一种气动自稳定微纳卫星阻力帆离轨装置及方法与流程

本发明属于航天技术领域，具体涉及一种气动自稳定微纳卫星阻力帆离轨装置及方法，具体为当微纳卫星到达寿命末期时，利用减速电机驱动双稳态复合材料支撑臂展开一具有气动自稳定构型的大面积帆膜以促使卫星减速降轨，并最终进入大气层内销毁。

背景技术：

近年来，微纳卫星尤其是立方星，因具有成本低、研发周期短、功能密度高等特点，在航天领域受到越来越多的关注。近几年来低轨小卫星的发射数量呈爆发式增长态势。但是，这些微纳卫星往往体积较小，携带燃料有限，其工作时间也往往很短。在到达工作寿命后的，若不能及时清理处置，其将继续占用宝贵的轨道资源，甚至成为严重威胁其他在轨航天器安全的太空垃圾。

当前研究较多的微纳卫星辅助离轨技术包括捕捉清理、电动缆绳辅助离轨、激光清理以及阻力帆辅助离轨等。捕捉清理通常通过飞网、飞爪、机械臂等机构对卫星实施捉捕，然后促进其离轨(felicettil.designofroboticmanipulatorsfororbitremovalofspentlaunchers'stages[j].actaastronautica,2016,119:118-130)，由于轨道转移飞行器空间和能量的限制，这种方式所能清理的卫星数目极为有限。电动力缆绳辅助离轨的原理为在卫星上附着一条带电导线，带电导线切割地球磁场的磁力线产生洛仑兹力，促使卫星脱离原先的运行轨道，最终进入大气层烧毁(陈辉,文浩,金栋平,等.绳系卫星在轨试验及地面物理仿真进展[j].力学进展,2013,43(1):174-184.)，其不足之处是由于带电导线电流非常小，通常所设计的缆绳长度需为数千米甚至数十千米，难以实现。激光清理是通过地面激光站照射卫星使其表面产生等离子体，推动卫星离轨(phippscr,bakerkl,libbysb,etal.removingorbitaldebriswithlasers[j].advancesinspaceresearch,2012,49(9):1283-1300.)，缺点是产生高能激光需要消耗大量能量，清理碎片成本高。阻力帆辅助离轨技术是依靠展开大面积帆膜结构，增大卫星的面质比，从而提高卫星在轨飞行时所受的阻力，使得卫星能够快速脱轨，具有质量轻、结构简单、成本低特点。

文献(授权公告号是cn107539500a的中国发明专利)公布了一种立方体卫星制动帆离轨装置，包括锁紧装置、存储机构、安装面板、锥形弹簧、展开机构和薄膜帆，锁紧装置固定在安装面板的顶面,存储机构固定在安装面板的底面，锥形弹簧、展开机构和薄膜帆均设置在存储机构内，薄膜帆系在展开机构上，缠绕于中心轴的带状弹簧通过释放自身存储的弹性势能带动固定在桅杆上的薄膜帆展开。不难看出，文献公布的一种立方体卫星制动帆离轨装置具有以下不足：

1.阻力帆装置整体采用平面构型，不具备气动自稳定性，卫星在无控状态下离轨效果差。

2.利用带状弹簧通过释放自身存储的弹性势能带动展开，具有展开过程不容易控制的不足。

3.支撑臂材料为带状弹簧，材料为铍铜合金，具有质量过重，整体装置轻质化程度不高的不足。

技术实现要素：

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种气动自稳定微纳卫星阻力帆离轨装置及方法，该装置展开构型为倒金字塔型，支撑臂为双稳态复合材料，并且通过减速电机实现双稳态复合材料支撑臂的可控展开。展开后，本装置依靠大气阻力实现微纳卫星的高效减速降轨，具有结构简单、质量轻、展开过程可控、对所搭载卫星要求小、成本低等优点，可以有效实现废弃微纳卫星的辅助离轨处理。

本发明的技术方案是：一种气动自稳定微纳卫星阻力帆离轨装置，其特征在于：包括外壳、展开机构4、双稳态复合材料支撑臂3和帆膜1；所述展开机构4、双稳态复合材料支撑臂3和帆膜1均固定于所述外壳内；

所述外壳为中空的长方体结构，包括下底板7、侧板10和熔断式解锁装置6，下底板7为正方形平板结构；侧板10为l形板，其上端为三角形板，下端为长方形板，四个侧板10的长方形端的底边分别铰接于下底板7的四个边上，所述熔断式解锁装置6安装于四个侧板10的三角形端的顶角处，将四个所述三角形端拼接为一个完整的正方形；熔断式解锁装置6解锁后所述外壳随即打开；

