航天非火工压紧释放装置研究综述_吴军.pdf

第 卷第期 年月航天器工程 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 ）摘要压紧释放装置是航天器机构系统中的核心部件，决定了连接承载能力与分离冲击大小。针对航天器对于低冲击解锁分离装置的迫切要求，梳理了近期国内外记忆合金、热切割、石蜡致动和电磁致动类航天非火工压紧释放装置的相关研究进展，分别对其技术途径、作动机理、性能参数等进行介绍与评述。对国内外研究进行对比分析，总结了我国非火工压紧释放装置技术领域亟需突破的研究方向与关键技术，例如轻量化、低冲击、宽温度范围、高响应速度与高一致性、可重复、低成本。关键词航天非火工分离；压紧释放装置；低冲击中图分类号：文献标志码：（，）：（），：；收稿日期：；修回日期：作者简介：吴军，男，博士，副研究员，从事快响微小卫星技术研究工作。：。通讯作者：周国华，男，工程师，从事航天器结构与机构设计工作。：。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，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 多年的发展，当前应用十分广泛。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（）公司就为其展开过程提供了 个非火工压紧释放装置。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。国外研究现状记忆合金、热切割、石蜡致动和电磁致动类非火工压紧释放装置，其触发原理及优缺点如表所示，下文将进行分类列举。表压紧释放装置类型与特点汇总 类型触发原理优点缺点记忆合金通过记忆合金构件高低温状态下形状变化触发解锁承载能力强，可多次重复测试和使用工作温度范围窄，易出现应力松弛和蠕变问题热切割通过熔断金属丝或纤维材料的方式实现触发解锁结构简单，分离时间短，分离迅速不可重 复 使 用，存 在 线 重 叠、打 结 的风险石蜡致动利用石蜡从固态到液态的体积膨胀致动解锁输出力高，重复定位精度高，结构简单可靠响 应 慢，同 步 性 差，功 耗 高，工 作 温度高电磁致动通过电磁作动进行触发解锁体积小，输出力大，能在较恶劣的环境下使用磁场可能干扰精密仪器，需要考虑电磁屏蔽 记忆合金压紧释放装置形状记忆合金（）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 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。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、分离螺母种，特性对比如表所示。表形状记忆合金压紧释放装置种类特点对比 种类特点优点缺点飞轮螺母将载荷连接解锁时的弹性势能转化为飞轮的旋转动能承 载 能 力 极强，分离冲击小结构复杂，质量及外形尺寸大缺口螺栓通过胀断连接螺栓实现分离承 载 能 力 极强，结 构 简 单，可靠性高功耗大，不可重复使用，分离时间长，分离冲击大拔销器通过弹簧机构实现销缩回分离冲击小，可自动重置，可靠性高承载能力小，需要辅助机构配合分离螺母通过分瓣螺母等解锁结构进行螺栓分离接 口 通 用 性好，承 载 范 围大，承载能力强结构复杂，可靠性受限 飞轮螺母类美国内华达山脉（）公司研制了快速作用低冲击分离螺母（）系列压紧释放装置，该装置分离时间小于 ，承载能力达 ，外形如图所示。其组成如图所示，利用 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 外形 图 组成 航天器工程 卷 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 公司的 缺口螺栓压紧释放装置如图所示，通过 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 ，承载能力达 。其安装状态如图所示，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 装置原理 图 装置安装状态 法国 公司研究的 系列压紧释放装置也采用了与 装置相似的缺口螺栓原理，分离时间小于 ，承载能力为 。拔销器类美国 公司研究的系列化拔销器（）压紧释放装置，外形如图所示，分离时间小于 ，承载能力达 。其工作原理如图所示，通电加热穿过球锁的 线后，线收缩解锁球锁结构，通过内部驱动弹簧将输出销缩回。图 装置外形 图 装置工作原理 西班牙 公司研制了系列化 压紧释放装置，承载范围 ，拔销力 范 围 ，工 作 温 度 范 围 ，可重复使用。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 世纪末研究的低冲击螺母（）和两级螺母（）装置，以及韩国研究的韩国航空航天大学（）等装置，就是其中第期吴军 等：航天非火工压紧释放装置研究综述的典型代表。上述装置在完成原理验证后，后续研究及报道较少。法国 公司开发的新一代压紧释放装置（）适用于温度达 的环境。原理如图所示，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。如图所示，在图装置的基础上，为进一步降低冲击，该装置还可通过加热 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 ，释放时间为 ，质量少于 ，功耗少于，分离冲击小于 。西班牙的 公司研制了可重置非爆炸致动器（）系列化装置，外形如图 所示。