一种可抛却式太阳帆航天器的制作方法

2021-02-12 23:02:30|

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[0001]
本发明属于航天器设计技术领域，具体涉及一种可抛却式太阳帆航天器。

背景技术：

[0002]
太阳帆航天器，简称太阳帆，是一种利用太阳在薄膜上的反射光压提供动力的新型航天器，在航行过程中不需消耗额外化学燃料和工作介质，具有质量小、收展比大、成本低、功耗低、航程长的特点，因此被广大学者和专家认为在深空探测和主动离轨技术中，具有广泛的应用前景。
[0003]
然而，太阳光压力为一种极为微小的空间环境力，以面积100平方米的太阳帆航天器为例，在距离日心1au的位置处(au为天文单位，1au是指地球到太阳之间的平均距离，约1.496亿千米)，且处于理想的完全反射条件下，其薄膜帆表面产生的光压力的理论计算值不到1毫牛。因此，在太阳帆航天器结构设计中，一方面希望薄膜帆的面积越大越小，以获取更大的光压力；另一方面同时希望航天器的结构质量越小越好，从而使航天器具有更大的加速度，进而大幅缩短飞行消耗的时间。由此可见，结构质量是太阳帆航天器设计中的一个重要约束。
[0004]
但是，柔性的薄膜帆自身并不能张成理想的平面，而是需要依靠外部支撑杆结构的张拉作用，才能形成一个张紧的平面结构。由于薄膜帆和支撑杆的结构尺寸很大，必须设计一套合适的展开机构，使太阳帆航天器从体积紧凑小巧的发射状态过渡到面积巨大的在轨展开状态。目前在太阳帆展开机构的研究中，具有代表性的构型主要有三种：独立叶片型、整体张拉型和自旋张拉型，参见文献“刘金国,赵鹏远,吴晨晨,秦栋,陈科利.siasail
-ⅰ
太阳帆展开机构[j].机械工程学报,2019,55(21):1-10”。然而，这些展开机构在执行完成将薄膜帆展开的任务后，仍保留在航天器本体上，成为了太阳帆航天器在飞行过程中携带的冗余质量，这就使得太阳帆航天器的结构质量无法进一步减小，从而严重影响太阳帆航天器的飞行效率。

