航天非火工压紧释放装置研究综述

吴军 周国华 刘望

(国防科技大学 空天科学学院，长沙 410073)

航天非火工压紧释放装置是指采用非火工分离技术实现航天器部件的连接与分离的单点设备，是空间连接分离装置中的核心部件[1]，主要应用于太阳翼、通信天线和仪器盖等部组件的展开分离。相对于传统火工品压紧释放装置，非火工压紧释放装置具备冲击小、简单可靠、可重复使用、成本低的特点，经过30多年的发展，当前应用十分广泛。2021年发射的詹姆斯-韦伯太空望远镜，由于口径尺寸大，包括主镜、遮阳板在内的多个部组件进行了多次在轨展开释放，仅英轩比克福德航空航天与国防(EBAD)公司就为其展开过程提供了178个非火工压紧释放装置[2]。

当前，非火工品压紧释放装置按释放触发原理可主要分为记忆合金、热切割、石蜡致动和电磁致动4类，其释放冲击均小于火工类装置，但各有利弊。其他类型压紧释放装置，如气动致动器、电动致动器等研究较少，无较新飞行应用，不是当前研究应用的重点。本文将围绕国内外应用较为成熟的非火工压紧释放装置开展叙述，并开展参数对比分析和研究展望，可为相关研究提供参考。

1 国外研究现状

记忆合金、热切割、石蜡致动和电磁致动4类非火工压紧释放装置，其触发原理及优缺点如表1所示，下文将进行分类列举。

表1 压紧释放装置类型与特点汇总Table 1 Summary of types and characteristics of HDRM

1.1 记忆合金压紧释放装置

形状记忆合金(SMA)材料已广泛应用在航天领域，成熟性及安全可靠性均得到了充分验证。记忆合金压紧释放装置利用SMA材料受热后恢复形状驱动触发机构，通过位移及驱动力放大结构实现大承载及大行程解锁。目前，常用的记忆合金驱动元件形式有杆、筒、弹簧和丝等，常用的解锁元件包括分瓣螺母与钢球等[3]。

记忆合金压紧释放装置按照使用方式与实现原理可大致分为飞轮螺母、缺口螺栓、拔销器、分离螺母4种，特性对比如表2所示。

表2 形状记忆合金压紧释放装置种类特点对比Table 2 Comparison of types and characteristics of SMA HDRM

1.1.1 飞轮螺母类

美国内华达山脉(SNC)公司研制了快速作用低冲击分离螺母(FASSN)系列压紧释放装置，该装置分离时间小于200 ms，承载能力达133 kN，外形如图1所示[4]。其组成如图2所示[5]，利用SMA元件触发实现锁定臂解锁，在预加载的弹力作用下促使飞轮螺母沿螺栓上的传动螺纹反向旋转，从而实现推动螺栓分离。将弹性势能转化为了飞轮的旋转动能，冲击小，结构紧凑，分离时间短。

图1 FASSN外形Fig.1 Appearance of FASSN

图2 FASSN组成Fig.2 Composition of FASSN

1.1.2 缺口螺栓类

缺口螺栓压紧释放装置在展开分离领域应用广泛。美国EBAD公司的Frangibolt缺口螺栓压紧释放装置如图3所示[6]，通过SMA受热伸长，驱动开槽螺栓在缺口处断开实现分离，分离时间小于80 s，承载能力达3.7～116.0 kN[7]。其安装状态如图4所示[7]，具有负载能力强、结构简单、质量小等特点，可靠性高，更换金属螺栓即可实现重置使用。缺点在于动作时间慢，功耗高，分离冲击大，不适用于同步释放和快速分离。

图3 Frangibolt装置原理Fig.3 Schematic of Frangibolt device

图4 Frangibolt装置安装状态Fig.4 Mounting status of Frangibolt device

法国Nimesis Technology公司研究的Triggy系列压紧释放装置也采用了与Frangibolt装置相似的缺口螺栓原理[8]，分离时间小于200 s，承载能力为1.3～57.0 kN。

1.1.3 拔销器类

美国EBAD公司研究的系列化拔销器(Pinpuller)压紧释放装置，外形如图5所示[9]，分离时间小于130 ms，承载能力达6.6 kN。其工作原理如图6所示[6]，通电加热穿过球锁的SMA线后，SMA线收缩解锁球锁结构，通过内部驱动弹簧将输出销缩回。

