Термомеханические актюаторы для систем микроперемещений в условиях открытого космического пространства (1026304), страница 3
Текст из файла (страница 3)
до 10-4 Па, основанный набесконтактном и/или термопарном методе измерения температуры ииспользовании вакуумной камеры установки магнетронного напыления,позволяющий определять влияние конвективной составляющей натеплообменные процессы и электрические характеристики в ходе работыактюатора.Предложены варианты применения термомеханических актюаторов, средикоторых: датчики положения и температуры, устройство защиты интегральныхмикросхем от электрических и/или тепловых перегрузок, системы на основеконвейерных линий термомеханических актюаторов, система контроляколебаний балочных несущих конструкций технологических космическихаппаратов, система управления положением функциональной поверхности, атакже микроробототехническое устройство с клеящим слоем на основе «сухогоадгезива».
Рассмотренные варианты отличаются от аналогов, в первую очередь,малыми массогабаритными параметрами, а также высоким ресурсом работы.В четвертой главе представлены результаты проведённых поразработанным методикам экспериментальных исследований, направленных наизучение влияния внешних дестабилизирующих факторов и конструкционныхпараметровтермомеханическихактюаторовнаихсиловыеитермодеформационные характеристики как в статике, так и в динамике.Для проведения экспериментов были изготовлены несколько партийтермомеханических актюаторов. Каждый из актюаторов состоял из 30 и болееканавок, заполненных полиимидом, габариты актюатора составилиприблизительно 15х3х0,18 мм.Результаты исследований можно разделить на следующие категории.Исследование термодеформационных характеристик.
Подтвержденылинейные формы зависимостей деформации актюатора от температуры егонагрева и подаваемого напряжения (при нагреве до 500 К).Напыление дополнительного алюминиевого слоя на верхнюю сторонуактюатора способствует защите полиимида от влияния факторов космическогопространства и незначительно сказывается на его характеристиках.Уменьшение толщины полиимидного слоя со стороны кремния несказывается на термодеформационных характеристиках, в то время какуменьшение толщины со стороны полиимида приводит к резкому ухудшениюхарактеристик актюатора.Таким образом, определено, что с точки зрения направленногорегулирования термодеформационных характеристик термомеханическихактюаторов, важнейшую роль играет толщина полиимидного слоя в упругошарнирной области.
Изменением толщины возможно в широком пределерегулировать как первоначальный угол отклонения актюатора, так и угол егоотклонения при изменении температуры.Исследование термоэлектрических характеристик. Значение мощности,потребляемой актюатором, не превышает 1 Вт. Определено распределениетемпературы на актюаторе при работе от электрического напряжения, тепло11концентрируется в центре актюатора и распределено по длине деформируемойзоны с расхождением в 18 %.Проведено исследование влияния температуры на электрическиехарактеристики кремниевых нагревательных элементов, результатом которогостал вывод о том, что режим работы актюатора следует определять граничнойтемпературой в 500 К.
При заданной температуре наблюдается резкоеизменение сопротивления кремния – происходит падение сопротивления засчёт резкого увеличения концентрации носителей заряда в кремнии, чтоприводит к перегреву структуры.В связи с этим разработано предложение по оптимизации рабочего цикла,что позволяет термомеханическому актюатору функционировать в диапазонетемператур, близком к критическому для полиимида в 673 К, что, в своюочередь, увеличивает термодеформационные характеристики и частотусрабатывания актюатора.Предложение основано на использовании режима работы с ограничением потоку, подаваемому на актюатор. Удаётся добиться максимального углаотклонения актюатора при сохранении начальной деформации в условияхотсутствия нагрузок, что невозможно достичь при стандартном питании.Наглядно работу актюатора демонстрирует график на рисунке 2.Рисунок 2 - Влияние силы тока на максимальную температуру на актюатореТакже разработан режим работы актюатора, позволяющий увеличить частотуего срабатывания.
Рабочий цикл актюатора в этом случае состоит из двухэтапов. На первом этапе формируется прямоугольный импульс амплитудой30 В (с ограничением по току много большим рабочего) и длиной, достаточнойдля нагрева тела до критической температуры, который определяетсяэкспериментально или приближённо посредством расчётов.
На втором этапеограничение по току ступенчато уменьшается до значения, соответствующегозначению тока при заданной температуре (рисунок 2). Данное решение12позволяет увеличить скорость нагрева актюатора более чем в два раза, при этомслой полиимида не теряет свои термодеформационные свойства.Установлено, что при температурах, близких к критической для полиимида,происходит усадка полиимида (при температурах выше технологическойтемпературы имидизации), в результате чего начальный угол отклоненияхвостовика актюатора несколько увеличивается, при этом динамический уголотклонения сохраняется. Для решения данной проблемы предложено проводитьотжиг актюатора в печи, либо в результате «холостой» его работы в течениеопределённого времени (определяется экспериментально: чем больше, темстабильнее начальный угол отклонения в результате дальнейшей работыактюатора).
