楊斌久，王振威，蓋玉先

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）機(jī)械工程系，山東 威海 264209）

1 引言

航天器抵達(dá)預(yù)定軌道后，需對(duì)耗盡燃料的助推器、衛(wèi)星、太陽(yáng)帆板等釋放分離，為了實(shí)現(xiàn)上述功能，要求釋放裝置既能可靠地鎖緊被連接部件，又能按規(guī)定要求實(shí)現(xiàn)釋放功能。釋放裝置按觸發(fā)方式分為火工和非火工兩大類，其中使用最早也是目前最普遍的是火工釋放，該類裝置利用火藥爆炸產(chǎn)生的氣體膨脹，沖斷連接部件，實(shí)現(xiàn)釋放功能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、作用速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但也伴隨著釋放沖擊大、產(chǎn)生污染物、不可重復(fù)測(cè)試和使用等缺點(diǎn)?；鸸め尫叛b置的釋放沖擊大，存在安全隱患，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起航天器失事等事故。1971年，“聯(lián)盟11號(hào)”飛船因火工沖擊導(dǎo)致閥門誤解開，3名航天員不幸遇難。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1984年前的600多次發(fā)射中，有85次失敗案例已經(jīng)證實(shí)或可能與火工沖擊相關(guān)[1]。隨著航天器技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星等設(shè)備內(nèi)部元件的靈敏度越來(lái)越高，火工釋放方式易對(duì)其構(gòu)成破壞，因此，越來(lái)越多研究人員著手研究釋放沖擊小、可重復(fù)使用的非火工釋放裝置。目前，非火工釋放裝置的設(shè)計(jì)主要以分瓣卷軸（分瓣螺母）夾緊連接桿（連接螺栓）的方式實(shí)現(xiàn)鎖緊連接，利用易熔斷金屬、石蠟、形狀記憶合金（SMA）、電磁鐵、直流電機(jī)等解除分瓣卷軸（分瓣螺母）對(duì)連接桿（連接螺栓）的鎖緊約束。2015年12月21日，美國(guó)私人航天探索公司SpaceX成功發(fā)射“獵鷹9號(hào)”（Falcon9）火箭，并回收一級(jí)火箭，該技術(shù)將極大降低火箭發(fā)射成本，推動(dòng)更多民用、商用衛(wèi)星發(fā)射升空，由此，對(duì)可重復(fù)使用的非火工釋放裝置的需求更加迫切。

2 非火工釋放裝置研究現(xiàn)狀

2.1 熔斷釋放裝置

熔斷釋放裝置以彈性金屬線或金屬帶約束分瓣卷軸，選用的低熔點(diǎn)觸發(fā)解鎖部件因受熱熔斷而解除約束，實(shí)現(xiàn)釋放功能。分瓣卷軸的閉合和張開狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)鎖緊和釋放連接桿兩個(gè)功能，以分瓣卷軸為核心設(shè)計(jì)的釋放裝置有2瓣式、3瓣式、6瓣式等[2-4]，卷軸瓣數(shù)決定釋放時(shí)所需的最小徑向擴(kuò)張位移，瓣數(shù)越多，最小徑向擴(kuò)張位移越小，越容易釋放，但瓣數(shù)過(guò)多時(shí)，易出現(xiàn)約束困難和載荷分布不均等問(wèn)題。線約束式熔斷釋放裝置以彈性金屬線纏繞分瓣卷軸，實(shí)現(xiàn)鎖緊連接功能，釋放時(shí)，觸發(fā)器通電加熱熔斷易熔斷金屬絲，解除彈性金屬線的約束，實(shí)現(xiàn)釋放功能。早期，G&H公司開發(fā)的線約束式釋放裝置[2]，如圖1（a）所示。承載能力差，且釋放沖擊大，作用時(shí)間大約20ms；文獻(xiàn)[3，5]中借助剛性球設(shè)計(jì)的熔斷釋放裝置，質(zhì)量?jī)H為125g，將剛性球作為分瓣卷軸和釋放桿之間傳遞力的部件，能減小作用于分瓣卷軸的徑向力，提高了承載能力，研究表明，最大承載 1000kg，6V/4A（24W）的觸發(fā)電流熔斷鎳鉻（Ni-Cr）線，釋放作用時(shí)間約550ms，釋放沖擊58.57g。對(duì)于線約束式熔斷釋放裝置，增加金屬線的圈數(shù)可提高承載能力，但圈數(shù)過(guò)多又會(huì)增加金屬線重疊和打結(jié)的概率，降低釋放可靠性。為提高熔斷釋放裝置的釋放可靠性，文獻(xiàn)[4]針對(duì)天線或太陽(yáng)帆板的釋放展開設(shè)計(jì)的熔斷釋放裝置，如圖1（b）所示。其鎖緊連接和釋放原理與傳統(tǒng)線約束式熔斷釋放裝置類似，選用2條互為冗余的彈性金屬帶代替金屬線鎖緊分瓣卷軸，既可以有效地解決多圈金屬線纏繞時(shí)，出現(xiàn)重疊和打結(jié)的問(wèn)題，又提高了釋放可靠性，金屬帶終端由易熔斷金屬固定在觸發(fā)器上，2條金屬帶任一解開，均可釋放。熔斷釋放裝置利用金屬線或金屬帶與卷軸之間的摩擦力以及易熔斷金屬的抗拉強(qiáng)度承受負(fù)載，通過(guò)在金屬線或金屬帶與卷軸的接觸表面涂覆碳化硅涂層以增加摩擦力，可提高承載能力；另外，改變釋放桿與分瓣卷軸的接觸方式（如用剛性球過(guò)渡連接），減小卷軸的徑向負(fù)載，也能提升承載能力。

