曹乃亮 董得義 李志來

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

0 引言

火箭的級間分離，航天器的分離，有效載荷的分離釋放，太陽翼、天線及其他附屬物的部署，都需要分離裝置來完成[1]。這些空間分離機構(gòu)一方面保證在發(fā)射過程中可靠連接，另一方面在入軌之后能夠可靠分離。不同的任務需要對分離裝置的同步性、體積、沖擊性等有不同的要求，傳統(tǒng)的火工品分離裝置可靠性高、能率大、作用速度快、體積小[2-3]，但也存在以下幾個問題：火工品爆炸產(chǎn)生的高沖擊加速度，對電子設備，光學元件會帶來損壞；產(chǎn)生污染物；需要特殊的保存、運輸條件；不可重置，加工、試驗費用高。

NASA統(tǒng)計了從1963至1988年間的600次發(fā)射任務，與火工品失效相關的故障有84次，其中一半的故障導致任務失敗[4-5]。

新型的非火工品分離機構(gòu)，如熱切割、石蠟驅(qū)動機構(gòu)和機電線軸機構(gòu)[6]，技術較為成熟，但也存在一些不足，例如熱切割和石蠟驅(qū)動機構(gòu)響應時間較慢，機電線軸機構(gòu)分離沖擊較大等；隨著微小衛(wèi)星的發(fā)展，對分離裝置的沖擊、污染提出了更高的要求[7]。這種尺寸的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)緊湊，對沖擊、污染更敏感，迫切需要開發(fā)新型的分離裝置，以替代現(xiàn)有的火工分離裝置。

形狀記憶合金（shape memory alloy, SMA）作為一種集感知與驅(qū)動于一體的智能材料,廣泛應用于驅(qū)動機構(gòu)、熱力耦合機構(gòu)、熱傳感器、智能復合材料、微型機械、隔振設備等[8]。美國海軍實驗室(Naval Research Laboratory, NRL)早在20世紀60年代就將SMA運用于F-14戰(zhàn)機液壓管道中的管接頭上[9]；SMA作為空間分離裝置的驅(qū)動機構(gòu)，優(yōu)點是低沖擊、可重置、無污染、結(jié)構(gòu)簡單[10]，缺點是形狀記憶合金熱性能較差、缺口脆性高，易造成應力松弛和蠕變現(xiàn)象[11]。

1 SMA的特點

SMA是20世紀60年代發(fā)展起來的一種新型功能材料，是一種能在一定溫度下進行奧氏體?馬氏體轉(zhuǎn)變的合金，具有一定初始形狀的 SMA在馬氏體態(tài)下塑性變形，加熱到某一臨界溫度以上又可恢復成初始形狀，這種能夠記住其原始形狀的功能稱為形狀記憶效應，形變量是一般彈性材料的20倍以上，最大回復應變?yōu)?%，回復應力為300～600MPa。

SMA主要有鎳鈦基（TiNi）、銅基、鐵基三大類，鎳鈦基是目前發(fā)現(xiàn)的形狀記憶效應最好的一種，其抗拉強度大于1 000MPa，延伸率大于20%，回復應變大，穩(wěn)定性好，可重復使用，抗腐蝕和耐磨性好，是一種優(yōu)秀的功能材料[12]。

2 SMA分離裝置

美國空軍研究實驗室（Air Force Research Laboratory, AFRL）在20世紀90年代開展了形狀記憶合金分離裝置（shape memory alloy release device, SMARD）的研發(fā)；蘭利研究中心對135個研究機構(gòu)開展了一項火工品替代裝置的調(diào)查、研討[12]，其中多數(shù)內(nèi)容涉及形狀記憶合金分離裝置。

SMA分離裝置需要盡可能兼容現(xiàn)有火工品分離裝置的電源及沖擊要求，現(xiàn)有火工品裝置的點火電源沒有制定統(tǒng)一的標準，比較典型的電壓、電流要求分別為28V、5A，持續(xù)時間為100ms[13]。

