展开机构及其形状记忆合金的预处理方法与流程

本发明涉及航天器技术领域，特别涉及一种展开机构及其形状记忆合金的预处理方法。

背景技术：

航天器(spacecraft)，又称空间飞行器、太空飞行器，是指按照天体力学的规律在太空运行，执行探索、开发、利用太空和天体等特定任务的各类飞行器。如今，许多航天器都具有展开机构，例如探测、气象、通信等卫星以及月球探测车等航天器。在航天器的众多展开机构中，属太阳能帆板最为常见。

航天器的展开机构在发射过程中处于折叠收拢状态，并固定放置在有效载荷舱内；而在发射完成并到达指定位置以后，可由地面控制中心或航天器自主控制该展开机构按要求展开，达到预设形态后锁定并正常工作。

目前，航天器的展开机构为折叠式且分为有源和无源两种，有源折叠式展开机构一般以电机驱动为主，典型应用为大型固面或可动天线的展开机构，其虽可靠稳定，但占用空间大、结构复杂、质量大且易产生电磁干扰；无源折叠式展开机构通常以弹簧作为主要动力源，为其展开提供驱动能量，而其锁紧释放机构一般采用火工品机构，如爆炸螺栓，可控性差，会对航天器会造成明显的冲击作用，以致影响运行轨迹，甚至会损害航天器内部设备，可靠性差。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提出一种展开机构，旨在解决目前航天器的展开机构占用空间大、结构复杂、质量大以及不可靠的问题。

为实现上述目的，本发明提出一种展开机构，该展开机构包括支撑架和设于所述支撑架上的固定架，所述固定架下方设有折叠机构；所述折叠机构包括转动架和若干依次铰接的折叠框，所述转动架的一端与所述固定架铰接，另一端与首个所述折叠框铰接，所述转动架和若干所述折叠框的转动方向依次相反；所述展开机构还包括穿设于所述转动架和若干折叠框上的形状记忆合金丝，所述形状记忆合金丝在受热时可展开所述折叠框。

优选地，所述固定架、转动架和若干折叠框上均设有若干过线孔，所述过线孔从上至下逐一对应以供所述形状记忆合金丝穿设。

优选地，所述固定架上设有第一固定组件，所述第一固定组件包括两相对接的第一压线块以及设于两所述第一压线块之间的第一压线槽。

优选地，末位的所述折叠框上设有第二固定组件，所述第二固定组件包括两相对接的第二压线块以及设于两所述第二压线块之间的第二压线槽。

优选地，所述第二压线槽为u形槽，所述形状记忆合金丝的中部相应弯折成u形且位于所述第二压线槽内，所述形状记忆合金丝的两端通过所述第一固定组件固定。

优选地，所述第一固定组件还包括两间隔布置的绝缘块，两所述第一压线块位于两所述绝缘块之间。

优选地，所述固定架与转动架、转动架与首个折叠框以及相邻两折叠框之间均通过铰链以形成所述铰接，所述铰链包括两铰接座和穿设在两所述铰接座之间的铰接轴。

优选地，两所述铰接座其中之一上设有弹性卡柱，所述弹性卡柱与另一所述铰接座沿所述铰接轴的轴向抵接，且另一所述铰接座上设有与所述弹性卡柱相适配、位于所述弹性卡柱转动方向上的卡孔。

优选地，所述支撑架上设有沿上下方向布置的滑轨，所述折叠框的边侧中心位置处设置有固定轴和位于所述固定轴上、与所述滑轨滑动配合的滑轮。

本发明还提出一种形状记忆合金的预处理方法，应用于上述所记载的展开机构，该预处理方法包括：

将多根形状记忆合金丝加热至预设温度，在保温预设时间后，再对所述形状记忆合金丝进行冷却；

在所述形状记忆合金丝冷却完成后，采用万能试验机对部分所述形状记忆合金丝进行拉伸试验，以获取所述形状记忆合金丝的最大残余应变范围及所对应的拉力范围；

在获取所述形状记忆合金丝的最大残余应变范围及所对应的拉力范围后，取其拉力的最大值作为第一拉力值，并将所述第一拉力值加上预设数值以计算获得第二拉力值；

采用万能试验机对剩余未进行拉伸检测的形状记忆合金丝进行拉伸，以使其拉力达到所述第二拉力值，并卸载其载荷至预设位移值，所述预设位移值小于最大残余应变中的最小值；

通电加热所述形状记忆合金丝至其应力上升至预设阈值后断电冷却。

本发明技术方案与现有技术相比，其有益效果在于：本展开机构主要由支撑架、固定架、折叠机构(转动架以及若干折叠框)和形状记忆合金丝组成，在实际应用时，折叠机构呈完全折叠状态，若干折叠框从上至下呈“z”字型依次靠拢折叠，形状记忆合金丝通电加热收缩带动折叠框转动，各折叠框逐渐转变为竖向直线布置，使折叠机构呈完全展开状态时断电冷却，以完成展开动作；本展开机构基于形状记忆合金所设计，占用空间小，结构简单、质量小、稳定可控且安全可靠。

