CN105217057B - 一种基于绳系对接的星间能量传输装置 - Google Patents

Abstract

一种基于绳系对接的星间能量传输装置，包括母星部分和子星部分，母星部分包括绳索回收电机(1)、离合与阻尼器(2)、系绳存储装置(3)、弹射弹簧(4)、回收锥套(5)、发射终端器(7)，子星部分包括对接结构锥套(9)、电能接收耦合线圈(29，30)以及电池组(31)。本发明采用绳系交会对接的方式进行近距离卫星集群内的能量传输。由于采用了对接后的直接充电或近距离电磁耦合充电，与无线能量传输方式相比具有结构简单、传输效率高的优点。由于采用了绳系终端器的交会对接，与两颗卫星直接交会对接相比，绳索避免了产生电动力干扰，具有燃料消耗低、对接周期短的优点，可以提高系统的重复使用寿命。

Description

一种基于绳系对接的星间能量传输装置

技术领域

本发明属于卫星技术领域，尤其是分布式可重构等新概念卫星系统，涉及一种用于空间的能量传输装置，可直接用于卫星集群内的能量传输，也可拓展应用于卫星间的燃料加注等在轨操作。

背景技术

目前，卫星的能源主要来自于太阳能，大面积的太阳能电池阵是卫星系统不可或缺的重要组成部分。但是太阳电池阵是一个大型的挠性结构，电池阵的存在会对卫星平台的控制精度、稳定性、敏捷能力等产生不利影响。如果具有高效的星间能量传输方式，就可以实现卫星上太阳电池阵与平台、载荷等其他功能的物理分离，大幅提高卫星平台的性能。另外卫星间的能量传输也是很多新概念空间系统的关键支撑技术之一。

目前开展的星间能量传输主要集中在激光无线能量传输和微波无线能量传输两种方式。但是由于技术成熟度低，能量传输效率也低(一般在10％左右)，而且微波能量传输需要大口径的天线，激光能量传输需要大功率的激光器和高精度的跟瞄装置等，距实际工程应用尚有一定差距。

采用对接方式进行星间能量交换，可以克服无线能量传输效率低的缺点，但是空间的交会对接需要调相、交会、对接等复杂过程，一次交会对接花费时间周期较长，系统结构复杂，而且需要一定的燃料消耗。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于绳系对接的星间能量传输装置，解决目前近距离卫星编队或卫星集群内的能量传输时无线能量传输系统结构复杂、效率低，卫星交会对接能量传输周期长、燃料消耗大的问题，实现近距离运行的两颗卫星间高效的能量传输。

本发明的技术解决方案是：一种基于绳系对接的星间能量传输装置，包括母星部分和子星部分，母星部分包括绳索回收电机、离合与阻尼器、系绳存储装置、弹射弹簧、回收锥套、发射终端器，其中绳索回收电机安装于母星上，提供绳索回收的动力，离合与阻尼器控制绳索回收电机的输出轴与系绳存储装置的分离和贴合，对绳索进行具有阻尼的回收和释放；弹射弹簧在绳索的拉力下被压缩，当离合与阻尼器控制绳索回收电机与系绳存储装置分离后，将与绳索末端固连的发射终端器从回收锥套中弹出，回收锥套内侧壁中设有与母星电源系统正负极相连的弹片；发射终端器包括推进器、充电电池，正负极导电环、电磁铁、输能耦合线圈、对接传感器，其中推进器安装于发射终端器的两侧并通过推力大小控制发射终端器的运动方向和运动速度，充电电池的正负极与正负极导电环电气连接，电磁铁通过充电电池供电产生磁力与子星部分的对接结构锥套对接锁定；电磁耦合线圈与充电电池相连并在与子星部分对接后通过电磁耦合的方式与子星部分的电能接收耦合线圈共同配合对子星部分的电池组充电，对接传感器为安装于发射终端器前端的视觉传感器，在对接时获取子星部分的位置信息；子星部分包括对接结构锥套、电能接收耦合线圈以及电池组，其中对接结构锥套为与发射终端器的外形对应一致的锥形结构，电能接收耦合线圈安装于对接结构锥套的内侧壁上。

所述的对接结构锥套的内侧壁上还设置有与电池组正负极相连的弹片，当发射终端器与对接结构锥套对接后，对接结构锥套内侧壁上的正负极相连的弹片与发射终端器的正负极导电环电气连接进行直接电能传输。

所述的离合与阻尼器包括第一摩擦片、第二摩擦片、滑环、贴合电磁铁和衔铁，第一摩擦片和第二摩擦片相对布置，贴合电磁铁和绳索回收电机的输出轴固定安装在第一摩擦片的另一侧，衔铁和系绳存储装置的转动轴固定安装在第二摩擦片的另一侧，滑环位于贴合电磁铁的上方，滑环的一端与电源连接，另一端与贴合电磁铁连接，在电源电流的控制下贴合电磁铁提供不同大小的磁场，衔铁与贴合电磁铁间的吸引力实现第一摩擦片和第二摩擦片的摩擦阻尼，从而改变绳索回收电机与系绳存储装置的传动比。

