一種利用太陽光壓力驅動的深空太陽帆航天器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用太陽光壓力驅動的深空太陽帆航天器，包括支撐架、四根支撐臂、四塊等腰直角三角形帆面、第一太陽能電池片、刻蝕天線、兩個滑塊、以及四個滾轉軸穩(wěn)定機構。本發(fā)明具有以下優(yōu)點：采用開放式支撐包裝結構和包帶，去除了傳統(tǒng)衛(wèi)星的外包裝結構，減輕了太陽帆航天器質量；自展開支撐臂能夠去除傳統(tǒng)充氣展開中的充氣系統(tǒng)和儲氣結構，減輕了太陽帆航天器質量；通過應用無線通信技術減少了通信線路的使用，使得大面積太陽帆航天器各個部分均能夠進行通信和數據傳輸，降低了太陽帆航天器的質量；將滑塊和滾轉軸穩(wěn)定機構用于姿態(tài)控制，能夠實現太陽帆航天器的三軸姿態(tài)控制，比自旋穩(wěn)定姿態(tài)控制能夠執(zhí)行更為寬泛的任務。
【專利說明】-種利用太陽光壓力驅動的深空太陽帆航天器

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種帆形航天器，特別涉及一種利用太陽光壓力作為驅動力、具有開 展深空探測能力的太陽帆航天器。

【背景技術】
[0002] 利用太陽光壓力驅動的帆形探測器又稱為太陽帆航天器，是利用太陽光壓進行宇 宙航行的飛行器。在理想的情況下，太陽帆航天器不需要任何燃料，它可以從取之不盡的陽 光中獲得持續(xù)的推力飛向宇宙空間。只要形狀和傾角適當，太陽帆航天器可以飛向包括光 源在內的任何方向，特別是在深空探測方面有極大的優(yōu)越性。
[0003] 光子撞擊到太陽帆面上并被完全反射回去，對太陽帆產生反作用力推動太陽帆進 行宇宙航行，稱為光壓力驅動。為了使太陽能提供足夠的光壓，太陽帆必須盡可能多地捕捉 到太陽光，這就意味著帆的面積必須足夠大，為了獲得較大的加速度，太陽帆航天器的重量 必須盡可能的輕。在發(fā)射時，由于發(fā)射空間有限，又需要將太陽帆貯存在較小的空間內。太 陽帆航天器有多種分類方式：由帆面形狀不同，可以分為方形帆、圓形帆和葉形帆等；由展 開方式不同，可分為自旋展開太陽帆和支撐桿型太陽帆。
[0004] 目前世界上很多國家都正在開展太陽帆航天器的研究工作，美國于2010年11月 發(fā)射的NanoSail-D太陽帆成功進入近地軌道并進行了展開實驗。NanoSail-D帆面是方 形，有四根人字形支撐臂，支撐桿與帆面采用五點（中心點和四個頂點）連接方式。但是針 對深空任務來說日本于2010年5月發(fā)射升空的自旋式的IKAR0S是唯一一個成功的案例， IKAR0S對太陽帆面的整體進行折疊，利用自旋離心力實現帆面的分步展開。但是已有的自 旋式太陽帆不適合大面積展開，因此目前針對深空探測任務來說，急需研究一種在軌展開、 具有較大面質比、滿足深空探測任務需求的支撐臂形式的太陽帆航天器。


【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明所解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供一種利用太陽光壓力驅 動的深空太陽帆航天器，利用具有自展開性能的4根支撐臂實現帆面的展開和支撐，采用5 點連接方式實現帆面的拉伸，具有較小面值比，能夠滿足深空探測任務的需求。
