航天非火工壓緊釋放裝置研究綜述

吳軍 周國華 劉望

(國防科技大學 空天科學學院，長沙 410073)

航天非火工壓緊釋放裝置是指采用非火工分離技術實現航天器部件的連接與分離的單點設備，是空間連接分離裝置中的核心部件[1]，主要應用于太陽翼、通信天線和儀器蓋等部組件的展開分離。相對于傳統火工品壓緊釋放裝置，非火工壓緊釋放裝置具備沖擊小、簡單可靠、可重復使用、成本低的特點，經過30多年的發展，當前應用十分廣泛。2021年發射的詹姆斯-韋伯太空望遠鏡，由于口徑尺寸大，包括主鏡、遮陽板在內的多個部組件進行了多次在軌展開釋放，僅英軒比克福德航空航天與國防(EBAD)公司就為其展開過程提供了178個非火工壓緊釋放裝置[2]。

當前，非火工品壓緊釋放裝置按釋放觸發原理可主要分為記憶合金、熱切割、石蠟致動和電磁致動4類，其釋放沖擊均小于火工類裝置，但各有利弊。其他類型壓緊釋放裝置，如氣動致動器、電動致動器等研究較少，無較新飛行應用，不是當前研究應用的重點。本文將圍繞國內外應用較為成熟的非火工壓緊釋放裝置開展敘述，并開展參數對比分析和研究展望，可為相關研究提供參考。

1 國外研究現狀

記憶合金、熱切割、石蠟致動和電磁致動4類非火工壓緊釋放裝置，其觸發原理及優缺點如表1所示，下文將進行分類列舉。

表1 壓緊釋放裝置類型與特點匯總Table 1 Summary of types and characteristics of HDRM

1.1 記憶合金壓緊釋放裝置

形狀記憶合金(SMA)材料已廣泛應用在航天領域，成熟性及安全可靠性均得到了充分驗證。記憶合金壓緊釋放裝置利用SMA材料受熱后恢復形狀驅動觸發機構，通過位移及驅動力放大結構實現大承載及大行程解鎖。目前，常用的記憶合金驅動元件形式有桿、筒、彈簧和絲等，常用的解鎖元件包括分瓣螺母與鋼球等[3]。

記憶合金壓緊釋放裝置按照使用方式與實現原理可大致分為飛輪螺母、缺口螺栓、拔銷器、分離螺母4種，特性對比如表2所示。

表2 形狀記憶合金壓緊釋放裝置種類特點對比Table 2 Comparison of types and characteristics of SMA HDRM

1.1.1 飛輪螺母類

美國內華達山脈(SNC)公司研制了快速作用低沖擊分離螺母(FASSN)系列壓緊釋放裝置，該裝置分離時間小于200 ms，承載能力達133 kN，外形如圖1所示[4]。其組成如圖2所示[5]，利用SMA元件觸發實現鎖定臂解鎖，在預加載的彈力作用下促使飛輪螺母沿螺栓上的傳動螺紋反向旋轉，從而實現推動螺栓分離。將彈性勢能轉化為了飛輪的旋轉動能，沖擊小，結構緊湊，分離時間短。

圖1 FASSN外形Fig.1 Appearance of FASSN

圖2 FASSN組成Fig.2 Composition of FASSN

1.1.2 缺口螺栓類

缺口螺栓壓緊釋放裝置在展開分離領域應用廣泛。美國EBAD公司的Frangibolt缺口螺栓壓緊釋放裝置如圖3所示[6]，通過SMA受熱伸長，驅動開槽螺栓在缺口處斷開實現分離，分離時間小于80 s，承載能力達3.7～116.0 kN[7]。其安裝狀態如圖4所示[7]，具有負載能力強、結構簡單、質量小等特點，可靠性高，更換金屬螺栓即可實現重置使用。缺點在于動作時間慢，功耗高，分離沖擊大，不適用于同步釋放和快速分離。

