CN101850851A - Sport时钟扫描卫星的布局结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种SPORT时钟扫描卫星的布局结构，该卫星包含：卫星本体、子星、伸展臂、太阳电池翼、对接环、对地通讯天线，卫星主承力结构为中心承力筒、径向隔板传力路线，传力环节清晰简洁，构形布局有利于结构强度和刚度的设计；卫星本体推进舱的布局位置保证了随着燃料减少，卫星质心位置变化不大，对卫星姿态的控制不会造成过大的压力，可较好的保持卫星姿态的稳定性；保证了卫星在轨运动时，地球、太阳、卫星三者之间的相对位置随时在变化，天线与地球的通讯链路的连通；满足运载的要求和限制，满足有效载荷在空间的安放、固定、指向、视场、操作、更换、热控、稳定性等方面的需求，满足有效载荷实现科学目标进行探测的要求。

Description

SPORT时钟扫描卫星的布局结构

技术领域

本发明属于太阳极轨射电望远镜计划(solar polar orbit radio telescope，简称SPORT计划)提出的卫星构型，具体为一种SPORT时钟扫描卫星的布局结构。

背景技术

SPORT卫星是太阳极轨卫星，主要研究日冕物质抛射事件及其传播和演化，将在太阳极轨上观测太阳风从太阳表面到地球的传播过程，揭示太阳风在日地行星际空间的传播规律，建立和修正行星际空间天气物理模型和预报模型。为实现这一科学目标，SPORT卫星由一颗母星和8颗子星组成，使用时钟扫描原理进行科学探测，8颗子星分别为固定在4根分针和4根秒针上，分针和秒针的长度根据子星载荷探测的要求各不相同，分针和秒针的转速比为：12/11。卫星采用对日定向自旋稳定姿态控制方式，8颗子星沿卫星旋转方向均匀分布，由于探测原理的需求，母星与子星要保持一定的相对位置关系和运动关系，将用杆状构架式伸展机构将子星送到远离母星的位置上。

SPORT卫星构型布局设计的目的在于为有效载荷在星上的布局提供可视化平台，确定有效载荷在星上的位置和方向，避免有效载荷间的位置干涉和相互遮挡，观察有效载荷的工作空间，初步确定科学目标实现的方式，为卫星平台的结构方案设计提供设计依据。卫星构型布局设计的原则为：适应运载火箭要求；适应轨道条件；满足有效载荷探测需求；在满足科学目标实现的前提下，尽量继承成熟卫星结构平台构型形式；满足各分系统对构型和总体布局提出的设计要求；构型有利于设备工作性能的正常发挥，并使各设备之间的机、电、热互相兼容；考虑总装的便利性；考虑卫星测试的便利性；考虑作为公用平台，保证卫星有可扩展的承载能力和可调整的设备安装空间。

目前SPORT卫星构型布局设计存在的主要的技术问题有：卫星属于长寿命卫星，在轨运行时间较长，卫星平台要能装载大量燃料；卫星是三轴稳定卫星，如何保证在轨运行期间，随着燃料的减少，保持卫星的稳定性；如何保证伸展臂杆件与卫星姿态不发生耦合响应，伸展臂与伸展臂不发生碰撞；如何在卫星平台上实现时钟扫描原理；当卫星在轨运动时，地球、太阳、卫星三者之间的相对位置随时在变化，为保证与地球的通讯链路，对地通讯天线如何固定安装；以及在运载整流罩包络的限制下，母星及子星如何设计。

发明内容

本发明的目的在于，为满足科学探测需求，提供一种SPORT时钟扫描卫星的布局结构。

为实现上述目的，本发明提供的一种SPORT时钟扫描卫星的布局结构，该卫星包含：卫星本体、子星、伸展臂、太阳电池翼、对接环、对地通讯天线等，其特征在于，

所述的卫星本体为长方体，其内部为三舱结构，具体包含：推进舱、卫星设备仪器舱和有效载荷舱，所述的推进舱设置在卫星中部位置；

所述的对接环位于卫星底部，用于通过包带与运载火箭连接；

所述的对地通讯天线位于卫星顶部，通过一套伺服机构与卫星本体相连；

所述的伸展臂包含四根秒针伸展臂和四根分针伸展臂，所述的秒针伸展臂和分针伸展臂分别均布在与卫星的自旋轴垂直的两个平面内，所述的秒针伸展臂与卫星本体固定随卫星自旋运动旋转，所述的分针伸展臂自带一套旋转机构，用于实现相对秒针不同转速的需求；所述的秒针伸展臂和分针伸展臂之间要保持一定的距离，以防治秒针伸展臂和分针伸展臂展开后在端部的子星不发生碰撞。

