趙學(xué)聰，郭 彤，于慧異，梁 廣，尹增山

（中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 201203）

隨著衛(wèi)星高集成度、高功能密度的發(fā)展，星上需解鎖展開部件越來(lái)越多。典型展開部件包括：天線、折疊帆板和載荷伸桿等[1]。傳統(tǒng)連接解鎖裝置基于火工品（爆炸螺栓、火工切割器）或者石蠟作動(dòng)器[2]。相比之下，近些年出現(xiàn)的基于熱致動(dòng)的解鎖裝置有顯著優(yōu)勢(shì)[3-5]。熱致動(dòng)解鎖裝置將電能轉(zhuǎn)換為熱能，熔斷高強(qiáng)度繩索實(shí)現(xiàn)解鎖，具有沖擊小、電磁不敏感、可重復(fù)使用和低成本的特點(diǎn)，更適合于微小衛(wèi)星使用。

國(guó)外開展熱致動(dòng)解鎖裝置研究較早：BDSG 公司聯(lián)合美國(guó)海軍空間技術(shù)中心開發(fā)了1 款解鎖裝置，連接時(shí)，鎳鈦合金帶受拉產(chǎn)生預(yù)緊力連接壓緊；解鎖時(shí)，鎳鈦合金帶通電加熱，其強(qiáng)度降低進(jìn)而斷裂，從而實(shí)現(xiàn)分離[6]。美國(guó)G&H 公司研制了QWKNUT 分離螺母[7]，如圖1 所示，對(duì)金屬細(xì)絲施加電流加熱熔斷，飛輪得以轉(zhuǎn)動(dòng)，多個(gè)鋼球進(jìn)入飛輪凹槽，接觸分瓣螺母徑向限制，從而在20 ms 內(nèi)釋放中間的螺桿。

圖1 QWKNUT 分離螺母

荷宇航研制了集成MHRM 多功能壓緊釋放裝置[8]，如圖2 所示，細(xì)繩索多圈纏繞在2 個(gè)金屬塊外圈產(chǎn)生超大預(yù)緊力，熱刀為蝕刻線路的陶瓷板。通電后熱刀逐步熔斷繩圈實(shí)現(xiàn)低沖擊解鎖。

圖2 MHRM 多功能壓緊釋放裝置

中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院齊魯一號(hào)衛(wèi)星太陽(yáng)翼采用大力馬繩拉緊，棒狀熱刀解鎖的方式成功實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)翼的在軌解鎖[9]。本文在這一研究的基礎(chǔ)上，提出1 種通用型高集成度小型化高強(qiáng)度熱切割解鎖裝置（TCHRM），通過(guò)主備設(shè)計(jì)提高可靠性。將應(yīng)用于控制力矩陀螺（CMG）隔振解鎖系統(tǒng)。進(jìn)行熱刀溫度測(cè)試、剛度試驗(yàn)、解鎖試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性。該裝置具有安裝方便、高剛強(qiáng)度、低沖擊和可重復(fù)試驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)?？蓱?yīng)用于星上太陽(yáng)能帆板展開、天線展開和載荷展開等場(chǎng)景。

1 熱切割解鎖裝置設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

熱切割解鎖裝置組成及坐標(biāo)系定義如圖3 所示，采用上下配合的1 對(duì)鈦合金支撐塊作為主承力結(jié)構(gòu)，保持高張力纏繞的繩圈使得支撐塊之間產(chǎn)生預(yù)緊力，兩者之間設(shè)計(jì)凸臺(tái)凹槽配合結(jié)構(gòu)，以承受橫向載荷。熱切割解鎖裝置一端連接星體，另一端連接展開件。支撐塊兩側(cè)安裝熱刀組件（互為備份），熱刀由彈簧推動(dòng)壓在繩圈上。熱刀通電后加熱，10 s 內(nèi)最高溫度超過(guò)300 ℃。熱刀熔斷繩圈的同時(shí)逐步推進(jìn)，緩慢釋放預(yù)緊力，2 個(gè)支撐塊之間無(wú)約束，最終實(shí)現(xiàn)展開件的解鎖釋放。

圖3 熱切割解鎖裝置組成

1.2 承力主體

直徑Φ0.6 mm 的纖維繩由專用繞線裝置纏繞在支撐塊外表面形成繩圈，繞制過(guò)程中繩索始終保持65 N 到75 N 的張力，單根破斷力大于600 N。纖維繩材料為荷蘭帝斯曼DSM 公司研發(fā)的DM20 迪尼瑪纖維，迪尼瑪纖維是一種超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE），DM20 新一代紗線具有低蠕變，能夠在高載荷下長(zhǎng)期服役的特點(diǎn)，適用于熱切割解鎖裝置[10]。繩索繞制參數(shù)為45 圈，寬度9 mm。繞制后在上下支撐塊之間形成大于2 kN 的預(yù)緊力。承力主體如圖4 所示。

圖4 承力主體

為防止真空冷焊并提高抗切向力能力，在上支撐塊的配合面爆炸噴涂碳化鎢增摩涂層。

1.3 熱刀組件設(shè)計(jì)

常規(guī)刀片狀熱刀抗沖擊及可靠性較低，多次通電后阻值會(huì)發(fā)生變化，不利于型號(hào)使用。本文設(shè)計(jì)新型棒狀熱刀（圖5），基體為Φ3 mm 氮化硅陶瓷，內(nèi)部預(yù)埋鎢絲，經(jīng)熱壓燒結(jié)成形，氮化硅陶瓷具有優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性和力學(xué)特性[11]。陶瓷棒兩端焊接氧化鋁陶瓷座。整體長(zhǎng)度46 mm，重量4.7 g。熱刀常溫電阻2.2±0.2 Ω。解鎖系統(tǒng)配置為4 把熱刀串聯(lián)供電。

