翼面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，特别涉及一种翼面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。

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，在航天器中，常见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翼面展开机构，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，本发明提出一种翼面展开机构，该翼面展开机构包括基座、翼板和形状记忆合金丝，所述翼板包括翼板本体和转动部，所述翼板通过所述转动部与所述基座铰接，所述形状记忆合金丝的一端与所述转动部连接，另一端固定在所述基座上。

优选地，所述基座包括铰接部和设于所述铰接部上的铰接轴，所述转动部套设于所述铰接轴上。

优选地，所述铰接部上设有第一通孔，所述转动部上对应所述第一通孔设有第二通孔，所述第一通孔和第二通孔通过剪切销连接。

优选地，所述翼面展开机构还包括设于所述基座上的滑孔，所述滑孔内设有滑杆和弹性件，所述滑杆的一端与所述转动部抵接，另一端与所述弹性件抵接。

优选地，所述转动部与所述滑杆抵接的侧面为斜面。

优选地，所述基座上设有固定座和位于所述固定座上的固定组件，所述固定组件包括两上下设置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，所述转动部上贯穿设置有卡孔和与所述卡孔相适配的第二压线块，所述第二压线块和所述卡孔之间设有第二压线槽。

优选地，所述第二压线块为楔形块，所述转动部上还设有位于所述卡孔开口处的限位板。

优选地，所述转动部顶端设有用于容置所述形状记忆合金丝的绕线槽，且所述绕线槽位于所述卡孔上方。

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翼面展开机构，所述预处理方法包括：

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：本翼面展开机构主要由基座、翼板和形状记忆合金丝组成，在实际应用时，其翼板为0°的完全折叠状态，形状记忆合金丝通电加热收缩带动翼板的转动部转动，使翼板转换至90°的完全展开状态后断电冷却，以完成展开动作；本翼面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翼面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翼面展开机构处于完全张开状态时的结构示意图；

图3为本发明一实施例中翼面展开机构一部分的结构示意图；

图4为本发明一实施例中翼面展开机构又一部分的爆炸结构示意图；

图5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6为本发明一实施例中翼面展开机构处于完全折叠状态时其形状记忆合金丝的简化示意图；

图7为本发明一实施例中翼面展开机构处于完全展开状态时其形状记忆合金丝的简化示意图。

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。

本发明提出一种翼面展开机构，参照图1和图2，该翼面展开机构包括基座100、翼板200和形状记忆合金丝10，翼板200包括翼板本体210和转动部220，翼板200通过转动部220与基座100铰接，形状记忆合金丝10的一端与转动部220连接，另一端固定在基座100上。

本实施例所涉及的翼面展开机构主要应用于航天器上，具体地，参照图1和图2，该翼面展开机构主要由基座100、翼板200和形状记忆合金丝10等组成，其中，基座100可为异形座体，翼板200包括翼板本体210和转动部220，翼板本体210可呈为多边形，其与转动部220一体成型。翼板200的转动部220与基座100铰接设置，其可采用销轴、铰链或其它零件以形成铰接，从而实现翼板200可在基座100上转动，即翼板200可由呈0°的完全折叠状态转换为90°的完全展开状态。当翼板200为0°的完全折叠状态时，其翼板本体210与基座100相靠近；当翼板200为90°的完全展开状态时，其翼板本体210与基座100相远离。

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)，因双程形状记忆合金的收缩应力不及单程形状记忆合金，作为优选，本实施例所涉及的形状记忆合金丝10选用单程形状记忆合金的材料制成。其中，形状记忆合金丝10设置于基座100和翼板200之间，其一端与基座100连接，另一端与翼板200的转动部220连接。具体地，参照图1，当翼板200为0°的完全折叠状态时，翼板200的转动部220自基座100向上垂直伸出，其翼板本体210相对位于基座100的下方，形状记忆合金丝10、基座100以及转动部220构成直角三角形；参照图2，当翼板200转换为90°的完全展开状态时，其翼板本体210则转动至基座100的相对水平位置。采用上述的布置形式，形状记忆合金丝10不会与基座100发生干涉，有利于翼板200的完全展开。其中，形状记忆合金丝10的固定形式可为多种，如设置安装柱以供其缠绕，或设置其它固定结构，具体设置将在后续实施例中详细说明，在此不作阐述。另外，形状记忆合金丝10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。

