一种基于记忆合金预解锁与火工品终极解锁的分离螺母的制作方法

本发明属于航天飞行器连接分离机构，涉及一种基于记忆合金预解锁与火工品终极解锁的分离螺母。

背景技术：

1、在航空航天领域，连接分离机构的可靠性至关重要。目前主流装置主要包括：

2、（1）纯火工品分离装置（如爆炸螺栓、火工分离螺母）：技术成熟，解锁能量大，可靠性高。但存在冲击力巨大、产生碎片和污染、以及无法重复测试的缺点，对精密载荷不友好。

3、（2）纯非火工分离装置（如形状记忆合金sma驱动、电机驱动）：具有冲击小、无污染、可地面重复测试的优点。但存在解锁能力有限、响应速度相对较慢、可能存在“锁死”无法解锁的单点故障风险。

4、（3）形状记忆合金（sma）驱动器因其功率密度高、驱动方式简单而被应用于分离机构。但当sma驱动器因电路故障、作动失效等原因无法工作时，整个机构将无法解锁，导致任务失败。为此，需要一种既能享受非火工解锁低冲击优点，又具备火工品级终极可靠性的解决方案。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种兼具低冲击和高可靠性的双冗余分离螺母，在正常情况下实现sma驱动的低冲击“软”解锁；在sma驱动失效的极端情况下，能通过火工品备份实现强制性的“硬”解锁，彻底消除单点故障模式。

2、本发明所采用的技术方案是：一种基于记忆合金预解锁与火工品终极解锁的分离螺母，包括外壳、连接螺栓、分瓣螺母、若干个锁紧钢球、sma驱动环、火工品切割器和分离弹簧；

3、连接螺栓沿外壳的中心轴安装在外壳内，连接螺栓的杆部设置环形凹槽；分瓣螺母套于连接螺栓上；若干锁紧钢球置于分瓣螺母的径向孔中；

4、锁紧套套在分瓣螺母外部，锁紧套一端安装预压弹簧；

5、sma驱动环通过绝缘支架与外壳一端固定连接，第一组供电导线从外壳引出；

6、火工品切割器设置在外壳另一端，锁紧套的另一端设置剪切槽；

7、所述分离弹簧设置在分瓣螺母和连接螺栓之间，用于在锁紧套对锁紧钢球的锁紧约束解除后，将分瓣螺母推开。

8、进一步的，所述分瓣螺母包括沿周向拼合的至少两瓣螺母瓣，各螺母瓣围设于连接螺栓外侧，并能够在外壳限定的径向空间内合拢或向外张开。

9、进一步的，锁紧套内壁设有与锁紧钢球的径向外侧球面相抵接的内锥面。锁紧钢球位于分瓣螺母的径向孔内，其径向内侧部分伸入连接螺栓的环形凹槽，其径向外侧部分伸出径向孔并与内锥面接触。锁紧套在预压弹簧作用下向锁紧位置轴向移动时，通过内锥面将锁紧钢球向径向内侧压入环形凹槽，并在锁紧位置限制锁紧钢球径向外移。

10、进一步的，所述的一种基于记忆合金预解锁与火工品终极解锁的分离螺母，还包括分离状态检测件，分离状态检测件用于检测锁紧套到达解锁位置、分瓣螺母展开或连接螺栓脱离中的至少一种状态。

11、进一步的，所述的一种基于记忆合金预解锁与火工品终极解锁的分离螺母，还包括控制器，第一组供电导线与控制器的第一驱动回路连接，第二组备用供电导线连接火工品切割器和控制器的第二驱动回路。

12、进一步的，锁紧时，将连接螺栓拧入外壳，锁紧套在预压弹簧的作用下沿连接螺栓运动，将锁紧钢球压入连接螺栓的环形凹槽中，实现将连接螺栓锁紧；sma驱动环在马氏体相时具有凸起结构，能够卡入所述锁紧套一端端面的卡槽中，将锁紧套锁定。

13、进一步的，使用记忆合金解锁时，控制器接收分离指令后先接通第一驱动回路，第一组供电导线通电将sma驱动环加热至奥氏体相时，sma驱动环发生相变收缩，凸起结构从锁紧套的卡槽中抽出，解除对锁紧套的轴向约束；在连接螺栓预紧力的径向分力作用下，锁紧套下移，释放锁紧钢球，分离弹簧推开分瓣螺母，实现分离。

14、进一步的，所述控制器在预设检测时间内读取分离状态检测件的反馈，若检测到解锁成功，则切断第一驱动回路并输出分离完成信号；若未检测到解锁成功，则判定sma预解锁未完成，接通与第一驱动回路隔离的第二驱动回路，通电第二组备用供电导线，引爆火工品切割器，火工品切割器产生冲击力或射流作用于剪切槽，切断或推动锁紧套，使锁紧套发生结构失效或位移，解除对锁紧钢球的约束，在分离弹簧作用下推开分瓣螺母，实现分离。