所述展开机构4包括电机齿轮传动系统5、中底板8、上底板9、中心轴11、安装架、轴承13、长立柱14、短立柱15和帆膜隔板16；中底板8通过多个长立柱14平行固定于中底板8的正上方，上底板9通过多个短立柱15平行固定于上底板9的正上方，两个长方形帆膜隔板16成十字形垂直固定于上底板9的上表面，形成四个相同的三角形区域；四个中心轴11分别通过轴承13和所述安装架安装于下底板7四个边的正上方，并保证其位于下底板7四个边的中心处，且轴向分别平行于下底板7的四个边；

所述电机齿轮传动系统5包括电机座17、减速电机18、传动直齿轮副19、传动锥齿轮副20和齿轮转轴21，减速电机18通过电机座17安装与下底板7中心的正上方；传动直齿轮副19包括主动直齿轮和从动直齿轮，位于中底板8和上底板9之间；所述主动直齿轮与减速电机18的输出轴连接，位于中底板8中心处，四个所述从动直齿轮沿周向均布，并位于下底板7四个角的正上方，均与所述主动直齿轮啮合；传动锥齿轮副20包括主动锥齿轮和从动锥齿轮，并位于下底板7与中底板8之间；四个所述主动锥齿轮分别通过齿轮转轴21与四个所述从动直齿轮同轴连接，四个所述从动锥齿轮分别固定于四个中心轴11的一端，分别与四个所述主动锥齿轮啮合；通过减速电机18依次驱动传动直齿轮副19、传动锥齿轮副20，进一步带动四个中心轴11旋转；

四个双稳态复合材料支撑臂3分别卷于四个中心轴11上，其内端固定于中心轴11上，外端与帆膜1固定连接；帆膜1为等腰三角形，四个帆膜1的顶角分别通过金属夹扣2固定于两个帆膜隔板16的四个夹角处，两个底角分别通过金属夹扣2固定于相邻双稳态复合材料支撑臂3的外端处；由减速电机18驱动四个双稳态复合材料支撑臂3展开后，四个帆膜1呈倒金字塔型，帆膜1的后掠角为20°至70°。

本发明的进一步技术方案是：所述双稳态复合材料支撑臂3材料为t300碳纤维复合材料，截面形状为“c”型，采用铺层角为45°/-45°的铺层交替对称叠层，铺层单层厚度为0.02mm。

本发明的进一步技术方案是：所述熔断式解锁装置6包括电阻丝22、纤维绳23、卡块24以及电路板25；电阻丝22呈螺旋状安装于两个帆膜隔板16相交的顶部，四个卡块24分别安装于四个侧板10的三角形端的顶角处；纤维绳23绕过卡块24缠绕于电阻丝22上，通过电路板25控制电阻丝22发热熔断纤维绳23和减速电机18的启动。

本发明的进一步技术方案是：所述帆膜1为聚酰亚胺薄膜。

本发明的进一步技术方案是：所述下底板7、中底板8和上底板9均为正方形铝板。

本发明的进一步技术方案是：所述下底板7和四个侧板10的铰接处均安装有扭簧，熔断式解锁装置6解锁后所述外壳通过所述扭簧的作用向四周弹开。

本发明的进一步技术方案是：所述安装架包括两个平行相对设置的中心轴安装板12，两个中心轴安装板12垂直固定于下底板7与中底板8之间，用于支撑中心轴11的两端。

本发明的进一步技术方案是：所述传动直齿轮副19包括三个相同的传动直齿轮，分别作为主动直齿轮、第一从动直齿轮和第二从动直齿轮，且主动直齿轮、第一从动直齿轮、第二从动直齿轮依次啮合，所述第二从动直齿轮与齿轮转轴21同轴连接。

一种气动自稳定微纳卫星阻力帆离轨装置的使用方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤一：当微纳卫星到达工作寿命末期时，由星载计算机或地面站发出工作指令；

步骤二：微纳卫星星载电源通过电路板25为熔断式解锁装置6供电，电阻丝22通电发热将纤维绳23熔断，侧板10在底部扭簧的作用下弹开；

步骤三：完成解锁后，微纳卫星星载电源通过电路板25为减速电机18供电，减速电机18依次驱动传动直齿轮副19和传动锥齿轮副20转动，进而带动中心轴11转动；所述中心轴11转动时驱动双稳态复合材料支撑臂3展开，进而带动帆膜1完成展开动作；

步骤四：微纳卫星在展开后的帆膜1的作用下受到气动阻力的影响，逐渐减速降轨，最终落入大气层内烧毁。

有益效果

本发明的有益效果在于：

1.四个帆膜1展开后构型为倒金字塔型，帆膜1的后掠角为20°至70°，解决了平面构型阻力帆装置不具有气动自稳定性的问题，使得展开帆面与卫星速度方向自动保持垂直，不需要卫星在离轨期间提供额外的姿态控制操作，有效降低了对所搭载卫星的要求；