参照图1和图2，本翼面展开机构在安装时，其一般通过基座100固定于航天器的金属舱板1上，基座100与金属舱板1之间可设置绝缘垫2，并采用螺栓以及绝缘衬套连接固定，并且，金属舱板1上设置长条形缝3以供翼板200旋转通过。但是，可理解的是，本翼面展开机构为翼板200-基座100-形状记忆合金丝10装配体的单独装配，其可不依赖于金属舱板1安装，大大降低了安装难度，并且可以提高机构安装一致性，从而提高在多个翼板200工作时的展开一致性。

本翼面展开机构在实际应用时，其翼板200为0°的完全折叠状态，形状记忆合金丝10通电加热收缩带动翼板200的转动部220转动，使翼板200转换至90°的完全展开状态后断电冷却，以完成展开动作；本翼面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1至图4，基座100包括铰接部110和设于铰接部110上的铰接轴120，转动部220套设于铰接轴120上。具体地，铰接部110为相对设置的两个，翼板200的转动部220从下至上伸入至两铰接部110之间，铰接部110和转动部220上设有相对接的轴孔，铰接轴120穿设在铰接部110和转动部220的轴孔内，以形成翼板200的转动部220与基座100的铰接，结构简单，转动稳定且易于装配。

进一步地，参照图1至图4，铰接部110上设有第一通孔4，转动部220上对应第一通孔4设有第二通孔5，第一通孔4和第二通孔5通过剪切销连接。其中，第一通孔4和第二通孔5的孔径大小一致，剪切销与第一通孔4和第二通孔5相适配，即在翼板200为0°的完全折叠状态，以通过剪切销穿设于第一通孔4和第二通孔5内，从而限定翼板200的位置。当形状记忆合金丝10通电加热收缩，以带动转动部220转动时，转动部220可将剪切销折断，从而实现翼板200的转动展开。以上第一通孔4、第二通孔5以及剪切销的设置，结构稳固、取材方便且易于实现。

进一步地，参照图3和图4，翼面展开机构还包括设于基座100上的滑孔，滑孔内设有滑杆6和弹性件(图中未示出)，滑杆6的一端与转动部220抵接，另一端与弹性件抵接。其中，滑孔为盲孔，滑杆6位于滑孔内且与其滑动配合，弹性件可采用弹簧，弹簧的两端分别与滑杆6和滑孔的底部抵持。当翼板200为0°的完全折叠状态，且剪切销穿设于第一通孔4和第二通孔5以固定翼面时，转动部220与滑杆6之间存在相互作用力，弹簧呈压缩状态；而当形状记忆合金丝10通电加热收缩以带动转动部220转动，并将剪切销折断时，弹簧释放弹力，滑杆6从滑孔中逐渐伸出并推动转动部220转动，以使翼板200顺畅展开，并在翼板200转换至90°的完全展开状态时，滑杆6始终与转动部220保持抵接状态，即可卡紧翼板200以使其姿态维持稳定。

进一步地，参照图4，转动部220与滑杆6抵接的侧面为斜面。当翼板200转动时，滑杆6可顺应转动部220与其抵接的侧面伸出，该侧面所采用的斜面设计，不会对滑杆6的滑动路径造成干涉。作为优化，滑杆6与转动部220抵接的一端可为半球状，并且转动部220与滑杆6抵接的侧面的转角可采用圆角设计，以保证翼板200的顺畅展开，滑杆6与转动部220的点对点接触可使得翼板200在展开过程中的摩擦力更小，有效避免翼板200展开不顺畅甚至是无法展开的问题。