圖3 Frangibolt裝置原理Fig.3 Schematic of Frangibolt device

圖4 Frangibolt裝置安裝狀態Fig.4 Mounting status of Frangibolt device

法國Nimesis Technology公司研究的Triggy系列壓緊釋放裝置也采用了與Frangibolt裝置相似的缺口螺栓原理[8]，分離時間小于200 s，承載能力為1.3～57.0 kN。

1.1.3 拔銷器類

美國EBAD公司研究的系列化拔銷器(Pinpuller)壓緊釋放裝置，外形如圖5所示[9]，分離時間小于130 ms，承載能力達6.6 kN。其工作原理如圖6所示[6]，通電加熱穿過球鎖的SMA線后，SMA線收縮解鎖球鎖結構，通過內部驅動彈簧將輸出銷縮回。

圖5 Pinpuller裝置外形Fig.5 Appearance of Pinpulle device

圖6 Pinpuller裝置工作原理Fig.6 Schematic of Pinpuller device

西班牙Arquimea Ingenieria公司研制了系列化Pinpuller壓緊釋放裝置[10]，承載范圍1.8～2.5 kN，拔銷力范圍100～500 N，工作溫度范圍-90～+70 ℃，可重復使用。

1.1.4 分離螺母類

分離螺母類壓緊釋放裝置使用分瓣螺母或鋼球結構實現連接與分離功能。分瓣螺母是將完整螺母分割成多瓣，受到約束時形成完整螺紋實現承載與連接，解除約束時，螺母分開實現分離。鋼球作為分瓣螺母的徑向約束與解鎖元件，可減少摩擦并提升承載能力。

美國洛馬公司于20世紀末研究的低沖擊螺母(LFN)和兩級螺母(TSN)裝置，以及韓國研究的韓國航空航天大學-1(KAU-1)[11]等裝置，就是其中的典型代表。上述裝置在完成原理驗證后，后續研究及報道較少。法國Nimesis Technology公司開發的新一代壓緊釋放裝置(HRM-NG)適用于溫度達200 ℃的環境。原理如圖7所示[12]，當分離時螺母分開并釋放橫拉桿，橫拉桿在彈簧作用下分離。如圖8所示[12]，在圖7裝置的基礎上，為進一步降低沖擊，該裝置還可通過加熱SMA元件后引起的厚度變化先將橫拉桿中的張力緩慢降至零，然后再分離橫拉桿。應用于天線展開的橫拉桿張力為6.4 kN，釋放時間為15 min，質量少于100 g，功耗少于30 W，分離沖擊小于150gn。

圖7 HRM-NG裝置原理Fig.7 Schematic of HRM-NG device

圖8 HRM-NG緩慢釋放原理Fig.8 Schematic of HRM-NG slow release

西班牙的Arquimea Ingenieria公司研制了可重置非爆炸致動器(REACT)系列化裝置，外形如圖9所示[13]。工作溫度為-90～+120 ℃，分離時間小于10 s，承載能力為5～35 kN。其工作原理如圖10所示[3]，在釋放時，SMA元件拉動解鎖環轉動，使第3級的鋼球掉入解鎖環的槽內，引發上面2級的鋼球聯動，解除分離銷的限位，完成釋放動作。

