仲作陽(yáng)，張海聯(lián)，周建平，黃奕勇

(1. 軍事科學(xué)院國(guó)防科技創(chuàng)新研究院，北京 100034； 2. 中國(guó)載人航天工程辦公室，北京 100094)

1 引言

連接分離裝置也稱為解鎖分離裝置，是航天器艙段之間、本體與部件之間以及機(jī)構(gòu)之間的牢固連接與可靠分離的執(zhí)行部件，其可靠工作是圓滿完成各項(xiàng)載人航天任務(wù)的基礎(chǔ)和前提條件[1-2]。未來(lái)空間站建造及載人登月任務(wù)對(duì)連接分離裝置的可靠性、安全性及分離沖擊提出了更高的要求，也對(duì)大承載低沖擊連接分離模塊提出了較為迫切的需求[3]。

目前航天器通過(guò)多種連接分離裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)連接與解鎖功能，如大型艙段分離、器箭分離、太陽(yáng)帆板壓緊與解鎖、有效載荷釋放、降落傘艙傘艙蓋等各類艙蓋彈射等[2]。隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展，航天器越來(lái)越復(fù)雜，使用的分離裝置將非常多。美國(guó)的阿波羅飛船上用了310個(gè)，俄羅斯的聯(lián)盟號(hào)飛船上使用了150個(gè)，我國(guó)載人飛船上使用了上百件分離裝置[1,4]。

圖1 阿波羅載人飛船艙段連接分離系統(tǒng)[4]Fig.1 Connection and separation technology of spacecraft of the APOLLO manned spacecraft[4]

以阿波羅飛船任務(wù)為例，飛行期間要完成多次分離[1,4]。按發(fā)射狀態(tài)構(gòu)型自上而下有5個(gè)連接分離面，分別是：逃逸塔與指令服務(wù)艙連接分離面、指令艙與服務(wù)艙連接分離面、服務(wù)艙與土星5火箭連接分離面、登月艙與土星5火箭連接分離面、指令服務(wù)艙與登月艙連接分離面。如圖1所示，其艙段連接分離系統(tǒng)由一系列連接分離裝置模塊組建而成，這些連接分離裝置模塊大都是火工裝置，且任務(wù)功能不盡相同，例如，發(fā)射逃逸系統(tǒng)、服務(wù)艙、指揮艙、登月艙等分系統(tǒng)中布置了解鎖螺栓、分離螺母等多種火工連接分離裝置模塊，主要完成逃逸塔分離、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、火箭級(jí)間分離、防熱罩拋離、登月艙分離、登月艙軟著陸機(jī)構(gòu)解鎖等功能。

目前，我國(guó)載人航天任務(wù)中連接分離裝置主要采用火工裝置為主，包括爆炸螺栓、分離螺母、切割器、各類火工鎖、火工推桿等裝置。此類裝置具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載能力強(qiáng)、作用可靠、作用時(shí)間短和同步性高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在不可克服的缺點(diǎn)如[5]：安全性差；不能重復(fù)使用，可靠性難以驗(yàn)證；沖擊載荷較大，尤其在高頻段；可能產(chǎn)生污染。針對(duì)傳統(tǒng)火工裝置存在的缺陷，世界各國(guó)紛紛開展了新型低沖擊非火工連接分離裝置，包括形狀記憶合金裝置、熱切割裝置、聚合物驅(qū)動(dòng)裝置以及電機(jī)/電磁驅(qū)動(dòng)裝置等[6]。與火工裝置相比，非火工裝置的主要優(yōu)點(diǎn)包括[7-8]：顯著降低了沖擊載荷，由火工品的104g降低為102g，改善了航天器的沖擊環(huán)境；消除了火藥的安全防護(hù)問題，避免了火藥在制造、運(yùn)輸、貯存等一系列過(guò)程中的安全措施；不存在火藥燃燒或爆炸時(shí)產(chǎn)生的有害氣體或碎片，不污染周圍的環(huán)境；大多可以完全多次使用，便于進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，易于保證釋放裝置的可靠性等。

綜上，針對(duì)我國(guó)載人航天和未來(lái)載人深空探測(cè)任務(wù)的連接分離需求，開展具備高可靠、大承載、低沖擊、可測(cè)性強(qiáng)、無(wú)污染、低成本、可重復(fù)使用的非火工連接分離技術(shù)研究，對(duì)后續(xù)載人航天的發(fā)展是十分重要且迫切的。

2 國(guó)外研究情況

從上世紀(jì)80年代起，國(guó)外已開展了多種非火工連接分離裝置的設(shè)計(jì)及研究，其中有些已被工程所應(yīng)用，部分替代了火工裝置，并取得了良好的效果[9-10]。以下對(duì)一些典型裝置進(jìn)行介紹和分析。

2.1 基于電機(jī)/電磁作動(dòng)原理的分離裝置

2.1.1 LSRU與RULSA釋放裝置

LSRU是由ESA資助、Sierra Nevada公司設(shè)計(jì)、RUAG公司制造、為Alphabus/Alphasat S/A所配套的一種低沖擊、非火工和可重復(fù)使用的壓緊釋放裝置。其核心元件為一個(gè)滾子螺桿，螺桿螺紋一端安裝在滾子螺母中。螺桿螺紋為非自鎖螺紋，對(duì)螺桿作用很小的軸向力即可使螺母轉(zhuǎn)動(dòng)。由于釋放時(shí)，預(yù)緊載荷轉(zhuǎn)化為滾子螺母的動(dòng)能，藉此降低了釋放沖擊[7]。

RULSA是法國(guó)SOTEREM公司2011年開發(fā)的一種新型低沖擊、可重復(fù)使用的釋放裝置[7]。其分瓣螺母采用一體化設(shè)計(jì)，通過(guò)工程樣機(jī)測(cè)試，在連接螺栓預(yù)緊載荷達(dá)到180 kN時(shí)，釋放沖擊不超過(guò)1000g，釋放時(shí)間不超過(guò)100 ms。

2.1.2 LightBand電機(jī)連接解鎖分離裝置

針對(duì)皮衛(wèi)星分離問題，美國(guó)空軍聯(lián)合Planetary Systems公司開發(fā)了新型分離裝置LightBand，沖擊小于300g。這種裝置相對(duì)于傳統(tǒng)包帶式分離裝置具有諸多優(yōu)點(diǎn)，比如質(zhì)量只有后者的1/3，包絡(luò)只有1/8，分離沖擊降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，成本只有原來(lái)的一半，同時(shí)具有分離時(shí)間短、驅(qū)動(dòng)功率小、沖擊載荷小等優(yōu)點(diǎn)。如圖2所示，其主要原理是通過(guò)多個(gè)卡爪從分離裝置內(nèi)側(cè)與上環(huán)連接，連接時(shí)，通過(guò)孔用彈簧卡圈從內(nèi)部抵住卡爪，解鎖時(shí)，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，收緊卡圈，卡爪就失去限位，在底部轉(zhuǎn)軸處的扭簧作用下復(fù)位[7]。

圖2 電機(jī)連接解鎖分離裝置[7]Fig.2 Electrical connection and separation device[7]

