一种太阳帆航天器三轴姿态控制执行机构制造技术

一种太阳帆航天器三轴姿态控制执行机构，分为滑动质量块和移动小帆两部分，包括支撑杆、滑块、小帆、伸缩杆和支撑架。支撑杆支撑航天器帆面，滑块嵌套在支撑杆上，并可沿支撑杆滑动。伸缩杆一端连接小帆，另一端固连于支撑架上。伸缩杆可伸缩和转动，通过直线伸缩调节自身长度，通过转动带动小帆旋转。支撑架底端固定于航天器帆面几何中心处，顶端连接航天器负载。该发明专利技术可提供太阳帆三轴姿态控制所需力矩，并完全利用太阳光供能，结构较为简单，不影响航天器帆面展开。该发明专利技术可较快地提供滚动轴力矩，且其幅值可调范围较大。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种太阳帆航天器姿态控制执行机构，特别是一种完全利用太阳光供能的三轴姿态控制执行机构。
技术介绍
太阳帆航天器通过巨大的帆面反射太阳光来获得轨道推进力。改变太阳姿态，调整太阳光反射角度可调节推进力的幅值与方向，继而改变航天器飞行轨道。因此，太阳帆的飞行任务依赖于其姿态调控。复杂的轨道任务对应多样的姿态机动，传统的自旋稳定无法满足姿态多变的要求。为服务太阳帆轨道转移和深空飞行任务，有必要研究高效精准的三轴姿态控制系统。要实现三轴姿态控制，太阳帆航天器必须配有合理有效的俯仰轴、偏航轴和滚动轴执行机构。对于俯仰轴和偏航轴，已有控制杆和滑动质量块等执行机构方式；对于滚动轴，已有滚动轴稳定条、喷气推力器、顶端控制小帆和翻转帆面等执行机构方式。然而，滚动轴稳定条和翻转帆面方法，结构较为复杂，使用过程中帆面转动，影响轨道推进；喷气推力器消耗化学能源，要求携带推进剂，不适合深空飞行；顶端控制小帆自身展开难度较大，也使帆面展开机构更加复杂；此外，以上执行机构可提供的滚动轴力矩较小、可调范围较小，当所需滚动轴控制力矩较大时，很难快速有效地输出所需力矩。因此有必要研究新型三轴执行机构，在不影响太阳帆展开的情况下，无能耗、高效地提供三轴姿态控制力矩。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种太阳帆航天器三轴姿态控制执行机构。本专利技术所解决技术问题的技术方案为：一种利用太阳光供能的三轴姿态控制执行机构，分为滑动质量块(SlidingMasses,SM)和移动小帆(MovingVanes,MV)两部分，SM结构包括4个滑块、4根支撑杆，MV结构包括4块小帆、4根伸缩杆和1个支撑架。4个滑块分别嵌套在4根支撑杆上，支撑杆4“十字”型设置。4根伸缩杆一端分别连接4块小帆，另一端与支撑架连接。支撑架底端固连于太阳帆几何中心，顶端连接航天器负载。滑块在支撑杆上滑动，改变航天器帆面质心，调节质心/压心偏差产生俯仰轴和偏航轴力矩。伸缩杆转动带动小帆旋转，改变太阳帆压心，调节质心/压心偏差产生滚动轴力矩；调节伸缩杆长度，改变滚动轴力矩的放大倍数。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：1)支撑杆不需要充气，太阳帆无需配备充气装置及气体，减轻了航天器质量且避免了漏气风险；2)滑块滑动、帆板转动和伸缩杆伸缩均由电机驱动，电机由太阳能电池片供能，充分利用太阳光能，无需携带化学能源，减轻了航天器质量，适合深空飞行任务；3)改变伸缩杆长度可调整滚动轴力矩的增益，能快速实现力矩的放大与缩小，当滚动轴遭遇巨大干扰时，可迅速应对；4)展开过程中，移动小帆单独打开，滑块随支撑杆运动，不影响航天器帆面展开。