CN106394933B - 一种分布式卫星牵引太阳帆航天器构型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式卫星牵引太阳帆航天器构型，由中心航天器、分布式卫星和方形太阳帆帆膜组成。分布式卫星与中心航天器通过连接分离装置连接固定，分布式卫星通过连接分离装置与中心航天器弹射分离，获得相对速度，同时牵引系绳控制，实现太阳帆帆膜的拉出展开。展开到位后，分布式卫星的主动作用力使***起旋，并产生保持太阳帆帆膜平整的张紧力。通过多个分布式卫星在展开过程中提供牵引力、在轨飞行中提供离心力、实施探测任务时作为分布式有效载荷平台。太阳帆帆膜上粘贴薄膜太阳能电池、液晶反射器件；太阳能电池转化的电能储存于电源管理***，用于产生星载设备工作所需的电能和实现中心航天器的姿态控制。

Description

一种分布式卫星牵引太阳帆航天器构型

技术领域

本发明涉及一种航天器构型，具体地说，涉及一种利用分布式卫星牵引展开和利用自旋保持帆膜张紧的太阳帆航天器构型。

背景技术

太阳帆航天器是由大面积的帆膜和支撑结构组成的大型薄膜展开式航天器，它利用太阳在大面积平整帆膜上的反射光压为航天器提供飞行的动力，是一种不依靠化学推进实现持续飞行的飞行器。相比于传统航天器，太阳帆航天器具有巨大的优越性，无需消耗燃料，因此在太空中的使用寿命不受有限燃料的制约；采用高性能材料，航天器结构本身的质量很轻，减小发射质量，使得发射费用更低；利用太阳光压所提供的连续加速度，经过长时间加速，太阳帆航天器能以93km/s的速度飞行，其速度较当今依赖火箭推进的最快航天器快4～6倍。目前，太阳帆航天器已成为深空探测的研究热点。

在太阳帆航天器的设计中，关键性的问题之一是确定合适太阳帆航天器的构型，也就是在太空中如何展开太阳帆的帆膜、在飞行过程中保持帆膜的张紧以及如何进行太阳帆的姿态控制。现有太阳帆航天器的帆膜展开方式主要可分为两种类型:一种是由支撑杆牵引展开；一种是利用离心力旋转展开。

由支撑杆牵引展开帆膜的原理是利用固定于中心航天器上的悬臂撑杆来展开和张紧帆膜，主要有利用充气结构、机械折叠结构或多稳态结构弹性变形展开三种形式。支撑杆伸展过程中，牵引太阳帆航天器的帆膜进行展开；到位后，利用支撑杆结构自身的刚度张紧帆膜。这种展开方式的典型应用，如美国的Nanosail-D系列和Light-sail系列太阳帆航天器。一般而言，帆膜尺寸越大，支撑杆所承受的弯曲载荷越大，支撑杆的附加质量就越大，因此该方案对轻质、高刚度、多稳态材料的要求较高。由于不需要旋转，太阳帆航天器一般采用三轴稳定方案。

利用离心力旋转展开帆膜的原理是由航天器自旋所产生的离心力甩开折叠的薄膜，并保持展开后的位形。在展开过程中，中心航天器不断调整旋转加速度，为了产生足够的牵引力，一般在帆膜的外侧固定若干质量块。这种展开方式的典型应用如日本的IKAROS太阳帆航天器。相比于由支撑杆结构牵引展开帆膜的展开方式，利用离心力旋转展开帆膜主要有以下特点:(1)自旋离心力可提供结构的面内刚度，有效降低支撑结构的重量；(2)不受支撑杆结构尺寸的限制，理论上可实现任意大尺寸帆膜的展开。