2.2 基于記憶特性材料的連接分離裝置

形狀記憶合金(SAM)具有優(yōu)良的形狀記憶效應(yīng)和超彈性。從20世紀(jì)90年代始，世界主要航天大國(guó)開發(fā)了大量基于SAM的空間分離裝置[11-14]。

2.2.1 LFN和TSN分離螺母

目前大多數(shù)SMA分離裝置都采用分瓣螺母結(jié)構(gòu)，載荷螺栓的螺母由幾片組成，連接狀態(tài)下，由鎖緊裝置將其箍緊，保證與螺栓可靠連接；分離時(shí)，由SMA驅(qū)動(dòng)使分瓣螺母分離，釋放載荷。1993年，美國(guó)洛德馬丁公司在美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室的支持下研制了使用SMA為作動(dòng)裝置的兩種分離螺母LFN和TSN[10]，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 LFN裝置和TSN裝置結(jié)構(gòu)圖[10]Fig.3 Structure of LFN device and TSN device[10]

1999年5月，LFN和TSN通過(guò)發(fā)射MightSat I星搭載的SMARD裝置進(jìn)行了在軌實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，兩種裝置均能順利實(shí)現(xiàn)分離，且分離沖擊遠(yuǎn)小于火工品的沖擊水平，均在500g以下[15-16]。但由于其輸入電流在100 A以上，遠(yuǎn)大于火工品發(fā)火電流5 A設(shè)計(jì)要求，不能與航天器供電系統(tǒng)相兼容，SRC公司在AFRL的資助下改進(jìn)了LFN結(jié)構(gòu)，使其能與傳統(tǒng)電源兼容。

2.2.2 FASSN分離螺母

FASSN分離螺母由美國(guó)Starsys公司研制，其質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，所需驅(qū)動(dòng)能量小，分離時(shí)間小于20 ms，承載能力達(dá)1900～ 4500 kg，在試樣試驗(yàn)中，承載甚至達(dá)17000 kg。其基本原理是利用SMA扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)飛輪螺母的旋轉(zhuǎn)分離。分離過(guò)程中，螺栓接頭應(yīng)變能和壓縮彈簧勢(shì)能的95%轉(zhuǎn)化為飛輪的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，減緩了壓縮能的快速釋放，所以分離帶來(lái)的沖擊力很小[9]。

如圖4所示，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室ARTS Ⅱ項(xiàng)目成功使用了5.9 t預(yù)緊力的FASSN分離裝置，并且預(yù)緊力成功加載到了170 kN。此外，F(xiàn)ASSN裝置還在美國(guó)宇宙神-3運(yùn)載火箭CBOD(包帶分離裝置)系統(tǒng)中成功應(yīng)用，釋放的過(guò)程中對(duì)接框能量釋放時(shí)間約為2～5 ms，分離沖擊小于400g[17]。

圖4 基于FASSN快速分離螺母的CBOD包帶分離裝置[17]Fig.4 CBOD bolt device based on the FASSN quick separation nut[17]

2.2.3 NASA開發(fā)的壓緊釋放裝置

NASA開發(fā)并成功應(yīng)用于運(yùn)載火箭與航天器分離的壓緊釋放裝置[18]。圓柱形固定套通過(guò)螺紋旋合固定在下連接件上，在裝置壓緊狀態(tài)時(shí)，在活塞的作用下分離螺母的三個(gè)部件兩兩之間緊密合攏，形成完整的螺紋，分離螺母通過(guò)墊圈軸向限位；釋放時(shí)，加熱SMA棒使其伸長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)活塞剪斷銷釘并上移，活塞與螺母的兩個(gè)凸臺(tái)相互脫離，解除對(duì)分離螺母的徑向約束后，連接螺栓繼而被釋放。此裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成熟，承載力大，但依靠SMA棒直接驅(qū)動(dòng)，使得其體積大，加熱慢，作動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，但需剪斷銷釘，無(wú)法重復(fù)使用。

2.2.4 STAR Nut釋放螺母

SRC公司與CTD共同開發(fā)了一種基于EMC材料的低沖擊熱驅(qū)動(dòng)式釋放螺母STAR NUT，如圖5所示[19]。STAR Nut關(guān)鍵的作動(dòng)零件為由EMC材料制造的內(nèi)外兩個(gè)套筒，預(yù)緊螺栓與內(nèi)套筒剛性連接，內(nèi)外套筒通過(guò)錐面進(jìn)行配合，通過(guò)擰緊螺母施加預(yù)緊載荷。釋放時(shí)，對(duì)內(nèi)外套筒同時(shí)進(jìn)行加熱，由錐形變形為圓柱狀，內(nèi)外套筒脫離并實(shí)現(xiàn)解鎖。由于只要內(nèi)外套筒中的一個(gè)能夠回復(fù)到圓柱狀態(tài)，就能夠?qū)崿F(xiàn)釋放，從而在設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)冗余。STAR Nut的設(shè)計(jì)承載能力可達(dá)到13 kN以上，對(duì)EMC內(nèi)外套筒加熱需要15 W的電源功率，釋放時(shí)間不超過(guò)30 s。

圖5 STAR NUT組成示意圖[19]Fig.5 Diagram of STAR NUT[19]

2.2.5 Frangibolt開槽螺栓鎖緊釋放裝置

Frangibolt裝置是TiNi Aerospace公司在20世紀(jì)90年代初由美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室資助研究的一種SMA驅(qū)動(dòng)開槽螺栓的鎖緊釋放裝置，如圖6所示[20]。該裝置具有負(fù)載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、安全可靠等特點(diǎn)，而且SMA驅(qū)動(dòng)器在冷卻并被壓縮到觸發(fā)之前的長(zhǎng)度之后可以被重新使用。但其缺點(diǎn)在于動(dòng)作時(shí)間較慢(約20 s左右)，且動(dòng)作時(shí)間與供電電流、起始溫度等關(guān)聯(lián)密切，目前尚不適用于多點(diǎn)同步釋放和快速分離。

圖6 Frangibolt鎖緊釋放裝置[20]Fig.6 Frangibolt lock and releasing device[20]

此外，法國(guó)宇航公司ASC和IMAGO公司聯(lián)合研發(fā)了一種類似的Frangibolt分離機(jī)構(gòu)[21]，主要由帶凹槽的螺栓和SMA組成，通過(guò)加熱SMA脹斷連接螺栓。該裝置已于1994年成功應(yīng)用于美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室發(fā)射的Clementine月球探測(cè)器的太陽(yáng)翼帆板壓緊釋放[22]。

2.2.6 MMC分瓣螺母裝置

MMC裝置是馬丁公司研發(fā)的由SMA驅(qū)動(dòng)的分瓣螺母裝置[23-24]。預(yù)拉伸的管狀SMA加熱收縮，驅(qū)動(dòng)底部的擋圈和卡環(huán)向上移動(dòng)，從而釋放分瓣螺母的徑向約束，分離塊在活塞彈簧的作用下驅(qū)動(dòng)分瓣螺母分開，解鎖后的螺栓在頂桿的作用下分離。MMC裝置承載能力達(dá)1.8 t，沖擊極小，無(wú)污染，但是分離時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，約45 s。