2.所述双稳态复合材料支撑臂3材料为碳纤维复合材料，在展开与收纳状态下均处于稳定状态，相对于金属支撑臂具有质量小、收纳状态下稳定性高的缺点；

3.通过减速电机18和电路板25控制双稳态复合材料支撑臂3展开，解决了阻力帆装置展开过程不可控的问题。

附图说明

图1是本发明双稳态复合材料支撑气动自稳定微纳卫星辅助离轨阻力帆装置的构型设计主视图以及侧视图。

图2是本发明双稳态复合材料支撑气动自稳定微纳卫星辅助离轨阻力帆装置的外部结构示意图。

图3是本发明双稳态复合材料支撑气动自稳定微纳卫星辅助离轨阻力帆装置的内部结构示意图。

图4是图3中长立柱支撑下底板以及中底板的示意图。

图5是图3中短立柱支撑中底板以及上底板的示意图

图6是图3中中心轴与中心轴安装板的装配示意图。

图7是图3中四块帆膜折叠为三棱锥形后安装于帆膜隔板之间的示意图。

图8是四块帆膜在双稳态复合材料支撑臂的支撑下展开后的构型示意图。

图9是图8中帆膜与双稳态复合材料支撑臂通过金属夹扣相连的示意图。

图10是减速电机通过电机座安装于下底板的示意图。

图11是减速电机驱动中心轴转动的齿轮传动及齿轮配合示意图。

图12是熔断式解锁装置结构示意图。

图13是图12中电阻丝外形示意图。

图14是双稳态复合材料支撑气动自稳定微纳卫星辅助离轨阻力帆装置辅助微纳卫星离轨的工作流程图。

附图标记说明：1-帆膜，2-金属夹扣，3-双稳态复合材料支撑臂，4-展开机构，5-电机齿轮传动系统，6-熔断式解锁装置，7-下底板，8-中底板，9-上底板，10-侧板，11-中心轴，12-中心轴安装板，13-轴承，14-长立柱，15-短立柱，16-帆膜隔板，17-电机座，18-减速电机，19-传动直齿轮副，20-传动锥齿轮副，21-齿轮转轴，22-电阻丝，23-纤维绳，24-卡块，25-电路板。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明双稳态复合材料支撑气动自稳定微纳卫星辅助离轨阻力帆装置包括外壳、展开机构4、双稳态复合材料支撑臂3和帆膜1；所述展开机构4、双稳态复合材料支撑臂3和帆膜1均固定于所述外壳内；该装置可控展开后整体构型为倒金字塔型，帆膜后掠角为20°至70°，具有气动自稳定性，所述掠角是指展开后的帆膜1与垂直于倒金字塔型中心轴的平面的夹角。

所述外壳为中空的长方体结构，包括下底板7、侧板10和熔断式解锁装置6，下底板7为正方形平板结构；侧板10为l形板，其上端为三角形板，下端为长方形板，四个侧板10的长方形端的底边分别通过扭簧铰接于下底板7的四个边上，所述熔断式解锁装置6安装于四个侧板10的三角形端的顶角处，将四个所述三角形端拼接为一个完整的正方形；熔断式解锁装置6解锁后所述外壳随即打开；所述熔断式解锁装置6包括电阻丝22、纤维绳23、卡块24以及电路板25；所述电阻丝22呈螺旋状安装于帆膜储箱16顶部，所述纤维绳23绕过卡块24缠绕于电阻丝22上，所述电路板25控制电阻丝22发热熔断纤维绳23以及减速电机18的转动。

所述展开机构4包括电机齿轮传动系统5、中底板8、上底板9、中心轴11、安装架、轴承13、长立柱14、短立柱15和帆膜隔板16；所述下底板7、中底板8和上底板9均为正方形铝板。中底板8通过多个长立柱14平行固定于中底板8的正上方，上底板9通过多个短立柱15平行固定于上底板9的正上方，两个长方形帆膜隔板16成十字形垂直固定于上底板9的上表面，形成四个相同的三角形区域；四个中心轴11分别通过轴承13和所述安装架安装于下底板7四个边的正上方，并保证其位于下底板7四个边的中心处，且轴向分别平行于下底板7的四个边；

所述电机齿轮传动系统5包括电机座17、减速电机18、传动直齿轮副19、传动锥齿轮副20和齿轮转轴21，减速电机18通过电机座17安装与下底板7中心的正上方；传动直齿轮副19包括主动直齿轮和从动直齿轮，位于中底板8和上底板9之间；所述主动直齿轮与减速电机18的输出轴连接，位于中底板8中心处，四个所述从动直齿轮沿周向均布，并位于下底板7四个角的正上方，均与所述主动直齿轮啮合；传动锥齿轮副20包括主动锥齿轮和从动锥齿轮，并位于下底板7与中底板8之间；四个所述主动锥齿轮分别通过齿轮转轴21与四个所述从动直齿轮同轴连接，四个所述从动锥齿轮分别固定于四个中心轴11的一端，分别与四个所述主动锥齿轮啮合；通过减速电机18依次驱动传动直齿轮副19、传动锥齿轮副20，进一步带动四个中心轴11旋转；