所述的绳索为凯夫拉绳索。所述的系绳存储装置为滚轮式，排线部分采用丝杠排线机构实现绳索的均匀排列。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用绳系交会对接的方式进行近距离卫星集群内的能量传输。由于采用了对接后的直接充电或近距离电磁耦合充电，与无线能量传输方式相比具有结构简单、传输效率高的优点。由于采用了绳系终端器的交会对接，与两颗卫星直接交会对接相比，具有燃料消耗低、对接周期短的优点；

(2)本发明采用发射绳系终端器的方式进行对接，与两颗卫星直接交会对接相比，对接机构简单、对接过程燃料和能源消耗少、交会对接周期短；

(3)本发明采用终端器携带电池，系绳采用非导电的凯夫拉或其他柔性轻质材料做绳索，避免了绳索产生电动力干扰，同时减轻了绳索重量，增强了绳索柔顺性，提高了系统的重复使用寿命。

附图说明

图1为本发明装置的组成结构图；

图2为图1的局部放大图；

图3为本发明离合与阻尼器的结构图。

具体实施方式

本发明采用绳系交会对接的方式解决近距离卫星编队或集群内的能量传输问题。在公里级范围的近距离卫星集群内，在一颗卫星上释放一个绳系的终端，通过抛射和终端器携带的动力装置实现与另外一颗卫星的快速对接，完成两颗卫星的短时间连接，实现卫星间高效的能量传输。采用对接方式的能量传输可以克服目前无线能量传输效率低的问题，同时绳系对接与两颗卫星的交会对接相比可缩短对接时间，降低系统复杂性，减少燃料消耗。

本发明涉及在轨道空间近距离运行的两颗或多颗卫星，卫星间的相对距离保持在公里级范围，卫星间存在能量传输需求，一般为一颗卫星(以下简称母星)给其他卫星(以下简称子星)提供电能量。为实现绳系交会对接充电，本发明的装置涉及母星分系统和子星分系统两部分。

本发明基于绳系对接的星间能量传输装置总体组成如图1、图2所示，包括母星部分和子星部分。母星部分主要包括绳索回收电机1、离合与阻尼器2、系绳存储装置3、弹射弹簧4、回收锥套5、发射终端器7，其中绳索回收电机1用于绳索6和发射终端器7的回收，绳索6一般为重量轻、强度高、抗老化的凯夫拉绳索。离合与阻尼器2控制绳索回收电机1与系绳存储装置3的分离和啮合，对绳索6进行回收和释放，同时可在回收与释放系绳时提供阻尼。系绳存储装置3采用滚轮式储绳，排线部分采用丝杠排线机构来实现系绳回收时绳索6的均匀排列。弹射弹簧4可在绳索6的拉力下被压缩，当离合与阻尼器2分离绳索回收电机1控制后，可将发射终端器7弹出。回收锥套5采用锥套形设计，便于对发射终端器7的回收，同时回收锥套5中设计有与发射终端器7匹配的电气对接接口。发射终端器7中包括推进器21、22，充电电池23，电气接口24(正负极导电环12、13)，电磁铁25、26，输能耦合线圈27，对接传感器28，其中推进器21，22用于控制发射终端器7的运动方向和运动速度，从而控制实现与子星部分的精确对接。充电电池23为具有高的能量密度、快速充电能力和高功率密度的充电电池。电气接口24实现与母星部分的电源系统的连接。电磁铁25、26可以通过控制开关电源来控制产生磁力，实现与子星部分对接机构的锁定。电磁耦合线圈27通过电磁耦合的方式对子星耦合线圈传输电能。对接传感器28为视觉传感器，在对接时用于获取子星的位置信息。除此之外，发射终端器7还可以设有正负极导电环12、13，导电环之间为绝缘体16、17，子星部分的对接结构锥套9上设置弹片14、15(与电池组31电气连接)，这样，在具有前述通过电磁耦合的方式传输电能的同时，还可以采用导电环的直接连接方式进行电能的传输。

子星部分包括对接结构锥套9，电能接收耦合线圈29、30以及电池组31。其中对接结构锥套9用于与发射终端器7的对接，电能接收耦合线圈29、30用于接收终端器7上的电磁耦合线圈27传输的电能；电池组31具有高的能量密度和快速充电能力，用于存储接收发射终端器7传输的能量。

图3为离合与阻尼器2的结构示意图，电磁铁54在电源电流的控制下可以提供不同大小的磁场，当磁场最强时，衔铁55与电磁铁54间的吸引力可以实现摩擦片51和摩擦片52完全贴合，绳索回收电机1的转动可以带动系绳存储装置3实现系绳的回收。在释放绳索6时，通过控制电流大小产生合适强度的磁场，通过摩擦片51和摩擦片52的摩擦，产生阻尼。滑环53实现离合和阻尼器2在转动时与外部控制电路的连接。