[0006] 本發(fā)明的技術方案是：一種利用太陽光壓力驅動的深空太陽帆航天器，包括支撐 架、四根支撐臂、四塊等腰直角三角形帆面、第一太陽能電池片、刻蝕天線、兩個滑塊以及四 個滾轉軸穩(wěn)定機構；
[0007] 兩個滑塊分別安裝在兩個相鄰的支撐臂上；滑塊包括第二太陽能電池片、第一無 線通信模塊和遙控運動小車，第二太陽能電池片和第一無線通信模塊均位于遙控運動小車 上，遙控運動小車套在支撐臂上；第二太陽能電池片為遙控運動小車供電，第一無線通信模 塊與衛(wèi)星本體進行數據和指令的交互，并將衛(wèi)星本體的指令輸出給遙控運動小車，遙控運 動小車根據接收到的指令在支撐臂上運動，以調整太陽帆航天器的質心位置；
[0008] 滾轉軸穩(wěn)定機構包括拉桿、第三太陽能電池片、第二無線通信模塊、轉動機構、支 撐架以及套筒，支撐架為中空結構，第三太陽能電池片和第二無線通信模塊安裝在支撐架 的向陽面，轉動機構安裝在支撐架內部，轉動機構的轉動軸與拉桿的中心連接，支撐架安裝 在套筒上，套筒膠粘在支撐臂的頂端；第三太陽能電池片為轉動機構供電，第二無線通信模 塊與衛(wèi)星本體進行數據和指令的交互，并將衛(wèi)星本體的指令輸出給轉動結構，轉動結構能 夠根據接收到的指令為太陽帆航天器提供正方向或反方向的轉動力矩；
[0009] 每個等腰直角三角形帆面的直角頂點連接在支撐架的中心支撐柱上，另兩個頂點 分別連接在相鄰的滾轉軸穩(wěn)定機構的拉桿上；每個等腰直角三角形帆面均由基底和鍍層組 成，基底上安裝有第一太陽能電池片，鍍層上刻蝕有刻蝕天線；第一太陽能電池片在四個等 腰直角三角形帆面組成的方形帆面上對稱分布；
[0010] 所述衛(wèi)星本體是指深空太陽帆航天器上電子元器件構成的各種單元的總和，衛(wèi)星 本體位于支撐架上。
[0011] 還包括包帶，太陽帆航天器處于未展開狀態(tài)時，包帶用于對太陽帆航天器各器件 進行束緊，當太陽帆航天器展開時，由控制機構將包帶割斷，解除對各器件的束縛；包帶采 用鈦合金帶材制成。
[0012] 所述支撐架采用鋁蜂窩板制成。
[0013] 所述支撐臂由碳纖維復合材料制成。
[0014] 所述每個等腰直角三角形帆面的基底為聚酰亞胺薄膜，鍍層為鋁膜。
[0015] 所述支撐臂上通過鍍層形成鍍層天線。
[0016] 本發(fā)明與現有技術相比的技術效果是：
[0017] (1)本發(fā)明利用支撐臂進行帆面展開，不用考慮轉動慣量問題，避免了自旋展開過 程中隨著面積的增大，轉動慣量逐漸增加，導致旋轉速度降低，從而可能會產生無法展開的 情況；
[0018] (2)本發(fā)明采用正方形構型的帆，相比圓形帆和葉形帆，在力學性能和穩(wěn)定性方面 具有優(yōu)勢，能夠提供更為優(yōu)異的推進性能；
[0019] ⑶本發(fā)明采用了開放式支撐包裝結構和包帶，去除了傳統(tǒng)衛(wèi)星的外包裝結構，減 輕了太陽帆航天器質量；
[0020] (4)本發(fā)明的自展開支撐臂能夠去除傳統(tǒng)充氣展開中的充氣系統(tǒng)和儲氣結構，減 輕了太陽帆航天器質量；
[0021] (5)本發(fā)明充分利用現有結構，使用了帆面刻蝕天線和支撐臂上的鍍層天線，去除 了傳統(tǒng)的天線系統(tǒng)，降低了太陽帆航天器質量；
[0022] (6)本發(fā)明通過應用無線通信技術減少了通信線路的使用，使得大面積太陽帆航 天器各個部分均能夠進行通信和數據傳輸，降低了太陽帆航天器的質量；
