唐金強(qiáng)

（江南機(jī)電設(shè)計(jì)研究所，貴州 貴陽550009）

微型集群飛行器在新時(shí)代的作戰(zhàn)應(yīng)用中得到了快速的發(fā)展，借鑒子母彈形式的載體飛行器+微型飛行器武器也逐漸得以應(yīng)用，其一般由母艙、微型飛行器、釋放機(jī)構(gòu)和推進(jìn)、制導(dǎo)等裝置組成。本文針對(duì)一種子母集群飛行的釋放機(jī)構(gòu)開展研究分析。微型飛行器由于本身質(zhì)量小、體積小、抗沖擊能力弱等自身特點(diǎn)，在釋放過程中需要低沖擊，體積小的伸桿釋放機(jī)構(gòu)。傳統(tǒng)的火工品釋放機(jī)構(gòu)由于釋放過程中產(chǎn)生污染和沖擊大等本身特點(diǎn)，已經(jīng)難以滿足實(shí)際作戰(zhàn)釋放的任務(wù)需求。

1 釋放機(jī)構(gòu)性能要求

結(jié)合背景任務(wù)需求，微型飛行器釋放機(jī)構(gòu)所應(yīng)達(dá)到的基本性能指標(biāo)有：

1.1 平穩(wěn)性。釋放機(jī)構(gòu)釋放過程對(duì)載體本體沖擊小，不構(gòu)成潛在威脅。

1.2 可靠性。釋放機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)盡可能的簡單，應(yīng)考慮冗余設(shè)計(jì)。

1.3 釋放時(shí)間短。觸發(fā)時(shí)間應(yīng)能夠被精確的掌握。

1.4 易于測試。釋放機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件的工作狀態(tài)和健康狀態(tài)應(yīng)當(dāng)能夠被有效的觀測。

1.5 多重適用性。釋放機(jī)構(gòu)應(yīng)具有多重適用性，安裝簡便。

2 釋放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

釋放機(jī)構(gòu)外殼采用鈦合金材料，內(nèi)部觸發(fā)釋放機(jī)構(gòu)主要由兩部分組成：一部分為釋放機(jī)構(gòu)主體，內(nèi)含釋放驅(qū)動(dòng)彈簧、機(jī)構(gòu)復(fù)位彈簧、阻尼墊片；另一部分為釋放機(jī)構(gòu)觸發(fā)機(jī)構(gòu)，為滿足可靠性要求，采用了兩套觸發(fā)機(jī)構(gòu)，其內(nèi)部主要TI-NI 形狀記憶合金觸發(fā)彈簧和相應(yīng)的觸發(fā)機(jī)構(gòu)。

釋放機(jī)構(gòu)主體的幾何構(gòu)型為三棱柱體如圖1 所示，三棱柱的一個(gè)矩形端面用于和載體本體固連安裝，另兩個(gè)矩形端面上分別安裝有觸發(fā)機(jī)構(gòu)，前后兩個(gè)三角形端面用于與銷槽配合，完成對(duì)可展開附件的固定。

釋放機(jī)構(gòu)主要構(gòu)成部件有鋼質(zhì)彈簧、形狀記憶合金彈簧、帶有銷槽的中間塊和氟聚橡膠阻尼墊片。鋼質(zhì)彈簧時(shí)釋放過程中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于將定位銷從定位銷槽中拔出。形狀記憶合金彈簧可以作為鋼質(zhì)彈簧釋放過程中的阻尼器，以減少釋放過程中帶來的對(duì)載體本體沖擊。此外，該形狀記憶合金彈簧還可以作為地面測試過程中的釋放機(jī)構(gòu)復(fù)位執(zhí)行器，其復(fù)位原理同該釋放機(jī)構(gòu)釋放觸發(fā)原理相近：當(dāng)形狀記憶合金材料在受熱達(dá)到相變溫度后彈性模量增大，使得彈簧的剛度系數(shù)增大，壓縮鋼質(zhì)彈簧推動(dòng)中間塊，直至觸發(fā)機(jī)構(gòu)將中間塊再度鎖死，實(shí)現(xiàn)釋放機(jī)構(gòu)的復(fù)位。觸發(fā)機(jī)構(gòu)主要由鋼質(zhì)壓緊彈簧、形狀記憶合金觸發(fā)彈簧、觸發(fā)銷組成。通過形狀記憶合金彈簧驅(qū)動(dòng)將觸發(fā)銷從中間塊的小孔中拔出，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)的觸發(fā)。