下面结合附图对本专利技术做进一步描述。附图说明图1是本专利技术装置的结构示意图。图2是本专利技术装置中SM结构示意图。图3是本专利技术装置中MV结构示意图。具体实施方式结合附图，本专利技术的一种太阳帆航天器三轴姿态控制执行机构，包括支撑杆1、滑块2、小帆3、支撑架4和伸缩杆6，其中伸缩杆6的数量为4根，该4根伸缩杆6的一端均固连在支撑架4上，该4根伸缩杆6位于同一平面并呈“十字”型设置，每根伸缩杆6的另一端均与小帆3相固连，支撑架4的顶端设置航天器负载5，支撑架4的底端设置航天器帆面7；所述航天器帆面7由4根支撑杆1沿对角线支撑，该4根支撑杆1位于同一平面并呈“十字”型设置，每根支撑杆1上均设置一个可沿其滑动的滑块2。所述伸缩杆6在航天器帆面7上的投影与支撑杆1重合。所述滑块2上设置第一太阳能电池片8、第一电机9、第一检测模块10和无线通信模块11，所述第一太阳能电池片8为第一电机9供电，所述第一电机(9)用于驱动滑块2在支撑杆1上滑动，第一检测模块10用于检测滑块2的位置和速度，无线通信模块11用于与外部的姿态控制器相交互。所述支撑架4包括第二太阳能电池片14、第二电机15和第二检测模块16和通信模块17，所述第二太阳能电池片14为第二电机15供电，所述第二电机15用于驱动伸缩杆6伸缩和转动，第二检测模块16用于检测伸缩杆6的长度和小帆3的旋转角度，通信模块17用于与外部的姿态控制器相交互。所述小帆3包括薄膜12和支撑纤维13，薄膜12上设置若干起支撑作用的支撑纤维13，所述薄膜12的材料与航天器帆面7的材料相同，薄膜12的形状为方形，支撑纤维13采用轻质刚硬纤维材料制成，所有小帆3的结构均相同。所述支撑杆1为空心支撑杆，其横截面为Ω型；滑块2上开有用于嵌套在支撑杆1上并沿其滑动的通孔，所有滑块2的结构均相同。所述伸缩杆6为多级杆嵌套伸缩杆，该伸缩杆为可直线伸缩和转动的伸缩杆。本专利技术的支撑杆不需要充气，太阳帆无需配备充气装置及气体，减轻了航天器质量且避免了漏气风险；所述滑块滑动、帆板转动和伸缩杆伸缩均由电机驱动，电机由太阳能电池片供能，充分利用太阳光能，无需携带化学能源，减轻了航天器质量，适合深空飞行任务。下面结合实施例对本专利技术做进一步详细的描述。实施例本专利技术的一种新型的太阳帆姿态控制执行机构，包括滑动质量块-移动小帆(SlidingMasses-MovingVanes,SMMV)。该专利技术装置可产生太阳帆三轴姿态控制所需力矩，且完全利用太阳光供能，结构较为简单，不影响太阳帆展开。特别地，该装置可较快地提供滚动轴力矩，且其幅值可调范围较大。结合图1，SMMV装置安装于太阳帆航天器上，包括支撑杆1、滑块2、小帆3、支撑架4及伸缩杆6。支撑杆1沿方形航天器帆面7对角线设置，滑块2沿支撑杆1滑动。小帆3通过伸缩杆6与支撑架4连接。支撑架4底端连接航天器帆面7，顶端连接航天器负载5。结合图2，SM装置为俯仰轴和偏航轴姿态控制执行机构：支撑杆1为“十字”型设置，支撑航天器帆面7并保持其张开。支撑杆1空心，横截面为Ω型，圆弧构造便于滑块2嵌套，基座便于连接航天器帆面7。滑块2外观为正方体，内部打孔，嵌套在支撑杆1上并可沿其滑动。四个滑块2结构相同。滑块2包括第一太阳能电池片8、第一电机9、第一检测模块10与无线通信模块11。第一太阳能电池片8为第一电机9供电，提供滑块2运动所需能源。