洛克希德馬丁公司（Lockheed Martin Astronautics，LMA）制定的沖擊標準規(guī)定：在初樣階段，任何頻率下的沖擊加速度控制在500gn以內(nèi)；在正樣階段，將沖擊加速度值控制在頻率的0.8倍以內(nèi)[14]。

以下分別對不同類型的SMA分離裝置的研究進展加以介紹。

2.1 分瓣螺母結(jié)構(gòu)

目前大多數(shù)SMARD都采用分瓣螺母結(jié)構(gòu)[15]，其原理是固定載荷螺栓的螺母由幾片螺母瓣組成，連接狀態(tài)下，由鎖緊裝置將其箍緊，保證與螺栓可靠連接；分離時，由SMA驅(qū)動使分瓣螺母分離，釋放載荷。

2.1.1 HSTC裝置和MMC裝置

Hi-Shear科技公司（Hi-Shear Technology，HSTC）和馬丁公司（Martin Marietta，MMC）分別研發(fā)了兩種SMA分瓣螺母分離裝置（以下簡稱HSTC裝置、MMC裝置）[16]，兩種裝置原理類似，MMC裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，預拉伸的管狀SMA加熱收縮，驅(qū)動底部的擋圈和卡環(huán)向上移動，從而釋放分瓣螺母的徑向約束，分離塊在活塞彈簧的作用下驅(qū)動分瓣螺母分開，解鎖后的螺栓在頂桿的作用下分離；MMC裝置承載能力達1.8t，沖擊極小，無污染，但是分離時間過長，約45s；而HSTC裝置需要10～60s的分離時間。

圖1 MMC裝置Fig.1 MMC device

2.1.2 LFN、TSN和QWKNUT裝置

AFRL資助LMA研發(fā)的低沖擊螺母（low force nut, LFN）和兩級螺母（two stage nut, TSN）是經(jīng)典的兩種分瓣螺母結(jié)構(gòu)[17]，如圖2和圖3所示，兩種裝置都需要100A以上的電流，難以兼容傳統(tǒng)的電源系統(tǒng)，星系統(tǒng)研究公司（Starsys Research，SRC）在AFRL的資助下改進了LFN結(jié)構(gòu)，使其能與傳統(tǒng)電源兼容[18]。

圖2 LFN裝置Fig.2 LFN device

圖3 TSN裝置Fig.3 TSN device

LFN裝置采用機械增益原理降低SMA中的初始應力，SMA彈簧驅(qū)動活塞移動解鎖套筒，鋼彈簧收縮驅(qū)動分離桿使分瓣螺母分離，從而釋放螺栓；SMA阻尼器可用作重置機構(gòu)用；TSN裝置利用預壓縮SMA套筒加熱伸長壓縮彈簧墊片，從而卸去螺栓的載荷，壓縮SMA彈簧驅(qū)動分瓣螺母釋放螺栓。

在作動前60s，LFN和TSN分別采用獨立的電控系統(tǒng)對SMA進行預熱，溫度略低于相變溫度，從而在接到作動指令后，可以獲得快速的響應時間。

兩種裝置分離速度快、同步性好、無污染、可復位，具有和火工品分離機構(gòu)相當?shù)某叽绾唾|(zhì)量，兩種裝置的沖擊響應譜遠低于火工裝置。

SRC研發(fā)了一種QWKNUT裝置，并成功運用在FalconSat I飛船上[18]；該結(jié)構(gòu)與LFN類似，但內(nèi)部摩擦更小，這樣需要的電流更小、分離時間更短，而且具有自動保護開關，能防止試驗中額外電流對SMA觸發(fā)裝置的傷害。

2.1.3 NEHRA裝置

西班牙SENER公司研發(fā)了一種承載能力為20kN的非爆炸壓緊分離裝置（non explosive hold-down release actuator, NEHRA）[19]，該裝置與傳統(tǒng)火工裝置電源兼容，在1.5～5A的電流下均能正常工作，平均作用時間為1s，釋放時間為10ms，功率為20W，重置方便，可重復操作50次以上，沖量小于1N·s。

