热或者电流都将成为其产生记忆恢复性的重要激励，不同温度下记忆合金材料会产生相变，会在高温奥氏体和低温马氏体之间进行转换，不同的热力条件下，记忆合金材料因为相变，也就会有不同的性能。形状记忆合金分三种，分别分单程、双程、全程。单程的记忆效应是因为材料在低温下会变形，但是加热才会回复到以前的状态。双程的记忆合金效应指的是材料通过加热就会回复高温相的状态，然而，温度降低冷却就会回复到低温项状态。全程的记忆效应是指加热后会回复高温的相状态，温度降低冷却会变为状态相同而取向相反的低温相状态。对于形状记忆合金的记忆效应，归根结底是源自于马氏体相变，这是热弹性所致，马氏体的形成是记忆合金性能最主要的因素。马氏体会随着温度的下降而生长，温度上升就会产生相反的效应，最终直到消失。在这个变换中，就产生了驱动力。这个成为自由能，那么两个相等温度就是平和温度。那么，这个平衡温度就是马氏体生长与消失的分界线，温度低于这个分界线就会产生马氏体，温度高于这个分界线就会使马氏体消失。这也就是记忆合金性能的性能原理。当然，不仅仅温度可以引起记忆合金材料中马氏体的相变，应力也是引起记忆合金材料中马氏体相变的重要因素，相变的温度同应力呈线性关系。（3）形状记忆效应影响因素。根据实验数据与理论研究，记忆合金目前的主要材料有：Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、NiAl、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si，这些组成了记忆合金体系，不同的记忆合金材料自然在记忆合金的效应、性能等方面具有差异，这就形成了记忆合金效应的影响因素。除了材料，在形状、温度、应力等方面都影响着记忆合金的效应。不同形状的材料在热传导方面会存在延时性，导致受热不一定均匀，特别对于那些记忆合金筒，记忆合金管等大型元件；温度自然是影响记忆合金材料最大的因素，那么不同的材料的平衡温度和对温度的响应范围都有差异，对于这一点要通过不断的实验进行测量数据，从而选择适合某类装置的材料。由于应力也是引起记忆合金材料中马氏体相变的重要因素，所以需要考虑应力对记忆合金效应的影响，结合数据相变的温度同应力呈线性关系。

4 结束语

本文主要介绍了基于SMA的分离装置在国内外的研究现状，并从记忆合金的材料、性能、效应的等方面分析了连接分离驱动原理。SMA分离装置相较于传统爆炸分离，凭借其无污染、冲击小、可重复的优点，将会的到广泛应用。目前国内正在积极开展这方面的研究，类似SMA分瓣螺母空间解锁机构、张开型自收拢记忆合金解锁器、旋转式SMA分离螺母空间压紧释放装置等的装置，将会在航天领域发挥举足轻重的作用。

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