2.2.7 SN9600系列裝置

Hi Shear公司研制的SN9600系列摩擦式SMA直接驅(qū)動(dòng)壓緊釋放裝置，壓緊和釋放狀態(tài)如圖7所示[25]。該裝置利用SMA棒通電加熱收縮，螺母預(yù)緊力減小到一定程度時(shí)，驅(qū)動(dòng)彈簧的回復(fù)力將大于分離螺母與固定環(huán)間的摩擦力，從而將固定環(huán)頂開，復(fù)位彈簧推動(dòng)分離螺母張開并釋放螺栓。通過(guò)彈簧和斜面結(jié)構(gòu)的配合，該裝置可以將固定環(huán)重新壓下并回復(fù)原位，實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用。由于可逐步減少螺栓預(yù)緊力，釋放沖擊較小，但采用SMA棒直接通電驅(qū)動(dòng)，所需能量較大，解鎖時(shí)間也較長(zhǎng)。

圖7 SN9600壓緊和釋放狀態(tài)示意圖[25]Fig.7 SN9600 pressing and releasing device[25]

2.2.8 KAU-1分離裝置

KAU-1分離裝置是韓國(guó)航空大學(xué)于2010年研制的一種基于SMA彈簧的極限載荷和分離時(shí)間可控的分離裝置[26-27]。該分離裝置由可變形模塊、阻攔器、外殼、兩個(gè)釋放彈簧和一個(gè)SMA驅(qū)動(dòng)彈簧組成，其工作原理為：加熱SMA彈簧使其收縮，驅(qū)動(dòng)變形組件發(fā)生塑形變形，在分離彈簧的作用下完成分離。該裝置在30 W輸入功率下的分離時(shí)間為55 s，1.75 mm SMA絲在150 N的預(yù)加載下的最大沖擊為11.09g，變形模塊厚度為1 mm時(shí)的極限載荷為1510 N。

2.2.9 KAU-2分離裝置

KAU-2分離裝置是Min-hyoung Lee等人于2011年研制的一種低輸入能量，快速響應(yīng)的SMA分離裝置，如圖8所示，由驅(qū)動(dòng)模塊、支撐模塊、釋放模塊和外殼組成[28]。分離時(shí)，SMA桿加熱收縮，驅(qū)動(dòng)卡塊下移，解鎖扭力彈簧驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)動(dòng)，剛球落入旋轉(zhuǎn)件的凹槽內(nèi)，分離銷完成釋放分離。該裝置在輸入電流為2 A時(shí)，分離時(shí)間為1.5 s；當(dāng)電流增加3 A時(shí)，分離時(shí)間為0.45 s。該裝置能穩(wěn)定釋放50 kg的負(fù)載，且在沒有預(yù)加載的情況下其分離沖擊為4g。

圖8 KAU-2分離裝置[28]Fig.8 KAU-2 separation device[28]

2.2.10 KAIST分瓣螺母分離裝置

KAIST分瓣螺母分離裝置是韓國(guó)科學(xué)技術(shù)高級(jí)研究院和韓國(guó)航空航天研究所于2013年研制的一種具有分離時(shí)間短、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高預(yù)加載、低沖擊的非火工品分離裝置[29]。該裝置為圓柱形結(jié)構(gòu)，其元件包括外殼、SMA絲、安全彈簧、觸發(fā)塊、套筒、鎖定套筒、壓縮彈簧、螺栓和分離螺母等，圖9為其分離后狀態(tài)示意圖。該裝置在分離時(shí)，通過(guò)SMA絲收縮，帶動(dòng)觸發(fā)塊向上移動(dòng)，解除對(duì)鎖定套筒的軸向約束，鎖定套筒在壓縮彈簧的作用下，帶動(dòng)滾軸軸向運(yùn)動(dòng)，解除分瓣螺母的徑向約束，在預(yù)緊力作用下，實(shí)現(xiàn)螺栓與分瓣螺母的分離。該分離裝置作動(dòng)簡(jiǎn)單、迅速，分離時(shí)間為50 ms，可承受的預(yù)加載荷為15 kN，最大分離沖擊為350g。

圖9 KAIST分瓣螺母分離裝置[29]Fig.9 KAIST split nut separation device[29]

2.2.11 NEHRA壓緊釋放裝置

西班牙SENER公司研發(fā)了一種承載能力為20 kN的非爆炸壓緊分離裝置NEHRA，原理如圖10所示，主要由分離螺母和高強(qiáng)度M8螺栓組成[24,30]。解鎖時(shí)，通電使SMA絲收縮，帶動(dòng)固定環(huán)旋轉(zhuǎn)，解鎖鎖緊轉(zhuǎn)輪的圓柱形滾棒，扭簧恢復(fù)到未加載荷前的狀態(tài)，分離螺母張開，完成分離解鎖功能。該裝置以SMA絲作為觸發(fā)源而不是直接驅(qū)動(dòng)源，消耗能量小，在1.5～5 A的電流下均能正常工作，平均作用時(shí)間為1 s，釋放時(shí)間為10 ms，重置方便，可重復(fù)操作50次以上，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

圖10 NEHRA壓緊釋放裝置[24,30]Fig.10 NEHRA pressing and releasing device[24,30]

2.2.12 其它

美國(guó)EIC公司研制了ElectRelease分離裝置，采用含二胺固化環(huán)氧樹脂的材料，該材料平時(shí)對(duì)金屬表面具有極強(qiáng)的粘性，能夠承受一定的載荷，可滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)通入10～50 V的低壓電流時(shí)，該材料對(duì)金屬表面具有的粘性迅速消失，可實(shí)現(xiàn)分離要求，原理如圖11所示[12]。

圖11 ElectRelease 分離裝置[12]Fig.11 ElectRelease device[12]

此外，西班牙ARQUIMEA公司擁有拔銷器(Pinpuller actuator)和鎖定釋放機(jī)構(gòu)(HDRM)兩個(gè)系列SMA產(chǎn)品，產(chǎn)品工作溫度范圍擴(kuò)展到了-120℃～+120℃，具有良好的耐輻射，耐磁場(chǎng)，抗電磁干擾能力，滿足空間環(huán)境的要求[14]。

2.3 基于熔斷/熱致動(dòng)的連接分離裝置

目前，越來(lái)越多的研究人員基于電能轉(zhuǎn)換成熱能作為解鎖動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)連接裝置的解鎖，并替代部分火工裝置[9, 31-33]。

2.3.1 Fusible Link基于鎳鈦合金熱致動(dòng)的釋放裝置

Fusible Link釋放裝置是一種由BDSG公司和美國(guó)海軍空間技術(shù)中心合作開發(fā)的非火工釋放裝置，該裝置主要包括一個(gè)鎳鈦合金帶、一對(duì)手爪和一個(gè)連接架[7]。在連接時(shí)，手爪將連接架抱住，鎳鈦合金帶將手爪固定；釋放時(shí)，對(duì)鎳鈦合金帶通電加熱，鎳鈦合金帶強(qiáng)度降低并在300±50 ms時(shí)間內(nèi)破壞，并將兩個(gè)手爪解鎖，從而將連接架釋放。

