航天器非火工釋放裝置研究進展

楊斌久，王振威，蓋玉先

（哈爾濱工業大學（威海）機械工程系，山東 威海 264209）

1 引言

航天器抵達預定軌道后，需對耗盡燃料的助推器、衛星、太陽帆板等釋放分離，為了實現上述功能，要求釋放裝置既能可靠地鎖緊被連接部件，又能按規定要求實現釋放功能。釋放裝置按觸發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生的氣體膨脹，沖斷連接部件，實現釋放功能，具有結構簡單、作用速度快、成本低等優點，但也伴隨著釋放沖擊大、產生污染物、不可重復測試和使用等缺點。火工釋放裝置的釋放沖擊大，存在安全隱患，嚴重時會引起航天器失事等事故。1971年，“聯盟11號”飛船因火工沖擊導致閥門誤解開，3名航天員不幸遇難。據統計，1984年前的600多次發射中，有85次失敗案例已經證實或可能與火工沖擊相關[1]。隨著航天器技術的發展，衛星等設備內部元件的靈敏度越來越高，火工釋放方式易對其構成破壞，因此，越來越多研究人員著手研究釋放沖擊小、可重復使用的非火工釋放裝置。目前，非火工釋放裝置的設計主要以分瓣卷軸（分瓣螺母）夾緊連接桿（連接螺栓）的方式實現鎖緊連接，利用易熔斷金屬、石蠟、形狀記憶合金（SMA）、電磁鐵、直流電機等解除分瓣卷軸（分瓣螺母）對連接桿（連接螺栓）的鎖緊約束。2015年12月21日，美國私人航天探索公司SpaceX成功發射“獵鷹9號”（Falcon9）火箭，并回收一級火箭，該技術將極大降低火箭發射成本，推動更多民用、商用衛星發射升空，由此，對可重復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，選用的低熔點觸發解鎖部件因受熱熔斷而解除約束，實現釋放功能。分瓣卷軸的閉合和張開狀態分別對應鎖緊和釋放連接桿兩個功能，以分瓣卷軸為核心設計的釋放裝置有2瓣式、3瓣式、6瓣式等[2-4]，卷軸瓣數決定釋放時所需的最小徑向擴張位移，瓣數越多，最小徑向擴張位移越小，越容易釋放，但瓣數過多時，易出現約束困難和載荷分布不均等問題。線約束式熔斷釋放裝置以彈性金屬線纏繞分瓣卷軸，實現鎖緊連接功能，釋放時，觸發器通電加熱熔斷易熔斷金屬絲，解除彈性金屬線的約束，實現釋放功能。早期，G&H公司開發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，作用時間大約20ms；文獻[3，5]中借助剛性球設計的熔斷釋放裝置，質量僅為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）的觸發電流熔斷鎳鉻（Ni-Cr）線，釋放作用時間約550ms，釋放沖擊58.57g。對于線約束式熔斷釋放裝置，增加金屬線的圈數可提高承載能力，但圈數過多又會增加金屬線重疊和打結的概率，降低釋放可靠性。為提高熔斷釋放裝置的釋放可靠性，文獻[4]針對天線或太陽帆板的釋放展開設計的熔斷釋放裝置，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，出現重疊和打結的問題，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度承受負載，通過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（如用剛性球過渡連接），減小卷軸的徑向負載，也能提升承載能力。

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

2.2 石蠟驅動釋放裝置

固體石蠟熔點低，受熱由固體變為液體時，體積膨脹（約增加15%），產生靜水壓力，可輸出機械能，文獻[6]借助石蠟的這一特性，針對太陽帆板展開設計了冗余石蠟驅動釋放裝置，航天器抵達預定軌道時，觸發器通電加熱融化石蠟，解除鎖緊約束，釋放太陽帆板，其釋放沖擊很小，冗余結構提高了釋放可靠性；文獻[7]又在之前研究的基礎上做了改進，使結構更加可靠。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123.8℃）。石蠟熔化能產生較大的輸出力，但熔化后的石蠟有粘性，流動較慢，加之，其對輸入能量要求高，通電觸發時間長，因此以石蠟作為驅動的釋放裝置不適用于對釋放相應時間要求高的場合，而航天器中所需的釋放裝置往往對釋放響應時間有很高要求，這點決定了該類裝置難以廣泛應用于航天器工程。

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、響應速度快等特點，是研究的熱點方向，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式解鎖和轉動式解鎖兩大類。基于直動解鎖原理的SMA釋放裝置，用SMA受熱變回原形狀產生的拉力，拉動鎖緊部件解除鎖緊約束，實現釋放功能。典型的直動式解鎖釋放裝置，如圖2（a）所示。其以分瓣螺母和SMA絲為設計核心，應用于衛星太陽帆板的釋放展開[9]，該裝置尺寸小（Φ（35*72）mm），重量輕（275g），釋放時，5.2V/2A的驅動電源加熱SMA絲至100℃，SMA絲收縮拉動解除鎖緊約束，研究表明：其釋放時間約50ms，載荷15kN時，釋放沖擊為350g。文獻[10]中設計的小衛星冗余釋放裝置為典型的轉動式SMA釋放裝置，如圖2（b）所示。其直徑40mm，高50mm，質量約120g，該裝置有兩組結構和原理相同的冗余觸發單元，利用鋼球約束釋放桿實現連接功能，釋放時，SMA絲帶動上、下塊轉動，以解除對釋放桿的鎖緊約束，通過高速攝像試驗：主觸發單元和冗余觸發單元分別單獨工作時，釋放時間為0.768s和0.761s，釋放沖擊為6.67g和14.04g。該裝置因結構緊湊且接觸緊密，對零件的表面質量要求較高，而SMA絲的驅動力小，在大承載條件下，可能出現釋放困難的問題，因此，可在接觸表面加二硫化鉬（MoS2）等固體潤滑劑，以減小接觸零件之間的摩擦力。設計SMA釋放裝置，一般不采用SMA棒，雖然其輸出力大，但對電源功率要求高，且通電時間長，難以滿足航天器對快速釋放的需求，因此大多選用快速響應的SMA絲，因輸出力較小，往往將SMA絲作為觸發部件。當需直接對SMA通電加熱時，應對釋放裝置的殼體和內部部分零件表面進行鈍化處理，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 電磁鐵驅動釋放裝置

