張家齊，王愛(ài)華，鄧寧

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；3.吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 132200；4.長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院，長(zhǎng)春 130114）

隨著航天探測(cè)和通信等技術(shù)的不斷發(fā)展，星載伺服轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)用逐漸增多，這種轉(zhuǎn)臺(tái)以二維轉(zhuǎn)臺(tái)為主，主要由兩組精密軸系（方位軸和俯仰軸）和連接兩組軸系的框架組成。為了提高發(fā)射時(shí)整個(gè)通信端機(jī)系統(tǒng)的模態(tài)和防止軸系轉(zhuǎn)動(dòng)，星載伺服轉(zhuǎn)臺(tái)方位軸和俯仰軸需要多個(gè)鎖緊機(jī)構(gòu)。目前伺服轉(zhuǎn)臺(tái)軸系的鎖緊裝置主要采用火工品，該類鎖緊裝置具有一定的缺陷：爆炸時(shí)火藥粉末會(huì)污染光學(xué)系統(tǒng)、爆炸殘骸會(huì)傷及周圍的結(jié)構(gòu)和設(shè)備；爆炸沖擊大、燃?xì)忉尫哦?；不能循環(huán)利用，只能一次性使用的元器件；因此急需開(kāi)發(fā)非火工品鎖緊裝置來(lái)滿足更嚴(yán)苛的航天使用要求［1，2］。

國(guó)外已有根據(jù)傳統(tǒng)火工品思路，研制出形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，SMA）解鎖機(jī)構(gòu)，該鎖緊機(jī)構(gòu)在鎖緊狀態(tài)時(shí)通過(guò)銷釘銷緊分瓣螺母，使分瓣螺母形成螺紋副，解鎖時(shí)記憶合金棒被加熱，記憶合金棒伸長(zhǎng)，產(chǎn)生的回復(fù)應(yīng)力使銷釘斷裂，分瓣螺母分離，螺栓脫離，實(shí)現(xiàn)解鎖。該鎖緊結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)具有承載大、低沖擊、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，但存在不能重復(fù)使用的問(wèn)題［3］。

本文針對(duì)火工品鎖緊裝置爆炸沖擊大、燃?xì)忉尫哦嗪蛧?guó)外常用記憶合金鎖緊機(jī)構(gòu)不可重復(fù)使用的問(wèn)題，以星地激光通信項(xiàng)目為背景，以及星載激光通信的發(fā)射要求，提出了一種利用材料本身彈性變形特性的記憶合金鎖緊機(jī)構(gòu)，該鎖緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可提高系統(tǒng)的發(fā)射剛度、可靠性高、可重復(fù)利用。

1 鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

形狀記憶合金鎖緊機(jī)構(gòu)，如圖1所示，最大尺寸為60mm×25mm×25mm。

圖1 解鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

如圖所示1是鎖緊機(jī)構(gòu)安裝孔；2是鎖緊體U型槽；3是加熱絲線纜引出孔；4是鎖緊體；5是TiNi記憶合金棒；6是固定記憶合金棒螺紋孔；7是加熱絲；8是被鎖緊體。

被鎖緊體為星載激光通信端機(jī)，通信端機(jī)未工作時(shí)，鎖緊裝置中的加熱絲未通電，通信端機(jī)通過(guò)鎖緊體本身材料的彈性變形對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)體進(jìn)行夾緊，實(shí)現(xiàn)鎖緊體對(duì)被夾緊體的鎖緊動(dòng)作；

通信端機(jī)工作時(shí)，加熱絲通電加熱，TiNi記憶合金棒吸收熱量，由于加熱絲均勻的布置在記憶合金棒的內(nèi)部，加熱效率大大提升，當(dāng)達(dá)到形變溫度時(shí)TiNi記憶合金棒的長(zhǎng)度發(fā)生延伸，產(chǎn)生的變形力作用在鎖緊體上使夾緊塊發(fā)生反向的彈性變形，卸掉對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)體的夾緊力，此時(shí)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)體從鎖緊裝置中轉(zhuǎn)出，實(shí)現(xiàn)鎖緊機(jī)構(gòu)釋放動(dòng)作。此結(jié)構(gòu)提高了整個(gè)系統(tǒng)的剛度，且能夠重復(fù)利用，原理簡(jiǎn)單，可靠性高。