該裝置的作用原理如圖4所示，螺旋彈簧一端接在外殼上，另一端接在內(nèi)轉(zhuǎn)輪上，人工旋轉(zhuǎn)內(nèi)轉(zhuǎn)輪180°，螺旋彈簧直徑減小，將分瓣螺母箍住，鋼球落入內(nèi)轉(zhuǎn)輪的凹槽，外轉(zhuǎn)輪在壓縮彈簧的作用下轉(zhuǎn)動，兩者共同作用使轉(zhuǎn)輪卡住；分離時，SMA絲加熱收縮，克服壓縮彈簧驅(qū)動外轉(zhuǎn)輪反向轉(zhuǎn)動，直到鋼球落入外轉(zhuǎn)輪的凹槽，內(nèi)轉(zhuǎn)輪在螺旋彈簧的作用下轉(zhuǎn)動使螺旋彈簧直徑回復，從而解鎖分瓣螺母，釋放螺栓。

圖4 NEHRA裝置Fig.4 NEHRA device

2.1.4 BUAA1分離裝置

NASA研發(fā)的SAMRD分離裝置[20]通過SMA驅(qū)動套筒剪斷銷釘使分瓣螺母分開，其作用時間較長，同步性較差；北京航空航天大學（BUAA）研發(fā)了一種利用SMA絲驅(qū)動的分離裝置（簡稱BUAA1裝置）[21]，如圖5所示，采用6V直流電源，分離時間為0.3s，同步性優(yōu)于0.04s。

當分離指令發(fā)出后，SMA絲加熱收縮，拉動箍筒向下運動，同時壓縮復位彈簧，當箍筒運動到一定位置時，分瓣螺母凸出部分掉入箍筒對應的凹槽中，分瓣螺母分開，螺栓從分瓣螺母中脫出，實現(xiàn)連接件的分離；分離完成后在復位彈簧和螺母斜面的作用下自動復位；這種裝置可重置，但與現(xiàn)有的星載電源不兼容，而且缺少對沖擊性能的進一步試驗，后續(xù)還需開展深入的研究。

圖5 BUAA1裝置Fig.5 BUAA1 device

2.2 LMMSC裝置

洛克希德馬丁導彈與空間公司（Lockheed Martin M issile and Space，LMMS）研發(fā)了一款SMA釋放裝置[22]（簡稱LMMSC裝置），如圖6所示，該裝置曾用于“引力探測器B”上的太陽翼展開及“交叉偶極天線試驗”上天線的釋放。

圖6 LMMSC裝置Fig.6 LMMSC device

LMMSC裝置通過兩根預拉伸SMA棒加熱收縮實現(xiàn)載荷分離，承載力約66kg，分離時間小于125s；此分離裝置沖擊極小，接口靈活，可調(diào)零和重復使用，易于制造；缺點是承載能力差，釋放時間過長。

2.3 Frangibolt裝置

文獻[23]詳細闡述了Frangibolt裝置結(jié)構(gòu)原理，如圖7所示，該裝置主要由帶凹槽的螺栓和SMA組成，通過加熱SMA脹斷連接螺栓；該裝置的分離時間約25s，優(yōu)點是簡單、便宜、安全，需要注意的是在設計過程中，應避免彎曲載荷的作用及保持加熱器和 SMA塊之間的良好接觸；1994年發(fā)射升空的Clementine航天器，應用Frangibolt裝置成功將其太陽翼展開[24]。

Pedro進一步建立了該裝置的有限元模型及記憶合金的Tanaka結(jié)構(gòu)模型，分析了該裝置分離前后螺栓凹槽附近的應力變化[25]。

法國宇航公司（Aerospatiale Corporation，ASC）和IMAGO公司聯(lián)合研發(fā)了一種類似Frangibolt的分離機構(gòu)[26]，其分離時間為15m in，適用于航天器附件部署上。