所述的子星为8个，分别位于四根分针伸展臂和四根秒针伸展臂上；所述的子星外部主结构为框架式五面体棱柱，该棱柱顶部为对日面，上面安装有一根数传天线；所述的五面体棱柱的一个侧面与卫星本体的秒针伸展臂或分针伸展臂相连接，其它的4个侧面中的每个侧面均伸展出一根伸杆，该伸杆与对应相连的分针或秒针伸展臂成一定夹角，且该伸杆端部安装一个圆盘天线；所述的子星的星体内部分为二层，上层安装一个接收模块和一个电源模块，下层用于安装上述的4套伸杆的展开机构。由于探测要求，所述的伸杆与对应连接在五面体棱柱的一个侧面上的秒针伸展臂或分针伸展臂成45°角或135°角。

所述的卫星本体内套设一主承力结构，该主承力结构为中心承力筒，卫星本体分隔为推进舱、卫星设备仪器舱和有效载荷舱三层结构。

所述的对接环所在表面对日定向，其外表面能够安装一些太阳敏感器，用于卫星姿态的控制与调整。

所述的子星的外表面的非设备安装面粘贴有太阳能电池片，用于保证子星的供电需求。

所述的卫星本体的侧面还连接有4翼可展帆板。

所述的秒针伸展臂和分针伸展臂为杆状构架式伸展臂，由若干伸展臂单节通过铰链连接而成；所述的伸展臂单节呈三棱柱，其截面为等边三角形，伸展臂单节的端面由三根直径相同的边长杆组成三角形，伸展臂单节的轴向方向包括：三根直径相同的支撑杆，和伸展臂单节的每个侧面的两根支撑杆之间设有两根加强交叉斜拉杆。

所述的旋转机构为一套齿轮传动机构，包括：啮合的大齿轮和内齿轮，所述的大齿轮和四根分针伸展臂固连；该齿轮传动机构的电机通过一减速器输出一定的扭矩和转速，带动内齿轮旋转，继而带动和内齿轮啮合的大齿轮旋转，从而实现分针伸展臂相对秒针伸展臂的旋转运动。

由于SPORT卫星姿态控制系统根据目前卫星姿态控制部件、现有技术研究水平以及卫星布局，给出卫星姿态控制频率为：7.8×10^-4Hz，为避免发生姿态与伸展臂的耦合作用，对长伸展臂展开状态基频的初步要求是大于控制频率两个数量级。伸展臂单节的结构形式轮廓为三棱柱，伸展臂将由多节这种结构形式的单元通过铰链连接而成。伸展臂截面为等边三角形，单节端面由三根直径相同的杆组成，单元轴向方向也由三根直径相同的杆组成，单元的每个侧面都有两根加强交叉斜拉杆。通过伸展臂动力学仿真分析得出：当单元轴向杆直径设为20毫米，三角形截面边长杆直径设为10毫米，交叉斜拉杆直径设为5毫米，单元轴向长统一设为350毫米时，杆件材料为碳纤维复合材料、铰链用铝合金材料，可保证70米和80米的长伸展臂与卫星姿态不发生耦合作用。

本发明的优点在于，卫星主承力结构为中心承力筒、径向隔板传力路线，传力环节清晰简洁，构形布局有利于结构强度和刚度的设计；卫星本体推进舱的布局位置保证了随着燃料减少，卫星质心位置变化不大，对卫星姿态的控制不会造成过大的压力，可较好的保持卫星姿态的稳定性；卫星的总高度尺寸满足了卫星姿态分系统稳定度为1.5°的要求，秒针伸展臂与分针伸展臂两层之间的距离为2.78米，保证了伸展臂与伸展臂展开后在端部子星不会发生碰撞；解决了1.5米对地通讯天线的构形布局、安装位置及运动方式，提出一种伺服机构驱动方案。对地通讯天线部件主要由抛物反射面、馈源、传动机构、电缆等组成，由于卫星在轨运动时，天线与地球的相对位置始终在变，因此，天线传动机构要实现两个方向的旋转运动，即绕卫星自旋轴的旋转和绕另两轴的转动，才能保证天线与地球的相对位置。为保证天线部件具有较高的强度和刚度，天线馈源由单独的支架支撑，并与反射面保持一定的相对位置，连接为刚性固定。保证了卫星在轨运动时，地球、太阳、卫星三者之间的相对位置随时在变化，天线与地球的通讯链路的连通；依据时钟扫描探测原理要求，设计一套齿轮传动机构与四根分针伸展臂固连。电机通过减速器输出一定的扭矩和转速，带动内齿轮旋转，内齿轮通过啮合使大齿轮旋转，从而实现分针相对秒针的旋转运动。提出一种长伸展臂的构形尺寸方案，可保证70米和80米长的伸展臂与卫星姿态不发生耦合作用。在运载整流罩包络尺寸的限制下，卫星本体及子星的设计，提供的一种SPORT时钟扫描卫星的布局结构，满足运载的要求和限制，满足有效载荷在空间的安放、固定、指向、视场、操作、更换、热控、稳定性等方面的需求，满足有效载荷实现科学目标进行探测的要求。

