一种基于仿生智能驱动的空间结构机构解锁分离装置

本发明涉及空间结构解锁分离，具体涉及一种基于仿生智能驱动的空间结构机构解锁分离装置。

背景技术：

1、随着空间技术的不断发展，航天器结构愈发复杂，其内众多关键部件在执行任务过程中需依次完成锁紧、分离、变形、展开等系列核心动作。解锁分离装置作为航天器本体与各部件之间的关键连接与执行部件，一方面需在发射及在轨运行阶段提供可靠、牢固的机械连接，另一方面需实现快速、精准的解锁分离，其性能优劣直接决定了航天器任务执行的可靠性与安全性，在航天产品中应用广泛且需求持续攀升。

2、当前，小型化、轻质化已成为航天器未来发展的主流趋势，受运载约束，对解锁分离装置的综合性能提出了更高的要求。然而，现有解锁分离执行器普遍存在以下技术缺陷：结构复杂、制造与装配工艺繁琐，多为一次性作动产品，无法在轨重复锁紧解锁，严重制约了航天器的任务延展能力。与此同时，不同航天器部件的质量特性各异，其对冲击环境的敏感性亦各不相同，亟需开发一种兼具小体积、轻质量、大承载、高驱动、低冲击、可重复使用等多重优势于一体的新型解锁分离机构，以突破现有技术瓶颈，满足航空航天领域的多元化、高要求应用需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决上述背景技术中存在的不足，提供一种基于仿生智能驱动的空间结构机构解锁分离装置，具体技术方案如下。

2、一种基于仿生智能驱动的空间结构机构解锁分离装置，包括分离端组件和固定端组件，所述分离端组件包括锁紧分离销、分离端防护壳体、分离端支撑骨架和复位传感复合单元，其中，所述锁紧分离销通过分离端支撑骨架固定于分离端防护壳体内部，所述复位传感复合单元集成于锁紧分离销锁合端上，所述固定端组件包括仿生应力自储驱动单元、固定端防护壳体、固定端支撑骨架以及固定端基体，其中，所述仿生应力自储驱动单元设置于固定端基体的锁合端，所述固定端基体通过固定端支撑骨架固定于固定端防护壳体内部，锁紧状态下，分离端防护壳体嵌套在所述固定端防护壳体内部，两者组成防护腔体。

3、所述锁紧分离销固定端为长方体，用于与待分离部件连接，锁合段加工有非对称锁合曲面，为扳手状，锁紧分离销内部采用布利冈-蜂窝复合结构设计，其芯部由多层蜂窝结构层叠合而成，每一蜂窝结构层均由呈周期性排布的正六边形蜂窝胞元构成，相邻蜂窝结构层之间以预设的层间扭转角绕着锁紧分离销的中心线逐层旋转排列，形成具有布利冈螺旋堆叠特征的三维复合芯体。

4、所述分离端防护壳体为球状结构。

5、所述分离端支撑骨架、固定端支撑骨架采用环形辐条式轻量化支撑结构，辐条均匀分布。

6、所述复位传感复合单元采用三明治层状结构，依次为金属层-绝缘层-碳纤维层-聚氨酯层-碳纤维层-绝缘层-金属层，碳纤维层采用螺旋加捻碳纤维增强聚乳酸复合材料制成，位于中间区域的碳纤维层-聚氨酯层-碳纤维层共同组成电容传感器，实时监测电容变化量，实现对解锁分离过程的在线监控和实时反馈。

7、其中，最外侧的金属层用于结构支撑，同时抑制外部电磁干扰，绝缘层用于实现金属层与内部碳纤维导电层之间的隔离，螺旋加捻碳纤维增强聚乳酸复合材料的制备过程为：先将连续碳纤维束的一端固定，另一端由旋转加捻装置带动进行旋转加捻，通过调节旋转速度和加捻时间精确控制捻度；加捻完成后，将所得的加捻碳纤维束经挤出机包覆聚乳酸基体，制成长丝状的螺旋加捻碳纤维增强聚乳酸复合材料，再通过熔融沉积成型3d打印工艺，根据预设路径逐层堆叠成型为所需的碳纤维层。电容传感器的工作原理为：当缩合界面受到压紧力时，两层碳纤维导电层之间的间距随着聚氨酯层的压缩变形而减小，导致电容值发生相应变化。通过电容检测电路实时采集电容变化信号，即可反推锁合界面的应力状态；通过实时监测该电容变化量，实现对解锁分离过程的在线监控和实时反馈。

8、所述仿生应力自储驱动单元采用仿生柔性悬臂梁结构，通过熔融沉积成型3d打印工艺制备，材质为螺旋加捻碳纤维增强聚乳酸复合材料，在3d打印过程中，通过调整挤出头高度、打印速度和挤出温度的参数，对材料进行预拉伸完成赋形；当材料冷却至玻璃化转变温度以下后，其内部会留存纵向拉伸和横截面压缩产生的残余应变；利用底板或粘合层的约束，这些残余应变有效存于固化后的材料中，从而使成型件能够维持由预应力所赋予的临时形状，实现应力自储，无需额外赋形即可直接激发形状记忆材料固有的变形属性；通过控制预应力的路径、分布与大小等来调控驱动变形能力。同时，碳纤维赋予了复合材料良好的电热转化能力，当施加外部触发信号时，电能经碳纤维导电网络转化为热能，使聚乳酸基体升温至变形温度，驱动单元实现弯曲状态和舒展伸直状态之间的切换，从而实现锁紧和解锁分离功能的可控执行。