圖7 Frangibolt裝置Fig.7 Frangibolt device

2.4 FASSN裝置和CBOD裝置

NRL資助LMA研發(fā)了FASSN裝置[27]，如圖8所示，該裝置利用SMA扭轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)啟動飛輪螺母的旋轉(zhuǎn)分離；分離過程中，螺栓接頭應變能和壓縮彈簧勢能的95%轉(zhuǎn)化為飛輪的旋轉(zhuǎn)動能，所以分離帶來的沖擊力很小。

FASSN裝置質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，所需驅(qū)動能量小，分離時間小于20ms，承載能力達1 900～4 500kg，在試樣試驗中，承載甚至達17 000kg，并經(jīng)過了在軌驗證，如美國的“宇宙神-3”運載火箭[27]。改進后的FASSN裝置體積和質(zhì)量進一步降低，能夠運用在小衛(wèi)星包帶分離系統(tǒng)上。

包帶分離系統(tǒng)作為國內(nèi)外星箭連接的主要結(jié)構(gòu)之一，已廣泛用于有效載荷的分離，包帶分離裝置(clamp band opening device, CBOD)融合了FASSN技術，如圖9所示，在釋放的過程中，存儲在包帶內(nèi)的應變能轉(zhuǎn)變?yōu)轱w輪的旋轉(zhuǎn)能，延長對接框能量釋放時間為2～5 ms，有效降低了沖擊水平，其分離沖擊小于400gn。目前，大多數(shù)運載火箭集成商都選用CBOD作為航天器釋放裝置[28]。

圖8 FASSN裝置Fig.8 FASSN device

圖9 CBOD裝置 Fig.9 CBOD device

2.5 微小衛(wèi)星分離裝置

隨著微小衛(wèi)星和更輕的太陽能電池板的發(fā)展，需要更輕巧、沖擊更小、可靠性更高的分離裝置，同時需要快速響應來保持高同步性。

以下對國內(nèi)外開展的這方面研究進行介紹。

2.5.1 BUAA2分離裝置

張小勇等[29]設計了一種結(jié)構(gòu)簡單的分離裝置（簡稱BAUU2裝置），如圖10所示，這種裝置體積為30mm×30mm×30mm，與傳統(tǒng)星載電源兼容，分離時間約 0.1s；設計者采用了 Liang-Rogers本構(gòu)模型來分析SMA絲應力?應變曲線，通過分析計算得出此裝置的承載力大于1kN；由于同步性好、體積小、質(zhì)量輕、重置簡單等特點，該裝置有很大的工程應用潛力。

圖10 BUAA2裝置Fig.10 BUAA2 device

2.5.2 KAU1裝置

韓國航空航天大學（Korea Aerospace University, KAU）Wonjun Tak等[30]研發(fā)了一款用于微小衛(wèi)星的基于SMA彈簧驅(qū)動的分離機構(gòu)（簡稱KAU1裝置），如圖11所示，其工作原理為：加熱SMA彈簧使其收縮，驅(qū)動變形組件發(fā)生塑形變形，在分離彈簧的作用下完成分離；其最大承載力達1 597N，最大沖擊響應為11gn，功率為60W，分離時間大于5s。

2.5.3 KAU2裝置

韓國航空航天大學研發(fā)的另一種具有超低沖擊的分離裝置[31]（簡稱KAU2裝置），如圖12所示，分離時，SMA桿加熱收縮，驅(qū)動卡塊下移，解鎖扭力彈簧驅(qū)動旋轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)動，剛球落入旋轉(zhuǎn)件的凹槽內(nèi)，分離銷完成釋放分離。

圖11 KAU1裝置Fig.11 KAU1 device

圖12 KAU2裝置Fig.12 KAU2 device

該裝置的分離時間隨電流增大和載荷降低而減??；螺旋彈簧的剛度越高，裝置的承載能力就越高。試驗表明，該裝置承載力大于50kg，在載荷為10kg，電流為3A的情況下，分離時間是0.5s，最大沖擊響應小于5gn。