目前提出的自旋展开式航天器都是利用中心航天器的推力器作动产生扭矩使***旋转来实现的。由于帆膜自身质量密度很低，需要依赖帆膜末端的质量块来提供离心牵引力和张紧力。当太阳帆膜积增加时，***转动惯量急剧增加，要求***的角速度很大才能展开帆膜，对中心航天器提供的输入扭矩要求很高。因此，目前自旋展开的构型还很难实现在超大面积太阳帆上的应用。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种分布式卫星牵引太阳帆航天器构型。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：分布式卫星牵引太阳帆航天器构型，包括中心航天器、分布式卫星、连接分离装置、液晶反射器件、太阳能电池、太阳帆帆膜、系绳，其特征在于所述中心航天器与分布式卫星、太阳帆帆膜通过系绳连接，分布式卫星依中心航天器对称分布，且处于同一平面内，太阳帆帆膜位于中心航天器与分布式卫星之间，所述太阳帆帆膜为方形，并依中心航天器分割成多块三角形结构，太阳帆帆膜上粘贴薄膜太阳能电池、液晶反射器件，太阳能电池转化的电能储存于电源管理***，用于运行星载设备工作所需的电能，液晶反射器件通过对太阳光的反射率和透射率的变化，实现中心航天器的姿态控制；

太阳帆帆膜折叠收拢时，分布式卫星与中心航天器通过连接分离装置连接固定，太阳帆帆膜以星形折叠的方式折叠；分布式卫星通过连接分离装置弹射与中心航天器分离，获得相对速度，同时牵引系绳控制，实现太阳帆帆膜的拉出展开；

所述分布式卫星为微小卫星，每个分布式卫星能三轴稳定、相对中心航天器定位并搭载不同的有效载荷；

所述系绳通过系绳控制器在分布式卫星牵引太阳帆帆膜完全展开前对系绳施加阻力，降低分布式卫星的相对分离速度到零并使系绳张紧达到预定张紧力。

所述太阳帆帆膜为镀铝聚酰亚胺薄膜材料,聚酰亚胺薄膜用于反射太阳光，实现光压推进。

所述分布式卫星为多个,且质量相同。

有益效果

本发明提出的一种分布式卫星牵引太阳帆航天器构型，利用分布式卫星的系绳控制，实现太阳帆帆膜的展开；展开到位后，利用分布式卫星的主动作用力使***起旋，并产生保持太阳帆帆膜平整的张紧力。通过多个分布式微小卫星在展开过程中提供牵引力、在轨飞行中提供离心力、实施探测任务时作为分布式有效载荷平台，具有多功能性。

本发明分布式卫星牵引太阳帆航天器构型,牵引展开方式施加的作用力在太阳帆帆膜边缘，可展开大尺寸的帆膜。牵引展开过程中主要依赖航天器的初始弹射速度和系绳被动摩擦减速，不需要消耗能源，大大减少了航天器携带燃料的重量要求。展开到位后，长时间飞行过程中，帆膜张力的保持利用***自旋转实现，具有可靠、稳定的特点。控制***旋转的作用力作用点远离***中心，自旋控制效率较高。太阳帆航天器的姿态调整通过控制太阳帆帆膜上的液晶反射器产生相对中心的控制力矩来实现。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种分布式卫星牵引太阳帆航天器构型作进一步详细说明。

