- 頭條科研簡報：形狀記憶合金執行器在航空航天領域的應用進展2023-01-09 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：
形狀記憶合金（SMA）屬于形狀記憶材料中金屬類，它具有在特定的外界激勵條件下如熱或磁激勵的情況下記憶或者保留原來形狀的能力。形狀記憶合金執行器（SMAA）與傳統基于電磁、氣動和液壓原理的執行器相比，結構簡單、功重比大、無噪聲（電磁噪聲），同時具有自感知功能、低壓驅動、輕量化、小型化、結構多樣化等特點。經過學界和工業界多年的探索和應用，目前在某些特殊領域已經得到應用，形狀記憶合金執行器不僅能夠在功能上替代和性能上超越傳統執行器，而且可以有效降低執行器的制造和使用成本，尤其是在高功重比、輕量小型化執行器的應用領域。
形狀記憶合金在航空航天中用于實現飛行器輕量化、高效率和高精度的設計需求，形狀記憶合金執行器作為實現飛行器較高設計需求的先進手段，主要作為驅動特定結構運動從而改變結構特性或觸發預設動作，分為直接構件式智能結構、機翼調節結構、發動機進排氣調節結構和航天壓緊釋放結構。
形狀記憶合金執行器航空航天應用如圖1所示。形狀記憶合金執行器直接構件式智能結構如圖1a～圖1c所示，圖1a為阿波羅11號登月艙的智能天線，也是最早形狀記憶合金應用之一，通過在地面將天線設計好后，折疊放入登月艙內，有效降低了天線所占的空間，登月艙到達后，可通過加熱方式將其恢復原來形狀。
圖1b為Aerofit開發的形狀記憶合金管接頭，已經被大量應用于軍用飛機，大大降低了飛機管線漏液情況的發生。圖1c為星球車上采用形狀記憶合金作為太陽能翻板展開時的驅動器和傳感器位置操作的應用，在功能上完全替代電機執行方式外，減小了體積和質量以及對驅動電路傳感器的需求。
圖1 a-b
圖1 c-d
形狀記憶合金執行器機翼調節結構用于改變機翼形狀和狀態，使飛行器在不同環境和執行不同任務的過程中始終保持氣動性能最優，同時提高安全性、可靠性和降低噪聲。圖1d和圖1e所示為1995～2001年NGC公司與DARPA/AFRL/NASA合作開展的Smart Wing項目，主要采用對抗式和扭管式驅動器對機翼形狀和扭轉角度進行調節，在風洞的各項測試中，均達到了較優的效果，證明了形狀記憶合金在機翼調節應用中的可行性和優越性。
圖1 e-f
形狀記憶合金執行器發動機進排氣調節結構用于改變飛行器進排氣通道的結構，改善發動機的氣動性能和優化飛行噪聲。圖1f所示為波音公司為了降低飛機發動機外涵噴口噴射噪聲設計變幾何結構，采用形狀記憶合金薄板與發動機外涵噴口V型鋸齒結構復合，形成了可變結構的V型鋸齒，有效降低了噪聲。
圖1g所示為SAMPSON公司利用形狀記憶合金束驅動器與蒙皮復合的結構，對F◆15戰斗機進氣整流罩、導向前緣的俯仰調節及流道內壁形狀調節，提升了進氣道的氣動性能。
圖1 g-h
形狀記憶合金執行器航天壓緊釋放結構主要利用形狀記憶合金觸發特殊設計的機構，實現航天器結構之間的壓緊和釋放功能。傳統載人航天任務中連接分離裝置主要采用火工裝置，沖擊載荷較大，可靠性、安全性較差，不能重復使用，容易產生太空垃圾。
因此，美國于1999年利用形狀記憶合金驅動的形狀記憶合金釋放裝置在Mightysat I衛星上進行了實驗，如圖1h、圖1i所示為壓緊釋放裝置的整體和內部結構，壓緊釋放裝置主要通過電脈沖來實現釋放功能，脈沖一般只需持續20～40ms的28V電壓5A電流，不僅具備高安全性、高可靠性、低沖擊載荷和重復使用的能力，而且只需簡單的驅動電路和較少的驅動能量。
圖1 i-j
目前，歐美國家已經將其成功應用于幾十個型號的衛星上，完成了5000多次的在軌釋放任務。圖1j所示為Arquimea公司生產的拔銷器，目前也已成功應用于航天設備中。
本文編自2022年第20期《電工技術學報》，論文標題為“形狀記憶合金執行器研究綜述”。本課題得到黑龍江省自然科學基金資助項目的支持。