2.6 其它相關裝置

文獻[32]介紹了一種太陽能SMA驅(qū)動器設計方案，該結(jié)構(gòu)使用的SMA相變溫度在80℃以上，而且SMA的能量轉(zhuǎn)化（熱能—機械能）效率不超過10%，該裝置的可靠性還需進一步的驗證。

該文獻描述了一種把Tiniol合金用作熔斷絲的分離裝置，該材料不僅有形狀記憶特性，而且當其達到退火溫度后，機械強度會降低，該裝置承載力大于900kg，釋放時間小于0.2s，曾用在NRL-ARTI航天器上[33]。

復合材料技術開發(fā)公司（Composite Technology Development，CTDC）開發(fā)了一種具有形狀記憶效應的合成材料，而后與SRC共同研發(fā)了基于該材料的分離裝置，此裝置設計承載力達1360 kg，分離時間小于30s[34]。

2.7 性能參數(shù)對比

表1列出了各種裝置的性能參數(shù)，從承載能力、質(zhì)量、體積、沖擊性能、分離時間、重置性、兼容性7個方面進行了分析對比。

表1 性能參數(shù)對比Tab.1 Comparing of the performance parameters

從表1中的數(shù)據(jù)對比可以看出，各種裝置都有其優(yōu)缺點，設計者需要根據(jù)實際需求選擇、設計合適的分離裝置：

1）若分離裝置的電源與傳統(tǒng)星箭電源不兼容，則需重新設計電源系統(tǒng)或者為分離裝置配備額外的電源；

2）HTSC、MMC、LMMSC和Frangibolt裝置難以實現(xiàn)精確的控制，適用于對分離時間、同步性要求不高的場合；

3）SMARD裝置一般采用SMA作為觸發(fā)元件，而Frangibolt裝置直接采用SMA作為作動元件脹斷螺栓，產(chǎn)生較大的沖擊；

4）針對微小衛(wèi)星設計的BUAA2、KAU1和KAU2等裝置，沖擊極小，應用潛力大，但需要更多的后續(xù)研究；

5）QWKNET與FASSN的綜合性能較好，并且經(jīng)過多次的在軌驗證，是一種較成熟的裝置。

3 對未來SMARD發(fā)展的建議

目前對包括SMARD在內(nèi)的非火工品分離裝置還沒有統(tǒng)一的標準，例如電源參數(shù)、尺寸大小、接口類型等，這些都是未來研究討論的內(nèi)容。

隨著微小衛(wèi)星的發(fā)展，對分離沖擊提出了更高的要求，亟須制定針對微小衛(wèi)星的分離沖擊標準。

另外，目前大多數(shù)基于形狀記憶合金的空間分離裝置還沒有經(jīng)過在軌驗證，在實際工程應用中，推薦QWKNET、FASSN及運用FASSN技術的BOD裝置；對于微小型衛(wèi)星分離裝置的設計，也推薦參考這兩類裝置的結(jié)構(gòu)。

太空環(huán)境復雜，需要熱特性更好，綜合性能更優(yōu)的SMA合金。

4 結(jié)束語

本文介紹了形狀記憶合金的特性，對不同類型的 SMA分離裝置的研究進展進行了說明。針對微小衛(wèi)星介紹了更輕巧、沖擊更小、可靠性更高的分離裝置的研究進展；從承載能力、質(zhì)量、體積、沖擊性能、分離時間、重置性、兼容性7個方面對這些裝置進行了分析對比，給出了在選擇和設計分離裝置上的一些注意事項。

形狀記憶合金分離裝置相比火工品分離裝置，沖擊小、無污染、可重置，已能替代部分火工品裝置的應用，但目前還不適用于大應力和大位移的場合，國內(nèi)也已積極開展這方面的研究，一些產(chǎn)品已經(jīng)進入工程驗證階段。

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