图1a为本发明分布式卫星牵引太阳帆航天器结构展开前示意图。

图1b为本发明分布式卫星牵引太阳帆航天器结构展开后示意图。

图2为本发明分布式卫星牵引太阳帆航天器的太阳帆帆膜折叠方式示意图。

图3a、图3b、图3c为本发明的太阳帆帆膜展开过程示意图。

图4为本发明分布式卫星牵引太阳帆航天器的太阳帆帆膜展开过程流程图。

图中

1.分布式卫星 2.连接分离装置 3.中心航天器 4.液晶反射器件 5.太阳能电池6.太阳帆帆膜 7.系绳

具体实施方式

本实施例是一种分布式卫星牵引太阳帆航天器构型。

参阅图1～图4，本实施例分布式卫星牵引太阳帆航天器构型，由分布式卫星1、中心航天器3、太阳帆帆膜6和连接分离装置2、液晶反射器件4、太阳能电池5、系绳7组成。中心航天器3与分布式卫星1、太阳帆帆膜6通过系绳7连接，分布式卫星1依中心航天器3对称分布，且处于同一平面内。本实施例中分布式卫星1为四个,四个分布式卫星1质量相同；每个分布式卫星1能三轴稳定、相对中心航天器3定位并搭载不同的有效载荷。太阳帆帆膜6连接于中心航天器3与分布式卫星1之间；太阳帆帆膜6为方形，且依中心航天器3分割成多块三角形结构，太阳帆帆膜6上粘贴薄膜太阳能电池5、液晶反射器件4，太阳能电池5转化的电能储存于电源管理***，用于运行星载设备工作所需的电能；液晶反射器件4通过对太阳光的反射率和透射率的变化，实现中心航天器3的姿态控制。太阳帆帆膜6折叠收拢时，分布式卫星1与中心航天器3通过连接分离装置2连接固定，太阳帆帆膜6以星形折叠的方式折叠；展开前，整体航天器***处于无旋转三轴稳定状态。分布式卫星1通过连接分离装置2弹射与中心航天器3分离，获得相对速度，同时牵引系绳7控制，将固定在系绳上的太阳帆帆膜6拉出展开。系绳7通过系绳控制器在分布式卫星1牵引太阳帆帆膜6完全展开前对系绳7施加阻力，降低分布式卫星1的相对分离速度到零并使系绳7张紧。太阳帆帆膜6完全展开状态下，四个分布式卫星分别位于方形太阳帆帆膜6的四个顶角处，通过系绳7与中心航天器3连接。航天器处于自旋状态，四个分布式卫星1绕中心航天器3旋转所提供的离心力使整个太阳帆帆膜6处于张紧状态。

工作过程

分布式卫星牵引太阳帆航天器由搭载不同有效载荷的四个分布式卫星、中心航天器、方形太阳帆帆膜组成。四个分布式卫星为质量相同的微小卫星，单个质量在10kg。分布式卫星由相对导航***、姿态控制***、有效载荷、推力器、系绳组成，相对导航***用于与中心航天器的定位和定姿，姿态控制***用于分布式卫星的三轴姿态稳定，有效载荷用于完成不同的探测任务；推力器用于产生分布式卫星控制所需的作用力，系绳用于连接分布式卫星、太阳帆帆膜和中心航天器。中心航天器由电源管理***、连接分离***、系绳控制器、通信***、自主导航***组成，电源***用于储存太阳能电池所转化的电能，连接分离装置用于分布式卫星的固定与弹射，系绳控制器用于分布式卫星牵引太阳帆帆膜完全展开前对系绳施加阻力，从而降低分布式卫星的相对分离速度到零并使系绳张紧，通信***用于航天器与地面通信，自主导航***用于航天器的自主飞行导航。太阳帆帆膜由分割成多块三角形的镀铝聚酰亚胺薄膜组成，太阳帆帆膜上粘贴薄膜太阳能电池、液晶反射器件及连接电缆。聚酰亚胺薄膜用于反射太阳光，实现光压推进，太阳能电池用于产生星载设备工作所需的电能，液晶反射器件通过对太阳光的反射率和透射率的变化，实现航天器的姿态控制，电缆用于从太阳能电池向蓄电池传递电能。

四个分布式卫星与中心航天器分别通过系绳连接，太阳帆帆膜与系绳、分布式卫星及中心航天器有分散式点连接。展开前，整体航天器***处于无旋转三轴稳定状态。四个分布式卫星通过连接分离装置与中心航天器分离，获得相对速度，同时拖动系绳，将固定在系绳上的帆膜拉出；展开到位前，利用系绳自带摩擦减阻控制设计逐渐减小相对分离速度,并在系绳上产生一定的张紧力；初步到位后，分布式卫星进行姿态调整，建立相对中心航天器的三轴稳定姿态，之后沿指向中心航天器的径向和切向同时施加作用力，进一步张紧系绳，并同时使***起旋。***旋转起来后，分布式卫星将暂停工作，作为呆重提供***帆膜张紧所需要的离心力。飞行过程中，太阳帆的姿态调整通过调节太阳帆帆膜的反射系数产生相对中心的扭矩来完成。旋转角速度的调整通过四个分布式卫星的协同作用来完成。在展开过程中***不旋转，利用分布式卫星的系绳控制，实现太阳帆帆膜的展开；展开到位后，利用分布式卫星的主动作用力使***起旋，并产生保持太阳帆帆膜平整的张紧力。