圖1 熔斷釋放裝置Fig.1 Fuse-Link Releasing Device

2.2 石蠟驅(qū)動(dòng)釋放裝置

固體石蠟熔點(diǎn)低，受熱由固體變?yōu)橐后w時(shí)，體積膨脹（約增加15%），產(chǎn)生靜水壓力，可輸出機(jī)械能，文獻(xiàn)[6]借助石蠟的這一特性，針對(duì)太陽(yáng)帆板展開設(shè)計(jì)了冗余石蠟驅(qū)動(dòng)釋放裝置，航天器抵達(dá)預(yù)定軌道時(shí)，觸發(fā)器通電加熱融化石蠟，解除鎖緊約束，釋放太陽(yáng)帆板，其釋放沖擊很小，冗余結(jié)構(gòu)提高了釋放可靠性；文獻(xiàn)[7]又在之前研究的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，使結(jié)構(gòu)更加可靠。此類裝置中的石蠟可用性能類似的金屬合金代替，如鉍鉛合金（鉍55.5%，鉛45.5%，熔點(diǎn)123.8℃）。石蠟熔化能產(chǎn)生較大的輸出力，但熔化后的石蠟有粘性，流動(dòng)較慢，加之，其對(duì)輸入能量要求高，通電觸發(fā)時(shí)間長(zhǎng)，因此以石蠟作為驅(qū)動(dòng)的釋放裝置不適用于對(duì)釋放相應(yīng)時(shí)間要求高的場(chǎng)合，而航天器中所需的釋放裝置往往對(duì)釋放響應(yīng)時(shí)間有很高要求，這點(diǎn)決定了該類裝置難以廣泛應(yīng)用于航天器工程。

2.3 基于形狀記憶合金的釋放裝置

基于形狀記憶合金（SMA）[8]的釋放裝置具有沖擊小、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，是研究的熱點(diǎn)方向，早期研究的該類釋放裝置主要有LFN、TSN、QWKNUT、FASSN 和 STAR 分離螺母等[8]，近些年又有許多新研究成果，按解鎖方式分為直動(dòng)式解鎖和轉(zhuǎn)動(dòng)式解鎖兩大類?；谥眲?dòng)解鎖原理的SMA釋放裝置，用SMA受熱變回原形狀產(chǎn)生的拉力，拉動(dòng)鎖緊部件解除鎖緊約束，實(shí)現(xiàn)釋放功能。典型的直動(dòng)式解鎖釋放裝置，如圖2（a）所示。其以分瓣螺母和SMA絲為設(shè)計(jì)核心，應(yīng)用于衛(wèi)星太陽(yáng)帆板的釋放展開[9]，該裝置尺寸?。é担?5*72）mm），重量輕（275g），釋放時(shí)，5.2V/2A的驅(qū)動(dòng)電源加熱SMA絲至100℃，SMA絲收縮拉動(dòng)解除鎖緊約束，研究表明：其釋放時(shí)間約50ms，載荷15kN時(shí)，釋放沖擊為350g。文獻(xiàn)[10]中設(shè)計(jì)的小衛(wèi)星冗余釋放裝置為典型的轉(zhuǎn)動(dòng)式SMA釋放裝置，如圖2（b）所示。其直徑40mm，高50mm，質(zhì)量約120g，該裝置有兩組結(jié)構(gòu)和原理相同的冗余觸發(fā)單元，利用鋼球約束釋放桿實(shí)現(xiàn)連接功能，釋放時(shí)，SMA絲帶動(dòng)上、下塊轉(zhuǎn)動(dòng)，以解除對(duì)釋放桿的鎖緊約束，通過(guò)高速攝像試驗(yàn)：主觸發(fā)單元和冗余觸發(fā)單元分別單獨(dú)工作時(shí)，釋放時(shí)間為0.768s和0.761s，釋放沖擊為6.67g和14.04g。該裝置因結(jié)構(gòu)緊湊且接觸緊密，對(duì)零件的表面質(zhì)量要求較高，而SMA絲的驅(qū)動(dòng)力小，在大承載條件下，可能出現(xiàn)釋放困難的問(wèn)題，因此，可在接觸表面加二硫化鉬（MoS2）等固體潤(rùn)滑劑，以減小接觸零件之間的摩擦力。設(shè)計(jì)SMA釋放裝置，一般不采用SMA棒，雖然其輸出力大，但對(duì)電源功率要求高，且通電時(shí)間長(zhǎng)，難以滿足航天器對(duì)快速釋放的需求，因此大多選用快速響應(yīng)的SMA絲，因輸出力較小，往往將SMA絲作為觸發(fā)部件。當(dāng)需直接對(duì)SMA通電加熱時(shí)，應(yīng)對(duì)釋放裝置的殼體和內(nèi)部部分零件表面進(jìn)行鈍化處理，防止漏電。

