潛望式激光通信端機(jī)記憶合金驅(qū)動解鎖機(jī)構(gòu)

孟令臣， 孟立新， 張立中， 趙洪剛， 張軼群

(1.長春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心, 長春 130000;2.長春理工大學(xué) 空地激光通信技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室, 長春 130000; 3.長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130000)

在衛(wèi)星發(fā)射過程中，激光通信端機(jī)對振動、沖擊有較高要求，巨大的振動和沖擊載荷會對星載設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p壞，需要在衛(wèi)星發(fā)射過程中鎖緊相關(guān)組件，衛(wèi)星入軌后，將其進(jìn)行解鎖，使伺服系統(tǒng)組件能夠正常工作[1-5]。傳統(tǒng)的鎖緊方式為火工品驅(qū)動，但爆炸產(chǎn)生的高沖擊及污染物會對光學(xué)元件、電子設(shè)備造成損壞，且可靠性低。據(jù)NASA統(tǒng)計(jì)，1963年至1988年間600次發(fā)射任務(wù)，與火工品失效相關(guān)故障有84次，其中一半故障導(dǎo)致任務(wù)失敗[6-8]。

為解決激光通信端機(jī)伺服轉(zhuǎn)動系統(tǒng)鎖緊問題，歐空局(European Space Agency，ESA)在半導(dǎo)體激光星間鏈路實(shí)驗(yàn)(Semicondutor-laser Inter-satellite Link EXperim ent，SILEX)計(jì)劃中發(fā)射的ARTEMIS衛(wèi)星上搭載的激光通信伺服系統(tǒng)所采用的鎖緊機(jī)構(gòu)是利用電磁驅(qū)動的偏置彈簧鎖緊機(jī)構(gòu)。其原理是電磁線圈通電產(chǎn)生驅(qū)動力實(shí)現(xiàn)解鎖動作。但是其鎖緊機(jī)構(gòu)復(fù)雜，組件較多，占據(jù)空間較大，重量大，在小型衛(wèi)星上不適用[9]。

在星箭分離、整流罩分離以及大型太陽能帆板的展開等空間分離問題上所采用的分離解鎖機(jī)構(gòu)中存在使用電阻絲熔線機(jī)構(gòu)和記憶合金驅(qū)動分離解鎖機(jī)構(gòu)。電阻絲熔線機(jī)構(gòu)不可重復(fù)使用，且機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，輸出大鎖緊力不穩(wěn)定；記憶合金驅(qū)動分離機(jī)構(gòu)大多數(shù)是仿照爆炸螺栓的機(jī)理，采用分瓣螺母結(jié)構(gòu)，連接時(shí)保證完整螺栓連接，分離時(shí)，采用記憶合金驅(qū)動分瓣螺母破壞螺栓連接，實(shí)現(xiàn)分離。該結(jié)構(gòu)很難應(yīng)用于激光通信端機(jī)伺服轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的解鎖上。而且其結(jié)構(gòu)連接相對復(fù)雜，在關(guān)鍵部件的鎖定上穩(wěn)定性較差，重量體積相對較大，小衛(wèi)星上不適用。而目前針對小衛(wèi)星的鎖緊及解鎖機(jī)構(gòu)中，大部分是從體積重量的限制下手，達(dá)到了體積小，重量輕等要求，而其鎖緊力和穩(wěn)定性卻不能滿足激光通信端機(jī)的鎖緊需求[10-14]。

形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，SMA)是20世紀(jì)60年代發(fā)展成熟起來的一種新型功能材料，其特點(diǎn)是具有形狀記憶效應(yīng)[15-16]。SMA在馬氏體狀態(tài)下發(fā)生塑性變形，當(dāng)溫度達(dá)到SMA相變溫度時(shí)恢復(fù)其原始形態(tài)，這種可以記憶原始形態(tài)的特性稱為形狀記憶效應(yīng)。SMA在恢復(fù)過程中可以輸出一定回復(fù)應(yīng)力和回復(fù)應(yīng)變，通常回復(fù)應(yīng)力為350 MPa左右，回復(fù)應(yīng)變在5%左右。本文利用SMA的形狀記憶效應(yīng)，結(jié)合星載激光通信端機(jī)伺服轉(zhuǎn)動系統(tǒng)組件的鎖緊與解鎖需求，設(shè)計(jì)提出一種基于SMA驅(qū)動的解鎖機(jī)構(gòu)。