小型電磁鐵的體積小、輸出力大，能在較惡劣的環境下使用，具備應用于航天器釋放裝置的基本條件。2012年，文獻[11]利用金屬線纏繞分瓣螺母約束釋放螺栓的原理，設計的快速釋放裝置，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器，釋放時，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，解除對分瓣螺母的約束并釋放；2015年，文獻[12]中設計的立方星釋放裝置，其門鎖機構選用吸盤式電磁鐵，接收分離信號前，電磁鐵的吸力克服艙門的扭簧扭力和釋放彈簧推力等負載，保證了艙門關閉可靠，得到分離信號時，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器，其磁性可能干擾衛星內部的電子、通信等精密儀器，影響衛星釋放后的正常工作，因此，在設計時，需考慮是否對電磁鐵隔磁處理。

圖3 推拉式電磁鐵驅動釋放裝置Fig.3 Releasing Device Actuated by Push-Pull Electromagnet

2.5 電機驅動釋放裝置

直流電機的體積小、轉速高、輸出轉矩大、能耗低、對環境適應能力強，在航天器釋放裝置的設計中優勢顯著。Hi-Shear公司創新性地采用直流電機作為釋放裝置的驅動器[13]，如圖4所示。解鎖時，28VDC驅動直流電機轉動，解除對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。以直流電機為驅動設計的釋放裝置，釋放響應快，釋放沖擊小，能滿足大多數航天器對快速低沖擊釋放的要求，且能與航天器現有電源兼容，無需額外配置電源。雖然相關研究起步較晚，研究成果較少，但直流電機的特點以及不斷提升的電機性能決定直流電機驅動釋放裝置將成為繼基于SMA釋放裝置之后的另一個研究熱點。總之，航天器釋放裝置對質量和體積、釋放時間、釋放沖擊、承載能力、可靠性等性能參數有嚴格的要求。熔斷釋放裝置體積小，可靠性低；石蠟驅動釋放裝置雖能產生較大的輸出力，但對輸入能量要求高，通電作用時間長；基于SMA的釋放裝置動作響應時間短，釋放沖擊很小，可靠性高；電磁鐵驅動釋放裝置的磁性可能對衛星內部的精密儀器產生干擾；電機驅動釋放裝置的綜合性能優良，既能產生大輸出力矩，又可實現快速低沖擊釋放功能。

圖4 電機驅動釋放裝置Fig.4 Releasing Device Actuated by Motor

3 非火工釋放裝置研制建議及發展展望

航天器小型化發展，能夠在滿足功能要求的前提下，降低發射成本，逐漸成為未來航天技術的主流發展方向。小型化發展對技術的要求越來越高，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關注以下問題：（1）高可靠性。可靠地連接和釋放是釋放裝置最基本的功能，關系到發射任務的成敗，避免裝置誤觸發釋放，可采用冗余觸發設計以提高釋放的可靠性。（2）在保證足夠承載能力的前提下，實現裝置小尺寸和輕質量。隨著“一箭多星”技術日益成熟，一次發射中需要許多釋放裝置，輕小的釋放裝置可以將運載能力充分應用于衛星等功能性載荷上。（3）高同步性。多個釋放裝置共同作用時，其釋放同步性關系到衛星釋放后的運動姿態，因此，釋放裝置在應用前，要嚴格檢測其同步性。（4）能適應飛行環境和太空極端條件。一方面，釋放裝置需能承受因火箭起飛等產生的劇烈振動；另一方面，要能承受太空極端溫度，為避免內部金屬零件發生冷焊，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發生，又因摩擦系數減小而有助于解鎖動作展開。（5）選用的驅動電源盡量與航天器自帶電源兼容（如28V/5A、24V/10A等），不單獨配置電源。

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用于航天器的連接釋放中，但隨著材料技術的發展和相關部件性能日益成熟，各類制約問題定會迎刃而解，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，將扮演越來越重要的角色。我國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，與歐美國家存在差距，國外的早期探索有許多可借鑒之處，借鑒國外的研究經驗，將重點放在基于形狀記憶合金的釋放裝置和直流電機驅動釋放裝置的方案上，優化方案，創新結構，力求研發性能優越的非火工釋放裝置。

4 結論

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前航天器釋放技術研究的熱門領域。針對基于形狀記憶合金的釋放裝置、電機驅動釋放裝置等5種非火工釋放裝置的近期國內外研究成果，分析了各釋放裝置的工作原理、性能特點以及可能存在的問題和解決方法。相對于傳統的火工釋放裝置，非火工釋放裝置中的基于形狀記憶合金和直流電機設計的釋放裝置優勢顯著，其不僅能實現快速釋放的功能，還克服了火工釋放裝置釋放沖擊大的缺點，具有廣闊的應用前景，對開展非火工釋放裝置的設計和研發具有指導意義。

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