CN101850852A - Sport时钟扫描卫星 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种SPORT时钟扫描卫星，该卫星包含：卫星本体、子星、伸展臂、太阳电池翼、对接环、对地通讯天线和轨控发动机，其特征在于，所述的卫星本体为长方体，其内部为三舱结构，所述的子星具体包含：星体、螺旋天线、反射板、反射板支架、柔性太阳帆板、螺旋天线展开导向机构、导向展开驱动电机及减速器、S波段数传天线、接收机和电源模块。本发明的卫星主承力结构为中心承力筒、径向隔板传力路线，传力环节清晰简洁，构形布局有利于结构强度和刚度的设计；卫星自带一套变轨发动机，在巡航段飞行时，可自行变轨，降低对运载上面级的要求；卫星本体推进舱的布局位置保证了较好的卫星姿态的稳定性。

Description

SPORT时钟扫描卫星

技术领域

本发明属于太阳极轨射电望远镜计划(solar polar orbit radio telescope，简称SPORT计划)提出的卫星构型，具体为一种SPORT时钟扫描卫星。

背景技术

SPORT卫星是太阳极轨卫星，主要研究日冕物质抛射事件及其传播和演化，将在太阳极轨上观测太阳风从太阳表面到地球的传播过程，揭示太阳风在日地行星际空间的传播规律，建立和修正行星际空间天气物理模型和预报模型。为实现这一科学目标，SPORT卫星由一颗母星和8颗子星组成，使用时钟扫描原理进行科学探测，8颗子星分别为固定在4根分针和4根秒针上，分针和秒针的长度根据子星载荷探测的要求各不相同，分针和秒针的转速比为：12/11。卫星采用对日定向自旋稳定姿态控制方式，8颗子星沿卫星旋转方向均匀分布，由于探测原理的需求，母星与子星要保持一定的相对位置关系和运动关系，将用杆状构架式伸展机构将子星送到远离母星的位置上。

SPORT卫星构型布局设计的目的及原则，卫星构型布局设计的目的在于为有效载荷在星上的布局提供可视化平台，确定有效载荷在星上的位置和方向，避免有效载荷间的位置干涉和相互遮挡，观察有效载荷的工作空间，初步确定科学目标实现的方式，为卫星平台的结构方案设计提供设计依据。卫星构型布局设计的原则为：适应运载火箭要求；适应轨道条件；满足有效载荷探测需求；在满足科学目标实现的前提下，尽量继承成熟卫星结构平台构型形式；满足各分***对构型和总体布局提出的设计要求；构型有利于设备工作性能的正常发挥，并使各设备之间的机、电、热互相兼容；考虑总装的便利性；考虑卫星测试的便利性；考虑作为公用平台，保证卫星有可扩展的承载能力和可调整的设备安装空间。

目前SPORT卫星构型布局设计存在的主要的技术问题有：卫星属于长寿命卫星，在轨运行时间较长，卫星平台要能装载大量燃料；卫星是三轴稳定卫星，如何保证在轨运行期间，随着燃料的减少，保持卫星的稳定性；如何保证伸展臂杆件与卫星姿态不发生耦合响应，伸展臂与伸展臂不发生碰撞；如何在卫星平台上实现时钟扫描原理；当卫星在轨运动时，地球、太阳、卫星三者之间的相对位置随时在变化，为保证与地球的通讯链路，对地通讯天线如何固定安装；以及在运载整流罩包络的限制下，母星及子星如何设计。

发明内容

本发明的目的在于，为满足科学探测需求，从而提供一种SPORT时钟扫描卫星。

为实现上述目的，本发明提供的一种SPORT时钟扫描卫星，该卫星包含：卫星本体、子星、伸展臂、太阳电池翼、对接环、对地通讯天线和轨控发动机，其特征在于，所述的卫星本体为长方体，其内部为三舱结构，具体包含：推进舱、卫星设备仪器舱和有效载荷舱；