圖5 棒狀熱刀組成

熱刀組件如圖6 所示。熱刀兩端通過(guò)推桿和開口銷約束，2 個(gè)壓縮彈簧共同推動(dòng)熱刀向外運(yùn)動(dòng)，最大行程8 mm。彈簧材料不銹鋼，線徑Φ0.8 mm，推力10～14 N。

圖6 熱刀組件

1.4 熱刀溫度仿真

熱刀體積小，功耗大，升溫非?？?。熱切割解鎖裝置在太空中使用時(shí)，只有接觸傳導(dǎo)和熱輻射2 種散熱方式。為了確定熱刀供電電壓，需要對(duì)熱刀進(jìn)行瞬態(tài)溫度場(chǎng)仿真。繩索材料分解溫度為150 ℃，因此熱刀棒溫度應(yīng)高于150 ℃且有較大的安全余量。另外熱刀棒溫度也不宜過(guò)高，否則較高的溫變速率使得熱應(yīng)力可能導(dǎo)致熱刀焊接部位破壞，影響裝置的使用壽命。根據(jù)以前型號(hào)經(jīng)驗(yàn)，熱刀最高溫應(yīng)不高于650 ℃。

在有限元分析軟件中建立參數(shù)化溫度仿真模型，網(wǎng)格模型如圖7 所示。

圖7 溫度場(chǎng)仿真網(wǎng)格模型

仿真得到熱刀在不同輸入功耗下，穩(wěn)態(tài)陶瓷刀棒最低溫和最高溫變化情況，如圖8 所示。從圖中可以看出，輸入電壓設(shè)計(jì)在10～12 V 較為合適，根據(jù)系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)，確定熱刀供電電壓10.5 V，穩(wěn)態(tài)功耗16.3 W，對(duì)應(yīng)穩(wěn)態(tài)熱刀棒最低溫397 ℃，最高溫598 ℃。

圖8 溫度隨輸入電壓變化曲線

熱刀10.5 V 恒壓供電情況下熱刀棒的溫度瞬態(tài)極值變化情況如圖9 所示。熱刀升溫迅速，60 s 達(dá)到577 ℃。

圖9 仿真熱刀溫度瞬態(tài)變化曲線

2 功能試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 溫度測(cè)試

為驗(yàn)證熱刀溫度仿真結(jié)果，在生產(chǎn)的同一批次熱刀中抽取4 把熱刀，測(cè)量其溫度上升情況。測(cè)試儀器為菲利爾A300 紅外熱成像儀。

熱刀常溫電阻見表1。

表1 熱刀電阻

?

實(shí)測(cè)熱刀棒最高溫度如圖10—圖11 所示（因背景影響，無(wú)法獲得熱刀棒表面低溫?cái)?shù)據(jù)）。

圖10 熱刀穩(wěn)態(tài)溫度分布

圖11 熱刀瞬態(tài)溫度變化曲線

4 把熱刀接近穩(wěn)態(tài)后最高溫度在500～580 ℃之間，與仿真結(jié)果接近。通電后2 s 左右，熱刀溫度即超過(guò)200 ℃，5 s 內(nèi)溫度超過(guò)300 ℃。測(cè)試結(jié)果表面，10.5 V輸入電壓較為合理。

2.2 剛度測(cè)試

在MTS 電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上測(cè)量熱切割解鎖裝置樣品的拉伸剛度、切向剛度、扭轉(zhuǎn)剛度及強(qiáng)度?？v向X向最大拉力5 kN，橫向Y向Z向最大拉力2 kN，橫向Y向Z向扭轉(zhuǎn)最大扭矩8 N·M。剛度測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖12 所示。

圖12 剛度測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

縱向（X向）拉伸的力-位移曲線如圖13 所示。

圖13 縱向拉伸剛度測(cè)試結(jié)果圖

剛度測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 剛度測(cè)試結(jié)果

2.3 解鎖試驗(yàn)

熱切割連接解鎖裝置經(jīng)過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)后，通電考核其解鎖功能。通電后，CMG 隔振解鎖系統(tǒng)的2 套熱切割連接解鎖裝置均成功解鎖，解鎖時(shí)間在2～3 s 范圍內(nèi)。證明了設(shè)計(jì)的可行性。熱切割解鎖裝置解鎖后的圖如圖14 所示。

圖14 熱切割解鎖裝置解鎖后圖

繩索受熱分解后的形態(tài)如圖15 所示。

圖15 繩索受切割后形態(tài)圖

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）本文設(shè)計(jì)1 種通用型高集成度小型化高強(qiáng)度熱切割解鎖裝置，具有安裝方便、高剛強(qiáng)度、低沖擊和可重復(fù)試驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用于星上展開部件有較大優(yōu)勢(shì)。

（2）提出了新型棒狀熱刀，具有更高的可靠性、更好的力學(xué)特性。進(jìn)行了通電穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)溫度場(chǎng)仿真。

（3）進(jìn)行溫度測(cè)試，與仿真結(jié)果相吻合；進(jìn)行了剛度測(cè)試；考核了裝置的力學(xué)適應(yīng)能力。

（4）振后解鎖試驗(yàn)表明熱切割解鎖裝置解鎖功能正常，滿足控制力矩陀螺隔振解鎖系統(tǒng)要求。