附图说明

图1是SPORT卫星发射状态图；

图2是SPORT卫星本体内部结构图；

图3是分针旋转机构安装示意图；

图4是卫星在巡航段飞行状态图；

图5是卫星在轨展开示意图；

图6是子星外形图；

图7是子星内部上层设备安装布局；

图8是子星内部下层4套伸杆机构安装布局示意图；

图9是子星伸杆展开图。

附图标识

1、对地通讯天线    2、分针伸展臂     3、子星

4、秒针伸展臂      5、卫星本体       6、对接环

7、适配器          8、内齿轮         9、大齿轮

10、可展帆板       11、设备舱        12、推进舱

13、有效载荷舱     14、数传天线      15、伸杆

16、圆盘天线       17、接收模块      18、电源模块

19、伸杆展开机构

具体实施方式

下面结合附图针对本发明做进一步详细说明。

SPORT卫星母星构型设计如下：SPORT卫星外部构型如图1所示。卫星主要由卫星本体5、子星3、伸展臂2、4、太阳电池翼、对接环6、对地通讯天线1、适配器7等部件组成。卫星本体5为长方体，尺寸为2860mm×2860mm×2270mm，本体侧面为4翼可展帆板10。星体底部是对接环6，对接环6可以通过包带与新型运载火箭连接。星体顶部为对地通讯1的直径为1.5米的天线。秒针伸展臂4为80米长的杆状构架式伸展臂，直径为330毫米，入轨展开后子星跨距160多米。分针伸展臂2为70米长的杆状构架式伸展臂，直径为330毫米，展开后子星跨距140多米。秒针伸展臂4和分针伸展臂2各有四根，沿卫星自旋轴均布。秒针伸展臂4与卫星本体固定，随卫星自旋运动旋转。分针伸展臂2自带一套旋转机构，相对秒针伸展臂4可实现不同转速的需求。直径为1.5米的天线1通过一套伺服机构与卫星本体5相连，当卫星在轨运动时，地球、太阳、卫星三者之间的相对位置随时在变化，为保证与地球的通讯链路，伺服机构可实现天线绕卫星自旋轴旋转和绕与自旋轴垂直方向轴的转动。子星3有8个，在分针伸展臂、秒针伸展臂上各固定4个。卫星发射状态的外轮廓尺寸为4585mm×4585mm×6910mm(不包括适配器)，部件尺寸可根据新型运载整流罩的内部实际空间进行调整。

SPORT卫星主承力结构为直径1.8米的中心承力筒，如图2所示。卫星本体5分为三舱结构：推进舱12、卫星设备仪器舱11和有效载荷舱13。每层设备可根据载荷的特点正装、侧装、倒装和斜装，需要对外探测的设备可在卫星侧板上开窗口，并靠近侧板安装。在对接环位置的侧板外表面，可安装一些对太阳的敏感器。由于卫星寿命较长，携带的燃料较多，建议推进舱设在卫星中部位置，这样在整个运行期内，卫星的质心变化不是太大，对卫星姿态的控制不会造成过大的压力。

在卫星的总高度尺寸设计上，主要考虑了卫星姿态分系统的要求，由于卫星的姿态稳定度是1.5°，为防治秒针伸展臂和分针伸展臂在端部不发生碰撞，两层伸展臂之间的距离要大于2.766米，本方案中两杆之间的距离是2.78米。

根据时钟扫描原理，分针相对秒针有一定的转速要求。图3为分针伸展臂2的旋转机构安装及组成示意图。电机通过减速器输出一定的扭矩和转速，带动内齿轮8旋转，内齿轮8通过啮合使大齿轮9旋转，从而实现分针伸展臂2相对秒针伸展臂4的旋转运动。

卫星通过运载火箭发射后，不是直接发送到预定轨道上，而是要通过木星借力后才能飞到太阳极轨上，因此在卫星开始探测前，有很长一段时间子星不工作，因此不需要伸展臂打开，只有太阳帆板打开，此时卫星运行状态，如图4所示。运行到太阳极轨后，卫星在轨展开状态，如图5所示。