附图说明

图1为本发明一实施例中展开机构处于完全折叠状态时的结构示意图；

图2为本发明一实施例中展开机构处于完全展开状态时的结构示意图；

图3为图2中展开机构一部分的结构示意图；

图4为图2中展开机构又一部分的结构示意图；

图5为图2中展开机构再一部分的结构示意图；

图6为图2中展开机构的铰链的爆炸结构示意图；

图7为本发明一实施例中形状记忆合金的预处理方法的流程图；

图8为本发明一实施例中展开机构处于完全折叠状态时其部分形状记忆合金丝的简化状态图；

图9为本发明一实施例中展开机构处于完全展开状态时其部分形状记忆合金丝的简化状态图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的方案进行清楚完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明中的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种展开机构，参照图1和图2，该展开机构包括支撑架100和设于支撑架100上的固定架200，固定架200下方设有折叠机构；折叠机构包括转动架300和若干依次铰接的折叠框400，转动架300的一端与固定架200铰接，另一端与首个折叠框400铰接，转动架300和若干折叠框400的转动方向依次相反；展开机构还包括穿设于转动架300和若干折叠框400上的形状记忆合金丝10，形状记忆合金丝10在受热时可展开折叠框400。

本实施例所涉及的展开机构主要应用于航天器上，其以形状记忆合金作为动力源，利用形状记忆合金受热收缩的特性，为结构的展开提供驱动能量。具体地，该展开机构主要由支撑架100、固定架200、折叠机构和形状记忆合金丝10等组成，其中，支撑架100作为结构安装基础，可设置为多种架体结构形式，参照图1和图2，在本实施例中，支撑架100为由多根横梁和竖梁组合装配而成的矩形框架，横梁和竖梁采用型材，取材以及组装方便。固定架200和折叠机构共同位于支撑架100的一周向侧面，且从上至下依次设置，其中，参照图1至图3，固定架200设置在支撑架100的顶部横梁上，固定架200上凸出设置有滑块以卡合在横梁的型材滑槽内；折叠机构包括转动架300和折叠框400，转动架300位于固定架200的下方，转动架300的上端与固定架200的下端铰接；参照图1、图2和图4，折叠框400为若干个且从上至下依次铰接，其首个(即位于首端位置处)的折叠框400的上端与转动架300的下端铰接。以上所提及的任意相铰接的两结构件，均可通过在二者相接位置处设置销轴、铰链或其它零件以形成铰接。另外，本实施例中，折叠机构为完全折叠状态时，若干折叠框400呈“z”字型依次靠拢折叠，任意相邻两折叠框400之间为0°，因转动架300和若干折叠框400的转动方向依次相反，在转动架300和若干折叠框400沿其各自转动方向转动后，其任意相邻两折叠框400之间可至180°，此时，若干折叠框400呈竖向直线设置，且折叠机构为完全展开状态。

参照图4，折叠框400可为方形框，其由多根直杆连接装配而成。作为优选，直杆采用碳纤维杆。并且，本实施例中，折叠框400为五个，当然，这仅是示例性的，并非绝对性的，折叠框400的数量设置可根据实际情况而定。本展开机构在实际应用时，参照图2、图4和图5，折叠框400上可安装太阳能板410，折叠框400的直杆上设置夹持件，以通过多个夹持件夹持太阳能板410的边侧，实现太阳能板410的固定。并且，太阳能板410可为若干块，其形状大小和设置数量可自行设定。

