一种基于增材制造的重力梯度卫星的制作方法

本发明涉及航天器技术领域，尤其涉及一种基于增材制造的重力梯度卫星。

背景技术：

随着航天技术发展，空间飞行器的尺寸需求越来越大，从最初的米级到现在空间站的几十米甚至上百米，很多需要大尺寸的空间飞行器使用桁架来扩展空间，桁架结构可以在发射过程中被压缩起来，在轨释放后展开、锁定。该种展开机构在空间有以下三类典型应用，首先，用于大型空间机构的支撑，如国际空间站上的链接舱段，其次卫星常见的重力梯度杆，第三种常见的空间大型结构为科学探测卫星，如为避免卫星本体剩磁影响而设计的磁探测卫星等。

当前这些大型航天结构的结构类似，均通过各种复杂的机构，通过驱动或者自身地面压缩储能驱动，在卫星发射前压缩收起到一定尺寸，通过火工品或专门设计的压缩机构压紧，发射成功后，火工品或者压缩机构启动，解除压紧状态。

这些机构的共同难点在于：

(1)难以实现超长结构和复杂结构，由于现有机构的长度通过先压缩，后伸展，结构本身设计非常复杂，压缩机构体积、解锁机构也需要占用大量空间，超长超大结构的展开系统实现难度会异常的大，从而难以实施；(2)压缩系统可靠性低，由于大型展开结构有非常多的运动副，一套机构多达几百个运动副，任何一个卡死都会导致机构展开失败。因此，可靠性计算链条长，导致可靠性低；(3)难以实现良好的结构形式，由于受到展开机构的限制，导致传统展开机构均采用长度方向机构一致材料，从结构上说非最优结构；(4)体积重量大。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于增材制造的重力梯度卫星，利用轨道空间零重力环境，通过在轨增材制造，不断延长结构长度，以实现超大重力梯度杆结构。本发明具体通过如下技术方案实现：

一种基于增材制造的重力梯度卫星，包括卫星本体、太阳电池阵、在轨3d打印部分载荷；其中，所述在轨3d打印部分载荷包括打印舱舱体、材料舱、控制盒、进料机构、打印机构、打印舱盖板、导出和压紧机构以及重力梯度杆；所述打印舱舱体为一个舱体，打印舱盖板为底部盖板，将舱体封闭成为一个整体；所述材料舱位于舱体内，用于存放打印耗材；控制盒是整个3d增材加工的控制核心，进料机构用于将材料舱中的材料取出，并以一定速率进给，提供3d打印头部的材料供应；打印机构用于实现3d打印；导出和压紧机构位于打印舱盖板的外侧，其主要作用是在发射阶段，将重力梯度杆端部的载荷和配重压紧，确保能承受发射时的各种条件，在轨后释放，重力梯度杆伸长阶段，该部分确保重力梯度杆的稳定伸长，为3d打印的z轴驱动；所述重力梯度杆随着3d打印的进行而伸长。

作为本发明的进一步改进，所述舱体内大部分空间为打印材料的储存空间，根据重力梯度杆长度和粗细设计，确定需要携带的打印材料数量，从而可以确定整个舱体的体积。

作为本发明的进一步改进，所述重力梯度卫星还包括监视相机、激光测量装置，用于检测重力梯度杆的伸长过程中的直线度、长度以及变形，并将检测到的数据信号传回控制盒以确定打印的状态。

作为本发明的进一步改进，所述进料机构与材料舱一并设计。

作为本发明的进一步改进，所述3d打印采用熔融沉积成型(fdm)技术或者光敏固化技术。

作为本发明的进一步改进，所述打印舱盖板起支撑和封闭作用，所述打印舱盖板上有重力梯度杆伸出的孔。

作为本发明的进一步改进，所述重力梯度杆根部的直径粗，顶部的细。

作为本发明的进一步改进，所述重力梯度卫星还包括导线放线盒；所述导线放线盒的内部存放的长电缆，包含高频和低频部分电缆，用于卫星与重力梯度杆顶部的载荷之间的连线，电缆采用柔性较好的耐空间环境的电缆，发射过程盘放在放线盒子里，重力梯度杆伸长过程中，该部分逐渐释放。