2.3.2 QWKNUT分離螺母

Non-Explosive分離螺母由美國(guó)G&H公司獨(dú)立研制，核心元件為一種被稱為電驅(qū)卷軸的非火工驅(qū)動(dòng)器[9,34]。該裝置采用燃線驅(qū)動(dòng)，器連接分離力可達(dá)到90 000 N。釋放時(shí)，對(duì)熔絲施加1 A/1 W的觸發(fā)電流熔斷，纏繞在繞線軸上的約束線釋放打開，兩瓣繞線軸分開，插桿在外部軸向壓力的作用下沿軸向進(jìn)入已經(jīng)分開的繞線軸，從而完成釋放動(dòng)作，整個(gè)釋放過(guò)程可以在20 ms內(nèi)完成。當(dāng)裝置釋放動(dòng)作后，彈簧推動(dòng)固定裝置向上運(yùn)動(dòng)，并沿徑向打開分瓣螺母同時(shí)釋放連接螺栓，改良后裝置的分離沖擊顯著減小[10]。

2.3.3 FASSN分離螺母

FLRD熔斷釋放裝置是美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室資助NEA Electronics公司研制的一種點(diǎn)式分離裝置[10]，如圖12(a)所示。熔斷金屬在外部觸發(fā)電流(1 A/1W)作用下熔斷，彈性金屬絲端頭失去約束力而松開，合攏的卷軸分為兩瓣，在載荷作用下插桿沿軸向移動(dòng)，進(jìn)入到分開卷軸內(nèi)部。該裝置整個(gè)釋放過(guò)程可在20 ms內(nèi)完成，沖擊小于50g。在外部尺寸、單體質(zhì)量上都與QWKNUT分離螺母接近。

圖12 采用熔斷釋放裝置的Marmon包帶Fig.12 Marmon bolt based on the melt release device

目前，此類連接分離裝置已在多個(gè)航天型號(hào)任務(wù)中成功應(yīng)用，如1993年民兵-3任務(wù)中臍帶解鎖、1995年軌道通信衛(wèi)星-2任務(wù)中太陽(yáng)翼及天線解鎖、以及1999年X射線多鏡面衛(wèi)星任務(wù)中太陽(yáng)鏡及光學(xué)鏡等解鎖[31]。圖12(b)為一種Marmon包帶，采用了該熔斷釋放裝置，通過(guò)側(cè)向加載螺母實(shí)現(xiàn)包帶預(yù)緊力調(diào)節(jié)。上述機(jī)構(gòu)釋放應(yīng)變能的速度很慢，所以沖擊力幾乎為零，可以釋放中等或大載荷，然而加熱區(qū)域大，需要很大的輸入能量。

2.3.4 NEA釋放裝置

NEA釋放裝置是美國(guó)Eaton公司研發(fā)的一種新型非火工分離裝置，如圖13所示[7]。連接時(shí)，由承力桿與分瓣螺母進(jìn)行承載；解鎖時(shí)，裝置通電加熱，限位環(huán)熔斷，柱塞桿解除對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的限位，移動(dòng)平臺(tái)在壓縮彈簧的帶動(dòng)下軸向移動(dòng)，鎖緊螺母分瓣從而實(shí)現(xiàn)承力桿的脫出。NEA釋放裝置通過(guò)雙通電熔斷裝置設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了觸發(fā)環(huán)節(jié)的冗余，設(shè)計(jì)承載力可達(dá)42.2 kN，分離沖擊小于2000g，響應(yīng)時(shí)間小于25 ms(4.5 A)，重量小于226 g。該裝置在2013年4月發(fā)射的美國(guó)龍飛船的火箭錐罩分離、主降落傘門開啟、散熱器支桿壓緊釋放等多處連接分離環(huán)節(jié)得到應(yīng)用，成功完成了在軌驗(yàn)證[31-33]。

圖13 NEA釋放裝置[7]Fig.13 NEA release device[7]

2.3.5 PYROSOFT低熔點(diǎn)金屬材料釋放裝置

PYROSOFT釋放裝置[7,31]是由法國(guó)LACROLX公司開發(fā)的一種低沖擊火工釋放裝置，其工作過(guò)程如下[31,33]：火工組件點(diǎn)火，火藥燃燒產(chǎn)生的高溫將低熔點(diǎn)金屬材料熔化，解除對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械定位；火藥燃?xì)獾膲毫ν苿?dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)速度受液態(tài)低熔點(diǎn)金屬材料的流動(dòng)速度控制；執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到位后，低熔點(diǎn)金屬材料隨著溫度的降低而凝固，并將執(zhí)行機(jī)構(gòu)鎖定。由其工作原理可以看出，系統(tǒng)的預(yù)緊載荷在過(guò)程中被完全釋放，分離沖擊降低到較低水平。另外，液態(tài)低熔點(diǎn)金屬材料所產(chǎn)生的阻尼緩沖作用則有效降低了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作速度(整個(gè)釋放時(shí)間大約3 s)，進(jìn)一步降低了分離時(shí)刻的釋放沖擊。

2.3.6 石蠟驅(qū)動(dòng)裝置

石蠟驅(qū)動(dòng)裝置利用了石蠟從固態(tài)熔化到液態(tài)過(guò)程中，體積發(fā)生膨脹產(chǎn)生機(jī)械能做功的原理，外觀如圖14[9, 35]。當(dāng)加熱器通電時(shí)，石蠟升溫熔化并體積膨脹，通過(guò)擠壓套作動(dòng)觸發(fā)器銷；當(dāng)石蠟完全熔化后，體積增加15%，觸發(fā)器銷行至終點(diǎn)；當(dāng)通電結(jié)束，石蠟冷卻下來(lái)并凝固，觸發(fā)器銷在彈簧作用下回到原位。石蠟觸發(fā)器能夠產(chǎn)生較大輸出力(載荷可達(dá)623 kg)，還可以重復(fù)使用。但它需要較長(zhǎng)的工作時(shí)間，消耗能量較多[31]，適用于精密儀器釋放和作動(dòng)場(chǎng)合，如美國(guó)CONTOUR任務(wù)中反射鏡端蓋的釋放[36]和Clementine任務(wù)中傳感器蓋的打開和天線的釋放[37]。

圖14 石蠟驅(qū)動(dòng)裝置[9,35]Fig.14 Paraffin drive device [9,35]