另外，可知的是，形状记忆合金(shapememoryalloys，简称sma)，是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的预变形，恢复其变形前原始形状的合金材料，即拥有“记忆”效应的合金。形状记忆合金作为近年来应用研究较多的智能材料之一，由于其具有较高能量驱动密度和可观的变形量，以及简单可靠、无噪音、无电磁干扰等优点而被广泛应用。形状记忆合金的丝材可分为单程形状记忆合金(受热收缩、冷却后不恢复原长)和双程记忆合金(受热收缩、冷却后恢复原长)，然而，不管是单程或双程的材料，本实施例中的形状记忆合金丝10均可采用其制成。具体地，形状记忆合金丝10沿固定架200、转动架300和若干折叠框400布置，形状记忆合金丝10的两端分别固定在固定架200和末位(即位于尾端位置处)的折叠框400上，中间部分从上至下依次穿过固定架200、转动架300和各折叠框400以实现与各结构的衔接。所容易理解的是，折叠机构为完全折叠状态时，任意相邻两折叠框400之间为0°，形状记忆合金丝10也为呈“z”字型的折叠状态，当形状记忆合金丝10受热时收缩变短，其会相应带动转动架300和各折叠框400沿各自转动方向转动，并会最终变形成竖直直线状态，相邻两折叠框400之间为180°。至于形状记忆合金丝10的具体设置形式将在后续实施例中说明，在此不作阐述。

对于该形状记忆合金丝10，本实施例中采用通电加热的方式以实现其收缩变形，具体地，可在形状记忆合金丝10的两端分别设置导电片以与其接触，并使导电片连接电源，以直接在形状记忆合金丝10的两端加载电流/电压，当然，除此以外，也可采用其它通电结构设置，在此不作过多阐述。为使形状记忆合金丝10实现上述特性，在装配形状记忆合金丝10之前，需对其进行预处理，至于该形状记忆合金丝的预处理具体操作细节，将在后续实施例中详细说明，在此不作阐述。

本展开机构在实际应用时，折叠机构呈完全折叠状态，若干折叠框400从上至下呈“z”字型依次靠拢折叠，形状记忆合金丝10通电加热收缩带动折叠框400转动，各折叠框400逐渐转变为竖向直线布置，使折叠机构呈完全展开状态时断电冷却，以完成展开动作；本展开机构基于形状记忆合金所设计，占用空间小，结构简单、质量小、稳定可控且安全可靠。

在一较佳实施例中，参照图3至图5，固定架200、转动架300和若干折叠框400上均设有过线孔1，过线孔1从上至下逐一对应以供形状记忆合金丝10穿设。具体地，固定架200、转动架300和若干折叠框400上均设置凸出部，以在凸出部上设置该过线孔1，并且，作为优设，以将凸出部在两结构件之间的铰接位置处。其中，各过线孔1从上至下逐一对应，形状记忆合金丝10依次穿设固定架200、转动架300和若干折叠框400上的过线孔1，结构简单，装配方便。并且，形状记忆合金丝10的端部分别固定在固定架200和末位的折叠框400上，从而，形状记忆合金丝10在受热收缩时，可带动转动架300和若干折叠框400转动，以使折叠机构展开。为保证转动架300和折叠框400转动，作为优设，在每一铰接位置处，过线孔1设置在两结构件折叠时相靠近的一侧。

为实现形状记忆合金丝的固定，参照图2和图3，固定架200上设有第一固定组件20，第一固定组件20包括两相对接的第一压线块21以及设于两第一压线块21之间的第一压线槽。可知的是，第一固定组件20用于固定形状记忆合金丝10，其主要由两第一压线块21组成，两第一压线块21的压合面上设有第一压线槽，所设第一压线槽采用半圆槽，以在两第一压线块对接压合时构成圆形的压线槽以夹持形状记忆合金丝10，可有效防止形状记忆合金丝10因夹持部位应力集中而导致的局部损坏，提高工作的可靠性。其中，两第一压线块21采用若干绝缘衬套穿设以锁紧固定在固定架200上，第一压线块21采用高硬度金属材料制成，具有非常好的刚度，不易变形，可避免出现因压线块形变而导致夹持不紧的情况。作为优化，第一压线槽的槽壁可设置防滑纹路，以防止形状记忆合金丝滑动松脱，提高夹持稳定性。