所述的对接环位于卫星底部，用于通过包带与运载火箭连接；

所述的对地通讯天线通过一套伺服机构与卫星本体相连，发射时收拢锁紧在卫星侧板上，卫星进入转移轨道后锁紧装置释放天线展开；

所述的伸展臂包含四根秒针伸展臂和四根分针伸展臂，所述的秒针伸展臂和分针伸展臂分别均布在与卫星的自旋轴垂直的两个平面内；所述的分针伸展臂与卫星本体固定，随卫星自旋运动旋转；所述的秒针伸展臂自带一套旋转机构，相对分针伸展臂可实现不同转速的需求；所述的秒针伸展臂和分针伸展臂之间保持一定的距离为，可防止秒针伸展臂与分针伸展臂在端部不发生碰撞。

所述的子星为8个，该子星的星体的外侧用一个面与所述的四根分针伸展臂和四根秒针伸展臂相连，且所述的位于秒针伸展臂上的子星与伸展臂连接处增加一个定长的刚性连接杆，用于使每个位于秒针伸展臂上的子星展开后与位于分针伸展臂上的子星在同一平面上；

所述的子星具体包含：星体、螺旋天线、反射板、反射板支架、柔性太阳帆板、螺旋天线展开导向机构、导向展开驱动电机及减速器、S波段数传天线、接收机和电源模块；所述的反射板和所述的柔性太阳帆板固定在所述的反射板支架上；所述的螺旋天线与展开导向机构在顶部固定，螺旋天线展开后，导向机构可限制螺旋天线头部的晃动；

所述的子星星体底层外侧放置S波段数传天线，顶层与所述的反射板通过空心圆柱体的法兰连接，所述的导向展开驱动电机及减速器安装固定在该空心圆柱体内部。

所述的反射板圆形且带有镂空方格的铝箔。

所述的螺旋天线的直径为0.640米，且展开后高度2.5米。

所述的反射板支架外缘端部安装有限位块，与天线展开导向机构一起使所述的螺旋天线固定于压缩状态。

所述的子星外表面的非设备安装面粘贴有太阳能电池片，用于子星的部分供电需求。

所述的反射板下方设置一个能折叠的柔性太阳帆板，用于保证太阳能电池片对子星的供电需求。

所述的秒针伸展臂和分针伸展臂为杆状构架式伸展臂，由若干伸展臂单节通过铰链连接而成；所述的伸展臂单节呈三棱柱，其截面为等边三角形，伸展臂单节的端面由三根直径相同的边长杆组成三角形，伸展臂单节的轴向方向包括：三根直径相同的支撑杆，和伸展臂单节的每个侧面的两根支撑杆之间设有两根加强交叉斜拉杆。

所述的的秒针伸展臂为16米长的杆状构架式伸展臂，直径为300毫米，入轨展开后子星中心跨距35.76多米；

所述的分针伸展臂为14米长的杆状构架式伸展臂，直径为300毫米，展开后子星中心跨距31.76多米。

所述的旋转机构为一套齿轮传动机构，包括：啮合的大齿轮和内齿轮，所述的大齿轮和四根秒针伸展臂固连；该齿轮传动机构的电机通过一减速器输出一定的扭矩和转速，带动内齿轮旋转，继而带动和内齿轮啮合的大齿轮旋转，从而实现秒针伸展臂相对分针伸展臂的旋转运动。

所述的卫星本体内套设一主承力结构，该主承力结构为中心承力筒，卫星本体分隔为推进舱、卫星设备仪器舱和有效载荷舱三层结构。

由于SPORT卫星姿态控制***根据目前卫星姿态控制部件现有技术研究水平以及卫星布局，给出卫星姿态控制频率为：7.8×10-4Hz，为避免发生姿态与伸展臂的耦合作用，对长伸展臂展开状态基频的初步要求是大于控制频率两个数量级。伸展臂单节的结构形式轮廓为三棱柱，伸展臂将由多节这种结构形式的单元通过铰链连接而成。伸展臂截面为等边三角形，单节端面由三根直径相同的杆组成，单元轴向方向也由三根直径相同的杆组成，单元的每个侧面都有两根加强交叉斜拉杆。通过伸展臂动力学仿真分析得出：当单元轴向杆直径设为20毫米，三角形截面边长杆直径设为10毫米，交叉斜拉杆直径设为5毫米，单元轴向长统一设为350毫米时，杆件材料为碳纤维复合材料、铰链用铝合金材料，可保证14米和16米的长伸展臂与卫星姿态不会发生耦合作用。