圖9 REACT系列化裝置外形Fig.9 Appearance of REACT device

圖10 REACT裝置原理Fig.10 Schematic of REACT device

1.2 熱切割壓緊釋放裝置

熱切割壓緊釋放裝置指通過加熱熔斷已張緊的金屬絲或纖維材料實現解鎖觸發，進而實現載荷釋放的分離裝置，按照工作原理可分為分體閥芯類和繩索切割類。

1.2.1 分體閥芯類

在分體閥芯類壓緊釋放裝置中，分體閥芯起著類似分瓣螺母的作用，通常為2瓣，通過纏繞線鎖緊實現連接，線熔斷后實現解鎖。

美國Eaton公司研發的分離螺母型壓緊釋放裝置，外形如圖11所示[14]，組成如圖12所示[4]，其解鎖核心部件為分體閥芯，連接狀態時，分體閥芯通過限位線約束，承力螺栓通過分瓣螺母與上端分體閥芯連接進行承載；解鎖時，加熱熔斷限位線，活塞桿脫離分體閥后推動觸發桿解除對鎖定筒的限位，鎖定筒在彈簧的推動下解鎖分瓣螺母，被分瓣螺母約束的承力螺栓實現分離[4]。該裝置被應用于成像儀和空間站任務上[14]，裝置分離時間小于25 ms，承載能力達42.2 kN[15]。

圖12 Eaton分離螺母型裝置組成Fig.12 Composition of Eaton separation nut device

采用分體閥芯類似原理的，還包括美國EBAD公司的非爆炸執行器(NEA)壓緊釋放裝置[16]、美國Glenair公司的壓緊釋放裝置[17]，它們具有分離時間短、承載能力強的特點。另外，美國Eaton公司研制的Pinpuller系列壓緊釋放裝置[15]與美國Glenair公司研制的Pinpuller系列壓緊釋放裝置[17]，也采用了類似分體閥芯技術。

1.2.2 繩索切割類

荷蘭太空公司針對太陽翼展開而研制的多用途壓緊和釋放機構(MHRM)熱刀壓緊釋放裝置，使用Dyneema繩索作為核心材料，由卷筒、切割組件、下壓支架組成，通過熱刀熔斷固定繩索實現分離[18]。

空客防務宇航荷蘭公司研制的ARA Mk3壓緊釋放裝置外形如圖13所示[19]，原理如圖14所示[20]，其采用熱刀逐漸切割芳綸疊層繩索，兩側熱刀可重復使用，分離沖擊低，預緊力達7.4 kN，可壓緊釋放多達6層太陽翼[19]。該裝置已有500多次成功在軌發射經驗，成熟度極高，還可用于快門釋放、天線展開等應用領域[20]。

圖13 ARA Mk3裝置外形Fig.13 Appearance of ARA Mk3 device

圖14 ARA Mk3裝置原理Fig.14 Schematic of ARA Mk3 device

非爆炸性低沖擊(NELS)壓緊釋放裝置由空客防務宇航荷蘭公司研制，外形如圖15所示[21]。結構組成如圖16所示[21]，裝置基于熱刀切割高強度環形線纜束，對電磁干擾不敏感，實現了可靠、低振動的釋放。其工作溫度-80～+97 ℃，預緊力達15 kN。該裝置熱刀安裝在支架內，提高了可靠性，縮小了整體包絡尺寸，簡化了熱保護措施。

圖15 NELS裝置外形Fig.15 Appearance of NELS device

圖16 NELS裝置組成Fig.16 Composition of NELS device

1.3 石蠟致動壓緊釋放裝置

美國SNC公司研制的高輸出石蠟致動器(HOPA)系列壓緊釋放裝置外形如圖17所示[5]，其廣泛應用于精密展開分離領域。裝置組成如圖18所示[4]，加熱密封的石蠟從固態轉變成液態后體積膨脹，從而擠壓鎖銷，實現鎖銷驅動伸出。其輸出力可達4 kN，鎖銷的行程可達10 cm。冷卻后，石蠟縮回，鎖銷通過彈簧完成復位收縮。該裝置的優點是輸出力高，重復定位精度高，抗電磁干擾能力強，結構簡單，可靠性高；缺點是運行時間長，同步性差，功耗高，工作溫度過高。它還可應用于太空望遠鏡蓋門應急開啟系統的觸發[22]。