圖2 基于形狀記憶合金的釋放裝置Fig.2 Releasing Device Based on Shape Memory Alloy

2.4 電磁鐵驅(qū)動(dòng)釋放裝置

小型電磁鐵的體積小、輸出力大，能在較惡劣的環(huán)境下使用，具備應(yīng)用于航天器釋放裝置的基本條件。2012年，文獻(xiàn)[11]利用金屬線纏繞分瓣螺母約束釋放螺栓的原理，設(shè)計(jì)的快速釋放裝置，如圖3所示。該裝置類似于線約束式熔斷釋放裝置，以推拉式電磁鐵取代易熔斷金屬絲作為觸發(fā)器，釋放時(shí)，推拉式電磁鐵的擋塊撤回，刀在張緊扭簧的作用下切斷彈性金屬線，解除對(duì)分瓣螺母的約束并釋放；2015年，文獻(xiàn)[12]中設(shè)計(jì)的立方星釋放裝置，其門鎖機(jī)構(gòu)選用吸盤式電磁鐵，接收分離信號(hào)前，電磁鐵的吸力克服艙門的扭簧扭力和釋放彈簧推力等負(fù)載，保證了艙門關(guān)閉可靠，得到分離信號(hào)時(shí)，電磁鐵吸力減弱，打開艙門并釋放立方星。釋放裝置選用電磁鐵作觸發(fā)器，其磁性可能干擾衛(wèi)星內(nèi)部的電子、通信等精密儀器，影響衛(wèi)星釋放后的正常工作，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮是否對(duì)電磁鐵隔磁處理。

圖3 推拉式電磁鐵驅(qū)動(dòng)釋放裝置Fig.3 Releasing Device Actuated by Push-Pull Electromagnet

2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)釋放裝置

直流電機(jī)的體積小、轉(zhuǎn)速高、輸出轉(zhuǎn)矩大、能耗低、對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，在航天器釋放裝置的設(shè)計(jì)中優(yōu)勢(shì)顯著。Hi-Shear公司創(chuàng)新性地采用直流電機(jī)作為釋放裝置的驅(qū)動(dòng)器[13]，如圖4所示。解鎖時(shí)，28VDC驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，解除對(duì)分瓣螺母的鎖緊約束并完成釋放，其釋放沖擊僅為火工品的1%左右。以直流電機(jī)為驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的釋放裝置，釋放響應(yīng)快，釋放沖擊小，能滿足大多數(shù)航天器對(duì)快速低沖擊釋放的要求，且能與航天器現(xiàn)有電源兼容，無(wú)需額外配置電源。雖然相關(guān)研究起步較晚，研究成果較少，但直流電機(jī)的特點(diǎn)以及不斷提升的電機(jī)性能決定直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)釋放裝置將成為繼基于SMA釋放裝置之后的另一個(gè)研究熱點(diǎn)。總之，航天器釋放裝置對(duì)質(zhì)量和體積、釋放時(shí)間、釋放沖擊、承載能力、可靠性等性能參數(shù)有嚴(yán)格的要求。熔斷釋放裝置體積小，可靠性低；石蠟驅(qū)動(dòng)釋放裝置雖能產(chǎn)生較大的輸出力，但對(duì)輸入能量要求高，通電作用時(shí)間長(zhǎng)；基于SMA的釋放裝置動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間短，釋放沖擊很小，可靠性高；電磁鐵驅(qū)動(dòng)釋放裝置的磁性可能對(duì)衛(wèi)星內(nèi)部的精密儀器產(chǎn)生干擾；電機(jī)驅(qū)動(dòng)釋放裝置的綜合性能優(yōu)良，既能產(chǎn)生大輸出力矩，又可實(shí)現(xiàn)快速低沖擊釋放功能。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)釋放裝置Fig.4 Releasing Device Actuated by Motor