图5 Pinpuller装置外形Fig.5 Appearance of Pinpulle device

图6 Pinpuller装置工作原理Fig.6 Schematic of Pinpuller device

西班牙Arquimea Ingenieria公司研制了系列化Pinpuller压紧释放装置[10]，承载范围1.8～2.5 kN，拔销力范围100～500 N，工作温度范围-90～+70 ℃，可重复使用。

1.1.4 分离螺母类

分离螺母类压紧释放装置使用分瓣螺母或钢球结构实现连接与分离功能。分瓣螺母是将完整螺母分割成多瓣，受到约束时形成完整螺纹实现承载与连接，解除约束时，螺母分开实现分离。钢球作为分瓣螺母的径向约束与解锁元件，可减少摩擦并提升承载能力。

美国洛马公司于20世纪末研究的低冲击螺母(LFN)和两级螺母(TSN)装置，以及韩国研究的韩国航空航天大学-1(KAU-1)[11]等装置，就是其中的典型代表。上述装置在完成原理验证后，后续研究及报道较少。法国Nimesis Technology公司开发的新一代压紧释放装置(HRM-NG)适用于温度达200 ℃的环境。原理如图7所示[12]，当分离时螺母分开并释放横拉杆，横拉杆在弹簧作用下分离。如图8所示[12]，在图7装置的基础上，为进一步降低冲击，该装置还可通过加热SMA元件后引起的厚度变化先将横拉杆中的张力缓慢降至零，然后再分离横拉杆。应用于天线展开的横拉杆张力为6.4 kN，释放时间为15 min，质量少于100 g，功耗少于30 W，分离冲击小于150gn。

图7 HRM-NG装置原理Fig.7 Schematic of HRM-NG device

图8 HRM-NG缓慢释放原理Fig.8 Schematic of HRM-NG slow release

西班牙的Arquimea Ingenieria公司研制了可重置非爆炸致动器(REACT)系列化装置，外形如图9所示[13]。工作温度为-90～+120 ℃，分离时间小于10 s，承载能力为5～35 kN。其工作原理如图10所示[3]，在释放时，SMA元件拉动解锁环转动，使第3级的钢球掉入解锁环的槽内，引发上面2级的钢球联动，解除分离销的限位，完成释放动作。

图9 REACT系列化装置外形Fig.9 Appearance of REACT device

图10 REACT装置原理Fig.10 Schematic of REACT device

1.2 热切割压紧释放装置

热切割压紧释放装置指通过加热熔断已张紧的金属丝或纤维材料实现解锁触发，进而实现载荷释放的分离装置，按照工作原理可分为分体阀芯类和绳索切割类。

1.2.1 分体阀芯类

在分体阀芯类压紧释放装置中，分体阀芯起着类似分瓣螺母的作用，通常为2瓣，通过缠绕线锁紧实现连接，线熔断后实现解锁。

美国Eaton公司研发的分离螺母型压紧释放装置，外形如图11所示[14]，组成如图12所示[4]，其解锁核心部件为分体阀芯，连接状态时，分体阀芯通过限位线约束，承力螺栓通过分瓣螺母与上端分体阀芯连接进行承载；解锁时，加热熔断限位线，活塞杆脱离分体阀后推动触发杆解除对锁定筒的限位，锁定筒在弹簧的推动下解锁分瓣螺母，被分瓣螺母约束的承力螺栓实现分离[4]。该装置被应用于成像仪和空间站任务上[14]，装置分离时间小于25 ms，承载能力达42.2 kN[15]。

图12 Eaton分离螺母型装置组成Fig.12 Composition of Eaton separation nut device

采用分体阀芯类似原理的，还包括美国EBAD公司的非爆炸执行器(NEA)压紧释放装置[16]、美国Glenair公司的压紧释放装置[17]，它们具有分离时间短、承载能力强的特点。另外，美国Eaton公司研制的Pinpuller系列压紧释放装置[15]与美国Glenair公司研制的Pinpuller系列压紧释放装置[17]，也采用了类似分体阀芯技术。

1.2.2 绳索切割类

荷兰太空公司针对太阳翼展开而研制的多用途压紧和释放机构(MHRM)热刀压紧释放装置，使用Dyneema绳索作为核心材料，由卷筒、切割组件、下压支架组成，通过热刀熔断固定绳索实现分离[18]。