本发明的优点在于，卫星主承力结构为中心承力筒、径向隔板传力路线，传力环节清晰简洁，构形布局有利于结构强度和刚度的设计；卫星自带一套变轨发动机，在巡航段飞行时，可自行变轨，降低对运载上面级的要求；卫星本体推进舱的布局位置保证了随着燃料减少，卫星质心位置变化不大，对卫星姿态的控制不会造成过大的压力，可较好的保持卫星姿态的稳定性；卫星的总高度尺寸满足了卫星姿态分***稳定度为2°的要求，秒针伸展臂与分针伸展臂两层之间的距离为0.660米，且在秒针伸展臂端部增加一刚性杆，不仅保证了秒针伸展臂与分针伸展臂展开后在端部子星天线不会发生碰撞，而且还满足了8个子星天线反射面在同一个平面内；提出了1.5米对地通讯天线的构形布局、安装位置及运动方式，保证了卫星在轨运动时，地球、太阳、卫星三者之间的相对位置随时在变化，天线与地球的通讯链路的连通；依据时钟扫描探测原理要求，设计一套齿轮传动机构与四根秒针伸展臂固连。电机通过减速器输出一定的扭矩和转速，带动内齿轮旋转，内齿轮通过啮合使大齿轮旋转，从而实现秒针相对分针的旋转运动。本发明提出一种长伸展臂的构形尺寸方案，可保证14米和16米长的伸展臂与卫星姿态不发生耦合作用。在运载整流罩包络尺寸的限制下，母星及子星的设计，提供一种SPORT时钟扫描卫星，满足运载的要求和限制，满足有效载荷实现科学目标进行探测的要求。

附图说明

图1是SPORT卫星发射状态图；

图2是SPORT卫星本体内部结构；

图3是卫星在巡航段飞行状态；

图4是卫星在轨展开；

图5是子星收拢状态；

图6是子星在轨展开状态；

图7是子星有效载荷；

图8是子星展开状态与秒针伸展臂连接示意图；

图9是卫星子星与分针伸展臂连接示意图；

图10是旋转机构的结构示意图。

附图标识

1、变轨发动机    2、秒针伸展臂      3、子星

4、分针伸展臂    5、对地通讯天线    6、卫星本体

7、对接环         8、适配器            9、内齿轮

10、大齿轮        11、设备舱           12、推进舱

13、有效载荷舱    14、刚性连接杆       15、太阳电池翼

16、螺旋天线      17、展开导向机构     18、接收机

19、电源模块      20、S波段数传天线    21、反射板

具体实施方式

下面结合附图针对本发明做进一步详细说明。

SPORT卫星外部及内部结构布局如图1、2和3所示。卫星主要由卫星本体6、子星3、伸展臂2/4、太阳电池翼15、对接环7、对地通讯天线5、轨控发动机1等部件组成。卫星本体5为长方体，尺寸为2520mm×2520mm×2270mm，本体侧面为2翼可展太阳帆板15，每翼由5块组成。秒针伸展臂2为16米长的杆状构架式伸展臂，直径为0.3米，入轨展开后子星中心跨距为35.76米。分针伸展臂4为14米长的杆状构架式伸展臂，直径为0.3米，展开后子星中心跨距为31.76米。秒针伸展臂、分针伸展臂各有四根，沿卫星自旋轴均布。分针伸展臂4与卫星本体固定，随卫星自旋运动旋转。秒针伸展臂2自带一套旋转机构，相对分针伸展臂4可实现不同转速的需求。1.5米直径的测控天线5通过一套伺服机构与卫星本体6相连，发射时收拢锁紧在卫星侧板上，卫星进入转移轨道后锁紧装置释放天线展开。当卫星在轨运动时，地球、太阳、卫星三者之间的相对位置随时在变化，为保证与地球的通讯链路，伺服机构可实现天线绕卫星自旋轴旋转和绕与自旋轴垂直方向轴的转动。子星有8个，在分针伸展臂4和秒针伸展臂2上各固定4个。卫星发射状态的外轮廓尺寸为4515mm×4515mm×5226mm(不包括适配器)，部件尺寸可根据新型运载整流罩的内部空间进行调整。