太阳帆帆膜折叠收拢状态下，四个分布式卫星通过连接分离装置与中心航天器连接，太阳帆帆膜以星形折叠的方式折叠。

太阳帆帆膜完全展开状态下，四个分布式卫星分别位于方形太阳帆帆膜的四个顶角处，通过系绳与中心航天器连接。整体航天器处于自旋状态，四个分布式卫星绕中心航天器旋转所产生的离心力使整个帆膜处于张紧状态。

太阳帆帆膜展开过程包括以下步骤:

步骤1.连接分离装置解锁，四个分布式卫星在解锁后的连接分离装置作用下,以初速度向太阳帆帆膜平面内四个两两垂直的方向弹射；

步骤2.当分布式卫星运动到弹射所允许的最大位置之前，系绳控制器工作，使得系绳释放的阻力增大，分离卫星的相对速度逐渐降低为零；

步骤3.此后分布式卫星上的姿态调整***工作，建立相对中心航天器的三轴稳定姿态，确保四个分布式卫星与中心航天器位于同一平面内；

步骤4.分布式卫星推力器工作，施加指向中心航天器沿径向的作用力，系绳进一步被张紧达到预定的张紧力；

步骤5.分布式卫星推力器工作，产生沿太阳帆帆膜周向的推力，使整个太阳帆航天器起旋，达到需要的转动角速度后推力器停止工作；

步骤6.太阳帆帆膜在自旋产生的离心力作用下完全展开，并处于张紧状态。

Claims (3)

1.一种分布式卫星牵引太阳帆航天器构型，包括中心航天器、分布式卫星、连接分离装置、液晶反射器件、太阳能电池、太阳帆帆膜、系绳，其特征在于:

所述中心航天器与分布式卫星、太阳帆帆膜通过系绳连接，分布式卫星依中心航天器对称分布，且处于同一平面内，太阳帆帆膜位于中心航天器与分布式卫星之间，所述太阳帆帆膜为方形，并依中心航天器分割成多块三角形结构，太阳帆帆膜上粘贴薄膜太阳能电池、液晶反射器件，太阳能电池转化的电能储存于电源管理***，用于运行星载设备工作所需的电能，液晶反射器件通过对太阳光的反射率和透射率的变化，实现中心航天器的姿态控制；

太阳帆帆膜折叠收拢时，分布式卫星与中心航天器通过连接分离装置连接固定，太阳帆帆膜以星形折叠的方式折叠；分布式卫星通过连接分离装置弹射与中心航天器分离，获得相对速度，同时牵引系绳控制，实现太阳帆帆膜的拉出展开；

所述分布式卫星为微小卫星，每个分布式卫星能三轴稳定、相对中心航天器定位并搭载不同的有效载荷；

所述系绳通过系绳控制器在分布式卫星牵引太阳帆帆膜完全展开前对系绳施加阻力，降低分布式卫星的相对分离速度到零并使系绳张紧达到预定张紧力。

2.根据权利要求1所述的分布式卫星牵引太阳帆航天器构型，其特征在于:所述太阳帆帆膜为镀铝聚酰亚胺薄膜材料,聚酰亚胺薄膜用于反射太阳光，实现光压推进。

3.根据权利要求1所述的分布式卫星牵引太阳帆航天器构型，其特征在于:所述分布式卫星为多个,且质量相同。