圖17 HOPA裝置外形Fig.17 Appearance of HOPA device

圖18 HOPA裝置組成Fig.18 Composition of HOPA device

1.4 電磁致動壓緊釋放裝置

法國SOTEREM公司研制的非爆炸開口螺母(NEONUT)壓緊釋放裝置外形如圖19所示[23]，其承載力達15 kN，質量為150 g。裝置核心部分是纏繞著彈簧金屬帶的分瓣螺母，當金屬帶收緊時，分瓣螺母鎖緊橫拉桿，金屬帶松開時釋放橫拉桿。其釋放過程如圖20所示[23]。初始狀態下，搖桿在端部磁鐵作用下被吸附在下端電磁鐵上。解鎖時電磁鐵加電后抵消磁場吸力，搖桿在彈簧作用下旋轉并解鎖釋放飛輪螺母。飛輪螺母帶動螺旋金屬帶展開，從而解鎖分瓣螺母，并松開橫拉桿，實現分離。

圖19 NEONUT裝置外形Fig.19 Appearance of NEONUT device

圖20 NEONUT裝置釋放過程Fig.20 Release process of NEONUT device

法國Cedrat Technologies公司的BRUCE Pinpuller的磁致動壓緊釋放裝置通過通電產生磁場，吸引觸發器向下移動，驅動鋼球滾動，壓縮彈簧驅動鎖定銷縮回實現解鎖[24]。

2 國內研究現狀

2.1 記憶合金壓緊釋放裝置

與國外研究范圍類似，國內相關研究及產品也可根據致動原理分為飛輪螺母類、缺口螺栓類、拔銷器類、分離螺母類4種記憶合金壓緊釋放裝置。

2.1.1 飛輪螺母類

北京衛星制造廠與哈爾濱工業大學為北斗衛星系列開展了基于SMA的大承載低沖擊解鎖機構研究。如圖21所示[25]，在初始狀態下，裝置擺臂通過傳動螺紋的旋合將飛輪螺母鎖緊，飛輪螺母與承力螺桿連接。解鎖狀態下，加熱SMA絲帶動擺臂旋轉，解鎖飛輪螺母。在彈簧與預加載作用下，飛輪螺母反向旋轉，承力螺桿脫出實現分離。該裝置承載性能好、解鎖迅速且沖擊較小。

注：1為被連接件1；2為下殼體；3為上殼體；4為二級擺臂；5為觸發轉軸；6為一級擺臂；7為保持彈簧；8為SMA絲；9為螺母；10為推力軸承；11為被連接件2；12為分離彈簧；13為螺桿；14為導向座；15為捕獲帽。圖21 SMA大承載低沖擊解鎖裝置Fig.21 SMA large load and low shock release device

2.1.2 缺口螺栓類

北京靈翼航宇科技有限公司研制的記憶金屬解鎖管裝置(SFR)如圖22所示[26]，產品規格涵蓋M3～M12，承載能力1.8～34.0 kN，主要由記憶金屬驅動管、加熱套、切槽螺栓、鎖緊螺母組成。其工作原理如圖23所示[26]，對記憶金屬驅動管加熱，驅動管受熱伸長，將切槽螺栓脹斷完成解鎖。該裝置可通過復位工裝實現重復使用。

圖22 記憶金屬解鎖管裝置外形Fig.22 Appearance of SFR device

圖23 記憶金屬解鎖管裝置工作原理Fig.23 Schematic of SFR device

2.1.3 拔銷器類

北京微分航宇科技研制的BXQ系列記憶合金拔銷器外形如圖24所示[27]，組成如圖25所示[28]。記憶合金觸發后，彈簧驅動拔銷收縮。該裝置拔銷力大于200 N，動作時間小于50 ms。

注：1為銷子；2為外殼；3為電連接器端蓋；4為螺釘A；5為拉盤；6為彈簧；7為彈簧套筒；8為電路板；9為絕緣端蓋；10為接插件針；11為記憶合金絲；12為螺釘B。圖25 BXQ拔銷器組成Fig.25 Composition of BXQ pinpuller