2.3.7 HDRS熱刀式壓緊釋放裝置

荷宇航公司研發(fā)了熱刀式連接釋放裝置HDRS[7]，并成功應(yīng)用于ARA和FRED系列的太陽(yáng)翼壓緊與釋放，已有500余套HDRS裝置在太空解鎖成功，成功率100%。其核心部件為熱刀，結(jié)構(gòu)如圖15(a)所示；結(jié)構(gòu)原理如圖15(b)所示，凱夫拉繩索一端與壓緊底座連接，另一端通過(guò)壓緊螺母固定在壓緊端蓋上，熱刀安裝于壓緊底座上，采用雙熱刀冗余設(shè)計(jì)。壓緊狀態(tài)時(shí)，通過(guò)調(diào)整螺紋長(zhǎng)度調(diào)節(jié)繩索預(yù)緊力大小；釋放時(shí)，熱刀通電加熱到1000℃，凱夫拉繩索局部強(qiáng)度逐漸衰減，當(dāng)其小于預(yù)緊力時(shí)熔斷，實(shí)現(xiàn)解鎖。該裝置的應(yīng)變能釋放緩慢，整個(gè)動(dòng)作時(shí)間少于60 s，幾乎沒有沖擊，且無(wú)有害氣體或碎片產(chǎn)生，地面測(cè)試時(shí)可重復(fù)使用，構(gòu)造簡(jiǎn)單，安全可靠，重量輕。

圖15 基于熱刀結(jié)構(gòu)的HDRS壓緊釋放裝置[7]Fig.15 HDRS pressing and releasing device based on the thermal knife structure[7]

2.3.8 MHRM多功能壓緊釋放裝置

多功能壓緊釋放裝置MHRM是荷宇航基于HDRS裝置，為歐空局GSTP-3計(jì)劃研發(fā)的一套的后續(xù)產(chǎn)品，并在2009年7月發(fā)射的Proba-2成功應(yīng)用[31]。MHRM裝置原理與HDRS相同，壓緊繩索由原來(lái)的凱夫拉材料替換為大力馬(Dyneema，超高分子聚乙烯)，如圖16所示。

圖16 MHRM多功能壓緊釋放裝置示意圖[31]Fig.16 MHRM multi-functional pressing and releasing device[31]

2.3.9 FlatPack HDRS大承載壓緊釋放裝置

FlatPack HDRS裝置是荷宇航基于成熟的HDRS裝置針對(duì)大型太陽(yáng)翼展開而研發(fā)的大承載壓緊釋放裝置[30]，成功應(yīng)用于EnviSat、EOS Aqua、EOS Aura、MetOp-A和-B航天器上。如圖17所示，該裝置由底座、壓緊襯套、壓緊繩索、帶張緊裝置的頂支架和兩把冗余熱刀組成。壓緊時(shí)，繩索預(yù)壓力使頂部滑輪軸與孔摩擦并無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)；解鎖時(shí)，熱刀將繩環(huán)底部切斷后，繩索對(duì)滑輪軸的力消除，滑輪在扭簧驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)180°，滑輪槽消失，在分離彈簧作用下，繩索脫離滑輪，實(shí)現(xiàn)解鎖。

圖17 FlatPack HDRS大承載壓緊釋放裝置示意[33]Fig.17 FlatPack HDRS large load pressing and releasing device [33]

2.3.10 Fokker熱切割釋放裝置

Fokker公司開發(fā)的熱切割分離釋放裝置如圖18所示[38-39]。該裝置亦使用Kevlar/Aramid作為核心材料；使用時(shí)，通過(guò)電流加熱陶瓷刀片，在接觸點(diǎn)緩慢熔化繩索；當(dāng)達(dá)到繩索截面減小到一定程度時(shí)，在預(yù)張力的作用下繩索斷裂實(shí)現(xiàn)分離。這種裝置分離沖擊極小(約25g)，承載能力可達(dá)3 kN，可以重復(fù)使用8次以上。該裝置被歐空局廣泛用于各種空間可折展附件結(jié)構(gòu)的釋放[40]。

圖18 Fokker熱切割釋放裝置[38-39] Fig.18 Fokker heat cutting releasing device[38-39]

2.3.11 SARRS太陽(yáng)翼解鎖裝置

美國(guó)NASA戈達(dá)德航天中心用于宇宙起源研究的MAP飛船于2001年6月發(fā)射，對(duì)宇宙微波輻射進(jìn)行全天空掃描，其太陽(yáng)翼壓緊釋放系統(tǒng)(SARRS)的解鎖元件亦采用熱刀解鎖裝置。六塊太陽(yáng)翼由一根3 mm的凱夫拉繩索圍繞約束，每個(gè)太陽(yáng)翼上有兩個(gè)支架用于支撐圍繞繩索，冗余備份一個(gè)[7,31]。

2.3.12 T-POD和P-POD分離裝置

T-POD裝置是日本東京工業(yè)大學(xué)研制的一種熱刀式分離釋放裝置，質(zhì)量為2.5 kg，衛(wèi)星分離速度0.3～0.6 m/s，對(duì)星體姿態(tài)擾動(dòng)最大為0.4 rad/s。如圖19所示，它主要由四條腿、兩條尼龍繩和一個(gè)鎳鉻鐵合金加熱器組成，通過(guò)四腳的支撐和尼龍繩的鎖緊，完成對(duì)小衛(wèi)星的連接與分離[41-42]。

圖19 T-POD分離裝置[41-42]Fig.19 T-POD separation device[41-42]

1999年斯坦福大學(xué)和加州理工大學(xué)共同研制了一種多皮星在軌分配器(P-POD)[41-42]，從2003年開始已經(jīng)有多顆皮星通過(guò)P-POD實(shí)現(xiàn)搭載。此外，2003年6月，東京理工大學(xué)(TIT)在用俄羅斯火箭搭載一顆教學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星時(shí)，也研發(fā)了類似于P-POD的新型分離裝置[43]。該裝置采用四個(gè)卡爪將衛(wèi)星和火箭相連接，通過(guò)扭簧安裝在分離機(jī)構(gòu)上。衛(wèi)星分離時(shí)，加熱熔斷系繩，在扭簧的作用下卡爪張開解除對(duì)衛(wèi)星的約束，實(shí)現(xiàn)星箭分離。

2.4 小結(jié)

通過(guò)上述國(guó)外裝置可以看出：按驅(qū)動(dòng)類型來(lái)分，非火工分離裝置主要有電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電磁作動(dòng)、SMA驅(qū)動(dòng)、熱熔斷或熱致動(dòng)等，部分裝置是幾種驅(qū)動(dòng)類型相結(jié)合的結(jié)果。從指標(biāo)參數(shù)來(lái)看，各有優(yōu)劣。如電機(jī)/磁作動(dòng)裝置作用迅速，但存在機(jī)械沖擊力大的問題；熱切割裝置在釋放載荷時(shí)產(chǎn)生的沖擊小，但負(fù)載能力有限，且裝置驅(qū)動(dòng)需要耗費(fèi)大量的能量較多和、時(shí)間較長(zhǎng)的時(shí)間；石蠟驅(qū)動(dòng)裝置輸出較大且能精確、重復(fù)定位，但作用緩慢、要求的輸入能量大；形狀記憶合金可制成線狀、桿、套筒、彈簧等驅(qū)動(dòng)元件，SMA驅(qū)動(dòng)裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、反應(yīng)速度快、可重復(fù)使用等特性，缺點(diǎn)是熱性能較差、缺口脆性高，易造成應(yīng)力松弛和蠕變現(xiàn)象。