3 性能測試

SMA 作為一種功能材料具有形狀記憶和超彈性等特殊性能，在溫度激勵(lì)下，SMA 從馬氏體結(jié)構(gòu)向奧氏體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的同時(shí)長度也發(fā)生變化，當(dāng)形狀記憶合金兩端約束時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的回復(fù)力，利用這個(gè)特性，形狀記憶合金作為動(dòng)作器可用于結(jié)構(gòu)的主被動(dòng)控制等智能控制場合，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)變形，這種功能在宇航、機(jī)械和醫(yī)療等行業(yè)中被廣泛應(yīng)用[1]。SMA彈簧具有較大的動(dòng)作行程,是制作驅(qū)動(dòng)元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部件較為理想的元件,因此被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。SMA彈簧是利用熱相變進(jìn)行工作的，在熱相變過程中SMA彈簧把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。（1）由于SMA 彈簧的應(yīng)力- 應(yīng)變呈非線性且與溫度有關(guān)，剪切彈性模量隨溫度變化，在利用SMA 彈簧作為驅(qū)動(dòng)器時(shí)，必須對(duì)使用的SMA進(jìn)行性能參數(shù)測試。（2）由于SMA的溫度受環(huán)境的影響很大,只控制電流很難精確的控制驅(qū)動(dòng)器的輸出位移和力,所以需要提供溫度、輸出位移和力等參量綜合對(duì)電流進(jìn)行反饋控制。當(dāng)它被用作主動(dòng)變形結(jié)構(gòu)中的驅(qū)動(dòng)元件時(shí)，特別是在本設(shè)計(jì)中，尤其需要對(duì)形狀記憶合金彈簧的熱- 力學(xué)性能進(jìn)行測試。

3.1 測試方法

目前, SMA 驅(qū)動(dòng)器常用的加熱方式有3 種:直接電加熱、間接電加熱、熱氣/流體加熱,其中直接電加熱是最方便的方法。通過控制SMA絲的加熱電流來控制SMA彈簧的溫度, 實(shí)現(xiàn)對(duì)SMA彈簧響應(yīng)速度、輸出力和位移的控制。電加熱驅(qū)動(dòng)測試法設(shè)備相對(duì)簡單，實(shí)驗(yàn)過程易于操作。SMA彈簧驅(qū)動(dòng)器的輸出力和位移、響應(yīng)速度受驅(qū)動(dòng)電流、冷卻速度、預(yù)變形量和負(fù)載的影響很大,設(shè)計(jì)時(shí)要選擇合適的參數(shù)。

3.2 SMA彈簧測試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)如下樣機(jī)，在真空環(huán)境中對(duì)形狀記憶合金彈簧特性做出準(zhǔn)確的評(píng)估的初其相變溫度、功率消耗、釋放時(shí)間等詳細(xì)參數(shù)。