作为本发明的进一步改进，所述重力梯度卫星还包括、重力梯度杆端部载荷和配重，该部分在卫星发射过程中被导出和压紧机构压紧。

本发明的有益效果是：本发明的基于增材制造的重力梯度卫星，相对于传统的重力梯度杆卫星，具有以下优点：1)可以在轨实现超长度的结构，是其他类型机构难以实现的；2)该机构发射过程中无需复杂的展开系统，仅需打印系统和打印材料，打印材料可以盘在一起包装好，配置灵活，可以携带的量也更大；3)该机构可以实现复杂内部结构，而无需考虑折叠和展开功能，从而实现不同用途结构的优化设计，从而达到材料最佳利用率；4)无重力环境下，有利于打印机实现最佳精度；5)充分利用空间无重力条件，可以实现其他方式都无法实现的空间复杂结构系统；6)系统可靠性较复杂机构更高；7)打印过程实时监测重力梯度杆的状态，可以实现闭环控制；8)无展开冲击；9)相同的类似技术可以扩展生产其他的空间结构、机构产品。

附图说明

图1是本发明的卫星在轨工作初期的示意图；

图2是本发明的卫星重力梯度杆伸长后的示意图；

图3是本发明的卫星在轨3d打印部分载荷的结构图；

图4是本发明的卫星在轨示运行意图一；

图5是本发明的卫星在轨示运行意图二。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明提供了一种基于增材制造(3d打印)的在轨重力梯度卫星，其中使用的3d打印原理与传统增材加工使用的3d打印原理一致，3d打印的z轴为重力梯度杆的伸长方向，利用轨道空间零重力环境，通过在轨增材制造，不断延长结构长度，以实现超大重力梯度杆结构。

如图1所示，本发明的卫星在轨工作初期，卫星太阳翼展开，但打印机并未工作，此时，重力梯度杆未伸长。

如图2所示，在打印完成后，本发明的卫星的重力梯度杆伸长后的示意图。

如图3所示，本发明的卫星在轨3d打印部分载荷包括：打印舱舱体3、材料舱4、控制盒5、进料机构6、打印机构7、打印舱盖板8、导出和压紧机构9。所述卫星在轨3d打印部分载荷位于卫星本体的一侧，安装重力梯度杆的位置。

图中的卫星本体1和卫星太阳电池阵2仅示意，实际卫星由于应用载荷不一样，功耗不一样，卫星的形状、体积、太阳电池阵的布置、大小、形状可能都与图示并不一样。

打印舱舱体3为一个舱体，舱体内大部分空间为打印材料的储存空间，根据重力梯度杆长度和粗细设计，确定需要携带的打印材料数量，从而可以确定整个舱体的体积。打印舱盖板8为底部盖板，将舱体封闭成为一个整体。

材料舱4主要存放打印耗材，打印耗材需要按照一定的规则放置在材料舱内，以达到最大的空间利用，该部分可以根据需要设计成成为圆形的或其他形状。

控制盒5是整个3d增材加工的控制核心，同时也根据监视相机、激光测量装置等传感器传回的信号确定打印的状态。

进料机构6主要负责将材料舱中的材料取出，并以一定速率进给，提供3d打印头部的材料供应，这部分可以与4.材料舱一并设计，得到最好的空间利用效果。

打印机构7负责实现3d打印(增材制造)，该部分的一般选择熔融沉积成型(fdm)技术)，该技术使用的常用的3d打印技术，也可使用包括光敏固化技术等技术，本发明可以适应不同的3d打印技术。

打印舱盖板8起支撑和封闭作用；

导出和压紧机构9的主要作用是在发射阶段，将重力梯度杆端部的载荷(如磁强计)和配重压紧，确保能承受发射时的各种条件；在轨后释放，重力梯度杆伸长阶段，该部分确保重力梯度杆的稳定伸长，为3d打印的z轴驱动，该驱动机构需要与重力梯度杆的结构一并设计，确保重力梯度杆伸长过程中的稳定性和精度。

监视相机10和激光测量装置11是用来检测重力梯度杆的伸长过程中的直线度、长度以及变形的，可以选择其他的传感器替代。

重力梯度杆12，其内部结构可以设计较为复杂的拓扑结构，已实现最好的材料利用率，原则上重力梯度杆根部的直径粗，顶部的细。

导线放线盒13内部存放的是长电缆，包含高频和低频部分电缆，主要是卫星与重力梯度杆顶部的载荷之间的连线，这部分电缆采用柔性较好的耐空间环境的电缆，发射过程盘放在放线盒子里，重力梯度杆伸长过程中，该部分逐渐释放。部分卫星端部没有载荷的则不需要电缆连接，则无导线放线盒。

重力梯度杆端部载荷和配重14，该部分在卫星发射过程中被导出和压紧机构9压紧，该部分质量根据卫星控制要求设计。

打印完成后，本发明的卫星在轨示运行意图如图4和图5所示。

本发明利用增材制造(3d打印)技术，实现重力梯度卫星中重力梯度杆的在轨加工和布置，类似技术还可以实现大型或者超大型的空间机构产品的加工和布置。

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，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。