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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(lì)條件下如熱或磁激勵(lì)的情況下記憶或者保留原來(lái)形狀的能力。形狀記憶合金執(zhí)行器（SMAA）與傳統(tǒng)基于電磁、氣動(dòng)和液壓原理的執(zhí)行器相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功重比大、無(wú)噪聲（電磁噪聲），同時(shí)具有自感知功能、低壓驅(qū)動(dòng)、輕量化、小型化、結(jié)構(gòu)多樣化等特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)學(xué)界和工業(yè)界多年的探索和應(yīng)用，目前在某些特殊領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)用，形狀記憶合金執(zhí)行器不僅能夠在功能上替代和性能上超越傳統(tǒng)執(zhí)行器，而且可以有效降低執(zhí)行器的制造和使用成本，尤其是在高功重比、輕量小型化執(zhí)行器的應(yīng)用領(lǐng)域。

形狀記憶合金在航空航天中用于實(shí)現(xiàn)飛行器輕量化、高效率和高精度的設(shè)計(jì)需求，形狀記憶合金執(zhí)行器作為實(shí)現(xiàn)飛行器較高設(shè)計(jì)需求的先進(jìn)手段，主要作為驅(qū)動(dòng)特定結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)從而改變結(jié)構(gòu)特性或觸發(fā)預(yù)設(shè)動(dòng)作，分為直接構(gòu)件式智能結(jié)構(gòu)、機(jī)翼調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)和航天壓緊釋放結(jié)構(gòu)。

形狀記憶合金執(zhí)行器航空航天應(yīng)用如圖1所示。形狀記憶合金執(zhí)行器直接構(gòu)件式智能結(jié)構(gòu)如圖1a～圖1c所示，圖1a為阿波羅11號(hào)登月艙的智能天線，也是最早形狀記憶合金應(yīng)用之一，通過(guò)在地面將天線設(shè)計(jì)好后，折疊放入登月艙內(nèi)，有效降低了天線所占的空間，登月艙到達(dá)后，可通過(guò)加熱方式將其恢復(fù)原來(lái)形狀。

圖1b為Aerofit開(kāi)發(fā)的形狀記憶合金管接頭，已經(jīng)被大量應(yīng)用于軍用飛機(jī)，大大降低了飛機(jī)管線漏液情況的發(fā)生。圖1c為星球車上采用形狀記憶合金作為太陽(yáng)能翻板展開(kāi)時(shí)的驅(qū)動(dòng)器和傳感器位置操作的應(yīng)用，在功能上完全替代電機(jī)執(zhí)行方式外，減小了體積和質(zhì)量以及對(duì)驅(qū)動(dòng)電路傳感器的需求。

圖1 a-b

圖1 c-d

形狀記憶合金執(zhí)行器機(jī)翼調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)用于改變機(jī)翼形狀和狀態(tài)，使飛行器在不同環(huán)境和執(zhí)行不同任務(wù)的過(guò)程中始終保持氣動(dòng)性能最優(yōu)，同時(shí)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(kāi)展的Smart Wing項(xiàng)目，主要采用對(duì)抗式和扭管式驅(qū)動(dòng)器對(duì)機(jī)翼形狀和扭轉(zhuǎn)角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，在風(fēng)洞的各項(xiàng)測(cè)試中，均達(dá)到了較優(yōu)的效果，證明了形狀記憶合金在機(jī)翼調(diào)節(jié)應(yīng)用中的可行性和優(yōu)越性。

圖1 e-f

形狀記憶合金執(zhí)行器發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)用于改變飛行器進(jìn)排氣通道的結(jié)構(gòu)，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)性能和優(yōu)化飛行噪聲。圖1f所示為波音公司為了降低飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)外涵噴口噴射噪聲設(shè)計(jì)變幾何結(jié)構(gòu)，采用形狀記憶合金薄板與發(fā)動(dòng)機(jī)外涵噴口V型鋸齒結(jié)構(gòu)復(fù)合，形成了可變結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)器與蒙皮復(fù)合的結(jié)構(gòu)，對(duì)F◆15戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)氣整流罩、導(dǎo)向前緣的俯仰調(diào)節(jié)及流道內(nèi)壁形狀調(diào)節(jié)，提升了進(jìn)氣道的氣動(dòng)性能。

圖1 g-h

形狀記憶合金執(zhí)行器航天壓緊釋放結(jié)構(gòu)主要利用形狀記憶合金觸發(fā)特殊設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)航天器結(jié)構(gòu)之間的壓緊和釋放功能。傳統(tǒng)載人航天任務(wù)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(fù)使用，容易產(chǎn)生太空垃圾。

因此，美國(guó)于1999年利用形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的形狀記憶合金釋放裝置在Mightysat I衛(wèi)星上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，如圖1h、圖1i所示為壓緊釋放裝置的整體和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，壓緊釋放裝置主要通過(guò)電脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)釋放功能，脈沖一般只需持續(xù)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(fù)使用的能力，而且只需簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路和較少的驅(qū)動(dòng)能量。

圖1 i-j

目前，歐美國(guó)家已經(jīng)將其成功應(yīng)用于幾十個(gè)型號(hào)的衛(wèi)星上，完成了5000多次的在軌釋放任務(wù)。圖1j所示為Arquimea公司生產(chǎn)的拔銷器，目前也已成功應(yīng)用于航天設(shè)備中。

本文編自2022年第20期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“形狀記憶合金執(zhí)行器研究綜述”。本課題得到黑龍江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目的支持。