工作温度为 ，分离时间小于 ，承载能力为 。其工作原理如图 所示，在释放时，元件拉动解锁环转动，使第级的钢球掉入解锁环的槽内，引发上面级的钢球联动，解除分离销的限位，完成释放动作。图装置原理 图缓慢释放原理 图 系列化装置外形 图 装置原理 航天器工程 卷 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。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，通常为瓣，通过缠绕线锁紧实现连接，线熔断后实现解锁。美国 公司研发的分离螺母型压紧释放装置，外形如图 所示，组成如图 所示，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。该装置被应用于成像仪和空间站任务上，装置分离时间小于 ，承载能力达 。图 分离螺母型装置外形 图 分离螺母型装置组成 采用分体阀芯类似原理的，还包括美国 公司的非爆炸执行器（）压紧释放装置、美国 公司的压紧释放装置，它们具有分离时间短、承载能力强的特点。另外，美国 公司研制的 系列压紧释放装置 与美国 公司研制的 系列压紧释放装置，也采用了类似分体阀芯技术。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（）热刀压紧释放装置，使用 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。空客防务宇航荷兰公司研制的 压紧释放装置外形如图 所示，原理如图 所示，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 ，可压紧释放多达层太阳翼。该装置已有 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。非爆炸性低冲击（）压紧释放装置由空客防务宇航荷兰公司研制，外形如图 所示。结构组成如图 所示，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 ，预紧力达 。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 装置外形 第期吴军 等：航天非火工压紧释放装置研究综述图 装置原理 图 装置外形 图 装置组成 石蜡致动压紧释放装置美国 公 司 研 制 的 高 输 出 石 蜡 致 动 器（）系列压紧释放装置外形如图 所示，其广泛应用于精密展开分离领域。装置组成如图 所示，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 ，锁销的行程可达 。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。图 装置外形 图 装置组成 电磁致动压紧释放装置法国 公司研制 的 非 爆 炸 开 口 螺母（）压紧释放装置外形如图 所示，其承载力达 ，质量为 。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 所示。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。法国 公司的 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，压缩弹簧驱动航天器工程 卷锁定销缩回实现解锁。图 装置外形 图 装置释放过程 国内研究现状 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、分离螺母类种记忆合金压紧释放装置。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 的大承载低冲击解锁机构研究。如图 所示，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 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：为被连接件；为下壳体；为上壳体；为二级摆臂；为触发转轴；为一级摆臂；为保持弹簧；为 丝；为螺母；为推力轴承；为被连接件；为分离弹簧；为螺杆；为导向座；为捕获帽。图 大承载低冲击解锁装置 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（）如图 所示，产品规格涵盖 ，承载能力 ，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 所示，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。第期吴军 等：航天非火工压紧释放装置研究综述图 记忆金属解锁管装置外形 图 记忆金属解锁管装置工作原理 拔销器类北京微分航宇科技研制的 系列记忆合金拔销器外形如图 所示，组成如图 所示。记忆合金触发后，弹簧驱动拔销收缩。该装置拔销力大于 ，动作时间小于 。图 拔销器外形 注：为销子；为外壳；为电连接器端盖；为螺钉；为拉盘；为弹簧；为弹簧套筒；为电路板；为绝缘端盖；为接插件针；为记忆合金丝；为螺钉。图 拔销器组成 北京灵翼航宇科技有限公司研制了类似系列拔销器（），主要由滑销、驱动弹簧、记忆金属驱动器组成。其 承 载 能 力 ，解 锁 时 间 约 。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 原理如图 所示，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