1 潛望式光端機(jī)鎖緊需求

潛望式激光通信端機(jī)伺服系統(tǒng)如圖1，該結(jié)構(gòu)正交布置兩套軸系，一套用于方位旋轉(zhuǎn)，一套用于俯仰旋轉(zhuǎn)。要求鎖緊與解鎖機(jī)構(gòu)能在發(fā)射過程中鎖定兩套軸系，提高發(fā)射剛度，同時(shí)入軌后能夠快速解鎖。鎖緊與解鎖機(jī)構(gòu)需要提供足夠大的預(yù)載荷，以保證在發(fā)射期間的沖擊、振動作用下轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)不會損壞，同時(shí)能夠在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)預(yù)載荷的釋放，并保證不會在分離接口處產(chǎn)生任何機(jī)械連接。

圖1 星載激光通信端機(jī)伺服轉(zhuǎn)動系統(tǒng)

2 SMA絲驅(qū)動解鎖結(jié)構(gòu)組成與原理

2.1 結(jié)構(gòu)組成分析

主要結(jié)構(gòu)如圖2所示，SMA絲驅(qū)動解鎖機(jī)構(gòu)固定在鎖緊盤上，與鎖緊擋環(huán)完全約束遮光罩。SMA絲驅(qū)動解鎖機(jī)構(gòu)包括預(yù)載荷鎖緊裝置和解鎖驅(qū)動執(zhí)行器。其中,預(yù)載荷鎖緊裝置在鎖緊機(jī)構(gòu)的上腔體中，主要由鎖緊鉤和偏置彈簧組成，用來給轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)施加預(yù)載荷以鎖定轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)；解鎖驅(qū)動執(zhí)行器在鎖緊機(jī)構(gòu)的下腔體中，主要由SMA絲、回轉(zhuǎn)銷軸和SMA絲夾持單元構(gòu)成，用來實(shí)現(xiàn)解鎖動作，提供解鎖驅(qū)動力。

圖2 解鎖機(jī)構(gòu)方案圖

為了實(shí)現(xiàn)解鎖機(jī)構(gòu)能夠在發(fā)射過程中穩(wěn)定鎖住旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如圖7所示鎖緊鉤的上表面設(shè)計(jì)成圓弧鉤以提高與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)側(cè)壁的接觸面積，提高鎖緊穩(wěn)定性。鎖緊鉤整體以旋轉(zhuǎn)銷軸為中心與鎖緊箱體鉸接，根據(jù)后續(xù)鎖緊力分析，通過調(diào)節(jié)鎖緊鉤回轉(zhuǎn)中心與接觸點(diǎn)連線和水平面的夾角α，可以達(dá)到鎖緊力的最優(yōu)化。

SMA絲加熱收縮的位移量與SMA絲長度成正比，此方案中采用銷軸加絕緣軸套進(jìn)行往復(fù)繞絲，減小了SMA絲所占用的空間，并且通過杠桿放大位移原理進(jìn)一步減短了SMA絲的總長度；為保證SMA絲在大拉力下不至于脫開或者滑動，采用回轉(zhuǎn)雙面夾持SMA絲方式，結(jié)構(gòu)如圖3所示，確保夾緊SMA絲不發(fā)生滑動，以保證鎖緊位置精確，同時(shí)在折彎處采用大圓角過度避免應(yīng)力集中；另外對SMA絲通過和連接的地方全部用聚酰亞胺材料做絕緣隔熱，即可采用直接給SMA絲通電的加熱方式，使其受熱均勻，加快溫度提升速度，提高解鎖驅(qū)動執(zhí)行器的反應(yīng)速度；為了提高解鎖驅(qū)動執(zhí)行器的可靠性，采用雙路獨(dú)立SMA絲同時(shí)進(jìn)行驅(qū)動，提供雙保險(xiǎn)，保證輸出驅(qū)動力遠(yuǎn)大于解鎖力。極大提高了鎖緊機(jī)構(gòu)的安全可靠性。

圖3 SMA絲固定方式

2.2 工作原理

SMA絲驅(qū)動的解鎖機(jī)構(gòu)的鎖緊原理是偏置彈簧頂住鎖緊鉤，偏置彈簧輸出的彈力提供鎖緊所需的預(yù)載荷，達(dá)到鎖緊目的；解鎖原理是當(dāng)控制器發(fā)送解鎖指令，SMA絲通電加熱，達(dá)到相變溫度后，SMA絲收縮輸出回復(fù)應(yīng)力，從而拉動鎖緊鉤克服偏置彈簧的彈力向下移動，達(dá)到解鎖位置時(shí)，鎖緊鉤觸發(fā)距離傳感器，發(fā)送解鎖完成信號至控制系統(tǒng)，設(shè)備進(jìn)行下一步工作。