绳系对接及输能的具体过程为：需要对接充电时，离合与阻尼器2提供小强度的磁场，绳索回收电机1对绳索6进行控制，在弹射弹簧4的弹力下，有阻尼的发射发射终端器7。发射终端器7通过其配备的对接传感器28跟踪子星部分的对接结构锥套9，并通过自身携带的推进器21，22实现与对接结构锥套9的精确对接。当发射终端器7与对接结构锥套9接近到0.5米范围内时，发射终端器7携带的电磁铁25、26启动，在电磁力作用下实现发射终端器7与对接结构锥套9的精确对接和锁定。对接和锁定完成后，发射终端器7中的电磁耦合线圈27启动，子星部分通过电能接收耦合线圈29、30接收发射终端器7的电能，并存储到具有大电流充电能力的电池组31中。充电过程完成后，电磁铁25、26解锁，离合与阻尼器2增大磁场电流，吸和摩擦片51与摩擦片52，闭合绳索回收电机1的控制，控制转动系绳存储装置3转动，回收发射终端器7在绳索6牵引下进入母星回收锥套5，并压缩弹射弹簧4进入发射状态，此时发射终端器7上的正负极导电环12、13分别与回收锥套5中的弹片14、15连接，实现发射终端器7与母星回收锥套5的电路连接，可对充电电池23进行充电操作。

当然，发射终端器7与子星间除了可进行电磁耦合的无接触充电外，还可采用发射终端器7与母星连接时的正负极导电环12、13和弹片14、15的方式进行直接连接方式的输能。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种基于绳系对接的星间能量传输装置，其特征在于包括：母星部分和子星部分，母星部分包括绳索回收电机(1)、离合与阻尼器(2)、系绳存储装置(3)、弹射弹簧(4)、回收锥套(5)、发射终端器(7)，其中绳索回收电机(1)安装于母星上，提供绳索(6)回收的动力，离合与阻尼器(2)控制绳索回收电机(1)的输出轴与系绳存储装置(3)的分离和贴合，对绳索(6)进行具有阻尼的回收和释放；弹射弹簧(4)在绳索(6)的拉力下被压缩，当离合与阻尼器(2)控制绳索回收电机(1)与系绳存储装置(3)分离后，将与绳索(6)末端固连的发射终端器(7)从回收锥套(5)中弹出，回收锥套(5)内侧壁中设有与母星电源系统正负极相连的弹片(14，15)；发射终端器(7)包括推进器(21，22)、充电电池(23)，正负极导电环(12，13)、电磁铁(25，26)、输能耦合线圈(27)、对接传感器(28)，其中推进器(21，22)安装于发射终端器(7)的两侧并通过推力大小控制发射终端器(7)的运动方向和运动速度，充电电池(23)的正负极与正负极导电环(12，13)电气连接，电磁铁(25，26)通过充电电池(23)供电产生磁力与子星部分的对接结构锥套(9)对接锁定；电磁耦合线圈(27)与充电电池(23)相连并在与子星部分对接后通过电磁耦合的方式与子星部分的电能接收耦合线圈(29，30)共同配合对子星部分的电池组(31)充电，对接传感器(28)为安装于发射终端器(7)前端的视觉传感器，在对接时获取子星部分的位置信息；子星部分包括对接结构锥套(9)、电能接收耦合线圈(29，30)以及电池组(31)，其中对接结构锥套(9)为与发射终端器(7)的外形对应一致的锥形结构，电能接收耦合线圈(29，30)安装于对接结构锥套(9)的内侧壁上。

2.根据权利要求1所述的一种基于绳系对接的星间能量传输装置，其特征在于：所述的对接结构锥套(9)的内侧壁上还设置有与电池组(31)正负极相连的弹片(14，15)，当发射终端器(7)与对接结构锥套(9)对接后，对接结构锥套(9)内侧壁上的与电池组(31)正负极相连的弹片(14，15)与发射终端器(7)的正负极导电环(12，13)电气连接进行直接电能传输。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于绳系对接的星间能量传输装置，其特征在于：所述的离合与阻尼器(2)包括第一摩擦片(51)、第二摩擦片(52)、滑环(53)、贴合电磁铁(54)和衔铁(55)，第一摩擦片(51)和第二摩擦片(52)相对布置，贴合电磁铁(54)和绳索回收电机(1)的输出轴固定安装在第一摩擦片(51)的另一侧，衔铁(55)和系绳存储装置(3)的转动轴固定安装在第二摩擦片(52)的另一侧，滑环(53)位于贴合电磁铁(54)的上方，滑环(53)的一端与电源连接，另一端与贴合电磁铁(54)连接，在电源电流的控制下贴合电磁铁(54)提供不同大小的磁场，衔铁(55)与贴合电磁铁(54)间的吸引力实现第一摩擦片(51)和第二摩擦片(52)的摩擦阻尼，从而改变绳索回收电机(1)与系绳存储装置(3)的传动比。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于绳系对接的星间能量传输装置，其特征在于：所述的绳索(6)为凯夫拉绳索。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于绳系对接的星间能量传输装置，其特征在于：所述的系绳存储装置(3)为滚轮式，排线部分采用丝杠排线机构实现绳索(6)的均匀排列。