15、一种基于记忆合金预解锁与火工品终极解锁的分离螺母的使用方法，包括：

16、将分瓣螺母的各螺母瓣围绕连接螺栓拼合，使锁紧钢球与连接螺栓的环形凹槽对正；装入锁紧套和预压弹簧，使内锥面将锁紧钢球压入环形凹槽，并使凸起结构卡入卡槽；

17、将外壳固定于待连接结构，将连接螺栓与另一待连接结构连接并施加预紧力；分别连接第一组供电导线、第二组备用供电导线以及分离状态检测件的信号线；

18、检查sma驱动环的回路电阻和绝缘状态、分离状态检测件的初始信号以及第一、第二驱动回路的隔离状态；安装火工品切割器并检测；

19、向控制器发送分离指令，控制器先向sma驱动环供电，并在预设时间窗口内持续监测分离状态检测件；检测到分离成功信号后停止后续动作；

20、若预设时间窗口届满仍未取得分离成功信号，控制器启动第二驱动回路，使火工品切割器执行解锁；取得成功信号后输出分离完成状态。

21、本发明与现有技术相比的优点在于：

22、（1）本发明采用双重冗余，可靠性极高：提供了sma驱动和火工品驱动两条独立的解锁路径，彻底消除了单一驱动器失效导致的任务失败风险，满足了航天领域对“单点故障”的苛求。

23、（2）本发明兼顾低冲击与高确保性：正常情况下采用sma“软”解锁，冲击极小，适用于带精密仪器的航天器；备份情况下采用火工品“硬”解锁，确保在任何情况下都能分离。

24、（3）本发明功能隔离，安全性好：sma系统为低压电触发，火工品为高压电引爆，两者物理和电气上相互隔离，避免了误操作和相互干扰。

25、（4）本发明的状态可监测：sma回路可通过电阻值变化进行地面测试和状态监测，增加了系统的可测试性和可监测性。

26、（5）本发明的结构化设计，紧凑高效：将两种驱动方式巧妙地集成在传统分离螺母的构型中，无需大幅增加体积和重量。

1.一种基于记忆合金预解锁与火工品终极解锁的分离螺母，其特征在于，包括外壳（1）、连接螺栓（2）、分瓣螺母（3）、若干个锁紧钢球（4）、sma驱动环（7）、火工品切割器（10）和分离弹簧（13）；

2.根据权利要求1所述的一种基于记忆合金预解锁与火工品终极解锁的分离螺母，其特征在于，所述分瓣螺母（3）包括沿周向拼合的至少两瓣螺母瓣，各螺母瓣围设于连接螺栓（2）外侧，并能够在外壳（1）限定的径向空间内合拢或向外张开。

3.根据权利要求2所述的一种基于记忆合金预解锁与火工品终极解锁的分离螺母，其特征在于，锁紧套（5）沿中心轴设置内锥面；锁紧钢球（4）位于分瓣螺母（3）的径向孔内，锁紧钢球（4）一侧嵌入连接螺栓（2）的环形凹槽中，另一侧与锁紧套（5）的内锥面接触；锁紧套（5）在预压弹簧（6）作用下向锁紧位置轴向移动时，通过所述内锥面将锁紧钢球（4）向径向内侧压入所述环形凹槽，并在锁紧位置限制锁紧钢球（4）径向外移。

4.根据权利要求3所述的一种基于记忆合金预解锁与火工品终极解锁的分离螺母，其特征在于，还包括分离状态检测件（17），分离状态检测件（17）用于检测锁紧套（5）到达解锁位置、分瓣螺母（3）展开或连接螺栓（2）脱离中的至少一种状态。

5.根据权利要求4所述的一种基于记忆合金预解锁与火工品终极解锁的分离螺母，其特征在于，还包括控制器（18），第一组供电导线（9）与控制器（18）的第一驱动回路连接，第二组备用供电导线（12）连接火工品切割器（10）和控制器（18）的第二驱动回路。

6.根据权利要求5所述的一种基于记忆合金预解锁与火工品终极解锁的分离螺母，其特征在于，锁紧时，将连接螺栓（2）拧入外壳（1），锁紧套（5）在预压弹簧（6）的作用下沿连接螺栓（2）运动，将锁紧钢球（4）压入连接螺栓（2）的环形凹槽中，实现将连接螺栓（2）锁紧；sma驱动环（7）在马氏体相时具有凸起结构（15），能够卡入所述锁紧套（5）一端端面的卡槽（14）中，将锁紧套（5）锁定。

7.根据权利要求6所述的一种基于记忆合金预解锁与火工品终极解锁的分离螺母，其特征在于，使用记忆合金解锁时，控制器（18）接收分离指令后先接通第一驱动回路，第一组供电导线（9）通电将sma驱动环（7）加热至奥氏体相时，sma驱动环（7）发生相变收缩，凸起结构（15）从锁紧套（5）的卡槽（14）中抽出，解除对锁紧套（5）的轴向约束；在连接螺栓（2）预紧力的径向分力作用下，锁紧套（5）下移，释放锁紧钢球（4），分离弹簧（13）推开分瓣螺母（3），实现分离。

8.根据权利要求7所述的一种基于记忆合金预解锁与火工品终极解锁的分离螺母，其特征在于，所述控制器（18）在预设检测时间内读取分离状态检测件（17）的反馈，若检测到解锁成功，则切断第一驱动回路并输出分离完成信号；若未检测到解锁成功，则判定sma预解锁未完成，接通与第一驱动回路隔离的第二驱动回路，通电第二组备用供电导线（12），引爆火工品切割器（10），火工品切割器（10）产生冲击力或射流作用于剪切槽（11），切断或推动锁紧套（5），使锁紧套（5）发生结构失效或位移，解除对锁紧钢球（4）的约束，在分离弹簧（13）作用下推开分瓣螺母（3），实现分离。

9.根据权利要求8所述的一种基于记忆合金预解锁与火工品终极解锁的分离螺母的使用方法，其特征在于，包括：