圖4 工作原理簡化圖

工作原理簡化后如圖4所示，其關(guān)鍵在于SMA絲與偏置彈簧之間力的平衡關(guān)系。相變溫度以下狀態(tài)時(shí)，SMA絲被偏置彈簧拉長到力的平衡點(diǎn)，達(dá)到低溫力平衡狀態(tài)，相變溫度以上狀態(tài)時(shí)，SMA絲彈性模量增大，力平衡狀態(tài)被打破，SMA絲收縮偏置彈簧被壓縮到新的平衡點(diǎn)，達(dá)到高溫力平衡狀態(tài)。

另外的，該解鎖機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)多次使用，當(dāng)設(shè)備需要再次鎖緊固定時(shí)候，首先，給SMA絲通電，使鎖緊鉤處于解鎖位置，轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)回到預(yù)裝位置，此時(shí)，釋放鎖緊鉤，SMA絲溫度降低，鎖緊鉤再次鎖定轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)。

3 鎖緊力與解鎖力分析

鎖緊力與解鎖力分析關(guān)鍵在于SMA絲恢復(fù)力與偏置彈簧剛度的一個(gè)相互匹配關(guān)系。SMA絲的材料屬性決定它存在一個(gè)低溫屈服力和高溫恢復(fù)力。其應(yīng)力應(yīng)變曲線圖，如圖5所示。

從圖5中可以看出SMA絲的低溫屈服應(yīng)力在100 MPa左右，偏置彈簧的預(yù)載荷應(yīng)該大于該屈服應(yīng)力，才能夠在低溫時(shí)候拉長SMA絲；同時(shí)，SMA絲的高溫回復(fù)應(yīng)力達(dá)到了350 MPa以上，即偏置彈簧在高溫被SMA絲拉回到解鎖位置時(shí)輸出的載荷應(yīng)該小于該高溫屈服應(yīng)力。

圖5 SMA絲應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖

在以上原則和壓縮彈簧設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上，通過如圖6可以在限定的空間尺寸下設(shè)計(jì)出與SMA絲尺寸相匹配的壓縮彈簧。

圖6 設(shè)計(jì)流程圖

3.1 鎖緊力分析

在鎖緊旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的過程中，對鎖緊鉤與遮光罩接觸位置進(jìn)行應(yīng)力分析，如圖7所示，其提供鎖緊的力是偏置彈簧預(yù)載荷的水平分力，另外一個(gè)分力是沿著鎖緊鉤向外的力。鎖緊力設(shè)計(jì)要求800 N以上，由于驅(qū)動單元SMA絲回復(fù)應(yīng)力和偏置彈簧剛度的限制，需要從鎖緊鉤與遮光罩接觸位置的受力分析結(jié)果來優(yōu)化設(shè)計(jì)鎖緊鉤，確定角度α，滿足鎖緊力需求的同時(shí)降低彈簧剛度的需求。

圖7 鎖緊力學(xué)分析

根據(jù)圖7中的力學(xué)分析，F(xiàn)S為鎖緊力,FN為偏置彈簧輸出力，F(xiàn)G為沿鎖緊鉤方向的分力，那么根據(jù)力學(xué)關(guān)系，可以得到

(1)

在實(shí)際應(yīng)用的角度范圍中，F(xiàn)N與FS是近似垂直關(guān)系，即

FS=FN/tanα

(2)

由公式(2)得出角度α優(yōu)化公式，即：

tanα=FN/FS

(3)

星載激光通信端機(jī)在發(fā)射過程中，其所需的鎖緊力為800 N以上，才能保證伺服系統(tǒng)不會發(fā)生破壞。根據(jù)上述設(shè)計(jì)得到偏置彈簧FN輸出范圍為100 ～400 N,彈簧剛度系數(shù)k的范圍為15～25，預(yù)定鎖緊力FS=1 000 N,根據(jù)公式(3)得到角度α范圍為5.7°～21.8°。綜合偏置彈簧標(biāo)準(zhǔn)考慮，取角度α為10°確定鎖緊力FS=1 000 N, 偏置彈簧輸出力FN=176.3 N，剛度系數(shù)k取為20。從而保證鎖定旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，安全系數(shù)為1.25。

3.2 解鎖力分析

鎖緊鉤鎖緊端從鎖緊狀態(tài)到解鎖狀態(tài)需要至少4 mm的位移，考慮機(jī)械加工與安裝誤差應(yīng)用高斯方法將誤差合成到鎖緊端，其綜合誤差為0.05 mm。另外，解鎖完成信號觸發(fā)的接近傳感器其精度范圍是0.5 mm，所以鎖緊端位移總量要達(dá)到4.55 mm。