SPORT卫星共有8个子星，4个分针子星，4个秒针子星，其构成基本相同。子星主结构为框架式五面体棱柱，顶部为对日面，上面安装有数传天线14一根，侧面有四个面将伸出6米长的伸杆15，伸杆15与对应的母星伸展臂成45°角，伸杆15端部安装一个直径为380毫米的圆盘天线16。卫星发射时，伸杆处于收拢状态，入轨后，在母星8根伸展臂展开后，32根子星伸杆再展开。子星星体内部分为二层，上层安装一个接收模块17和一个电源模块18，下层安装4套伸杆展开机构19。子星3侧面第五个面与母星的伸展臂2/4连接。子星的能源需求由自身保证，在子星外表面非设备的安装面，粘贴有太阳能电池片，以保证子星的供电需求。图6为子星外形图，图7表示子星内部上层设备安装布局，图8表示子星内部下层4套伸杆机构安装布局，图9表示子星伸杆展开及与母星伸展臂连接状况。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种SPORT时钟扫描卫星的布局结构，该卫星包含：卫星本体、子星、伸展臂、太阳电池翼、对接环、对地通讯天线。其特征在于：

所述的卫星本体为长方体，其内部为三舱结构，具体包含：推进舱、卫星设备仪器舱和有效载荷舱，所述的推进舱设置在卫星中部位置；

所述的对接环位于卫星底部，用于通过包带与运载火箭连接；

所述的对地通讯天线位于卫星顶部，通过一套伺服机构与卫星本体相连；

所述的伸展臂包含四根秒针伸展臂和四根分针伸展臂，所述的秒针伸展臂和分针伸展臂分别均布在与卫星的自旋轴垂直的两个平面内，所述的秒针伸展臂与卫星本体固定随卫星自旋运动旋转，所述的分针伸展臂自带一套旋转机构，用于实现相对秒针不同转速的需求；

所述的子星为8个，分别位于四根分针伸展臂和四根秒针伸展臂上；所述的子星外部主结构为框架式五面体棱柱，该棱柱顶部为对日面，上面安装有一根数传天线；所述的五面体棱柱的一个侧面与卫星本体的秒针伸展臂或分针伸展臂相连接，其它的4个侧面中的每个侧面均伸出一根伸杆，该伸杆与对应相连的分针或秒针伸展臂成一定夹角，且该伸杆端部安装一个圆盘天线；所述的子星的星体内部分为二层，上层安装一个接收模块和一个电源模块，下层用于安装上述的4套伸杆的展开机构。

2.根据权利要求1所述的SPORT时钟扫描卫星的布局结构，其特征在于，所述的卫星本体内套设一主承力结构，该主承力结构为中心承力筒，卫星本体分隔为推进舱、卫星设备仪器舱和有效载荷舱三层结构。

3.根据权利要求1所述的SPORT时钟扫描卫星的布局结构，其特征在于，所述的对接环的侧板外表面能够安装若干太阳敏感器，用于卫星姿态的控制与调整。

4.根据权利要求1所述的SPORT时钟扫描卫星的布局结构，其特征在于，所述的子星的外表面的非设备安装面粘贴有太阳能电池片，用于保证子星的供电需求。

5.根据权利要求1所述的SPORT时钟扫描卫星的布局结构，其特征在于，所述的卫星本体的侧面还连接有4翼可展帆板。

6.根据权利要求1所述的SPORT时钟扫描卫星的布局结构，其特征在于，所述的秒针伸展臂和分针伸展臂为杆状构架式伸展臂，由若干伸展臂单节通过铰链连接而成；所述的伸展臂单节呈三棱柱，其截面为等边三角形，伸展臂单节的端面由三根直径相同的边长杆组成三角形，伸展臂单节的轴向方向包括：三根直径相同的支撑杆，和伸展臂单节的每个侧面的两根支撑杆之间设有两根加强交叉斜拉杆。

7.根据权利要求1所述的SPORT时钟扫描卫星的布局结构，其特征在于，所述的旋转机构为一套齿轮传动机构，包括：啮合的大齿轮和内齿轮，所述的大齿轮和四根分针伸展臂固连；该齿轮传动机构的电机通过一减速器输出一定的扭矩和转速，带动内齿轮旋转，继而带动和内齿轮啮合的大齿轮旋转，从而实现分针伸展臂相对秒针伸展臂的旋转运动。

8.根据权利要求1所述的SPORT时钟扫描卫星的布局结构，其特征在于，所述的秒针伸展臂或分针伸展臂与对应连接在子星每个侧面上的伸杆成45°角或135°角。

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