9、所述固定端防护壳体为喇叭状结构，在喇叭口位置处设有硅胶缓冲垫。

10、所述固定端基体固定端为长方体，用于与航天器本体固定连接；锁合段为加工有非对称锁合曲面的扳手状，固定端基体内部采用布利冈-蜂窝复合结构设计，其结构与锁紧分离销相同，其芯部由多层蜂窝结构层叠合而成，相邻层之间以预设的层间扭转角旋转排列，形成具有布利冈螺旋堆叠特征的三维复合芯体。

11、本发明与现有技术相比，具有以下显著的有益效果：

12、(1) 轻量化与高强度兼顾：锁紧分离销与固定端基体均采用布利冈-蜂窝复合结构，在满足结构强度与承载能力指标的前提下，实现装置的轻量化，有效适配小型化、轻质化航天器的发展需求。

13、(2) 低冲击分离：仿生应力自储驱动单元采用3d打印螺旋加捻碳纤维增强聚乳酸复合材料，通过打印预拉伸实现应力自储，无需传统驱动元件即可完成锁紧-分离动作，其冲击载荷低于传统火工装置，可有效保护高精密航天器部件。

14、(3) 锁紧-分离过程实时监测：复位传感复合单元采用三明治结构传感器，内部集成螺旋加捻碳纤维层，与聚氨酯层组成电容传感器，可以实时监测锁紧-分离过程中的应力状态，实现装置运行状态在线监控与故障预警，提升装置运行的可靠性与安全性。

15、(4) 损伤自修复：当仿生应力自储驱动单元内的螺旋加捻碳纤维发生损伤断裂时，可通过通电加热使纤维表面包覆的聚乳酸基体熔融并向损伤区域浸渗，实现断裂纤维的粘结修复，有效延长装置的使用寿命。

1.一种基于仿生智能驱动的空间结构机构解锁分离装置，其特征在于：包括分离端组件（1）和固定端组件（2），所述分离端组件（1）包括锁紧分离销（101）、分离端防护壳体（102）、分离端支撑骨架（103）和复位传感复合单元（104），锁紧分离销（101）通过分离端支撑骨架（103）固定于分离端防护壳体（102）内部，复位传感复合单元（104）集成于锁紧分离销（101）锁合端上，所述固定端组件（2）包括仿生应力自储驱动单元（201）、固定端防护壳体（202）、固定端支撑骨架（203）和固定端基体（204），仿生应力自储驱动单元（201）设置于固定端基体（204）的锁合端，固定端基体（204）通过固定端支撑骨架（203）固定于固定端防护壳体（202）内部，锁紧状态下，分离端防护壳体（102）嵌套在固定端防护壳体（202）内部，两者组成防护腔体。

2.根据权利要求1所述的一种基于仿生智能驱动的空间结构机构解锁分离装置，其特征在于：所述锁紧分离销（101）固定端为长方体，用于与待分离部件连接，锁合段加工有非对称锁合曲面，为扳手状，锁紧分离销（101）内部采用布利冈-蜂窝复合结构设计，其芯部由多层蜂窝结构层叠合而成，每一蜂窝结构层均由呈周期性排布的正六边形蜂窝胞元构成，相邻蜂窝结构层之间以预设的层间扭转角逐层旋转排列，形成具有布利冈螺旋堆叠特征的三维复合芯体。

3.根据权利要求1所述的一种基于仿生智能驱动的空间结构机构解锁分离装置，其特征在于：所述分离端防护壳体（102）为球状结构。

4.根据权利要求1所述的一种基于仿生智能驱动的空间结构机构解锁分离装置，其特征在于：所述分离端支撑骨架（103）、固定端支撑骨架（203）采用环形辐条式轻量化支撑结构，辐条均匀分布。

5.根据权利要求1所述的一种基于仿生智能驱动的空间结构机构解锁分离装置，其特征在于，所述复位传感复合单元（104）采用三明治层状结构，依次为金属层-绝缘层-碳纤维层-聚氨酯层-碳纤维层-绝缘层-金属层，其中碳纤维层采用螺旋加捻碳纤维增强聚乳酸复合材料，位于中间区域的碳纤维层-聚氨酯层-碳纤维层组成电容传感器，实时监测电容变化量，实现对解锁分离过程的在线监控和实时反馈。

6.根据权利要求1所述的一种基于仿生智能驱动的空间结构机构解锁分离装置，其特征在于：所述仿生应力自储驱动单元（201）采用仿生柔性悬臂梁结构，通过熔融沉积成型3d打印工艺制备，材质为螺旋加捻碳纤维增强聚乳酸复合材料，在3d打印过程中，通过调整挤出头高度、打印速度和挤出温度的参数，对材料进行预拉伸完成赋形，利用底板或粘合层的约束使预应力留存到固化后的材料中，实现应力自储，通过控制预应力的路径、分布与大小等来调控驱动变形能力，在外部触发信号作用下，实现舒展伸直状态和弯曲状态之间的切换，实现分离和锁紧的功能。

7.根据权利要求1所述的一种基于仿生智能驱动的空间结构机构解锁分离装置，其特征在于：所述固定端防护壳体（202）为喇叭状结构，在喇叭口位置处设有硅胶缓冲垫。

8.根据权利要求1所述的一种基于仿生智能驱动的空间结构机构解锁分离装置，其特征在于：所述固定端基体（204）固定端为长方体，用于与航天器本体固定连接，锁合段为加工有非对称锁合曲面的扳手状，固定端基体（204）内部采用布利冈-蜂窝复合结构设计，其结构与锁紧分离销（101）相同，其芯部由多层蜂窝结构层叠合而成，相邻层之间以预设的层间扭转角旋转排列，形成具有布利冈螺旋堆叠特征的三维复合芯体。