為適應(yīng)航天溫度環(huán)境要求，選擇相變溫度在90 ℃的SMA絲，通過拉伸試驗(yàn)測得其加熱可回復(fù)應(yīng)變εre=5%，取S為設(shè)計(jì)要求SMA絲的收縮量，那么，滿足要求的SMA絲的總長度為

(4)

在滿足位移要求前提下，為達(dá)到鎖緊機(jī)構(gòu)的微型化和輕量化，盡量減少SMA絲的長度以減少其安裝空間。在采用往復(fù)繞絲排布方式的同時(shí)，該裝置采用杠桿放大位移原理，減少SMA絲的收縮量，從而減短了SMA絲總長度。原理如圖8所示。

圖8 杠桿放大位移原理圖

動力臂與阻力臂長度比為

(5)

那么，鎖緊端滿足SS≥4.55 m時(shí)，SMA絲作用點(diǎn)位移需滿足

即

S≥2.73 mm

通過式(4)可以得到

L≥54.6 mm

根據(jù)實(shí)際空間安排，經(jīng)過反復(fù)繞絲，SMA絲的實(shí)際安裝長度為108.3 mm，遠(yuǎn)大于54.6 mm的設(shè)計(jì)要求，安全系數(shù)達(dá)到2.0。

所選SMA絲的回復(fù)應(yīng)力可達(dá)350 MPa，根據(jù)驅(qū)動單元設(shè)計(jì)中偏置彈簧與SMA絲輸出應(yīng)力的關(guān)系，同時(shí)滿足鎖緊力要求，需要2根1 mm直徑的SMA絲才能滿足解鎖力的條件。為提高解鎖力的安全系數(shù)，保證穩(wěn)定鎖緊的前提下，能夠安全解鎖，采用冗余設(shè)計(jì)，使用4根SMA絲。使解鎖驅(qū)動力可達(dá)1 100 N，安全系數(shù)達(dá)2.2。既可解鎖時(shí)輸出較大拉力，又可在低溫狀態(tài)實(shí)現(xiàn)鎖定。

4 地面試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 鎖緊裝置樣機(jī)及功能可靠性試驗(yàn)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)研制鎖緊樣機(jī)，樣機(jī)整體包絡(luò)尺寸為85×43×36 mm，質(zhì)量為218 g，實(shí)現(xiàn)了小型化、輕量化。如圖9所示，為驗(yàn)證鎖緊機(jī)構(gòu)能否完成設(shè)計(jì)功能并經(jīng)受住振動與高溫環(huán)境的考驗(yàn)，將其裝配到潛望式激光通信端機(jī)伺服系統(tǒng)整體上進(jìn)行各項(xiàng)測試實(shí)驗(yàn)。

圖9 鎖緊樣機(jī)裝配圖

通過壓力傳感器測量，樣機(jī)鎖緊階段，鎖緊鉤與遮光罩接觸面上鎖緊力可達(dá)到1 012 N，即能滿足鎖緊需求；通過改變通電電流測試解鎖時(shí)間，測試曲線如圖10所示，可見，在一定范圍內(nèi)，解鎖時(shí)間與通電電流近似成反比關(guān)系，通電電流越大解鎖時(shí)間越短。通電電流為2 A時(shí)， 解鎖時(shí)間為13 s，當(dāng)提高通電電流到3 A及以上時(shí)，解鎖時(shí)間穩(wěn)定到3 s以內(nèi)，這樣在衛(wèi)星電源供電情況下，解鎖時(shí)間能夠滿足工程要求。

將鎖緊樣機(jī)處于鎖緊狀態(tài)放入高低溫試驗(yàn)箱中，標(biāo)記鎖緊鉤位置，以觀察鎖緊鉤位置變化，并在SMA絲上設(shè)置精度為±0.5℃的溫度傳感器，傳感器可隨時(shí)監(jiān)控SMA絲的溫度。當(dāng)鎖緊鉤位置發(fā)生變化，即判定鎖緊失效。設(shè)置溫度從50℃開始，并依次在60℃、70℃、80℃、85℃、90℃、95℃、100℃各溫度點(diǎn)保溫30 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明樣機(jī)在低于90℃使不會發(fā)生解鎖，滿足航天發(fā)射環(huán)境要求。

圖10 電流與解鎖時(shí)間關(guān)系

4.2 振動沖擊試驗(yàn)