所述双稳态复合材料支撑臂3材料为t300碳纤维复合材料，采用铺层角为45°/-45°的铺层交替对称叠层，铺层单层厚度为0.02mm。所述双稳态复合材料支撑臂3具有双稳态特性，其在展开状态和收纳状态下均为稳定状态，且可以在驱动力的作用下在两个稳态间跳变。

四个双稳态复合材料支撑臂3分别卷于四个中心轴11上，其内端固定于中心轴11上，外端与帆膜1固定连接；帆膜1为大小相等的等腰三角形聚酰亚胺薄膜，四个帆膜1的顶角分别通过金属夹扣2固定于两个帆膜隔板16的四个夹角处，两个底角分别通过金属夹扣2固定于相邻双稳态复合材料支撑臂3的外端处；由减速电机18驱动四个双稳态复合材料支撑臂3展开后，四个帆膜1呈倒金字塔型。

实施例如下：

参照图1，所述帆膜1有四个，呈等腰三角形，两个底角通过金属扣系在双稳态复合材料支撑臂3的端部，帆膜1的顶角固定在展开机构4上；双稳态复合材料支撑臂3的根部固定在展开机构4上；阻力帆装置完全展开后整体构型呈倒金字塔型，具有气动自稳定性。

参照图2，所述侧板10通过扭簧安装于下底板7处，且可以绕下底板7旋转，侧板10通过纤维绳23锁死，四块侧板10与下底板7构成了整个展开机构4的外部构型。

参照图3，所述中心轴安装板12安装于下底板7表面，所述中心轴11通过轴承13安装于中心轴安装板12上，所述中底板8安装于中心轴安装板12顶部，所述长立柱14安装于中底板8与下底板7间，所述短立柱15安装于中底板8顶部，所述上底板9安装于短立柱15顶部，所述帆膜隔板16安装于上底板9顶部。

参照图4，所述长立柱14安装于下底板7与中底板8之间，起支撑作用。

参照图5，所述短立柱15安装于中底板8与上底板9之间，起支撑作用。

参照图6，所述中心轴11通过轴承13安装于中心轴安装板12上，通过轴承13减少中心轴11与中心轴安装板12间的摩擦，保证转动顺畅。

参照图7，所述四个帆膜1分别安装于帆膜隔板16的四个隔间里。

参照图8，所述四个帆膜1在双稳态复合材料支撑臂3驱动下展开，气动构型为倒金字塔型。

参照图9，所述帆膜1的顶部开孔，与双稳态复合材料支撑臂3之间通过金属夹扣2相连。

参照图10，减速电机18安装于电机座17内，电机座17通过螺栓与下底板7固定，减速电机18顶部固定一个传动直齿轮19。

参照图11，所述传动直齿轮19一个安装于减速电机18的转轴上，在减速电机18驱动下带动其他传动直齿轮19旋转，所述传动锥齿轮20两两相互配合，其中一个安装于中心轴11端部，另一个通过齿轮转轴21安装于下底板7与中底板8之间。所述减速电机18通过传动直齿轮19以及传动锥齿轮20进行传动的换向，最终带动中心轴11转动。

参照图12，所述电阻丝22呈螺旋状。

参照图13，所述电阻丝22安装于帆膜隔板16顶部，所述纤维绳23绕过卡块24缠绕于电阻丝22上，所述电路板25控制电阻丝22以及电机的电流通断。

参照图14，上述的一种双稳态复合材料支撑气动自稳定微纳卫阻力帆离轨装置，其工作过程具体包含以下步骤：

步骤一，当微纳卫星到达工作寿命末期时，由星载计算机或地面站发出工作指令；

步骤二，微纳卫星星载电源通过电路板25为所述解锁装置供电，电阻丝22通电发热将纤维绳23熔断，侧板10在底部扭簧的作用下弹开解锁；

步骤三，解锁后，微纳卫星星载电源通过电路板25为所述减速电机18供电，减速电机18带动所述传动直齿轮19转动，进而带动所述锥齿轮转动，所述锥齿轮带动中心轴11转动，所述中心轴11转动时驱动双稳态复合材料支撑臂3展开，进而带动帆膜1展开；

步骤四，微纳卫星在帆膜的作用下受到气动阻力的影响，逐渐减速降轨，最终落入大气层内烧毁。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。