除此之外，参照图2和图5，末位的折叠框400上设有第二固定组件30，第二固定组件30包括两相对接的第二压线块31以及设于两第二压线块31之间的第二压线槽。其中，第二固定组件30设置在末位(即位于尾端位置处)的折叠框400上，且位于该折叠框400的底部边侧，其主要包括两第二压线块31，两第二压线块31的压合面上设有第二压线槽，与上述第一压线槽一致，所设第二压线槽采用半圆槽，以在两第二压线块31对接压合时构成圆形的压线槽以夹持形状记忆合金丝，可有效防止形状记忆合金丝因夹持部位应力集中而导致的局部损坏，提高工作的可靠性。并且，第二压线槽的槽壁也可设置防滑纹路，以防止形状记忆合金丝10滑动松脱，提高夹持稳定性。其中，第二压线块31与上述第一压线块21一致，也可采用高硬度金属材料制成，所设第二压线块31可保证对形状记忆合金丝10产生足够的约束力，以使机构稳定运行。

进一步地，参照图5，第二压线槽为u形槽，形状记忆合金丝10的中部相应弯折成u形且位于第二压线槽内，形状记忆合金丝10的两端通过第一固定组件20固定。具体地，本实施例中，形状记忆合金丝10的中部为弯折设置，其两端分别固定在第一固定组件20的两个第一压线槽内，而中间部分则固定在第二固定组件30的第二压线槽内。通过上述结构设置，形状记忆合金丝10实质形成平行的两段，从而在其受热收缩时，可使得带动转动架300以及各折叠框400转动的收缩力加倍，使其驱动更加可靠，并且，形状记忆合金丝10的两端相近，便可在机构的同一侧对形状记忆合金丝10加载电流/电压，实现起来更为简单方便。

进一步地，参照图3，第一固定组件20还包括两间隔布置的绝缘块22，两第一压线21块位于两绝缘块22之间。具体地，两绝缘块22和两第一压线块21依序堆叠，并采用上述所提及的绝缘衬套320进行安装固定。绝缘块22以及上述的绝缘衬套可采用如聚甲醛(pom)等各项力学性能优良且耐热度良好的工程塑料加工而成，实现对形状记忆合金丝10通电时的绝缘，在保证机构力学性能的同时，以实现对机构安全性以及可靠性的提高。

在一较佳实施例中，参照图2至图6，固定架200与转动架300、转动架300与首个折叠框400以及相邻两折叠框400之间均通过铰链40以形成铰接，铰链40包括两铰接座41和穿设在两铰接座41之间的铰接轴。参照图6，其中，两铰接座41的结构不同，其中一个铰接座41上设有两间隔布置的第一铰接部，另外一个铰接座41上设有一个伸入两第一铰接部之间的第二铰接部，铰接轴依次穿设在第一铰接部和第二铰接部上。上述所提及的相铰接的两构件之间均采用铰链的设置，结构紧凑，转动配合稳定。

进一步地，参照图6，两铰接座41其中之一上设有弹性卡柱2，弹性卡柱2与另一铰接座41沿铰接轴的轴向抵接，且另一铰接座41上设有与弹性卡柱2相适配、位于弹性卡柱2转动方向上的卡孔3。具体地，两铰接座41均包括对接面，弹性卡柱2位于其中一之铰接座41的对接面上所设容置槽内，并与另一铰接座41的对接面相抵接。所容易理解的是，两折叠框400为0°的折叠状态，以及二者在相对转动时，铰接座41上的弹性卡柱2与另一铰接座41的对接面呈弹性抵接状态，而当两折叠框400到达180°的展开状态时，弹性卡柱2到达卡孔3位置处并自动伸入卡孔3中，以锁定两折叠框400使之相互不可转动，有效地提升了机构完全展开后的稳定性，以为设备的正常工作提供保障。其中，弹性卡柱2的设置可为多种，本实施例所采用的的弹性卡柱2包括卡柱本体和与其连接的弯折设置的弹片，除此以外，还可采用弹簧以为其提供弹力。其中，固定架200与转动架300、转动架300与首个折叠框400的锁定同样参照上述结构进行设置。

在一较佳实施例中，参照图2、图4和图5，支撑架100上设有沿上下方向布置的滑轨4，折叠框400的边侧中心位置处设置有固定轴5和位于固定轴5上、与滑轨4滑动配合的滑轮6。作为优设，折叠框400的相对两侧均设置有固定轴5以及滑轮6，其中，滑轮6采用轴承。可理解的是，当形状记忆合金丝10受热收缩时，折叠框400组自上往下展开，各折叠框400的滑轮6沿滑轨4向下滑动。通过所设固定轴5及滑轮6，可使折叠框400以固定轴5的轴线为中心线转动，以实现折叠机构的精准展开，提高机构的可靠性和稳定性。上述滑轨4、滑轮6等结构乃是针对展开机构的地面试验所设计，但其运用场景不仅限于有重力情况，更主要适用于太空无重力情形，若取该结构的设计，折叠机构为完全折叠状态时，占用空间可进一步减小。