2 驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

這種形狀記憶合金解鎖機(jī)構(gòu)，其核心是利用記憶合金形狀記憶效應(yīng)受熱伸長(zhǎng)和冷卻時(shí)復(fù)位來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的釋放與鎖緊過(guò)程，驅(qū)動(dòng)單元的設(shè)計(jì)將直接關(guān)系到機(jī)構(gòu)解鎖功能的實(shí)現(xiàn)，其設(shè)計(jì)非常重要。

2.1 設(shè)計(jì)原理和方法

機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)單元是由TiNi記憶合金棒記憶效應(yīng)和鎖緊體的彈性變形決定的，高溫下記憶合金棒回復(fù)力抵消鎖緊體的彈性變形力完成解鎖，記憶合金棒冷卻時(shí)，長(zhǎng)度收縮，鎖緊體用自身的彈性變形將被鎖緊體鎖緊，實(shí)現(xiàn)復(fù)位。

鎖緊體的彈性變形力由記憶合金棒變形長(zhǎng)度決定，回復(fù)力還要小于鎖緊體材料的屈服極限，同時(shí)通過(guò)調(diào)整U型槽，保證鎖緊體上下夾持力相等，設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)方法流程圖

圖2中S為記憶合金棒的橫截面積；Fr記憶合金棒的回復(fù)力；r鎖緊體變形量；C為鎖緊體U型槽的值；F1、F2鎖緊體上下夾緊力；σs鎖緊體材料屈服極限［4，5］。

2.2 鎖緊體設(shè)計(jì)

（1）記憶合金棒材料的選取

具有形狀記憶效應(yīng)的合金已發(fā)現(xiàn)超過(guò)上百種，但當(dāng)前應(yīng)用最廣的主要是TiNi基，Cu基以及Fe基三大類。TiNi合金是SMA合金系中記憶性能最好，應(yīng)用最為廣泛的一種材料，其綜合性能優(yōu)良，具有比強(qiáng)度高、耐蝕耐磨、疲勞壽命高等特點(diǎn)。

本文選用的高溫TiNi合金作為鎖緊裝置的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，材料的性能如表1。

表1 TiNi記憶合金材料參數(shù)

（2）鎖緊體設(shè)計(jì)

加熱記憶合金棒加熱伸長(zhǎng)，使鎖緊體發(fā)生彈性變形，試驗(yàn)表明TiNi記憶合金棒在80℃發(fā)生相變，伸長(zhǎng)量為1mm。鎖緊機(jī)構(gòu)力學(xué)分析如圖3所示，設(shè)計(jì)鎖緊體上下夾緊槽的寬度為12.5mm，被夾緊體的寬度為13.5mm，通過(guò)公式（1）計(jì)算星載激光通信端機(jī)受到單支鎖緊體夾持力。

圖3 鎖緊機(jī)構(gòu)力學(xué)分析

式中，w是單側(cè)鎖緊體最大撓度；F1=F2是鎖緊體克服彈性變形的力；X=a為受力點(diǎn)距離端點(diǎn)的距離；E為鎖緊體彈性模量；I=Iy為鎖緊體夾緊部分慣性矩；b、h鎖緊體夾緊部分截面的寬度和高度；θB鎖緊體夾緊部分端面的轉(zhuǎn)角；S為T(mén)iNi記憶合金棒橫截面積。

表2 鎖緊體參數(shù)

把表 2的參數(shù)帶入公式（1）-（3）求得F1為95516.7N，477.6MPa，TiNi記憶合金棒回復(fù)使鎖緊體產(chǎn)生的變形力小于Ti-5Al-2.55n鈦合金的屈服極限827MPa，當(dāng)記憶合金棒冷卻時(shí)，由于被鎖緊體厚度大于鎖緊體槽的厚度，鎖緊體對(duì)被鎖緊體施加一個(gè)彈性變形力F3，F(xiàn)3、F4的處的變形尺寸為0.5mm，帶入數(shù)值算出鎖緊體施加給星載激光通信端機(jī)的鎖緊力F3=F4值為63677.8N。

3 鎖緊后系統(tǒng)剛度特性分析

星載激光通信端機(jī)剛度特性主要受俯仰軸系、方位軸系和U型架三方面因素影響，合理的設(shè)計(jì)與布置方位軸和俯仰軸的鎖緊機(jī)構(gòu)也可提高星載通信端機(jī)的整體剛度。其中俯仰軸系和方位軸系中的軸承是微間隙單元，如何更為準(zhǔn)確地分析含有間隙機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與整機(jī)的力學(xué)適應(yīng)性預(yù)測(cè)具有重要意義。

