一种微型飞行器释放机构设计及分析

唐金强

（江南机电设计研究所，贵州 贵阳550009）

微型集群飞行器在新时代的作战应用中得到了快速的发展，借鉴子母弹形式的载体飞行器+微型飞行器武器也逐渐得以应用，其一般由母舱、微型飞行器、释放机构和推进、制导等装置组成。本文针对一种子母集群飞行的释放机构开展研究分析。微型飞行器由于本身质量小、体积小、抗冲击能力弱等自身特点，在释放过程中需要低冲击，体积小的伸杆释放机构。传统的火工品释放机构由于释放过程中产生污染和冲击大等本身特点，已经难以满足实际作战释放的任务需求。

1 释放机构性能要求

结合背景任务需求，微型飞行器释放机构所应达到的基本性能指标有：

1.1 平稳性。释放机构释放过程对载体本体冲击小，不构成潜在威胁。

1.2 可靠性。释放机构应当尽可能的简单，应考虑冗余设计。

1.3 释放时间短。触发时间应能够被精确的掌握。

1.4 易于测试。释放机构关键部件的工作状态和健康状态应当能够被有效的观测。

1.5 多重适用性。释放机构应具有多重适用性，安装简便。

2 释放机构设计方案

释放机构外壳采用钛合金材料，内部触发释放机构主要由两部分组成：一部分为释放机构主体，内含释放驱动弹簧、机构复位弹簧、阻尼垫片；另一部分为释放机构触发机构，为满足可靠性要求，采用了两套触发机构，其内部主要TI-NI 形状记忆合金触发弹簧和相应的触发机构。

释放机构主体的几何构型为三棱柱体如图1 所示，三棱柱的一个矩形端面用于和载体本体固连安装，另两个矩形端面上分别安装有触发机构，前后两个三角形端面用于与销槽配合，完成对可展开附件的固定。

释放机构主要构成部件有钢质弹簧、形状记忆合金弹簧、带有销槽的中间块和氟聚橡胶阻尼垫片。钢质弹簧时释放过程中的执行机构，用于将定位销从定位销槽中拔出。形状记忆合金弹簧可以作为钢质弹簧释放过程中的阻尼器，以减少释放过程中带来的对载体本体冲击。此外，该形状记忆合金弹簧还可以作为地面测试过程中的释放机构复位执行器，其复位原理同该释放机构释放触发原理相近：当形状记忆合金材料在受热达到相变温度后弹性模量增大，使得弹簧的刚度系数增大，压缩钢质弹簧推动中间块，直至触发机构将中间块再度锁死，实现释放机构的复位。触发机构主要由钢质压紧弹簧、形状记忆合金触发弹簧、触发销组成。通过形状记忆合金弹簧驱动将触发销从中间块的小孔中拔出，实现对机构的触发。

3 性能测试

SMA 作为一种功能材料具有形状记忆和超弹性等特殊性能，在温度激励下，SMA 从马氏体结构向奥氏体结构转变的同时长度也发生变化，当形状记忆合金两端约束时，会产生很大的回复力，利用这个特性，形状记忆合金作为动作器可用于结构的主被动控制等智能控制场合，驱动结构变形，这种功能在宇航、机械和医疗等行业中被广泛应用[1]。SMA弹簧具有较大的动作行程,是制作驱动元件和执行机构等部件较为理想的元件,因此被广泛应用于各个领域。SMA弹簧是利用热相变进行工作的，在热相变过程中SMA弹簧把热能转变为机械能。（1）由于SMA 弹簧的应力- 应变呈非线性且与温度有关，剪切弹性模量随温度变化，在利用SMA 弹簧作为驱动器时，必须对使用的SMA进行性能参数测试。（2）由于SMA的温度受环境的影响很大,只控制电流很难精确的控制驱动器的输出位移和力,所以需要提供温度、输出位移和力等参量综合对电流进行反馈控制。当它被用作主动变形结构中的驱动元件时，特别是在本设计中，尤其需要对形状记忆合金弹簧的热- 力学性能进行测试。

