CN103264774A - 一种火星轨道的微小探测器 - Google Patents

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侯建文
施伟璜
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Abstract

本发明提供了一种姿控分系统火星轨道的微小探测器，包括舱体、太阳电池阵、热控分系统、推进分系统、电源分系统、通信分系统、综合电子分系统。本发明要解决的技术问题是提供一种可用于火星探测的微小探测器，这种探测器可以直接应用于我国火星首次探测，可为我国火星着陆、巡视、火星取样返回等任务提供中继通信服务，也可通过安装某种小型有效载荷实现相应的环火科学探测，同时也为其他地外行星小型环绕探测器的设计提供参考。

Description

一种火星轨道的微小探测器
技术领域
本发明涉及火星探测系统，具体涉及一种火星轨道的微小探测器。
背景技术
我国计划于2015年12月发射火星全球遥感探测器，实现火星环绕遥感探测并同时开展火星着陆验证任务；于2022年发射火星软着陆/巡视探测器，实现火星着陆与巡视探测；于2028年发射火星探测器，实现火星表面自动采样返回。
由于火星环境的特殊，距离地球遥远，需要对火星着陆器的进入、下降、着陆、巡视、火星表面起飞等关键过程进行监视；同时，单个火星环绕器对着陆器的通信弧段较短，限制了着陆器探测数据向地球转发的数据量。通过发射多颗火星环绕器可以解决火星着陆关键过程的实时监测、着陆器对环绕器通信弧段短、火星全球监测等问题；同时，受火星探测发射窗口和运载能力的约束，火星探测器在重量、尺寸上严格受限，以重量轻、结构紧凑、空间利用率高为目标，开展了微小火星探测器总体设计。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可用于火星探测的微小探测器，这种探测器可以直接应用于我国火星首次探测，可为我国火星着陆、巡视、火星取样返回等任务提供中继通信服务，也可通过安装某种小型有效载荷实现相应的环火科学探测，同时也为其他地外行星小型环绕探测器的设计提供参考。
根据本发明的一个方面，提供一种姿控分系统火星轨道的微小探测器，包括舱体、太阳电池阵、热控分系统、推进分系统、电源分系统、通信分系统、综合电子分系统，热控分系统、推进分系统、电源分系统、通信分系统、综合电子分系统安装于舱体，其中：舱体为六面体构型，包括底板、顶板、十字隔板、侧板，底板、顶板、侧板构成六面体，在六面体内部的十字隔板的上缘、下缘、侧缘分别连接底板、顶板、侧板；太阳电池阵固定于顶板；热控分系统用于控制探测器内部和外部环境的热交换过程，使探测器各分系统仪器设备的温度保持在要求的范围之内；姿控分系统采用零动量三轴稳定控制方式；推进分系统为冷气推进系统，用于作为姿控分系统的执行机构完成与主环绕器分离时的初始速率阻尼、飞轮卸载和姿态控制；电源分系统用于满足探测器在轨运行期间各种工作模式下的功率需求；通信分系统主用于完成着陆器探测数据与自身载荷数据的转发，以及接收主环绕器的控制指令；综合电子分系统用于完成对各分系统的数据处理、控制、供配电，同时也为姿态与轨道计算提供硬件平台。
优选地，通信分系统包括UHF通信机和3付UHF微带天线，其中，1付UHF微带天线安装于+X向侧板，其余2付天线分别安装于底板和-X向侧板，UHF通信机安装于底板。
优选地，姿控分系统包括多个模拟太阳角计，模拟太阳角计分别安装在顶板和底板。
优选地，六面体结构尺寸为754mm×754mm×292mm。
优选地，舱体的舱内净高度为250mm。
优选地，包络体积为770mm×754mm×332mm。
优选地，通过工作于UHF频段的通信分系统实现与火星着陆器的通信，并将着陆探测数据向主环绕器转发，最终由主环绕器将数据下传至地球地面站。
本发明通过以上分系统研制成一种运行于火星轨道的微小探测器，能够以较小的发射代价实现火星着陆关键过程的准实时监测、增加着陆器对环绕器通信弧段以及火星全球监测等功能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是探测器中继通信示意图；
图2是探测器外形示意图；
图3是探测器结构示意图；
图4是探测器组成示意图；
图5是探测器外形示意图，其中，子图（1）为俯视角度的结构示意图，子图（2）为侧视角度的结构示意图。
图中：
1001为小环绕器；
1002为主环绕器；
1003为着陆舱；
1004为巡视车；
1005为采样返回装置；
1为模拟太阳角计；
2为太阳电池阵；
3为微带天线；
4为太阳电池阵基板；
5为顶板；
6为十字隔板；
7为侧板；
8为底板；
9为综合电子分系统；
10为星敏A；
11为星敏B；
12为载荷；
13为UHF通信机；
14为飞轮；
15为锂电池组；
16为贮箱。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，该微小探测器实现与主环绕器、着陆设备之间的中继通信以及对火星的科学探测。
如图2所示，太阳电池阵安装在探测器顶板，一付UHF微带天线安装于+X向侧板，其余两付天线分别安装于底板和-X向侧板。