圖24 BXQ拔銷器外形Fig.24 Appearance of BXQ pinpuller

北京靈翼航宇科技有限公司研制了類似系列拔銷器(SPPL)，主要由滑銷、驅動彈簧、記憶金屬驅動器組成。其承載能力180～700 N，解鎖時間約70 ms[26]。

2.1.4 分離螺母類

北京航空航天大學研制的分離螺母類壓緊釋放裝置SMA-10000原理如圖26所示[29]，SMA絲受熱后收縮，拉動觸發塊向上移，下鋼球則掉入凹槽內，解除限位套軸向約束，限位套被驅動彈簧推動下移，從而使上鋼球掉入凹槽，釋放分離銷。該裝置承載能力1～10 kN，已通過了多次在軌飛行驗證。

圖26 SMA-10000壓緊釋放裝置原理Fig.26 Schematic of SMA-10000 HDRM

上海衛星工程研究所提出了一種用SMA彈簧驅動的分離螺母裝置，外形如圖27所示[30]，該裝置解鎖沖擊不大于300gn。其組成如圖28所示[30]。鎖緊狀態下，副活塞頂住銷球，主活塞被限位，分瓣螺母被箍緊，連接螺栓。解鎖時，SMA彈簧觸發后推動副活塞向上，銷球進入銷槽，主活塞解除約束并上移，從而解鎖分瓣螺母，最終釋放螺栓。

注：1為分瓣螺母；2為主活塞彈簧；3為螺母分離活塞；4為分離頂推彈簧；5為主活塞；6為副活塞彈簧；7為副活塞；8為銷球；9為SMA彈簧；10為外殼；11為加熱元件。圖28 SMA驅動分離螺母裝置組成Fig.28 Composition of SMA driven separation nut device

圖27 SMA驅動分離螺母裝置外形Fig.27 Appearance of SMA driven separation nut device

北京微分航宇研制了FLLM分離螺母裝置，適用于太陽翼、天線及星上其他活動部件的壓緊釋放，具有低沖擊、無污染解鎖和可重復使用的特點，鎖緊力范圍2～10 kN[27]。北京靈翼航宇科技有限公司研制的記憶金屬分離螺母(SBN)主要由分瓣螺母、預壓縮彈簧、記憶金屬驅動器組成，載荷能力1～20 kN，解鎖時間約50 ms，可靠性高[26]。哈爾濱工業大學[31]、北京控制工程研究所[32]、四川航天川南火工技術有限公司[33]、天津愛思達航天科技有限公司[34]、航天東方紅衛星有限公司[35]等多家單位均進行了相關研究，提出了與上文中類似的記憶合金壓緊釋放裝置方案，但未能找到相關驗證飛行記錄或實物產品，故未詳細說明。

2.2 熱切割壓緊釋放裝置

長光衛星技術有限公司研制了一種應用于微納衛星的熱刀結構(如圖29所示[36])，主要用于太陽翼展開。通過預緊彈簧使排線板內的熔斷部保持與鎖緊線接觸，當加熱熔斷部時，鎖緊線被熔斷進而實現解鎖。

深圳航天東方紅衛星公司研究了一種航天用微小型熔線切割器，它采用熱切割原理設計，結構簡單、可靠性高，已在多顆衛星上成功應用。其通過熱刀加熱切割高強度纖維，可用于太陽翼和小型天線的壓緊釋放[37]。

北京無線電測量研究所采用類似分體閥芯原理研究了一種分瓣解鎖機構(如圖30所示[38])，并進行了應力仿真分析與靜力解鎖試驗，測試中最大承載能力可達110 kN，解鎖沖擊280gn。

注：1為封裝殼體；2為排線板；3為安裝座；4為限位螺母；5為電阻絲；6為絕緣壓板；7為螺釘；8為預緊彈簧；9為熔斷部；10為凸棱；11為滑動通道。圖29 應用于微納衛星的熱刀結構Fig.29 Structure of thermal knife applied to micro/nano satellites