第一检测模块10获得滑块2位置、速度信息，由无线通信模块11传送至外部姿态控制器。姿态控制器将控制指令传至无线通信模块11，再由第一电机6驱动改变滑块2的运动状态。滑块2位置变化导致航天器帆面7质心改变，从而产生质心/压心偏差。此质心/压心偏差使太阳光压力产生沿俯仰轴和偏航轴的力矩。记4个滑块位置分别为d1、d2、d3、d4，产生的俯仰轴力矩值为τp，偏航轴力矩值为τy，有τp＝-m/mt(d3+d4)PsAcos2α，τy＝m/mt(d1+d2)PsAcos2α，其中Ps为太阳光压常数，A为航天器帆面7面积，α为太阳帆姿态角，m为单个滑块2质量，mt为航天器总质量。结合图3，MV装置为滚动轴姿态控制执行机构：小帆3包括薄膜12和支撑纤维13，薄膜12为长方形，材料与航天器帆面相同，可反射太阳光；支撑纤维13采用轻质刚硬纤维材料制成，可保持薄膜12的张开状态。4块小帆3结构相同。小帆3与伸缩杆6连接，并以其为转轴。伸缩杆6为多级杆嵌套方式，可根据航天器尺寸确定级数及各级杆长度。伸缩杆6可直线伸缩改变自身长度，也可转动带动小帆3旋转。太阳帆展开时，小帆3由伸缩杆6独立打开，不影响航天器帆面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳帆航天器三轴姿态控制执行机构，其特征在于，包括支撑杆(1)、滑块(2)、小帆(3)、支撑架(4)和伸缩杆(6)，其中伸缩杆(6)的数量为4根，该4根伸缩杆(6)的一端均固连在支撑架(4)上，该4根伸缩杆(6)位于同一平面并呈“十字”型设置，每根伸缩杆(6)的另一端均与小帆(3)相固连，支撑架(4)的顶端设置航天器负载(5)，支撑架(4)的底端设置航天器帆面(7)；所述航天器帆面(7)由4根支撑杆(1)沿对角线支撑，该4根支撑杆(1)位于同一平面并呈“十字”型设置，每根支撑杆(1)上均设置一个可沿其滑动的滑块(2)。

【技术特征摘要】
1.一种太阳帆航天器三轴姿态控制执行机构，其特征在于，包括支撑杆(1)、滑块(2)、小帆(3)、支撑架(4)和伸缩杆(6)，其中伸缩杆(6)的数量为4根，该4根伸缩杆(6)的一端均固连在支撑架(4)上，该4根伸缩杆(6)位于同一平面并呈“十字”型设置，每根伸缩杆(6)的另一端均与小帆(3)相固连，支撑架(4)的顶端设置航天器负载(5)，支撑架(4)的底端设置航天器帆面(7)；所述航天器帆面(7)由4根支撑杆(1)沿对角线支撑，该4根支撑杆(1)位于同一平面并呈“十字”型设置，每根支撑杆(1)上均设置一个可沿其滑动的滑块(2)。2.根据权利要求1所述的太阳帆航天器三轴姿态控制执行机构，其特征在于，所述伸缩杆(6)在航天器帆面(7)上的投影与支撑杆(1)重合。3.根据权利要求1所述的太阳帆航天器三轴姿态控制执行机构，其特征在于，所述滑块(2)上设置第一太阳能电池片(8)、第一电机(9)、第一检测模块(10)和无线通信模块(11)，所述第一太阳能电池片(8)为第一电机(9)供电，所述第一电机(9)用于驱动滑块(2)在支撑杆(1)上滑动，第一检测模块(10)用于检测滑块(2)的位置和速度，无线通信模块(11)用于与外部的姿态控制器相交互。4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴利平，郭毓，王璐，吴益飞，郭健，陈庆伟，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32