對(duì)間隙機(jī)構(gòu)的分析國(guó)內(nèi)外有很多文章，很多研究者是把軸承簡(jiǎn)化成為恒定的剛度的彈簧，通過(guò)公式（4）計(jì)算出軸承的剛度

式中，Z——軸承滾動(dòng)體數(shù)目；Db——軸承滾動(dòng)體直徑；α——軸承接觸角；Fa0——軸承預(yù)緊力。

圖4 軸承簡(jiǎn)化模型

如圖4用均布在軸上的四根彈簧來(lái)模擬軸承［6］，這種對(duì)軸承恒定剛度的假設(shè)忽略了軸承本身徑向間隙，對(duì)于軸承的彈性接觸問(wèn)題和間隙問(wèn)題，本文用有限元中的間隙單元概念來(lái)進(jìn)行建模分析。

在研究接觸問(wèn)題之前，首先采用如下假設(shè)：

（1）接觸材料的特性是線性的，位移和應(yīng)變都很??；

（2）作用在接觸面上的摩擦力滿足庫(kù)侖定理；

（3）接觸表面是連續(xù)和光滑的。

有限元分析可以模擬出五種接觸方式，分別是綁定接觸、不分離接觸、無(wú)摩擦接觸、粗糙接觸、摩擦接觸，其中無(wú)摩擦、摩擦以及粗糙接觸式非線性行為，需要多次迭代。但是仍然利用了小變形理論的假設(shè)。使用非線性接觸類型，可以模擬間隙及更準(zhǔn)確的接觸狀態(tài)。

間隙單元的平衡方程為：

整個(gè)結(jié)構(gòu)的間隙單元平衡方程可表示為：

式中，[K]為物體1和物體2的剛度矩陣；{Q}為物體1和物體2（包含接觸面）節(jié)點(diǎn)的位移向量；{}F為作用在節(jié)點(diǎn)上的外部載荷（包含間隙單元節(jié)點(diǎn)上的外力

在式（6）中，間隙單元的剛度矩陣根據(jù)幾何邊界條件設(shè)定：對(duì)于開(kāi)式接觸，即所有間隙單元的節(jié)點(diǎn)對(duì)位移滿足，QiN-QjN＜δ可通過(guò)增大間隙單元的彈性模量來(lái)減小2個(gè)接觸體接觸面之間的間隙；當(dāng)QiN-QjN=δ，表明2個(gè)物體剛好處于接觸狀態(tài)，彈性模量不需要修改［7-8］。

激光通信端機(jī)方位軸和俯仰軸承內(nèi)圈、外圈過(guò)盈配合，軸向和徑向的載荷是通過(guò)內(nèi)圈施加到鋼球上，假設(shè)變形發(fā)生在軸承的鋼球上，發(fā)生的變形為彈性變形，軸承座及軸為剛體，通過(guò)有限元法建立激光通信端機(jī)軸承的柔體到柔體基礎(chǔ)模式力學(xué)模型。

鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊處材料的彈性變形對(duì)激光通信端機(jī)進(jìn)行鎖緊，夾緊部分通過(guò)有限元法建立計(jì)算外力F3，F(xiàn)4外力作用下產(chǎn)生的摩擦接觸的力學(xué)模型。

4 仿真分析

為了提升發(fā)射時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的剛度和可靠性，方位軸系和俯仰軸系分別安裝一組形狀記憶合金鎖緊機(jī)構(gòu)，方位鎖緊機(jī)構(gòu)安裝位置如圖5所示，通過(guò)螺釘固定在激光通信端機(jī)的U型架的下方，俯仰鎖緊機(jī)構(gòu)安裝位置如圖6所示，分別固定在俯仰框架的中心對(duì)稱的兩側(cè)。

圖5 方位鎖緊機(jī)構(gòu)安裝位置

圖6 俯仰鎖緊機(jī)構(gòu)安裝位置

此任務(wù)中激光通信端機(jī)應(yīng)用在高軌衛(wèi)星上，完成高軌對(duì)地激光通信演示實(shí)驗(yàn)，根據(jù)軌道和地面站分析，激光通信端機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍很小，方位軸和俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為±5°，當(dāng)鎖緊機(jī)構(gòu)完成釋放狀態(tài)后，通信端機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)，兩軸運(yùn)動(dòng)到指定工作范圍內(nèi)。避開(kāi)鎖緊機(jī)構(gòu)，由于運(yùn)動(dòng)范圍在±5°范圍內(nèi)不會(huì)與結(jié)構(gòu)干涉。