技术实现要素：

[0005]
本发明的主要目的是提供一种可抛却式太阳帆航天器，旨在解决现有薄膜帆展开方式使得太阳帆航天器的结构质量无法进一步有效减小的问题。
[0006]
为实现上述目的，本发明提出一种可抛却式太阳帆航天器，包括主航天器和多个可与主航天器分离的分离子航天器，多个所述分离子航天器围绕所述主航天器布置；
[0007]
各所述分离子航天器分别通过支撑杆与所述主航天器连接；所述支撑杆的一端固连在主航天器上，另一端以盘卷的方式收藏在所述分离子航天器的内部；
[0008]
各所述分离子航天器的两侧设有薄膜帆收藏卷筒；分离子航天器与主航天器之间设有三角形结构的薄膜帆，薄膜帆的顶端固连在主航天器上，另外两端分别卷拢在薄膜帆收藏卷筒上；
[0009]
所述分离子航天器的内部，还安装有用于实现支撑杆收纳与展开的收展机构。
[0010]
优选地，所述分离子航天器包括收展机构舱和本体舱；所述收展机构设置于收展机构舱的内部，包括支撑杆收藏卷筒、压扁子机构、导向子机构、金属牵引带以及带卷绕回收子机构，通过带卷绕回收子机构带动金属牵引带回收进而实现支撑杆的展开；
[0011]
所述支撑杆收藏卷筒可旋转地架设于所述收展机构内，用于对支撑杆进行卷绕收纳，同时对金属牵引带进行固定并卷绕；
[0012]
所述压扁子机构设置于所述支撑杆收藏卷筒的外周侧，用于对将要卷回到所述收藏卷筒上的支撑杆进行压扁；
[0013]
所述导向子机构设置于所述压扁子机构与支撑杆展开出口之间，用于引导支撑杆的展出方向，确保支撑杆沿水平方向展出；
[0014]
所述金属牵引带，可随同支撑杆一起卷绕在所述支撑杆收藏卷筒上，用于牵引支撑杆的展开；
[0015]
所述带卷绕回收子机构设置于所述支撑杆收藏卷筒的斜上方，用于将所述金属牵引带进行回收；
[0016]
所述支撑杆可盘卷收纳在支撑杆收藏卷筒上；所述支撑杆的末端与所述支撑杆收藏卷筒可拆卸连接，整个支撑杆可以完全从所述收展机构舱的内部向外水平展出。
[0017]
优选地，所述收展机构舱的支撑杆展开出口处，还设有连接固定环，所述连接固定环可在薄膜帆完全展开到位时与所述收展机构舱脱离，并稳固地夹住支撑杆，同时实现与薄膜帆端点的连接。
[0018]
优选地，所述主航天器的底部还设有底板托盘。
[0019]
优选地，所述分离子航天器还包括可展开的太阳能电池阵，所述太阳能电池阵设置于所述本体舱的两侧。
[0020]
优选地，所述分离子航天器的数量为六个，所述主航天器的结构呈正六棱柱体状，整个可抛却式太阳帆航天器的构型呈正六边形。
[0021]
优选地，所述分离子航天器的数量为四个，所述主航天器的结构呈长方体状，整个可抛却式太阳帆航天器的构型呈正方形。
[0022]
优选地，所述分离子航天器的数量为八个，所述主航天器的结构呈正八棱柱体状，整个可抛却式太阳帆航天器的构型呈正八边形。
[0023]
与现有技术相比，本发明技术方案取得的有益效果主要体现在以下几个方面：
[0024]
一、本发明通过采用“1个主航天器+多个分离子航天器”的构型与技术方案，分离子航天器内部安装有实现支撑杆收纳和展开的收展机构，分离子航天器在执行完展开支撑杆的任务后，可与主航天器发生分离，相对与主航天器来说实现了收展机构的抛却，因而大幅减小了太阳帆航天器的整体结构质量，有利于提高太阳帆航天器的有效载荷比和任务飞行效率，有助于太阳帆航天器空间任务的完成与实现。
[0025]
二、本发明中的分离子航天器2除了具有将结构展开的功能外，还具有完成监视太阳帆航天器的整个展开过程、空间观察与巡视、太空探测等任务的能力。
[0026]
三、本发明所设计的太阳帆航天器的构型灵活，通过采用不同的分离子航天器数量，可以实现不同的航天器构型，例如正方形、正六边形、正八边形等。
[0027]
四、本发明具备设计大面积太阳帆航天器的能力，以本发明实施例中的六个分离子航天器的情形为例，如果设计50平方米的太阳帆航天器，只需将单杆支撑杆的长度设计
为4.4米；如果设计100平方米的太阳帆航天器，只需将单杆支撑杆的长度设计为6.2米；而如果设计200平方米的太阳帆航天器，只需将单杆支撑杆的长度设计为8.8米。
附图说明
[0028]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0029]
图1是本发明所述可抛却式太阳帆航天器在收拢状态下的结构示意图；
[0030]