3 非火工釋放裝置研制建議及發(fā)展展望

航天器小型化發(fā)展，能夠在滿足功能要求的前提下，降低發(fā)射成本，逐漸成為未來(lái)航天技術(shù)的主流發(fā)展方向。小型化發(fā)展對(duì)技術(shù)的要求越來(lái)越高，高精密儀器的廣泛使用，使得非火工釋放裝置倍受青睞，研制非火工釋放裝置要重點(diǎn)關(guān)注以下問(wèn)題：（1）高可靠性。可靠地連接和釋放是釋放裝置最基本的功能，關(guān)系到發(fā)射任務(wù)的成敗，避免裝置誤觸發(fā)釋放，可采用冗余觸發(fā)設(shè)計(jì)以提高釋放的可靠性。（2）在保證足夠承載能力的前提下，實(shí)現(xiàn)裝置小尺寸和輕質(zhì)量。隨著“一箭多星”技術(shù)日益成熟，一次發(fā)射中需要許多釋放裝置，輕小的釋放裝置可以將運(yùn)載能力充分應(yīng)用于衛(wèi)星等功能性載荷上。（3）高同步性。多個(gè)釋放裝置共同作用時(shí)，其釋放同步性關(guān)系到衛(wèi)星釋放后的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，因此，釋放裝置在應(yīng)用前，要嚴(yán)格檢測(cè)其同步性。（4）能適應(yīng)飛行環(huán)境和太空極端條件。一方面，釋放裝置需能承受因火箭起飛等產(chǎn)生的劇烈振動(dòng)；另一方面，要能承受太空極端溫度，為避免內(nèi)部金屬零件發(fā)生冷焊，可在金屬接觸面涂覆薄膜層（如二硫化鉬、二氧化鋯等），此舉既可以防止冷焊效應(yīng)發(fā)生，又因摩擦系數(shù)減小而有助于解鎖動(dòng)作展開。（5）選用的驅(qū)動(dòng)電源盡量與航天器自帶電源兼容（如28V/5A、24V/10A等），不單獨(dú)配置電源。

目前，雖然非火工釋放裝置還不能完全取代火工釋放裝置應(yīng)用于航天器的連接釋放中，但隨著材料技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)部件性能日益成熟，各類制約問(wèn)題定會(huì)迎刃而解，小型化、高性能、高可靠性的非火工釋放裝置在小型航天器的連接和釋放中，將扮演越來(lái)越重要的角色。我國(guó)在非火工釋放裝置的研究方面起步較晚，目前主要處于方案研究階段，與歐美國(guó)家存在差距，國(guó)外的早期探索有許多可借鑒之處，借鑒國(guó)外的研究經(jīng)驗(yàn)，將重點(diǎn)放在基于形狀記憶合金的釋放裝置和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)釋放裝置的方案上，優(yōu)化方案，創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，力求研發(fā)性能優(yōu)越的非火工釋放裝置。

4 結(jié)論

作為一類高性能、高可靠性的航天器釋放裝置，非火工釋放裝置是當(dāng)前航天器釋放技術(shù)研究的熱門領(lǐng)域。針對(duì)基于形狀記憶合金的釋放裝置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)釋放裝置等5種非火工釋放裝置的近期國(guó)內(nèi)外研究成果，分析了各釋放裝置的工作原理、性能特點(diǎn)以及可能存在的問(wèn)題和解決方法。相對(duì)于傳統(tǒng)的火工釋放裝置，非火工釋放裝置中的基于形狀記憶合金和直流電機(jī)設(shè)計(jì)的釋放裝置優(yōu)勢(shì)顯著，其不僅能實(shí)現(xiàn)快速釋放的功能，還克服了火工釋放裝置釋放沖擊大的缺點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)開展非火工釋放裝置的設(shè)計(jì)和研發(fā)具有指導(dǎo)意義。

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