3.1 测试方法

目前, SMA 驱动器常用的加热方式有3 种:直接电加热、间接电加热、热气/流体加热,其中直接电加热是最方便的方法。通过控制SMA丝的加热电流来控制SMA弹簧的温度, 实现对SMA弹簧响应速度、输出力和位移的控制。电加热驱动测试法设备相对简单，实验过程易于操作。SMA弹簧驱动器的输出力和位移、响应速度受驱动电流、冷却速度、预变形量和负载的影响很大,设计时要选择合适的参数。

3.2 SMA弹簧测试实验设计

设计如下样机，在真空环境中对形状记忆合金弹簧特性做出准确的评估的初其相变温度、功率消耗、释放时间等详细参数。

图1 测试样机组装图及SMA弹簧测试真空环境

两个肩型轴环和形状记忆合金弹簧用一根带刻度型支柱串连起来，支柱的另一端用安装用底座固定于实验台上。形状记忆合金弹簧与支柱之间采用隔热树脂肩型轴环进行隔热处理，以便尽可能的贴近实际使用条件下的工作状况。带有刻度型支柱将会提供弹簧伸长量数据。对SMA弹簧进行通电，在不同的电流，负载，初始长度，初始温度条件下测量这些变量对SMA 弹簧性能的影响。设计电流为5A 和6A 两档，负载为200g,400g两档，初始温度分为34 以上及以下两档，初始长度因实际测试随机而定。通过以上对形状记忆合金弹簧的一系列测试，对数据结果进行分析，了解形状记忆合金弹簧的性能。最后，应该加上钢制弹簧制成偏动驱动器，测试SMA弹簧的动态性能，以了解驱动器的释放力量和释放时间参数。

3.3 结果分析

真空且室温（25℃）条件下，加热初始阶段，温度几乎直线上升。随着温度的升高，SMA与外界热交换的功率逐渐增大；温度上升速度变慢；当电加热的功率和SMA 与环境热交换的功率相等时,SMA的温度趋于恒定。加热电流越大,温度上升速度越快。不同的加热电流可以使SMA 保持不同的温度,SMA 弹簧的刚度和温度有确定的关系,可实现对释放机构输出位移和力的控制。在非真空环境下开展了相同的实验，弹簧所处的环境对本身温度的影响尤为显著。真空条件下的弹簧温度几乎呈线性关系上升，在真空条件下，热量的散发只有通过热辐射这一条路径，与空气交换热量的影响已经变得很弱。因此释放机构在实际应用于装备时，应提出SMA工作腔内的真空严密性的工作要求。在负载200g条件下的记忆伸展长度为25mm左右，释放机构所使用的SMA 弹簧的相变温度为45-50℃左右，实验材料迅速拉伸的温度范围仅有4℃左右，这一阶段弹簧中绝大部分的马氏体相迅速转变为奥氏体,使变形速度迅速增加，这一点是符合任务需求的。在200g的条件下，给SMA弹簧通以5A 及6A 的电流，相同负载下，增加电流能显著缩短SMA 弹簧的反应时间。

4 结论

在新装备的研发及应用中，针对基于子母形态的微型飞行器释放方式，探究了一种基于SMA 相变原理的释放机构，并开展了实验仿真分析。实验认为，基于SMA 相变的释放方式有利于减少对微型飞行器的冲击，减少污染物对飞行器的影响。在实际应用中应考虑SMA真空的工作环境，对外结构的设计提出了新的要求。通过电流越大，SMA温度比例上升越快，到一定界限后将趋于平稳；相同负载条件下，SMA温度越高，形变程度越大，可满足释放要求；相同负载条件下，增加通过电流，SMA弹簧相变启动时间有明显改善。

SMA弹簧是利用热相变进行工作的，在热相变过程中SMA 弹簧把热能转变为机械能。由于SMA 弹簧的应力- 应变呈非线性，在实际运用时还需要对弹簧进行热培训[2]，让其拥有较好的热稳定性，另外，SMA弹簧的设计工艺将影响弹簧的机械性能。本文的工作为子母集群微型飞行器的释放机构设计提供了一定的技术基础和参考依据。