图2是本发明所述可抛却式太阳帆航天器在展开过程中的状态示意图；
[0031]
图3是本发明所述可抛却式太阳帆航天器在完全展开、即将发生分离时刻的状态示意图；
[0032]
图4是本发明所述可抛却式太阳帆航天器在刚好已经完成分离时刻的状态示意图；
[0033]
图5是本发明所述可抛却式太阳帆航天器在分离结束后的状态示意图；
[0034]
图6是所述分离子航天器在太阳电池阵未展开情形下的结构示意图；
[0035]
图7是所述分离子航天器在太阳电池阵已展开情形下的结构示意图；
[0036]
图8是所述分离子航天器的收展机构舱的内部结构示意图。
[0037]
本发明的附图标号说明：
[0038]
标号名称标号名称1主航天器21收展机构舱2分离子航天器22本体舱3薄膜帆23太阳电池阵4底板托盘211支撑杆收藏卷筒5薄膜帆收藏卷筒212压扁子机构6支撑杆213导向子机构7连接固定环214金属牵引带8支撑杆展开出口215带卷绕回收子机构
具体实施方式
[0039]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040]
为了进一步减小太阳帆航天器的结构质量，从而提高其飞行效率，本发明提出了一种可抛却式太阳帆航天器。如图1所示，为本发明所述可抛却式太阳帆航天器在收拢状态下的结构示意图。
[0041]
由图1可以看出，本发明所述可抛却式太阳帆航天器包括主航天器1、多个分离子航天器2、多根支撑杆6和多块薄膜帆3，主航天器位于太阳帆航天器的中央位置，本实施例
中分离子航天器的数量为六个。分离子航天器2以圆周阵列的方式均匀地分布在主航天器1的周围，在本实施例中，主航天器1结构呈正六棱柱体状，六个分离子航天器2与主航天器1中心的六条连线之间的相互夹角均为60度。
[0042]
每个所述分离子航天器2通过一根支撑杆6实现与主航天器1的连接，本实施例中由于分离子航天器的数量为6个，因此支撑杆6的数量也为六根。支撑杆6的一端(为描述方便，这里称之为始端)固定连接在主航天器1的侧壁上，另一端(称为末端)以盘卷的方式收藏在分离子航天器2的内部。
[0043]
具体地，请参阅图6和图7所示的分离子航天器2的结构示意图，分离子航天器2包括收展机构舱21和本体舱22；收展机构舱21的内部结构示意图如图8所示，收展机构舱21的内部安装了用于实现支撑杆6收拢和展开的收展机构。所述收展机构包括支撑杆收藏卷筒211、压扁子机构212、导向子机构213、金属牵引带214以及带卷绕回收子机构215等。
[0044]
所述支撑杆收藏卷筒211可旋转地架设于所述收展机构内，用于对支撑杆6进行卷绕收纳，同时对金属牵引带进行固定并卷绕。
[0045]
所述压扁子机构212设置于所述支撑杆收藏卷筒211的外周侧，用于对将要卷回到所述收藏卷筒上的支撑杆6进行压扁。
[0046]
为描述方便起见，称收展机构舱21朝向主航天器1的一侧面板为前面板，在前面板上设有一个支撑杆展开出口8，所述导向子机构213设置于所述压扁子机构与支撑杆展开出口8之间，用于引导支撑杆6的展出方向，确保支撑杆6沿水平方向展出。
[0047]
所述金属牵引带214，可随同支撑杆一起卷绕在所述支撑杆收藏卷筒211上，用于牵引支撑杆的展开；
[0048]
所述带卷绕回收子机构215设置于所述支撑杆收藏卷筒211的斜上方，用于将所述金属牵引带进行回收；
[0049]
支撑杆6的末端收纳在支撑杆收藏卷筒211上，所述支撑杆的末端与所述支撑杆收藏卷筒211可拆卸连接，整个支撑杆6可以完全从所述收展机构舱21的内部向外水平展出。
[0050]
本实施例中，通过带卷绕回收子机构215带动金属牵引带214回收进而牵引支撑杆6展开的方式，可以将支撑杆6从支撑杆收藏卷筒211上不断展开，支撑杆6将沿着支撑杆展开出口8中不断地从收展机构舱21的内部向外水平展出。由于支撑杆6的始端以固连的方式安装在了主航天器1上，随着支撑杆6的不断展开，支撑杆6的长度不断增加，支撑杆6将不断地向外推离分离子航天器2，即分离子航天器2将会随着支撑杆6的展开而朝着背离主航天器1的方向不断地向外移动。
[0051]
在每个分离子航天器2的两侧，还各设有一个薄膜帆收藏卷筒5，薄膜帆3呈三角形结构，其顶端固定连接在主航天器1的侧棱上，另外两端分别卷拢在薄膜帆收藏卷筒5上。同样地，由于薄膜帆3的顶端以固连的方式安装在主航天器1上，随着支撑杆6的不断展开以及分离子航天器2不断地朝着背离主航天器1的方向向外移动，薄膜帆收藏卷筒5将会不断地发生转动，从而将卷绕在其上的薄膜帆3不断展开。