[0023] (7)本發(fā)明將滑塊和滾轉軸穩(wěn)定機構用于姿態(tài)控制，能夠實現太陽帆航天器的三 軸姿態(tài)控制，比自旋穩(wěn)定姿態(tài)控制能夠執(zhí)行更為寬泛的任務。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1為未展開狀態(tài)下的太陽帆航天器結構示意圖；
[0025] 圖2為展開狀態(tài)下的太陽帆航天器結構示意圖；
[0026] 圖3為滑塊示意圖；
[0027] 圖4為滾轉軸穩(wěn)定機構示意圖，其中（a)為左視圖，（b)為右視圖；
[0028] 圖5為帆面刻蝕天線示意圖；
[0029] 圖6為帆面鍍層示意圖；
[0030] 圖7為支撐臂截面示意圖，其中（a)為支撐臂展開時的截面示意圖，（b)為支撐臂 折疊時的示意圖。

【具體實施方式】
[0031] 下面結合具體實施例，對本發(fā)明技術方案進行進一步說明。
[0032] 衛(wèi)星本體位于支撐架1的中心，是指深空太陽帆航天器上電子元器件構成的各種 單元的總和。
[0033] 圖2為展開狀態(tài)下的深空太陽帆航天器，描述了帆面上的特性。深空太陽帆航 天器主要包括四根支撐臂3、四塊帆面4、支撐架1、第一太陽能電池片5 (薄膜太陽能電池 片）、刻蝕天線6、兩個滑塊9以及四個滾轉軸穩(wěn)定機構10。
[0034] 四根支撐臂3圍繞衛(wèi)星支撐架1的中心支撐柱均勻布置，每根支撐臂3的一端固 定于支撐架1的中心支撐柱上，另一端安裝有滾轉軸穩(wěn)定機構10 ;
[0035] 滑塊9分別安裝在兩個相鄰的支撐臂上。滾轉軸穩(wěn)定機構10安裝在四根支撐臂的 頂端?；瑝K和滾轉軸穩(wěn)定機構工作作用實現姿態(tài)控制功能，滑塊9的詳細結構見圖3?；瑝K 9上包括有第二太陽能電池片14、第一無線通信模塊15、能夠遙控運動的遙控運動小車16。 第二太陽能電池片14和第一無線通信模塊15位于遙控運動小車16上。第二太陽能電池 片14提供給滑塊9運動所需要的能源。第一無線通信模塊15與衛(wèi)星本體進行數據和指令 的交互，并將衛(wèi)星本體的指令輸出給遙控運動小車16,遙控運動小車16根據接收到的指令 在支撐臂3上運動，以調整太陽帆航天器的質心位置。能夠遙控運動的遙控運動小車16采 取套裝在支撐臂上的形式，確保運動的穩(wěn)定和可靠。如圖4所示，滾轉軸穩(wěn)定機構10上包 括有拉桿17、第三太陽能電池片18、第二無線通信模塊19、轉動機構20、支撐架21以及套 筒22。其中圖4中（a)為左視圖，（b)為右視圖。支撐架21由四塊支撐板構成，四塊支撐 板構成方形中空結構。第三太陽能電池片18和第二無線通信模塊19安裝在支撐架21向陽 面的支撐板上，轉動機構20安裝在與向陽面的支撐板垂直的支撐板上，并位于支撐架21內 部，轉動機構20的轉動軸與拉桿17的中心連接，支撐架21安裝在套筒22上，套筒22膠粘 在支撐臂3的頂端；第三太陽能電池片18提供給轉動機構20運動所需要的能源，第二無線 通信模塊19與衛(wèi)星本體進行數據和指令的交互，并將衛(wèi)星本體的指令輸出給轉動結構20， 轉動結構20能夠根據指令提供正反兩個方向的轉動力矩。滑塊和滾轉軸穩(wěn)定機構用于姿 態(tài)控制，能夠實現太陽帆航天器的三軸姿態(tài)控制。同時，應用無線通信技術減少了通信線路 的使用，使得大面積太陽帆航天器各個部分均能夠進行通信和數據傳輸，降低了太陽帆航 天器的質量。