空客防务宇航荷兰公司研制的ARA Mk3压紧释放装置外形如图13所示[19]，原理如图14所示[20]，其采用热刀逐渐切割芳纶叠层绳索，两侧热刀可重复使用，分离冲击低，预紧力达7.4 kN，可压紧释放多达6层太阳翼[19]。该装置已有500多次成功在轨发射经验，成熟度极高，还可用于快门释放、天线展开等应用领域[20]。

图13 ARA Mk3装置外形Fig.13 Appearance of ARA Mk3 device

图14 ARA Mk3装置原理Fig.14 Schematic of ARA Mk3 device

非爆炸性低冲击(NELS)压紧释放装置由空客防务宇航荷兰公司研制，外形如图15所示[21]。结构组成如图16所示[21]，装置基于热刀切割高强度环形线缆束，对电磁干扰不敏感，实现了可靠、低振动的释放。其工作温度-80～+97 ℃，预紧力达15 kN。该装置热刀安装在支架内，提高了可靠性，缩小了整体包络尺寸，简化了热保护措施。

图15 NELS装置外形Fig.15 Appearance of NELS device

图16 NELS装置组成Fig.16 Composition of NELS device

1.3 石蜡致动压紧释放装置

美国SNC公司研制的高输出石蜡致动器(HOPA)系列压紧释放装置外形如图17所示[5]，其广泛应用于精密展开分离领域。装置组成如图18所示[4]，加热密封的石蜡从固态转变成液态后体积膨胀，从而挤压锁销，实现锁销驱动伸出。其输出力可达4 kN，锁销的行程可达10 cm。冷却后，石蜡缩回，锁销通过弹簧完成复位收缩。该装置的优点是输出力高，重复定位精度高，抗电磁干扰能力强，结构简单，可靠性高；缺点是运行时间长，同步性差，功耗高，工作温度过高。它还可应用于太空望远镜盖门应急开启系统的触发[22]。

图17 HOPA装置外形Fig.17 Appearance of HOPA device

图18 HOPA装置组成Fig.18 Composition of HOPA device

1.4 电磁致动压紧释放装置

法国SOTEREM公司研制的非爆炸开口螺母(NEONUT)压紧释放装置外形如图19所示[23]，其承载力达15 kN，质量为150 g。装置核心部分是缠绕着弹簧金属带的分瓣螺母，当金属带收紧时，分瓣螺母锁紧横拉杆，金属带松开时释放横拉杆。其释放过程如图20所示[23]。初始状态下，摇杆在端部磁铁作用下被吸附在下端电磁铁上。解锁时电磁铁加电后抵消磁场吸力，摇杆在弹簧作用下旋转并解锁释放飞轮螺母。飞轮螺母带动螺旋金属带展开，从而解锁分瓣螺母，并松开横拉杆，实现分离。

图19 NEONUT装置外形Fig.19 Appearance of NEONUT device

图20 NEONUT装置释放过程Fig.20 Release process of NEONUT device

法国Cedrat Technologies公司的BRUCE Pinpuller的磁致动压紧释放装置通过通电产生磁场，吸引触发器向下移动，驱动钢球滚动，压缩弹簧驱动锁定销缩回实现解锁[24]。

2 国内研究现状

2.1 记忆合金压紧释放装置

与国外研究范围类似，国内相关研究及产品也可根据致动原理分为飞轮螺母类、缺口螺栓类、拔销器类、分离螺母类4种记忆合金压紧释放装置。

2.1.1 飞轮螺母类

北京卫星制造厂与哈尔滨工业大学为北斗卫星系列开展了基于SMA的大承载低冲击解锁机构研究。如图21所示[25]，在初始状态下，装置摆臂通过传动螺纹的旋合将飞轮螺母锁紧，飞轮螺母与承力螺杆连接。解锁状态下，加热SMA丝带动摆臂旋转，解锁飞轮螺母。在弹簧与预加载作用下，飞轮螺母反向旋转，承力螺杆脱出实现分离。该装置承载性能好、解锁迅速且冲击较小。

注：1为被连接件1；2为下壳体；3为上壳体；4为二级摆臂；5为触发转轴；6为一级摆臂；7为保持弹簧；8为SMA丝；9为螺母；10为推力轴承；11为被连接件2；12为分离弹簧；13为螺杆；14为导向座；15为捕获帽。图21 SMA大承载低冲击解锁装置Fig.21 SMA large load and low shock release device