為驗(yàn)證SMA鎖緊裝置在運(yùn)輸和發(fā)射過程的振動條件下是否會發(fā)生鎖緊失效，同時(shí)獲得鎖緊機(jī)構(gòu)對整機(jī)模態(tài)影響，將鎖緊裝置安裝在伺服轉(zhuǎn)動系統(tǒng)上并通過工裝固定在振動沖擊臺上進(jìn)行振動沖擊環(huán)境試驗(yàn)，在振動臺和伺服轉(zhuǎn)動系統(tǒng)上設(shè)置加速度傳感器用于控制和測量。振動試驗(yàn)圖見圖11。

圖11 振動試驗(yàn)圖

隨機(jī)振動實(shí)驗(yàn)控制譜和沖擊響應(yīng)試驗(yàn)控制譜如圖12所示，經(jīng)過X向、Y向、Z向隨機(jī)振動與掃頻試驗(yàn)后，鎖緊與解鎖裝置沒有發(fā)生意外解鎖現(xiàn)象。X,Y,Z三個(gè)方向的振動實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，試驗(yàn)證明，伺服回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3個(gè)方向的均方根加速度放大倍率都很小，說明在鎖緊狀態(tài)下鎖緊力對于整機(jī)的剛度貢獻(xiàn)滿足要求，鎖緊鉤與遮光罩沒有發(fā)生相對位移，說明鎖緊穩(wěn)定性好；在鎖緊狀態(tài)下，伺服回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)一階模態(tài)全部大于100 Hz，有效避開衛(wèi)星上低頻振動，滿足發(fā)射要求。

隨機(jī)振動實(shí)驗(yàn)控制譜和沖擊響應(yīng)試驗(yàn)控制譜如圖12所示，經(jīng)過X向、Y向、Z向隨機(jī)振動與掃頻試驗(yàn)后，鎖緊與解鎖裝置沒有發(fā)生意外解鎖現(xiàn)象。X,Y,Z三個(gè)方向的振動實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，試驗(yàn)證明，伺服回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3個(gè)方向的均方根加速度放大倍率都很小，說明在鎖緊狀態(tài)下鎖緊力對于整機(jī)的剛度貢獻(xiàn)滿足要求，鎖緊鉤與遮光罩沒有發(fā)生相對位移，說明鎖緊穩(wěn)定性好；在鎖緊狀態(tài)下，伺服回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)一階模態(tài)全部大于100 Hz，有效避開衛(wèi)星上低頻振動，滿足發(fā)射要求。

圖12 隨機(jī)振動試驗(yàn)與沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)控制譜

表1 振動試驗(yàn)結(jié)果

星載設(shè)備在整個(gè)生命周期內(nèi)，可能經(jīng)歷各種沖擊環(huán)境，如運(yùn)輸沖擊、點(diǎn)火沖擊等。為驗(yàn)證SMA鎖緊裝置沖擊載荷下的鎖緊可靠性，進(jìn)行地面沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示在1 200 g沖擊下，SMA鎖緊裝置未發(fā)生誤解鎖現(xiàn)象，提升了光端機(jī)整體抗沖擊性能。

5 結(jié) 論

本文針對潛望式激光通信端機(jī)鎖緊與解鎖問題，設(shè)計(jì)研制了基于SMA絲智能材料的SMA鎖緊與解鎖裝置，鎖緊與解鎖裝置采用反向設(shè)計(jì)的鎖緊鉤利用分力提供鎖緊力放大鎖緊力量可達(dá)到5倍，降低彈簧剛度需求，利用杠桿放大位移原理減少了SMA絲伸縮長度，從而減短SMA絲總長度，在有限的包絡(luò)尺寸下提高了解鎖可靠性。經(jīng)過電性能測試，給鎖緊與解鎖機(jī)構(gòu)施加12 V/3 A的電源時(shí)，可實(shí)現(xiàn)3 s內(nèi)快速解鎖；高溫性能實(shí)驗(yàn)中鎖緊裝置可在90 ℃以下可靠鎖緊；震動沖擊試驗(yàn)中，在鎖緊狀態(tài)下伺服回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)諧振頻率為110.6 Hz滿足發(fā)射要求且均未發(fā)生誤解鎖現(xiàn)象。該鎖緊裝置實(shí)現(xiàn)了小型化輕量化，整機(jī)包絡(luò)尺寸為85×43×36 mm，質(zhì)量為218 g?？梢詾樾禽d小型激光通信伺服回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)提供可靠的鎖緊與解鎖功能，具有非常大的工程應(yīng)用潛力。