3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

在航天器連接分離技術(shù)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)主要采用火工分離裝置，不可檢、不可測(cè)、分離沖擊大且成本高等問題較為突出。近年來(lái)，隨著低沖擊空間任務(wù)需求增多、智能材料結(jié)構(gòu)領(lǐng)域研究升溫，國(guó)內(nèi)非火工連接分離裝置的研究逐漸興起[44-45]。

3.1 基于電機(jī)/電磁驅(qū)動(dòng)的連接分離裝置

國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的在軌連接分離機(jī)構(gòu)有神舟飛船與目標(biāo)飛行器的對(duì)接機(jī)構(gòu)，采用內(nèi)翻周邊式，適用于大型的艙段對(duì)接[3]。

對(duì)于小型自主對(duì)接分離機(jī)構(gòu)技術(shù)，國(guó)內(nèi)眾多單位做了大量的預(yù)先研究工作，研制出了各種不同形式的原理樣機(jī)。如北京衛(wèi)星制造廠自主研發(fā)了基于電磁作動(dòng)器的分瓣螺母式可重復(fù)、低沖擊分離裝置，采用渦卷彈簧箍緊半連接式分瓣螺母實(shí)現(xiàn)鎖緊與分離。南京理工大學(xué)丁祥林等也研發(fā)了一種電磁式滾珠凹槽型非火工連接分離裝置[46]，如圖20所示。北京宇航系統(tǒng)研究近年來(lái)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)解鎖和電磁鐵觸發(fā)分離螺母方式，完成了多種點(diǎn)式和線式非火工分離裝置的研制，包括甚低沖擊點(diǎn)式分離裝置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)小型線式分離裝置和大直徑線式分離裝置等，承載能力較以往有大幅提升，并具備較小的分離沖擊。

圖20 電磁驅(qū)動(dòng)分離裝置[46]Fig.20 Electromagnetic drive separation device[46]

3.2 基于記憶特性材料的連接分離裝置

3.2.1 SMA-30000分瓣螺母裝置

中國(guó)空間技術(shù)研究院研制了多型利用SMA絲作為驅(qū)動(dòng)源的壓緊釋放裝置[47]。其中，采用SMA絲直驅(qū)、鋼球卡位、分離螺母釋放的壓緊釋放裝置于2012年搭載新技術(shù)驗(yàn)證一號(hào)完成在軌試驗(yàn)[48]。如圖21所示，該裝置特點(diǎn)在于在箍環(huán)與分瓣螺母間引入了多組滾棒，通過(guò)冗余的SMA絲(直徑0.7 mm)驅(qū)動(dòng)箍環(huán)運(yùn)動(dòng)，使原滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，顯著降低了釋放摩擦系數(shù)，提高了預(yù)緊力實(shí)現(xiàn)了利用SMA幾百牛的力釋放高達(dá)40 kN的載荷。并采用了抗剪錐抗剪，實(shí)現(xiàn)了錐-套間隙0.05 mm。

圖21 SMA-30000分瓣螺母裝置示意圖[48]Fig.21 SMA-30000 split nut device[48]

3.2.2 SMA-10000二級(jí)鋼球鎖緊裝置

針對(duì)大型、中型可展開結(jié)構(gòu)的壓緊釋放需求，北京航空航天大學(xué)閆曉軍、張小勇等研制了釋放載荷為10000 N的壓緊釋放機(jī)構(gòu)[49-50]。如圖22所示，SMA絲通電加熱后收縮，拉動(dòng)觸發(fā)塊上移，下鋼球掉入觸發(fā)塊的凹槽內(nèi)，限位套失去軸向約束，在驅(qū)動(dòng)彈簧作用下向下移動(dòng)，直至上鋼球掉入凹槽，分離銷被釋放。該裝置和韓國(guó)KUA-2分離裝置相比，第二級(jí)仍然采用了鋼球鎖緊，而非簡(jiǎn)單的摩擦卡位結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步衰減了分離銷傳遞過(guò)來(lái)的力，確保用SMA絲產(chǎn)生的幾十牛的力可以釋放高達(dá)幾萬(wàn)牛的載荷，大幅拓寬了在航天領(lǐng)域的應(yīng)用[12]，該裝置目前已經(jīng)完成了1000～10 000 N多個(gè)載荷系列研制，并通過(guò)了多次在軌飛行驗(yàn)證。

圖22 SMA-10000二級(jí)鋼球鎖緊裝置，釋放前與釋放后[49-50]Fig.22 Before and after releasing of SMA-10000 device[49-50]

3.2.3 基于SMA驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)式螺母分離裝置

北京衛(wèi)星制造廠與哈爾濱工業(yè)大學(xué)針對(duì)北斗二代二期系列衛(wèi)星星箭分離功能及技術(shù)指標(biāo)要求，聯(lián)合開展了基于SMA驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)式螺母的低沖擊點(diǎn)式分離裝置研究，突破了記憶合金驅(qū)動(dòng)控制、預(yù)緊彈性能量轉(zhuǎn)化等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，研制了多套如圖23所示的原理樣機(jī)，先后開展了靜載試驗(yàn)、分離時(shí)間測(cè)試、高低溫分離試驗(yàn)、分離沖擊測(cè)試、力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)等10余項(xiàng)性功能、性能測(cè)試與試驗(yàn)，滿足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求[51]。該分離裝置不僅實(shí)現(xiàn)低沖擊可靠連接與分離，與傳統(tǒng)火工分離裝置不同，具有無(wú)污染、可重復(fù)使用和安全性高等特點(diǎn)，便于開展地面可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，可極大降低研制及試驗(yàn)成本。

圖23 基于SMA驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)式螺母分離裝置實(shí)物測(cè)試圖[51]Fig.23 Physical picture of rotary nut separation device based on SMA[51]

針對(duì)分離沖擊響應(yīng)預(yù)估難題，系統(tǒng)還搭建了沖擊測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)沖擊載荷識(shí)別、傳遞機(jī)理分析，結(jié)合測(cè)試得到的沖擊響應(yīng)譜，初步得出了分離界面沖擊響應(yīng)分布規(guī)律，為機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、沖擊試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

3.2.4 旋轉(zhuǎn)式SMA分離螺母空間壓緊釋放裝置

哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉榮強(qiáng)等于2012年采用與QWKNUT分離螺母相近的方案，研制了旋轉(zhuǎn)式SMA分離螺母空間壓緊釋放裝置[8]。該裝置由SMA絲，旋臂、保持架、滾柱、外殼、基座、滾輪和卡銷組成。工作時(shí)，SMA絲作用在旋臂上，通電收縮后拉動(dòng)旋臂旋轉(zhuǎn)并使解除對(duì)卡銷的約束，主驅(qū)動(dòng)彈簧靠自身恢復(fù)力將推動(dòng)滾輪旋轉(zhuǎn)，并釋放滾柱和分離螺母，從而達(dá)到釋放螺栓的目的。其原理樣機(jī)目前完成了熱環(huán)境和低量級(jí)地面力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)(隨機(jī)振動(dòng)均方根加速度4.06 Grms)。