如图10所示，所述的旋转机构为一套齿轮传动机构，包括：啮合的大齿轮10和内齿轮9，所述的大齿轮10和四根秒针伸展臂2固连；该齿轮传动机构的电机通过一减速器输出一定的扭矩和转速，带动内齿轮9旋转，继而带动和内齿轮9啮合的大齿轮10旋转，从而实现秒针伸展臂2相对分针伸展臂4的旋转运动。且所述的位于秒针伸展臂2上的子星与伸展臂连接处增加一个定长的刚性连接杆14，用于使每个位于秒针伸展臂2上的子星展开后与位于分针伸展臂4上的子星在同一平面上。

在卫星总高度尺寸设计上，主要考虑了卫星姿态分***的要求，为防止秒针伸展臂2和分针伸展臂4在端部不发生碰撞，两层伸展臂之间的距离要大于0.6516米，本方案中两层杆之间的距离是0.660米。卫星在巡航段飞行状态如图3所示，卫星在轨展开状态如图4。

SPORT卫星共有8个子星，4个分针子星，4个秒针子星，其构成基本相同。子星收拢及展开状态如图5、图6所示。子星3由星体、螺旋天线16、反射板21、反射板支架、柔性太阳帆板、螺旋天线展开导向机构17、导向展开驱动电机及减速器、S波段数传天线20、接收机18和电源模块19等组成。反射板和柔性太阳帆板固定在反射板支架上。螺旋天线16与展开导向机构17在顶部固定，螺旋天线16展开后，导向机构17可限制螺旋天线16头部的晃动。螺旋天线16直径为0.640米，展开后高度2.5米。反射板21是直径为2米、带有100mm×100mm镂空方格的铝箔。

卫星发射时，螺旋天线16、反射板21、反射板支架、柔性太阳帆板、螺旋天线展开导向机构17处于收拢状态，由子星包带锁紧固定，反射板支架外缘端部安装有限位块，可使螺旋天线16处于压缩状态。卫星进入太阳极轨后，在母星8根伸展臂展开后，子星收拢包带解锁，反射板支架在扭转弹簧的作用下，带着反射板和柔性太阳帆板展开，随后导向机构17在电机驱动下与螺旋天线16一同展开。子星收拢状态外轮廓尺寸为768mm×768mm×1087mm，子星展开状态外轮廓尺寸为2000mm×2000mm×2933mm。

子星接收机18和电源模块19放在子星星体内部，如图7所示。子星外侧用一个面与母星伸展臂2/4连接，子星底层外侧放置S波段数传天线20，顶层与反射板通过空心圆柱形连接法兰连接，控制螺旋天线导向机构展开的驱动电机及减速器就安装固定在这个圆柱体内部。子星的能源需求由自身保证，在子星外表面非设备的安装面，粘贴有太阳能电池片，但由于反射板对子星星体遮挡比较多，在反射板下方增加一个可以折叠的柔性太阳帆板，以保证子星的供电需求。

时钟扫描探测原理要求分针和秒针子星反射板展开后应在同一个平面内，以避免相互的遮挡，并同时指向太阳。因此在秒针子星与伸展臂连接处增加一个定长度的刚性连接杆，使每个秒针子星展开后与分针子星在同一平面上，如图8、图9所示。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种SPORT时钟扫描卫星，该卫星包含：卫星本体、子星、伸展臂、太阳电池翼、对接环、对地通讯天线和轨控发动机，其特征在于，