在一较佳实施例中，参照图1、图2和图4，基座100上设有固定座130和位于固定座130上的固定组件140，固定组件140包括两上下设置的第一压线块141以及设于两第一压线块141之间的第一压线槽。

具体地，固定座130设置在基座100的一端，转动部220相对铰接于基座100的另一端。基座100上设有插孔，固定座130上对应设有插杆以插装至插孔内与基座100过盈配合，除此以外，固定座130还可以其它固定方式设置在基座100上。固定座130上设有固定组件140，固定组件140主要由上下设置的两第一压线块141组成，两第一压线块141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141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141采用若干绝缘衬套穿设以锁紧固定在固定座130上，并且，第一压线块141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10滑动松脱，提高夹持稳定性。作为优设，固定座130为绝缘座，其可采用如聚甲醛(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，在保证机构力学性能的同时，提高机构安全性以及可靠性。当然，也可不采用固定座130的设置，直接在基座100上设置固定组件140，其根据实际情况而定。

在一较佳实施例中，参照图4，转动部220上贯穿设置有卡孔7和与卡孔7相适配的第二压线块230，第二压线块230和卡孔7之间设有第二压线槽。具体地，在转动部220上，第二压线块230卡装在卡孔7内，第二压线块230与卡孔7之间设有第二压线槽，与上述第一压线槽一致，所设第二压线槽采用半圆槽，以在第二压线块230装配在卡孔7内时构成圆形的压线槽以夹持形状记忆合金丝10。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230与上述第一压线块141一致，也可采用高硬度金属材料制成，所设第二压线块230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4，第二压线块230为楔形块，转动部220上还设有位于卡孔7开口处的限位板240。具体地，第二压线块230为楔形块，其两端大小不一，卡孔7则相应设置为与之适配的楔形孔。第二压线230块伸入卡孔7，以与卡孔7的孔壁配合卡持形状记忆合金丝10时，可很好的适应形状记忆合金丝10的大小，以对形状记忆合金丝10保持合适的压紧程度。通过所设限位板240将第二压线块230限定在卡孔7内，有效防止第二压线块230因机构振动因素而导致的滑脱，保证展开机构的安全运行。其中，限位板240采用绝缘材料制成，如上述所提及的聚甲醛(pom)等，并可采用螺栓固定在翼板200的转动部220上，包括但不限于此。

进一步地，参照图4，转动部220顶端设有用于容置形状记忆合金丝10的绕线槽8，且绕线槽8位于卡孔7上方。即形状记忆合金丝10于转动部220的一侧，并沿转动部220顶端所设的绕线槽8绕设至其另一侧，以最终从转动部220的另一侧反向伸入卡孔7并卡持在第二压线槽中。转动部220通过其绕线槽8以承载过渡形状记忆合金丝10，可顺应形状记忆合金丝10的收缩变形，且可避免其在变形过程中与基座100发生干涉，而出现翼板200展开不完全或是不顺畅的情况。

当然，上述仅为单个翼板200独立展开的实施例，可理解的是，多翼板200的展开也分别采用本发明原理，并参照上述实施例进行设计，同时为了满足多翼板200展开的一致性，安装时应该使用相同参数相同长度的形状记忆合金丝10，并向各形状记忆合金丝10加载相同预紧力。

对于上述的翼面展开机构的形状记忆合金丝10，本发明还提出一种形状记忆合金的预处理方法，参照图5，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6和图7，翼面展开机构完全折叠(即0°)时，形状记忆合金丝10的长度为2l+πr；翼面展开机构完全展开(即90°)时，形状记忆合金丝10的长度为2l+πr/2。翼面展开机构完全折叠(即0°)至完全展开(即90°)，形状记忆合金丝10的长度变化值为转轴的1/4个周长，故所需形状记忆合金丝10的应变为：

ε＝πr/4l。

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翼面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。

形状记忆合金丝10在经过上述预处理之后，即可装配至上述的翼面展开机构上。当然，本实施例所提出的形状记忆合金的预处理方法，除应用至上述翼面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。