[0052]
综上所述，本发明所述可抛却式太阳帆航天器的展开过程可以概括如下：在设置于收展机构舱21内部的收展机构驱动下，支撑杆6不断地从支撑杆展开出口8中水平展出，随着支撑杆6长度的增加，分离子航天器2不断地朝着背离主航天器1的方向向外移动，进而带动薄膜帆收藏卷筒5发生转动，从而将卷绕在薄膜帆收藏卷筒5上的薄膜帆3不断展开，直
至整个薄膜帆3完全展开。图2给出了本发明所述可抛却式太阳帆航天器在展开过程中的状态示意图；图3给出了本发明所述可抛却式太阳帆航天器在恰好完全展开时刻的状态示意图。
[0053]
当薄膜帆3完全展开到位后，由于支撑杆6的末端并非固定连接在支撑杆收藏卷筒211上，而是可拆卸连接方式，因此，随着收展机构的工作，支撑杆6的末端将也会从支撑杆展开出口8中滑出，此时，分离子航天器2将会与主航天器1发生分离。请参阅图4，是本发明所述可抛却式太阳帆航天器在刚好已经完成分离时刻的状态示意图。由图4可以看出，此时分离子航天器2与主航天器1不再通过支撑杆6相连，只剩下支撑杆6伸展在主航天器1上。
[0054]
图5是本发明所述可抛却式太阳帆航天器在分离结束后的状态示意图。当完成分离以后，分离子航天器2可以主动地飞离主航天器1，因此，图5中不再有分离子航天器2。由图5可以很明显地看出，由于带有收展机构的分离子航天器2不再保留在主航天器1上，因而本发明所采用的方式无疑使得主航天器1的结构质量大大减小。
[0055]
值得补充说明的是，在收展机构舱21前面板上的支撑杆展开出口8处，还设有连接固定环7，该连接固定环7具有两个功能。当薄膜帆3恰好完全展开到位时，连接固定环7将与分离子航天器2脱开，一方面稳固地夹住支撑杆6，另一方面实现与薄膜帆3端点的连接，如图5所示。
[0056]
此外，在主航天器1的底部还设有一个底板托盘，请参阅图1，为了使得本发明所设计的太阳帆航天器能够通过火箭发射段严酷的振动冲击考验，所述底板托盘能够实现对六个分离子航天器2的支撑和连接，以防止光靠支撑杆6进行连接所带来的连接强度不够的问题，只需当太阳帆航天器发射入轨后，先将底板托盘与分离子航天器2解锁，再启动分离即可。
[0057]
分离子航天器2在执行完展开支撑杆6的任务后，可主动飞离主航天器1，其可能完成的其它任务还包括监视太阳帆航天器的整个展开过程、空间观察与巡视、太空探测等。为了保证其能源充足，分离子航天器2还包括一对太阳电池阵23，如图6所示，其安装在本体舱22的两侧。在执行完展开任务后，太阳电池阵23还可以打开，形成一个获取太阳光的平面，如图7所示。
[0058]
综上以上分析，本发明具有以下特点：
[0059]
一、本发明通过采用“1个主航天器+多个分离子航天器”的技术方案，分离子航天器内部安装有实现支撑杆收纳和展开的收展机构，分离子航天器在执行完展开支撑杆的任务后，可与主航天器发生分离，从而进一步有效减小了太阳帆航天器的整体结构质量，有利于提高太阳帆航天器的有效载荷比和任务飞行效率。
[0060]
二、本发明中的分离子航天器2除了具有将结构展开的功能外，还具有完成监视太阳帆航天器的整个展开过程、空间观察与巡视、太空探测等任务的能力。
[0061]
三、本发明所设计的太阳帆航天器的构型灵活，如果采用“1个主航天器+4个分离子航天器”，那么太阳帆航天器的构型为正方形；如果采用“1个主航天器+6个分离子航天器”，那么太阳帆航天器的构型为正六边形；如果采用“1个主航天器+8个分离子航天器”，那么太阳帆航天器的构型为正八边形。
[0062]
四、本发明所设计的太阳帆航天器的结构尺寸可以做得很大，即具备设计大面积太阳帆航天器的能力，例如以本发明实施例中的六个分离子航天器的情形为例，如果想要
设计50平方米的太阳帆航天器，只需将单杆支撑杆的长度设计为4.4米；如果想要设计100平方米的太阳帆航天器，只需将单杆支撑杆的长度设计为6.2米；而如果想要设计200平方米的太阳帆航天器，只需将单杆支撑杆的长度设计为8.8米。
[0063]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

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