[0036] 每個等腰直角三角形帆面4的直角頂點連接在支撐架1的中心支撐柱上，另兩個 頂點通過繩索分別連接在相鄰的滾轉軸穩(wěn)定機構10的拉桿17上。每個等腰直角三角形帆 面4均由基底12和鍍層13組成，如圖6所示?；?2上安裝有第一太陽能電池片5,鍍層 13上刻蝕有刻蝕天線6 (低增益天線），如圖5所示。帆面4的直角邊長度為160米?；?為厚度1微米-2微米的聚酰亞胺薄膜，鍍層為厚度1000埃的鋁膜。
[0037] 四個等腰直角三角形帆面4構成一塊方形帆面，第一太陽能電池片5直接裝在方 形帆面聚酰亞胺薄膜上，按照帆面的折疊方式分塊。第一太陽能電池片5的總面積為10平 方米，以衛(wèi)星本體為中心，按照方形對稱分布。
[0038] 刻蝕天線6只需要在鍍鋁層進行刻蝕就可以。帆面上可以布設多個刻蝕天線作為 中低增益天線使用，并互為冗余。四根支撐臂3上也布設刻蝕天線作為高增益天線。
[0039] 深空太陽帆航天器具有未展開和展開兩種狀態(tài)，當深空太陽帆航天器處于未展開 狀態(tài)時，四根支撐臂3處于折疊狀態(tài)，四塊等腰直角三角形帆面4也處于折疊狀態(tài)。圖1為 未展開狀態(tài)下帆形深空航天器。未展開狀態(tài)下帆形深空航天器還包括包帶2,支撐架1和包 帶2在航天器發(fā)射過程中對未展開狀態(tài)下的帆形深空航天器起約束和支撐作用，利用包帶 2的束緊功能防止發(fā)射過程中對支撐臂和帆面的損傷。支撐架1和包帶2分別采用常規(guī)衛(wèi) 星中使用的鋁蜂窩板和鈦合金帶材。
[0040] 四根支撐臂的截面為雙Ω構型，采用具有自展開性能的碳纖維復合材料制成。支 撐臂的一端與支撐架1的中心支撐柱通過法蘭連接。為了確保支撐臂能夠可控的展開通過 在支撐臂上添加尼龍壓條11來進行控制，尼龍壓條11沿殼體1的中心軸對稱粘接在殼體 1的外側。支撐臂折疊時被壓扁為一字型，如圖7中的（b)所示，然后卷曲成盤狀。支撐臂 展開時的截面示意圖如圖7中的（a)所示，支撐臂直徑為30厘米，長度為113米。
[0041] 當太陽帆航天器展開時，四根支撐臂3展開帶動四塊等腰直角三角形帆面4展開。
[0042] 采用上述結構和組成部分后，航天器的質量和面積之間的關系為200千克，25600 平方米，滿足深空探測的所需要的太陽帆面值比要求。同時航天器具備所有常規(guī)航天器中 必須的系統(tǒng)和能力，能夠實現深空探測任務。
[0043] 以上所述，僅為本發(fā)明最佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，簡單的推演或替換，都應涵 蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。
[0044] 說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域技術人員的公知技術。
【權利要求】