圖30 分瓣解鎖機構裝置Fig.30 Release device using split spool

2.3 石蠟致動壓緊釋放裝置

北京航空航天大學研究了一種活塞式空間大載荷石蠟驅動器，工作原理如圖31所示[39]，通過石蠟受熱后的體積變化產生驅動力(超過300 N)，響應時間20 min，輸出位移6.9 mm，裝置密封性能優秀，具有自動復位功能。

圖31 大載荷石蠟驅動器工作原理Fig.31 Schematic of large load paraffin actuator

2.4 電磁致動壓緊釋放裝置

清華大學開發的應用于重力與大氣科學衛星(Q-SAT)的新型電磁致動壓緊釋放裝置如圖32所示[40]，該裝置采用電磁鐵驅動鎖定釋放裝置。解鎖觸發時，電磁鐵后移并釋放鎖緊滑塊，帶動球形銷脫離，從而解除對凸臺的限位，最終在彈射彈簧的推動下實現分離。

注：1為機架；2為保持器；3為解鎖彈簧；4為電磁鐵動芯；5為電磁鐵；6為限位支架；7為鎖塊；8為鎖定銷；9為衛星凸臺；10為彈射頂桿；11為彈射彈簧。圖32 Q-SAT電磁分離系統裝置Fig.32 Electromagnetic separation system of Q-SAT

3 對比分析與建議

上述壓緊釋放裝置在承載能力、分離時間、沖擊等關鍵性能對比，如表3所示。對比分析后可知，國外非火工壓緊釋放裝置已開發出多類型、系列化現貨產品，驗證充分，技術成熟。國內相關領域起步晚，發展迅速，但當前國產系列壓緊釋放現貨產品存在產品類型少、載荷能力小、適應范圍窄的問題，難以滿足大規模工程化使用需求。①記憶合金中外研究范圍相似，但外方研制的相關裝置承載能力更強。②熱切割壓緊釋放裝置國外研究范圍更廣，種類型號豐富，承載能力較強。國內在相關領域研究內容較少，尚待加強拓展研究。③石蠟壓緊釋放裝置國內處在樣機研制階段，缺應用驗證。④電磁致動壓緊釋放裝置國內在該領域研究停留在樣機階段，缺少應用驗證。

表3 壓緊釋放裝置國內外研究情況對比Table 3 Comparison of research status of HDRM in China and abroad

隨著未來航天任務復雜程度的增加，非火工壓緊釋放裝置勢必扮演更重要的角色，建議我國在非火工壓緊釋放裝置研究方面開展后續研究。

(1)輕量化設計。縮小裝置的尺寸，減小裝置質量，便于在微小衛星上部署，為載荷布局提供更多空間與質量裕度。

(2)低沖擊設計。在保證大承載能力的前提下，降低分離時的瞬間沖擊，減小分離后彈出速度，以適應精密復雜的任務要求(如行星登陸分離、超精密儀器展開等)。

(3)寬溫度適應性設計。擴大壓緊釋放裝置的工作溫度范圍，以適應更嚴苛的工作環境，通過開發性能更優更可靠的觸發材料(如形狀記憶復合材料)，保證解鎖性能可靠性，延長使用壽命。

(4)高響應速度與高一致性設計。縮短單個裝置分離時間，火工裝置的分離時間一般為0.5～1.0 ms[41]，而非火工裝置分離時間較長。如何在平衡電流功耗的同時縮短分離時間，提高多點分離同步性與一致性，也應是研究的重點問題。

(5)可重復低成本設計。隨著空間站技術及深空探測技術的進一步發展，艙段級及航天器間的重復鎖緊分離需求不斷增加，有待研究出便于操作、可重復使用的鎖緊分離裝置。

4 結束語

本文圍繞空間領域中應用的非火工壓緊釋放裝置展開調研，重點介紹了國內外具有代表性的系列化壓緊釋放裝置，并對比分析了相關裝置參數與特征。當前，我國在非火工壓緊釋放裝置研究方面主要集中于記憶合金及熱切割2種類型，亟待加強其他類型壓緊釋放裝置的研究和研制，本文的分析結果與建議可為后續研究提供參考。