對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，減少無(wú)必要的運(yùn)算，簡(jiǎn)化后的整體結(jié)構(gòu)圖如圖7所示［9-11］。

圖7 簡(jiǎn)化后的激光通信端機(jī)

根據(jù)上節(jié)的剛度分析，對(duì)端機(jī)各部分進(jìn)行有限模型的建立，隨后對(duì)星載激光通信端機(jī)非鎖緊和鎖緊時(shí)的模態(tài)進(jìn)行分析，得到表3、圖8和圖9。

表3 激光通信端機(jī)的基頻

圖8 未鎖緊的激光通信端機(jī)三個(gè)方向基頻振型

圖9 鎖緊后的激光通信端機(jī)三個(gè)方向基頻振型

X方向是端機(jī)的發(fā)射方向。負(fù)載需在發(fā)射方向上基頻大于70Hz才能滿足平臺(tái)的發(fā)射要求，在非鎖緊狀態(tài)下激光通信端機(jī)的模態(tài)為57.41Hz小于70Hz，鎖緊狀態(tài)下發(fā)射方向上基頻為84.35Hz，滿足激光通信端機(jī)的發(fā)射要求。

5 結(jié)論

根據(jù)星載激光通信端機(jī)的工作模式和發(fā)射要求，設(shè)計(jì)了一種基于材料本身彈性變形特性的形狀記憶合金鎖緊機(jī)構(gòu)該鎖緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，可重復(fù)利用。解決了火工品鎖緊裝置爆炸沖擊大、燃?xì)忉尫哦嗪蛧?guó)外常用記憶合金鎖緊機(jī)構(gòu)脫離螺母回收和不可重復(fù)使用的問(wèn)題。對(duì)鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)星載激光通信端機(jī)進(jìn)行了剛度分析，最后分析了在非鎖緊和鎖緊狀態(tài)下星載激光通信端機(jī)的三階模態(tài)，鎖緊后的發(fā)射方向上模態(tài)為84.35Hz，證明該鎖緊機(jī)構(gòu)滿足激光通信端機(jī)的使用要求。

［1］Peter A，Denoyer K，F(xiàn)osness E，et al.Development and transition of low-shock spacecraft release devices［C］.Aerospace Conference Proceedings.IEEE，2000，4：277-284.

［2］Yan X，Zhang K.Development of a small reusable space release device using SMA［J］.Proceedings of SPIE—The International Society for Optical engineering，2007（6529）：652905-1-652905-8.

［3］王玉琢.回轉(zhuǎn)式形狀記憶合金鎖緊釋放裝置研制和實(shí)驗(yàn)［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

［4］張小勇，閆曉軍，楊巧龍.形狀記憶合金分瓣螺母空間解鎖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46（17）：145-150.

［5］閆曉軍，張小勇，聶景旭，等.采用SMA驅(qū)動(dòng)的小型空間磁懸浮飛輪鎖緊機(jī)構(gòu)［J］.北京航天航空大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，37（2）：127-131.

［6］蔡力鋼，馬仕明，趙永勝，等.多約束狀態(tài)下重載機(jī)械式主軸有限元建模及模態(tài)分析［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48（3）：165-173.

［7］李朝輝，王忠素，胡慶龍，等.月基極紫外相機(jī)跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)與剛度分析［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2013，34（11）：2535-2541.

［8］李朝輝，陳波.月基對(duì)地觀測(cè)跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)與分析［J］.光子學(xué)報(bào)，2010，39（12）：2215-2219.

［9］Mussett D，Humphries ME，Henzelin F，et al.Contraves Optical Terminal–coarse pointing assembly（CPA）［J］.European Space Agency，Noordwijk，The Netherlands，2003（524）：81-88.

［10］Baister G，Haupt C，Matthews S，et al.The ISLFE terminal development project- resultsfrom the engineering breadboard phase［C］.Aiaa International Conmunication Satellito System Conference and Exhibit，2013.

［11］ToyodaM，ToyoshimaM，TakahashiT，etal.Ground to ETS-VI narrow laser beam transmission［J］.SPIE Proc，2006（2699）：71-80.