1. 一種利用太陽光壓力驅動的深空太陽帆航天器，其特征在于：包括支撐架（1)、四根 支撐臂（3)、四塊等腰直角三角形帆面（4)、第一太陽能電池片（5)、刻蝕天線￠)、兩個滑塊 (9)以及四個滾轉軸穩(wěn)定機構（10); 四根支撐臂（3)圍繞支撐架（1)的中心支撐柱均勻布置，每根支撐臂（3)的一端固定 于支撐架（1)的中心支撐柱上，另一端安裝有滾轉軸穩(wěn)定機構（10); 兩個滑塊（9)分別安裝在兩個相鄰的支撐臂上；滑塊（9)包括第二太陽能電池片 (14)、第一無線通信模塊（15)和遙控運動小車（16)，第二太陽能電池片（14)和第一無線通 信模塊（15)均位于遙控運動小車（16)上，遙控運動小車（16)套在支撐臂（3)上；第二太 陽能電池片（14)為遙控運動小車（16)供電，第一無線通信模塊（15)與衛(wèi)星本體進行數據 和指令的交互，并將衛(wèi)星本體的指令輸出給遙控運動小車（16)，遙控運動小車（16)根據接 收到的指令在支撐臂（3)上運動，以調整太陽帆航天器的質心位置； 滾轉軸穩(wěn)定機構（10)包括拉桿（17)、第三太陽能電池片（18)、第二無線通信模塊 (19)、轉動機構（20)、支撐架（21)以及套筒（22)，支撐架（21)為中空結構，第三太陽能電 池片（18)和第二無線通信模塊（19)安裝在支撐架（21)的向陽面，轉動機構（20)安裝在 支撐架（21)內部，轉動機構（20)的轉動軸與拉桿（17)的中心連接，支撐架（21)安裝在套 筒（22)上，套筒（22)膠粘在支撐臂（3)的頂端；第三太陽能電池片（18)為轉動機構（20) 供電，第二無線通信模塊（19)與衛(wèi)星本體進行數據和指令的交互，并將衛(wèi)星本體的指令輸 出給轉動結構（20)，轉動結構（20)能夠根據接收到的指令為太陽帆航天器提供正方向或 反方向的轉動力矩； 每個等腰直角三角形帆面（4)的直角頂點連接在支撐架（1)的中心支撐柱上，另兩個 頂點分別連接在相鄰的滾轉軸穩(wěn)定機構（10)的拉桿（17)上；每個等腰直角三角形帆面 ⑷均由基底（12)和鍍層（13)組成，基底（12)上安裝有第一太陽能電池片（5)，鍍層（13) 上刻蝕有刻蝕天線（6);第一太陽能電池片（5)在四個等腰直角三角形帆面（4)組成的方 形帆面上對稱分布； 所述衛(wèi)星本體是指深空太陽帆航天器上電子元器件構成的各種單元的總和，衛(wèi)星本體 位于支撐架（1)上。
2. 根據權利要求1所述的一種利用太陽光壓力驅動的深空太陽帆航天器，其特征在 于：還包括包帶（2)，太陽帆航天器處于未展開狀態(tài)時，包帶（2)用于對太陽帆航天器各器 件進行束緊，當太陽帆航天器展開時，由控制機構將包帶（2)割斷，解除對各器件的束縛； 包帶（2)采用鈦合金帶材制成。
3. 根據權利要求1或2所述的一種利用太陽光壓力驅動的深空太陽帆航天器，其特征 在于：所述支撐架（1)采用鋁蜂窩板制成。
4. 根據權利要求1或2所述的一種利用太陽光壓力驅動的深空太陽帆航天器，其特征 在于：所述支撐臂（3)由碳纖維復合材料制成。
5. 根據權利要求1或2所述的一種利用太陽光壓力驅動的深空太陽帆航天器，其特征 在于：所述每個等腰直角三角形帆面（4)的基底（12)為聚酰亞胺薄膜，鍍層（13)為鋁膜。
6. 根據權利要求1或2所述的一種利用太陽光壓力驅動的深空太陽帆航天器，其特征 在于：所述支撐臂（3)上通過鍍層形成鍍層天線。
【文檔編號】B64G1/44GK104058105SQ201410286986
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權日:2014年6月24日
【發(fā)明者】劉宇飛, 成正愛, 黃小琦, 劉海濤, 賈海鵬, 侯欣賓, 王立, 楊辰 申請人:中國空間技術研究院