圖1 測試樣機(jī)組裝圖及SMA彈簧測試真空環(huán)境

兩個(gè)肩型軸環(huán)和形狀記憶合金彈簧用一根帶刻度型支柱串連起來，支柱的另一端用安裝用底座固定于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。形狀記憶合金彈簧與支柱之間采用隔熱樹脂肩型軸環(huán)進(jìn)行隔熱處理，以便盡可能的貼近實(shí)際使用條件下的工作狀況。帶有刻度型支柱將會(huì)提供彈簧伸長量數(shù)據(jù)。對(duì)SMA彈簧進(jìn)行通電，在不同的電流，負(fù)載，初始長度，初始溫度條件下測量這些變量對(duì)SMA 彈簧性能的影響。設(shè)計(jì)電流為5A 和6A 兩檔，負(fù)載為200g,400g兩檔，初始溫度分為34 以上及以下兩檔，初始長度因?qū)嶋H測試隨機(jī)而定。通過以上對(duì)形狀記憶合金彈簧的一系列測試，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，了解形狀記憶合金彈簧的性能。最后，應(yīng)該加上鋼制彈簧制成偏動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，測試SMA彈簧的動(dòng)態(tài)性能，以了解驅(qū)動(dòng)器的釋放力量和釋放時(shí)間參數(shù)。

3.3 結(jié)果分析

真空且室溫（25℃）條件下，加熱初始階段，溫度幾乎直線上升。隨著溫度的升高，SMA與外界熱交換的功率逐漸增大；溫度上升速度變慢；當(dāng)電加熱的功率和SMA 與環(huán)境熱交換的功率相等時(shí),SMA的溫度趨于恒定。加熱電流越大,溫度上升速度越快。不同的加熱電流可以使SMA 保持不同的溫度,SMA 彈簧的剛度和溫度有確定的關(guān)系,可實(shí)現(xiàn)對(duì)釋放機(jī)構(gòu)輸出位移和力的控制。在非真空環(huán)境下開展了相同的實(shí)驗(yàn)，彈簧所處的環(huán)境對(duì)本身溫度的影響尤為顯著。真空條件下的彈簧溫度幾乎呈線性關(guān)系上升，在真空條件下，熱量的散發(fā)只有通過熱輻射這一條路徑，與空氣交換熱量的影響已經(jīng)變得很弱。因此釋放機(jī)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用于裝備時(shí)，應(yīng)提出SMA工作腔內(nèi)的真空嚴(yán)密性的工作要求。在負(fù)載200g條件下的記憶伸展長度為25mm左右，釋放機(jī)構(gòu)所使用的SMA 彈簧的相變溫度為45-50℃左右，實(shí)驗(yàn)材料迅速拉伸的溫度范圍僅有4℃左右，這一階段彈簧中絕大部分的馬氏體相迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體,使變形速度迅速增加，這一點(diǎn)是符合任務(wù)需求的。在200g的條件下，給SMA彈簧通以5A 及6A 的電流，相同負(fù)載下，增加電流能顯著縮短SMA 彈簧的反應(yīng)時(shí)間。

4 結(jié)論

在新裝備的研發(fā)及應(yīng)用中，針對(duì)基于子母形態(tài)的微型飛行器釋放方式，探究了一種基于SMA 相變原理的釋放機(jī)構(gòu)，并開展了實(shí)驗(yàn)仿真分析。實(shí)驗(yàn)認(rèn)為，基于SMA 相變的釋放方式有利于減少對(duì)微型飛行器的沖擊，減少污染物對(duì)飛行器的影響。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)考慮SMA真空的工作環(huán)境，對(duì)外結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了新的要求。通過電流越大，SMA溫度比例上升越快，到一定界限后將趨于平穩(wěn)；相同負(fù)載條件下，SMA溫度越高，形變程度越大，可滿足釋放要求；相同負(fù)載條件下，增加通過電流，SMA彈簧相變啟動(dòng)時(shí)間有明顯改善。

SMA彈簧是利用熱相變進(jìn)行工作的，在熱相變過程中SMA 彈簧把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。由于SMA 彈簧的應(yīng)力- 應(yīng)變呈非線性，在實(shí)際運(yùn)用時(shí)還需要對(duì)彈簧進(jìn)行熱培訓(xùn)[2]，讓其擁有較好的熱穩(wěn)定性，另外，SMA彈簧的設(shè)計(jì)工藝將影響彈簧的機(jī)械性能。本文的工作為子母集群微型飛行器的釋放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)和參考依據(jù)。