如图3所示，结构系统的主承力结构为“十字”隔板，顶板、底板以及侧板的载荷直接传递到隔板，隔板上的总载荷可通过适配器传递到主环绕器的外框架上。
各单机安装如图4所示，模拟太阳角计分别安装在顶板和底板，综合电子、星敏A、电源控制器及一个飞轮安装在顶板反面，其余单机均安装于底板。底板主要安装1台20Ah锂蓄电池组、4台陀螺、1只斜装飞轮支架、3台飞轮、星敏感器B、UHF通信机，同时还装有推进分系统的贮箱、自锁阀、加排阀、压力传感器及焊接管路。
具体地，本发明提出的火星轨道的微小探测器设计，该探测器主要包括结构、太阳电池阵、热控、姿控、推进、电源、通信、综合电子、总体电路等分系统。探测器通过工作于UHF频段的通信分系统实现与火星着陆器的通信，并将着陆探测数据向主环绕器转发，最终由主环绕器将数据下传至地球地面站。探测器可为小型有效载荷提供不同类型、不同尺寸的机械接口以实现其搭载，并按照有效载荷工作要求提供具有一定精度和稳定度的各种指向姿态，提供并分配一次电源，实施主被动热控方案，完成载荷数据处理与传输，并对有效载荷的在轨运行状态进行监测、管理和调度。
探测器总体主要技术指标如下表所示。
表1探测器总体主要技术指标
Figure BDA00003094450400041
探测器为六面体构型，舱体结构由底板、顶板、十字隔板以及四周侧板组成，主体结构尺寸为754mm×754mm×292mm，其中舱内净高度为250mm。
太阳电池阵由一块基板组成，该基板固定于舱体结构的顶板，为太阳电池电路的敷设提供安装和支撑，同时保证太阳电池电路在探测器发射段的安全性和轨道运行时的可靠性。
热控分系统主要有电加热器、热管、热敏电阻、涂层、导热填料、多层隔热组件、隔热垫等组成，控制探测器内部和外部环境的热交换过程，使探测器各分系统仪器设备的温度保持在要求的范围之内。
姿控分系统采用零动量三轴稳定控制方式，由综合电子计算机（与综合电子分系统共用）、4台模拟太阳角计（16路）、4只陀螺、2台星敏感器、4个反作用飞轮和1套姿控推力器组成。控制模式包括对日定向、对火定向以及转发数据时的对主环绕器定向。
推进分系统为冷气推进系统，由1只贮箱（2L）、1只加排阀集成组件、1只压力传感器、1只过滤器、1只自锁阀、6只推力器、1套管路及附件组成，作为姿控分系统的执行机构完成与主环绕器分离时的初始速率阻尼、飞轮卸载和姿态控制。
电源分系统主要由太阳电池阵电路部分、电源控制器、20Ah锂电池组等三部分组成，用以满足探测器在轨运行期间各种工作模式下的功率需求。
通信分系统主要由UHF通信机、3付微带天线组成，用以完成着陆器探测数据与自身载荷数据的转发，以及接收主环绕器的控制指令。
综合电子分系统主要由处理模块、指令执行模块、功率驱动、遥测采样模块等组成，用以完成对各分系统的数据处理、控制、供配电，同时也为姿态与轨道计算提供硬件平台。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种姿控分系统火星轨道的微小探测器，其特征在于，包括舱体、太阳电池阵、热控分系统、推进分系统、电源分系统、通信分系统、综合电子分系统，热控分系统、推进分系统、电源分系统、通信分系统、综合电子分系统安装于舱体，其中：舱体为六面体构型，包括底板、顶板、十字隔板、侧板，底板、顶板、侧板构成六面体，在六面体内部的十字隔板的上缘、下缘、侧缘分别连接底板、顶板、侧板；太阳电池阵固定于顶板；热控分系统用于控制探测器内部和外部环境的热交换过程，使探测器各分系统仪器设备的温度保持在要求的范围之内；姿控分系统采用零动量三轴稳定控制方式；推进分系统为冷气推进系统，用于作为姿控分系统的执行机构完成与主环绕器分离时的初始速率阻尼、飞轮卸载和姿态控制；电源分系统用于满足探测器在轨运行期间各种工作模式下的功率需求；通信分系统主用于完成着陆器探测数据与自身载荷数据的转发，以及接收主环绕器的控制指令；综合电子分系统用于完成对各分系统的数据处理、控制、供配电，同时也为姿态与轨道计算提供硬件平台。
2.根据权利要求1所述的火星轨道的微小探测器，其特征在于，通信分系统包括UHF通信机和3付UHF微带天线，其中，1付UHF微带天线安装于+X向侧板，其余2付天线分别安装于底板和-X向侧板，UHF通信机安装于底板。
3.根据权利要求1所述的火星轨道的微小探测器，其特征在于，姿控分系统包括多个模拟太阳角计，模拟太阳角计分别安装在顶板和底板。
4.根据权利要求1所述的火星轨道的微小探测器，其特征在于，六面体结构尺寸为754mm×754mm×292mm。
5.根据权利要求4所述的火星轨道的微小探测器，其特征在于，舱体的舱内净高度为250mm。
6.根据权利要求1所述的火星轨道的微小探测器，其特征在于，包络体积为770mm×754mm×332mm。
7.根据权利要求1所述的火星轨道的微小探测器，其特征在于，通过工作于UHF频段的通信分系统实现与火星着陆器的通信，并将着陆探测数据向主环绕器转发，最终由主环绕器将数据下传至地球地面站。
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