3.2.5 其它SMA連接分離裝置

北京宇航系統(tǒng)研究所完成了采用兩根冗余的記憶合金絲驅(qū)動(dòng)解鎖的記憶合金驅(qū)動(dòng)分離螺母裝置研制，并在此基礎(chǔ)上完成了記憶合金驅(qū)動(dòng)點(diǎn)式分離裝置研制，裝置承載能力大幅提升，分離沖擊顯著降低。中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所曹乃亮、楊利偉等設(shè)計(jì)了一種無(wú)沖擊包帶式解鎖分離機(jī)構(gòu)[52]，采用三級(jí)釋放過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了承載力的逐級(jí)放大，同時(shí)通過(guò)逐級(jí)釋放將沖擊響應(yīng)降到最小，并且頂緊彈簧和作動(dòng)彈簧能有效吸收螺栓脆斷產(chǎn)生的沖擊。此外，上海衛(wèi)星工程研究所也發(fā)明了一種基于SMA彈簧的低沖擊解鎖裝置[53]。

3.3 基于熱致動(dòng)的連接分離裝置

國(guó)內(nèi)熱刀式壓緊釋放裝置目前處于研究初步階段，尚缺乏樣機(jī)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)[54]。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所崔龍等設(shè)計(jì)了一種熱刀式鉤鎖分離裝置，如圖24所示[55]。其原理與MAP飛船太陽(yáng)翼解鎖裝置較為相近，通過(guò)預(yù)緊彈簧實(shí)現(xiàn)繩索預(yù)緊力的加載，熱刀工作熔斷繩索完成裝置釋放功能。

圖24 熱刀式鉤鎖分離裝置[55]Fig.24 Thermal knife hooklock separation device[55]

中國(guó)空間技術(shù)研究院和沈陽(yáng)通用機(jī)器人研究所對(duì)熱刀致動(dòng)的壓緊釋放裝置開展了研究并取得了階段性成果[56-57]。它主要由熱刀、熱刀托架、扣蓋、繩頭(又叫“扣球”)、繩索、預(yù)緊桿、預(yù)緊螺母和壓緊座等構(gòu)成，熱刀托架和壓緊座分別用螺釘固定于航天器主結(jié)構(gòu)上，繩索由凱夫拉材料制成。工作時(shí)熱刀通電，電熱元件將產(chǎn)生超過(guò)1000℃的高溫，繩索局部強(qiáng)度逐漸衰減直至被拉斷，扣蓋松開，扣球滑出，引起相應(yīng)的釋放動(dòng)作。

此外，上海航天技術(shù)研究院充分吸收荷宇航的熱刀式連接釋放裝置技術(shù)，開展了產(chǎn)品自主研發(fā)，并通過(guò)相關(guān)預(yù)先研究項(xiàng)目，開展了熱刀以及繩索的基礎(chǔ)性研究[58]。利用電磁驅(qū)動(dòng)、熱切割驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)了SPOD立方星適配器，并通過(guò)了飛行試驗(yàn)的考核，成功實(shí)現(xiàn)了無(wú)沖擊的星箭分離。中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所曹乃亮等設(shè)計(jì)了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的空間有效載荷解鎖分離機(jī)構(gòu)，將壓電陶瓷和斷裂螺栓結(jié)合，適用于有效載荷的部署，具有一定的應(yīng)用前景[59]。

3.4 基于液態(tài)金屬的鎖緊/解鎖裝置

中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心基于液態(tài)金屬合金材料熔點(diǎn)較低、合金成分可調(diào)、材料性質(zhì)可設(shè)計(jì)的特性，初步設(shè)計(jì)了一種如圖25所示的應(yīng)用于空間可展開機(jī)構(gòu)的液態(tài)金屬鎖緊/解鎖機(jī)構(gòu)[60]。仿真失效分析表明，該機(jī)構(gòu)在低于2300 N承載力下有著較好的鎖緊能力，拉伸承力試驗(yàn)表明其可承受的拉伸應(yīng)力大于19.2 MPa。試驗(yàn)中，100 W的加熱棒能使其在3 s的時(shí)間內(nèi)得以完成解鎖，滿足部分解鎖要求靈敏度較低的鎖緊裝置。

圖25 充拉伸試驗(yàn)中的裝置圖[60]Fig.25 Device picture of the tensile test[60]

3.5 充氣式重力梯度桿壓緊釋放裝置

充氣式重力梯度桿的充氣伸展臂結(jié)構(gòu)需要有一套拔銷器式壓緊解鎖裝置用于壓緊和解鎖。在充氣伸展臂結(jié)構(gòu)未工作時(shí)，該鎖緊釋放機(jī)構(gòu)用于將伸展臂的端質(zhì)量塊及其伸展臂本身壓在星體的基座上；在伸展臂充氣之前，壓緊解鎖裝置進(jìn)行解鎖釋放，約束在端質(zhì)量塊和充氣式重力梯度桿上的約束得以解除，充氣伸展臂結(jié)構(gòu)充氣后將端質(zhì)量塊推離衛(wèi)星本體。

圖26為充氣式重力梯度桿壓緊釋放裝置組成示意圖[61]。壓緊裝置采用了兩組彈簧組件，釋放裝置采用拔銷器進(jìn)行釋放。彈簧組件安裝在支撐定位塊上，通過(guò)彈簧組件給配重定位塊一個(gè)支撐力，從而消除配重定位塊和拔銷器支座間的間隙，提高系統(tǒng)剛度。目前該裝置已應(yīng)用在我國(guó)首次空間充氣展開試驗(yàn)中，在軌試驗(yàn)驗(yàn)證中充氣式重力梯度桿有序展開，試驗(yàn)取得了成功。

圖26 充氣式重力梯度桿壓緊釋放裝置組成圖[61]Fig.26 Inhaled gravity gradient bar pressing and releasing device[61]

此外，杜正剛等[62]研究了采用氣壓式分離裝置，結(jié)果顯示高壓氣體所產(chǎn)生的沖擊遠(yuǎn)小于火工品，對(duì)航天器影響較小，是經(jīng)濟(jì)可以的方法。

4 總結(jié)與啟示

4.1 國(guó)內(nèi)外對(duì)比分析

對(duì)比國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，國(guó)外非火工連接分離機(jī)構(gòu)已開發(fā)出多種工程樣機(jī)，并進(jìn)行了多類結(jié)構(gòu)的飛行驗(yàn)證試驗(yàn)，總體發(fā)展水平較高。國(guó)內(nèi)雖在多個(gè)方向開展了先期研究[2,63]，但總體上起步較晚，早期的研究單位以高校為主，且基本停留在原理樣機(jī)研制階段，或在微小衛(wèi)星型號(hào)上少量應(yīng)用小承載的分離裝置，距離大規(guī)模工程化應(yīng)用仍有較大距離。具體地：

