星載激光通信端機形狀記憶合金鎖緊機構研究

張家齊，王愛華，鄧寧

（1.長春理工大學 空間光電技術國家地方聯合工程研究中心，長春 130022；2.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022；3.吉林鐵道職業(yè)技術學院，吉林 132200；4.長春理工大學光電信息學院，長春 130114）

隨著航天探測和通信等技術的不斷發(fā)展，星載伺服轉臺應用逐漸增多，這種轉臺以二維轉臺為主，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)射時整個通信端機系統(tǒng)的模態(tài)和防止軸系轉動，星載伺服轉臺方位軸和俯仰軸需要多個鎖緊機構。目前伺服轉臺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：爆炸時火藥粉末會污染光學系統(tǒng)、爆炸殘骸會傷及周圍的結構和設備；爆炸沖擊大、燃氣釋放多；不能循環(huán)利用，只能一次性使用的元器件；因此急需開發(fā)非火工品鎖緊裝置來滿足更嚴苛的航天使用要求［1，2］。

國外已有根據傳統(tǒng)火工品思路，研制出形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，SMA）解鎖機構，該鎖緊機構在鎖緊狀態(tài)時通過銷釘銷緊分瓣螺母，使分瓣螺母形成螺紋副，解鎖時記憶合金棒被加熱，記憶合金棒伸長，產生的回復應力使銷釘斷裂，分瓣螺母分離，螺栓脫離，實現解鎖。該鎖緊結構機構具有承載大、低沖擊、無污染等優(yōu)點，但存在不能重復使用的問題［3］。

本文針對火工品鎖緊裝置爆炸沖擊大、燃氣釋放多和國外常用記憶合金鎖緊機構不可重復使用的問題，以星地激光通信項目為背景，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構，該鎖緊機構結構簡單、可提高系統(tǒng)的發(fā)射剛度、可靠性高、可重復利用。

1 鎖緊機構設計

形狀記憶合金鎖緊機構，如圖1所示，最大尺寸為60mm×25mm×25mm。

圖1 解鎖機構設計圖

如圖所示1是鎖緊機構安裝孔；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，通信端機未工作時，鎖緊裝置中的加熱絲未通電，通信端機通過鎖緊體本身材料的彈性變形對轉動體進行夾緊，實現鎖緊體對被夾緊體的鎖緊動作；

通信端機工作時，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部，加熱效率大大提升，當達到形變溫度時TiNi記憶合金棒的長度發(fā)生延伸，產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，卸掉對轉動體的夾緊力，此時控制電機運動驅動轉動體從鎖緊裝置中轉出，實現鎖緊機構釋放動作。此結構提高了整個系統(tǒng)的剛度，且能夠重復利用，原理簡單，可靠性高。

2 驅動單元設計

這種形狀記憶合金解鎖機構，其核心是利用記憶合金形狀記憶效應受熱伸長和冷卻時復位來實現機構的釋放與鎖緊過程，驅動單元的設計將直接關系到機構解鎖功能的實現，其設計非常重要。

2.1 設計原理和方法

機構的驅動單元是由TiNi記憶合金棒記憶效應和鎖緊體的彈性變形決定的，高溫下記憶合金棒回復力抵消鎖緊體的彈性變形力完成解鎖，記憶合金棒冷卻時，長度收縮，鎖緊體用自身的彈性變形將被鎖緊體鎖緊，實現復位。

鎖緊體的彈性變形力由記憶合金棒變形長度決定，回復力還要小于鎖緊體材料的屈服極限，同時通過調整U型槽，保證鎖緊體上下夾持力相等，設計流程如圖2所示。

圖2 設計方法流程圖

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 鎖緊體設計

（1）記憶合金棒材料的選取

具有形狀記憶效應的合金已發(fā)現超過上百種，但當前應用最廣的主要是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，應用最為廣泛的一種材料，其綜合性能優(yōu)良，具有比強度高、耐蝕耐磨、疲勞壽命高等特點。

本文選用的高溫TiNi合金作為鎖緊裝置的驅動機構，材料的性能如表1。

表1 TiNi記憶合金材料參數

（2）鎖緊體設計

加熱記憶合金棒加熱伸長，使鎖緊體發(fā)生彈性變形，試驗表明TiNi記憶合金棒在80℃發(fā)生相變，伸長量為1mm。鎖緊機構力學分析如圖3所示，設計鎖緊體上下夾緊槽的寬度為12.5mm，被夾緊體的寬度為13.5mm，通過公式（1）計算星載激光通信端機受到單支鎖緊體夾持力。

圖3 鎖緊機構力學分析

式中，w是單側鎖緊體最大撓度；F1=F2是鎖緊體克服彈性變形的力；X=a為受力點距離端點的距離；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角；S為TiNi記憶合金棒橫截面積。