所述的卫星本体为长方体，其内部为三舱结构，具体包含：推进舱、卫星设备仪器舱和有效载荷舱；

所述的对接环位于卫星底部，用于通过包带与运载火箭连接；

所述的对地通讯天线通过一套伺服机构与卫星本体相连，发射时收拢锁紧在卫星侧板上，卫星进入转移轨道后锁紧装置释放天线展开；

所述的伸展臂包含四根秒针伸展臂和四根分针伸展臂，所述的秒针伸展臂和分针伸展臂分别均布在与卫星的自旋轴垂直的两个平面内；所述的分针伸展臂与卫星本体固定，随卫星自旋运动旋转；所述的秒针伸展臂自带一套旋转机构，相对分针伸展臂可实现不同转速的需求；

所述的子星为8个，该子星星体的外侧用一个面与所述的四根分针伸展臂和四根秒针伸展臂相连，且所述的位于秒针伸展臂上的子星与伸展臂连接处增加一个定长的刚性连接杆，用于使每个位于秒针伸展臂上的子星展开后与位于分针伸展臂上的子星在同一平面上；

所述的子星具体包含：星体、螺旋天线、反射板、反射板支架、柔性太阳帆板、螺旋天线展开导向机构、导向展开驱动电机及减速器、S波段数传天线、接收机和电源模块；所述的反射板和所述的柔性太阳帆板固定在所述的反射板支架上；所述的螺旋天线与展开导向机构在顶部固定，螺旋天线展开后，导向机构可限制螺旋天线头部的晃动；

所述的子星星体底层外侧放置S波段数传天线，顶层与所述的反射板通过空心圆柱体的法兰连接，所述的导向展开驱动电机及减速器安装固定在该空心圆柱体内部。

2.根据权利要求1所述的SPORT时钟扫描卫星，其特征在于，所述的反射板呈圆形且带有镂空方格的铝箔。

3.根据权利要求1所述的SPORT时钟扫描卫星，其特征在于，所述的螺旋天线的直径为0.640米，且展开后高度2.5米。

4.根据权利要求1所述的SPORT时钟扫描卫星，其特征在于，所述的反射板支架外缘端部安装有限位块，与天线展开导向机构一起使所述的螺旋天线固定于压缩状态。

5.根据权利要求1所述的SPORT时钟扫描卫星，其特征在于，所述的子星外表面的非设备安装面粘贴有太阳能电池片，用于子星的部分供电需求。

6.根据权利要求1或5所述的SPORT时钟扫描卫星，其特征在于，所述的反射板下方设置一个能折叠的柔性太阳帆板，用于保证太阳能电池片对子星的供电需求。

7.根据权利要求1所述的SPORT时钟扫描卫星，其特征在于，所述的秒针伸展臂和分针伸展臂为杆状构架式伸展臂，由若干伸展臂单节通过铰链连接而成；所述的伸展臂单节呈三棱柱，其截面为等边三角形，伸展臂单节的端面由三根直径相同的边长杆组成三角形，伸展臂单节的轴向方向包括：三根直径相同的支撑杆，和伸展臂单节的每个侧面的两根支撑杆之间设有两根加强交叉斜拉杆。

8.根据权利要求1或7所述的SPORT时钟扫描卫星，其特征在于，所述的的秒针伸展臂为16米长的杆状构架式伸展臂，直径为300毫米，入轨展开后子星中心跨距35.76多米；

所述的分针伸展臂为14米长的杆状构架式伸展臂，直径为300毫米，展开后子星中心跨距31.76多米。

9.根据权利要求1所述的SPORT时钟扫描卫星，其特征在于，所述的旋转机构为一套齿轮传动机构，包括：啮合的大齿轮和内齿轮，所述的大齿轮和四根秒针伸展臂固连；该齿轮传动机构的电机通过一减速器输出一定的扭矩和转速，带动内齿轮旋转，继而带动和内齿轮啮合的大齿轮旋转，从而实现秒针伸展臂相对分针伸展臂的旋转运动。

10.根据权利要求1所述的SPORT时钟扫描卫星，其特征在于，所述的卫星本体内套设一主承力结构，该主承力结构为中心承力筒，卫星本体分隔为推进舱、卫星设备仪器舱和有效载荷舱三层结构。

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