2.1.2 缺口螺栓类

北京灵翼航宇科技有限公司研制的记忆金属解锁管装置(SFR)如图22所示[26]，产品规格涵盖M3～M12，承载能力1.8～34.0 kN，主要由记忆金属驱动管、加热套、切槽螺栓、锁紧螺母组成。其工作原理如图23所示[26]，对记忆金属驱动管加热，驱动管受热伸长，将切槽螺栓胀断完成解锁。该装置可通过复位工装实现重复使用。

图22 记忆金属解锁管装置外形Fig.22 Appearance of SFR device

图23 记忆金属解锁管装置工作原理Fig.23 Schematic of SFR device

2.1.3 拔销器类

北京微分航宇科技研制的BXQ系列记忆合金拔销器外形如图24所示[27]，组成如图25所示[28]。记忆合金触发后，弹簧驱动拔销收缩。该装置拔销力大于200 N，动作时间小于50 ms。

注：1为销子；2为外壳；3为电连接器端盖；4为螺钉A；5为拉盘；6为弹簧；7为弹簧套筒；8为电路板；9为绝缘端盖；10为接插件针；11为记忆合金丝；12为螺钉B。图25 BXQ拔销器组成Fig.25 Composition of BXQ pinpuller

图24 BXQ拔销器外形Fig.24 Appearance of BXQ pinpuller

北京灵翼航宇科技有限公司研制了类似系列拔销器(SPPL)，主要由滑销、驱动弹簧、记忆金属驱动器组成。其承载能力180～700 N，解锁时间约70 ms[26]。

2.1.4 分离螺母类

北京航空航天大学研制的分离螺母类压紧释放装置SMA-10000原理如图26所示[29]，SMA丝受热后收缩，拉动触发块向上移，下钢球则掉入凹槽内，解除限位套轴向约束，限位套被驱动弹簧推动下移，从而使上钢球掉入凹槽，释放分离销。该装置承载能力1～10 kN，已通过了多次在轨飞行验证。

图26 SMA-10000压紧释放装置原理Fig.26 Schematic of SMA-10000 HDRM

上海卫星工程研究所提出了一种用SMA弹簧驱动的分离螺母装置，外形如图27所示[30]，该装置解锁冲击不大于300gn。其组成如图28所示[30]。锁紧状态下，副活塞顶住销球，主活塞被限位，分瓣螺母被箍紧，连接螺栓。解锁时，SMA弹簧触发后推动副活塞向上，销球进入销槽，主活塞解除约束并上移，从而解锁分瓣螺母，最终释放螺栓。

注：1为分瓣螺母；2为主活塞弹簧；3为螺母分离活塞；4为分离顶推弹簧；5为主活塞；6为副活塞弹簧；7为副活塞；8为销球；9为SMA弹簧；10为外壳；11为加热元件。图28 SMA驱动分离螺母装置组成Fig.28 Composition of SMA driven separation nut device

图27 SMA驱动分离螺母装置外形Fig.27 Appearance of SMA driven separation nut device

北京微分航宇研制了FLLM分离螺母装置，适用于太阳翼、天线及星上其他活动部件的压紧释放，具有低冲击、无污染解锁和可重复使用的特点，锁紧力范围2～10 kN[27]。北京灵翼航宇科技有限公司研制的记忆金属分离螺母(SBN)主要由分瓣螺母、预压缩弹簧、记忆金属驱动器组成，载荷能力1～20 kN，解锁时间约50 ms，可靠性高[26]。哈尔滨工业大学[31]、北京控制工程研究所[32]、四川航天川南火工技术有限公司[33]、天津爱思达航天科技有限公司[34]、航天东方红卫星有限公司[35]等多家单位均进行了相关研究，提出了与上文中类似的记忆合金压紧释放装置方案，但未能找到相关验证飞行记录或实物产品，故未详细说明。

2.2 热切割压紧释放装置

长光卫星技术有限公司研制了一种应用于微纳卫星的热刀结构(如图29所示[36])，主要用于太阳翼展开。通过预紧弹簧使排线板内的熔断部保持与锁紧线接触，当加热熔断部时，锁紧线被熔断进而实现解锁。

深圳航天东方红卫星公司研究了一种航天用微小型熔线切割器，它采用热切割原理设计，结构简单、可靠性高，已在多颗卫星上成功应用。其通过热刀加热切割高强度纤维，可用于太阳翼和小型天线的压紧释放[37]。