表2 鎖緊體參數

把表 2的參數帶入公式（1）-（3）求得F1為95516.7N，477.6MPa，TiNi記憶合金棒回復使鎖緊體產生的變形力小于Ti-5Al-2.55n鈦合金的屈服極限827MPa，當記憶合金棒冷卻時，由于被鎖緊體厚度大于鎖緊體槽的厚度，鎖緊體對被鎖緊體施加一個彈性變形力F3，F3、F4的處的變形尺寸為0.5mm，帶入數值算出鎖緊體施加給星載激光通信端機的鎖緊力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，合理的設計與布置方位軸和俯仰軸的鎖緊機構也可提高星載通信端機的整體剛度。其中俯仰軸系和方位軸系中的軸承是微間隙單元，如何更為準確地分析含有間隙機構的動力學特性，對于結構設計與整機的力學適應性預測具有重要意義。

對間隙機構的分析國內外有很多文章，很多研究者是把軸承簡化成為恒定的剛度的彈簧，通過公式（4）計算出軸承的剛度

式中，Z——軸承滾動體數目；Db——軸承滾動體直徑；α——軸承接觸角；Fa0——軸承預緊力。

圖4 軸承簡化模型

如圖4用均布在軸上的四根彈簧來模擬軸承［6］，這種對軸承恒定剛度的假設忽略了軸承本身徑向間隙，對于軸承的彈性接觸問題和間隙問題，本文用有限元中的間隙單元概念來進行建模分析。

在研究接觸問題之前，首先采用如下假設：

（1）接觸材料的特性是線性的，位移和應變都很??；

（2）作用在接觸面上的摩擦力滿足庫侖定理；

（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、無摩擦接觸、粗糙接觸、摩擦接觸，其中無摩擦、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。使用非線性接觸類型，可以模擬間隙及更準確的接觸狀態(tài)。

間隙單元的平衡方程為：

整個結構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)點的位移向量；{}F為作用在節(jié)點上的外部載荷（包含間隙單元節(jié)點上的外力

在式（6）中，間隙單元的剛度矩陣根據幾何邊界條件設定：對于開式接觸，即所有間隙單元的節(jié)點對位移滿足，QiN-QjN＜δ可通過增大間隙單元的彈性模量來減小2個接觸體接觸面之間的間隙；當QiN-QjN=δ，表明2個物體剛好處于接觸狀態(tài)，彈性模量不需要修改［7-8］。

激光通信端機方位軸和俯仰軸承內圈、外圈過盈配合，軸向和徑向的載荷是通過內圈施加到鋼球上，假設變形發(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，通過有限元法建立激光通信端機軸承的柔體到柔體基礎模式力學模型。

鎖緊機構鎖緊處材料的彈性變形對激光通信端機進行鎖緊，夾緊部分通過有限元法建立計算外力F3，F4外力作用下產生的摩擦接觸的力學模型。

4 仿真分析

為了提升發(fā)射時整個系統(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構，方位鎖緊機構安裝位置如圖5所示，通過螺釘固定在激光通信端機的U型架的下方，俯仰鎖緊機構安裝位置如圖6所示，分別固定在俯仰框架的中心對稱的兩側。

圖5 方位鎖緊機構安裝位置

圖6 俯仰鎖緊機構安裝位置

此任務中激光通信端機應用在高軌衛(wèi)星上，完成高軌對地激光通信演示實驗，根據軌道和地面站分析，激光通信端機轉動范圍很小，方位軸和俯仰軸轉動范圍為±5°，當鎖緊機構完成釋放狀態(tài)后，通信端機進入工作狀態(tài)，兩軸運動到指定工作范圍內。避開鎖緊機構，由于運動范圍在±5°范圍內不會與結構干涉。

對模型進行簡化處理，減少無必要的運算，簡化后的整體結構圖如圖7所示［9-11］。

圖7 簡化后的激光通信端機

根據上節(jié)的剛度分析，對端機各部分進行有限模型的建立，隨后對星載激光通信端機非鎖緊和鎖緊時的模態(tài)進行分析，得到表3、圖8和圖9。

表3 激光通信端機的基頻

圖8 未鎖緊的激光通信端機三個方向基頻振型

圖9 鎖緊后的激光通信端機三個方向基頻振型

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

5 結論

根據星載激光通信端機的工作模式和發(fā)射要求，設計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構該鎖緊機構結構簡單、可靠性高，可重復利用。解決了火工品鎖緊裝置爆炸沖擊大、燃氣釋放多和國外常用記憶合金鎖緊機構脫離螺母回收和不可重復使用的問題。對鎖緊機構進行了設計，并對星載激光通信端機進行了剛度分析，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，證明該鎖緊機構滿足激光通信端機的使用要求。

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