При наличии датчика обратной связи по положению актюатора,возможно также решить эту проблему, каждый раз задаваясь текущимположением актюатора.Исследование динамических характеристик. Проведено исследованиеизменения угла отклонения и температуры на актюаторе во времени(рисунок 3).Рисунок 3 - Временная характеристика работы актюаторапри воздействии напряжения 20 ВДля оптимизации работы термомеханического актюатора предложеноиспользовать уменьшенный рабочий диапазон, обеспечивающий болеевысокую скорость отклика системы на воздействие электрическогонапряжения. Так, время на нагрев снижается в 4 раза, а остывание происходитбыстрее в 6 раз (соответствует частоте работы актюатора в 0,4 Гц), при этомдинамический угол уменьшается всего лишь в 2 раза.Проблема при работе в уменьшенном диапазоне заключается в реализацииалгоритма управления подобной схемы, а также необходимости наличияобратной связи по температуре или по перемещению актюатора.
Поэтомуразработан периодический режим работы актюатора (рисунок 4), позволяющий13расширить рабочий диапазон температур до 673 К и увеличить скорость работыактюатора в 2,5 раза и более при увеличении диапазона перемещений в 1,4-1,7раза, при этом отсутствует необходимость в обратной связи при выходе настабильный режим работы.Рисунок 4 - Временная характеристика теплового режима актюаторапри работе в периодическом режимеИсследование силовых характеристик.
Проведены серии измеренийсиловыххарактеристикбалоктермомеханическихактюаторовиэкспериментально получены зависимости нагрузок, возникающих нахвостовике балки актюатора, от угла деформации этой балки. Подтвержденылинейные формы зависимости возникаемых на балке усилий от еёперемещения. Результаты показывают, что для исследуемых образцовмаксимальное значение нагрузки составило величину порядка 5 мН. С ростомтолщины алюминия нагрузки на хвостовике при отклонении на заданный уголпрактически не меняются. Утонение кремния, входящего в структуруактюатора,обуславливаетэкспоненциальноеуменьшениенагрузкиотносительно первоначального угла отклонения в 9 раз, что позволяетрассматривать данный процесс как один из способов регулирования нагрузкина балках термомеханических актюаторов.Исследование влияния пониженного атмосферного давления.
Проведенысерии экспериментальных исследований, позволяющих установить влияниепониженного атмосферного давления на характеристики термомеханическихактюаторов (рисунок 5).Установлено, что основное влияние пониженное атмосферное давлениеоказывает в диапазоне от 40 до 0,5 Па, в котором наблюдается увеличениетемпературы на актюаторе на 24,8 %. Общее же увеличение температуры призадании давления в 10-3 Па составило 32,5 К (30,5 %). При понижении давления14наблюдается увеличение скорости нагрева и уменьшение скорости охлажденияструктуры актюатора. Тем самым, термомеханический актюатор показал своюработоспособность при пониженном атмосферном давлении. Данная оценкаособенно полезна и необходима при использовании термомеханическогоактюатора в условиях открытого космического пространства, когда влияниеконвективной составляющей на процессы теплообмена в структуреминимально, либо отсутствует вовсе.Рисунок 5 - Воздействие вакуумана температурные характеристики актюатораИсследование надёжности.
Проведена оценка влияния многоцикловогоизгиба на термодеформационные характеристики упруго-шарнирных балоктермомеханических актюаторов показывающая, что угол термодеформации принагревании термомеханического актюатора после усталостных циклическихиспытаний в течении 5х106 циклов снижается приблизительно на 17 %, апосле 3,2x107 – приблизительно на 26%. Также эксперименты показали, чтоусилия, возникаемые на актюаторе снизились в 2 раза относительнопервоначального угла отклонения после 14 миллионов циклов.
Полученныеданные говорят о предсказуемом и не критическом изменении характеристикактюатора во времени, что является положительным моментом и может бытьучтено при разработке схемы его управления.Сравнение экспериментальных результатов с эквивалентными результатамичисленной модели показало сходимость характеристики угол отклонения –максимальное перемещение хвостовика, а также динамики нагрева актюатора.Погрешность при расчёте показаний деформации термомеханическогоактюатора при работе от электрического напряжения – 10 %. Погрешностьзадания величины напряжения составила 15,2 %. Установлено, что поведениеактюатора в условиях пониженного атмосферного давления при моделированиисоответствует экспериментально полученным результатам, погрешностьизменения температурных характеристик актюатора составила 6,2 %, силовых –6 %.Полученные данные важны и необходимы для дальнейшего изучениятермомеханических актюаторов, дают возможность создания их с заранеезаданными характеристиками, позволяют расширить и более точно15представлять области их применения и подтверждают тот факт, что именнобиморфный тип актюаторов с V-образными канавками обладает наибольшимизначениями нагрузок среди известных аналогов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