北京无线电测量研究所采用类似分体阀芯原理研究了一种分瓣解锁机构(如图30所示[38])，并进行了应力仿真分析与静力解锁试验，测试中最大承载能力可达110 kN，解锁冲击280gn。

注：1为封装壳体；2为排线板；3为安装座；4为限位螺母；5为电阻丝；6为绝缘压板；7为螺钉；8为预紧弹簧；9为熔断部；10为凸棱；11为滑动通道。图29 应用于微纳卫星的热刀结构Fig.29 Structure of thermal knife applied to micro/nano satellites

图30 分瓣解锁机构装置Fig.30 Release device using split spool

2.3 石蜡致动压紧释放装置

北京航空航天大学研究了一种活塞式空间大载荷石蜡驱动器，工作原理如图31所示[39]，通过石蜡受热后的体积变化产生驱动力(超过300 N)，响应时间20 min，输出位移6.9 mm，装置密封性能优秀，具有自动复位功能。

图31 大载荷石蜡驱动器工作原理Fig.31 Schematic of large load paraffin actuator

2.4 电磁致动压紧释放装置

清华大学开发的应用于重力与大气科学卫星(Q-SAT)的新型电磁致动压紧释放装置如图32所示[40]，该装置采用电磁铁驱动锁定释放装置。解锁触发时，电磁铁后移并释放锁紧滑块，带动球形销脱离，从而解除对凸台的限位，最终在弹射弹簧的推动下实现分离。

注：1为机架；2为保持器；3为解锁弹簧；4为电磁铁动芯；5为电磁铁；6为限位支架；7为锁块；8为锁定销；9为卫星凸台；10为弹射顶杆；11为弹射弹簧。图32 Q-SAT电磁分离系统装置Fig.32 Electromagnetic separation system of Q-SAT

3 对比分析与建议

上述压紧释放装置在承载能力、分离时间、冲击等关键性能对比，如表3所示。对比分析后可知，国外非火工压紧释放装置已开发出多类型、系列化现货产品，验证充分，技术成熟。国内相关领域起步晚，发展迅速，但当前国产系列压紧释放现货产品存在产品类型少、载荷能力小、适应范围窄的问题，难以满足大规模工程化使用需求。①记忆合金中外研究范围相似，但外方研制的相关装置承载能力更强。②热切割压紧释放装置国外研究范围更广，种类型号丰富，承载能力较强。国内在相关领域研究内容较少，尚待加强拓展研究。③石蜡压紧释放装置国内处在样机研制阶段，缺应用验证。④电磁致动压紧释放装置国内在该领域研究停留在样机阶段，缺少应用验证。

表3 压紧释放装置国内外研究情况对比Table 3 Comparison of research status of HDRM in China and abroad

随着未来航天任务复杂程度的增加，非火工压紧释放装置势必扮演更重要的角色，建议我国在非火工压紧释放装置研究方面开展后续研究。

(1)轻量化设计。缩小装置的尺寸，减小装置质量，便于在微小卫星上部署，为载荷布局提供更多空间与质量裕度。

(2)低冲击设计。在保证大承载能力的前提下，降低分离时的瞬间冲击，减小分离后弹出速度，以适应精密复杂的任务要求(如行星登陆分离、超精密仪器展开等)。

(3)宽温度适应性设计。扩大压紧释放装置的工作温度范围，以适应更严苛的工作环境，通过开发性能更优更可靠的触发材料(如形状记忆复合材料)，保证解锁性能可靠性，延长使用寿命。

(4)高响应速度与高一致性设计。缩短单个装置分离时间，火工装置的分离时间一般为0.5～1.0 ms[41]，而非火工装置分离时间较长。如何在平衡电流功耗的同时缩短分离时间，提高多点分离同步性与一致性，也应是研究的重点问题。

(5)可重复低成本设计。随着空间站技术及深空探测技术的进一步发展，舱段级及航天器间的重复锁紧分离需求不断增加，有待研究出便于操作、可重复使用的锁紧分离装置。

4 结束语

本文围绕空间领域中应用的非火工压紧释放装置展开调研，重点介绍了国内外具有代表性的系列化压紧释放装置，并对比分析了相关装置参数与特征。当前，我国在非火工压紧释放装置研究方面主要集中于记忆合金及热切割2种类型，亟待加强其他类型压紧释放装置的研究和研制，本文的分析结果与建议可为后续研究提供参考。