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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(zhí)行器（SMAA）與傳統(tǒng)基于電磁、氣動和液壓原理的執(zhí)行器相比，結(jié)構(gòu)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(qū)動、輕量化、小型化、結(jié)構(gòu)多樣化等特點。經(jīng)過學(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現(xiàn)飛行器輕量化、高效率和高精度的設(shè)計需求，形狀記憶合金執(zhí)行器作為實現(xiàn)飛行器較高設(shè)計需求的先進手段，主要作為驅(qū)動特定結(jié)構(gòu)運動從而改變結(jié)構(gòu)特性或觸發(fā)預(yù)設(shè)動作，分為直接構(gòu)件式智能結(jié)構(gòu)、機翼調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、發(fā)動機進排氣調(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，通過在地面將天線設(shè)計好后，折疊放入登月艙內(nèi)，有效降低了天線所占的空間，登月艙到達后，可通過加熱方式將其恢復(fù)原來形狀。

圖1b為Aerofit開發(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，大大降低了飛機管線漏液情況的發(fā)生。圖1c為星球車上采用形狀記憶合金作為太陽能翻板展開時的驅(qū)動器和傳感器位置操作的應(yīng)用，在功能上完全替代電機執(zhí)行方式外，減小了體積和質(zhì)量以及對驅(qū)動電路傳感器的需求。

圖1 a-b

圖1 c-d

形狀記憶合金執(zhí)行器機翼調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)用于改變機翼形狀和狀態(tài)，使飛行器在不同環(huán)境和執(zhí)行不同任務(wù)的過程中始終保持氣動性能最優(yōu)，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(qū)動器對機翼形狀和扭轉(zhuǎn)角度進行調(diào)節(jié)，在風(fēng)洞的各項測試中，均達到了較優(yōu)的效果，證明了形狀記憶合金在機翼調(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)動機進排氣調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)用于改變飛行器進排氣通道的結(jié)構(gòu)，改善發(fā)動機的氣動性能和優(yōu)化飛行噪聲。圖1f所示為波音公司為了降低飛機發(fā)動機外涵噴口噴射噪聲設(shè)計變幾何結(jié)構(gòu)，采用形狀記憶合金薄板與發(fā)動機外涵噴口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)動器與蒙皮復(fù)合的結(jié)構(gòu)，對F◆15戰(zhàn)斗機進氣整流罩、導(dǎo)向前緣的俯仰調(diào)節(jié)及流道內(nèi)壁形狀調(diào)節(jié)，提升了進氣道的氣動性能。

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)計的機構(gòu)，實現(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，美國于1999年利用形狀記憶合金驅(qū)動的形狀記憶合金釋放裝置在Mightysat I衛(wèi)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(nèi)部結(jié)構(gòu)，壓緊釋放裝置主要通過電脈沖來實現(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，而且只需簡單的驅(qū)動電路和較少的驅(qū)動能量。

圖1 i-j

目前，歐美國家已經(jīng)將其成功應(yīng)用于幾十個型號的衛(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》，論文標題為“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)基金資助項目的支持。