需要说明的是，本发明中所涉及的展开机构，仅对一个方向上的展开进行了说明，但根据此展开原理，可将展开机构在不同的方向上使用，比如展开机构在一个方向上展开以后，在与其空间两个垂直方向上也可依据相同的展开远离进行展开；并且，本发明的技术内容只是对传统折叠方式的展开进行了解释验证，但折叠方式不仅限于传统方式，比如三浦折叠等折叠方式也可运用本发明的展开远离以相应进行展开动作。

对于上述所记载的展开机构的形状记忆合金丝10，当其采用单程形状记忆合金时，本发明还提出一种形状记忆合金的预处理方法，参照图7，该预处理方法包括：

步骤s10：将多根形状记忆合金丝10加热至预设温度，在保温预设时间后，再对形状记忆合金丝10进行冷却；

步骤s20：在形状记忆合金丝10冷却完成后，采用万能试验机对部分形状记忆合金丝10进行拉伸试验，以获取形状记忆合金丝10的最大残余应变范围及所对应的拉力范围；

步骤s30：在获取形状记忆合金丝10的最大残余应变范围及所对应的拉力范围后，取其拉力的最大值作为第一拉力值，并将第一拉力值加上预设数值以计算获得第二拉力值；

步骤s40：采用万能试验机对剩余未进行拉伸检测的形状记忆合金丝10进行拉伸，以使其拉力达到第二拉力值，并卸载其载荷至预设位移值，预设位移值小于最大残余应变中的最小值；

步骤s50：通电加热形状记忆合金丝10至其应力上升至预设阈值后断电冷却。

形状记忆合金具有低温马氏体态和高温奥氏体态，其经合适的热处理后，常温下表现为易变形马氏体态，其可通过施加外力而发生形变，并在释放外力后存在部分形变残余，理论最大残余可恢复应变达到10％以上，根据材料不同，实际变形量在4％～8％不等。在加热至相变温度(奥氏体状态)后，变形可完全恢复且能提供非常可观的拉力。

其中，参照图8和图9，展开机构完全折叠(即0°)时，两折叠框400之间的形状记忆合金丝10的长度为2l+πr；展开机构完全展开(即180°)时，两折叠框400之间的形状记忆合金丝10的长度为2l。展开机构完全折叠(即0°)至完全展开(即180°)，两折叠框400之间的形状记忆合金丝10的长度变化值为转轴的1/2个周长，故所需形状记忆合金丝10的应变为：

ε＝πr/2l。

基于上述理论知识，以对形状记忆合金丝10进行预处理，以制备得到符合上述展开机构要求的形状记忆合金丝10。具体地，实施上述步骤s10～s50的形状记忆合金的预处理方法，需要说明的是，在步骤s10中，所采用的多根形状记忆合金丝10的长度均为l，且采用恒温炉加热，预设温度可为500℃，保温的预设时间可为3h，通过步骤s10，以使得形状记忆合金丝10的第一相变温度提升至第二相变温度，其中，第一相变温度低于室温，且第二相变温度为70℃左右，其比第一相变温度高60℃左右；在步骤s30中，预设数值可为100n，即第二拉力值f2等于第一拉力值f1+100n；在步骤s40中，预设位置值为x，该预设位置值x应小于上述所测最大残余应变中的最小值；在步骤s50中，应力的预设阈值可为200mpa，并且在多次反复执行步骤s50的操作之后，可基本消除形状记忆合金的拉应力，观察万能试验机所显示的拉力数值几乎归为零(考虑有零飘，范围根据设备而定)。则此时形状记忆合金丝10的残余应变为x/l1，预设位移值x为精准残余形变长度，最终获得的形状记忆合金的长度为l2，l2＝l1+x。

当展开机构的形状记忆合金丝10采用双程形状记忆合金时，则可对其进行双程记忆效应训练处理，其具体训练处理方式可参照现有技术。形状记忆合金丝10在经过上述预处理之后，即可装配至上述的展开机构上。当然，本实施例所提出的形状记忆合金的预处理方法，除应用至上述展开机构的形状记忆合金丝10上，也可在涉及到形状记忆合金的其它装置、设备甚至其它领域作相关应用。

以上所述的仅为本发明的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本发明保护的范围，凡是在与本发明一个整体的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明保护的范围内。