1)基于非火工裝置的大型復(fù)雜艙段連接分離技術(shù)研究尚處空白。國(guó)外在阿波羅登月飛船以及好奇號(hào)火星探測(cè)器等任務(wù)實(shí)施中，均研制了多種形式非火工連接分離裝置，并得到了在軌成功飛行驗(yàn)證[1]。而我國(guó)在神舟飛船以及探月工程任務(wù)實(shí)施過(guò)程中主要使用火工機(jī)構(gòu)鎖和包帶式等艙段連接分離裝置，且計(jì)劃在未來(lái)空間站艙段發(fā)射中采用較為可靠的線性分離裝置。這些技術(shù)均以多個(gè)火工連接分離裝置的模塊化組合應(yīng)用為主，優(yōu)勢(shì)是分離時(shí)間同步性為毫秒級(jí)，有利于控制分離姿態(tài)，不足是分離過(guò)程沖擊較大。

2)大承載低沖擊非火工連接分離技術(shù)研究較少。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)已經(jīng)研發(fā)了多種火工類連接分離裝置產(chǎn)品，已具備成熟的分離性能設(shè)計(jì)和完善的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。但也存在依靠裝填大量火炸藥保證分離可靠性，犧牲重量保證高承載，冗余隔沖結(jié)構(gòu)保證降沖擊等問題，難以滿足未來(lái)大承載低沖擊甚至無(wú)沖擊的分離需求。對(duì)于非火工連接分離裝置，國(guó)內(nèi)部分單位已經(jīng)開展了記憶合金壓緊釋放裝置的研制，并借助新技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星完成了在軌試驗(yàn)，但連接力偏小，使用范圍受到限制，且在大型復(fù)雜艙段的連接分離方面沒有任何技術(shù)積累。

3)可適應(yīng)在軌連接分離裝置有待模塊化與通用化。目前國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)的空間在軌連接分離裝置主要可以歸納為兩種類型，一是應(yīng)用于載人航天等對(duì)接機(jī)構(gòu)；二是以在軌服務(wù)為背景提出的小型連接分離機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)具有連接分離速度快、在軌可重復(fù)使用、在軌或月面組裝等特點(diǎn)，部分產(chǎn)品已經(jīng)歷了在軌試驗(yàn)驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)目前針對(duì)在軌服務(wù)、可重復(fù)組裝的連接分離裝置研究目前基本處于型號(hào)專用。

4.2 亟需突破的關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)未來(lái)載人航天及載人深空探測(cè)任務(wù)開展大承載非火工連接分離技術(shù)研究，形成大型復(fù)雜艙段間低沖擊非火工連接分離系統(tǒng)，以及航天器本體與部件間無(wú)沖擊非火工連接分離模塊，我們歸納提出如下幾項(xiàng)亟需重點(diǎn)突破的關(guān)鍵技術(shù)：

1)航天器連接分離的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)目前載人航天任務(wù)中連接分離環(huán)節(jié)多、火工品多、沖擊大、可測(cè)試性弱等問題，研究大承載、高可靠、低沖擊的非火工連接分離裝置，部分替代目前技術(shù)和產(chǎn)品的需求較為迫切。需在深入調(diào)研國(guó)內(nèi)外已有研究成果的基礎(chǔ)上，通過(guò)連接分離裝置模塊組合以及構(gòu)型布局優(yōu)化，研究新型艙段連接分離方案。包括機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求及技術(shù)指標(biāo)分配，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的種類與性能參數(shù)，和系統(tǒng)試驗(yàn)方案等內(nèi)容。

2)大承載連接力的實(shí)現(xiàn)途徑與方法研究

目前，體積小、質(zhì)量輕、低沖擊甚至無(wú)沖擊的新型非火工連接分離裝置可以滿足微小衛(wèi)星以及小型運(yùn)載火箭的應(yīng)用需求，但在大承載結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用仍鮮有研究。在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，借鑒現(xiàn)有分離機(jī)構(gòu)“強(qiáng)連接，弱解鎖”等先進(jìn)思想，研究大承載連接力的實(shí)現(xiàn)途徑以及方法。圍繞大承載連接、低沖擊分離的目標(biāo)，從新方法、新原理、新材料等角度出發(fā)，基于熱致動(dòng)、形狀記憶致動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等多條途徑，通過(guò)結(jié)構(gòu)承載設(shè)計(jì)、多層減力設(shè)計(jì)、承載傳力途徑的放大設(shè)計(jì)與分離性能匹配優(yōu)化分析，為新型非火工連接分離裝置方案研究提供關(guān)鍵支撐。

3)連接與分離過(guò)程動(dòng)力學(xué)建模與仿真技術(shù)

目前，影響分離特性的因素很多，這些因素的影響規(guī)律僅靠地面解鎖分離試驗(yàn)不可能系統(tǒng)和完整地得到。需針對(duì)不同原理的連接分離裝置模塊，采用先進(jìn)數(shù)值方法進(jìn)行分離過(guò)程的動(dòng)力學(xué)建模和仿真分析，研究分離過(guò)程中的動(dòng)態(tài)過(guò)程特性，摸清預(yù)緊釋放過(guò)程以及作用機(jī)理，優(yōu)化承載傳力路徑以及能量的轉(zhuǎn)換效率，開展影響分離特性的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，構(gòu)建分離特性的指標(biāo)體系[64]。結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證、修正，進(jìn)一步提高仿真分析的精度，并用于指導(dǎo)連接分離模塊的迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)[65]，從而大大減少研制費(fèi)用及試驗(yàn)次數(shù)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短研制周期。

4)分離解鎖沖擊載荷的減緩與防護(hù)技術(shù)

目前，航天器分離時(shí)火工裝置的動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生高量級(jí)、寬頻帶、短時(shí)間的復(fù)雜振蕩性爆炸沖擊載荷，對(duì)航天器電子儀器、脆性材料、輕薄結(jié)構(gòu)等的破壞作用十分突出。因此，研究可適應(yīng)在軌連接分離機(jī)構(gòu)裝置的分離沖擊減緩和防護(hù)技術(shù)具有重要意義。與傳統(tǒng)火工沖擊不同的是，新型解鎖分離機(jī)構(gòu)的沖擊一般在低頻段。低頻段振動(dòng)對(duì)帆板等撓性附件的影響較大，對(duì)航天器的姿態(tài)會(huì)造成影響。具體措施包括：改進(jìn)裝置設(shè)計(jì)，降低作動(dòng)源的沖擊量級(jí)；在沖擊載荷傳遞路徑中安裝載荷隔離和減緩裝置；加強(qiáng)航天器沖擊敏感儀器抗沖擊環(huán)境載荷設(shè)計(jì)等。

5)非火工連接分離裝置地面試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)

在航天飛行任務(wù)極高的可靠性指標(biāo)下，連接分離裝置需要進(jìn)行大量的地面試驗(yàn)進(jìn)行可靠性的評(píng)估和驗(yàn)證。根據(jù)連接分離裝置模塊功能、性能指標(biāo)需求，基于航天器的連接分離裝置試驗(yàn)方案，針對(duì)不同作動(dòng)原理的連接分離裝置模塊開展相應(yīng)的性能驗(yàn)證試驗(yàn)方案研究，獲得裝置的連接承載力、分離過(guò)程沖擊特性、作用時(shí)間、溫度適應(yīng)性等參數(shù)，為工程實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。此外，還需對(duì)試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，以期在現(xiàn)有條件下進(jìn)一步減少試驗(yàn)樣本量，降低試驗(yàn)成本。