CN107187614B - 一种利用飞轮储能和再利用的小卫星在轨释放及回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用飞轮储能和再利用的小卫星在轨释放及回收装置，包括小卫星存储机构、运动导轨和接收爪，其中，所述运动导轨设置在所述小卫星存储机构内，通过滑动关节与所述小卫星存储机构连接，用于进入工作状态时能够从所述小卫星存储机构中滑出，所述接收爪通过滑动关节设置在所述运动导轨上，能够沿所述运动导轨移动，用于回收/释放小卫星，所述小卫星存储机构内设置有能量转换机构和控制电机，用于给整个装置提供能量供给和存储利用。本发明采用机械方式传递和储存能量，工作过程中小卫星的平动动能与飞轮转动动能相互转化，提高了能量转化效率。

Description

一种利用飞轮储能和再利用的小卫星在轨释放及回收装置

技术领域

本发明属于航天设备技术领域，具体涉及一种利用飞轮实现能量储存和再利用的小卫星在轨释放和回收装置。

背景技术

20世纪80年代以来，随着计算机、新材料、新工艺等现代科学技术的发展，功能密度高，技术性能强的现代小卫星成为各国研究的热点。现代小卫星不仅具有体积小、重量轻、技术含量高和研制周期短等一系列优点，还可以采用标准化星体及模块化设计技术，能够在流水线上批量生产并储存。另外还可以组成分布式的星座，引入人工智能等新技术成果，用智能星群完成复杂的任务。然而，小卫星的应用也存在许多问题，比如寿命短、轨道衰减快、输出功率低、承载荷能力小、资源有限，此外还容易产生空间碎片。所以，将现代小卫星作为大卫星平台的补充，二者并行发展，才能充分利用各自的技术优势。

利用大卫星对小卫星实施在轨释放和回收便是实现这一目标的关键技术之一。如果能够利用大卫星对小卫星进行快速有效的在轨回收和释放，不仅可以对其维护，延长其寿命，还可以进行燃料的补充，此外能够再次作为载体将释放的大量小卫星集体运载至下一任务点，再次进行释放，合作完成特定任务。

实现小卫星的在轨回收本质上是实现两个航天器交会对接的过程。传统的交会技术根据两航天器的相对距离和控制、制导方式的不同，通常将交会对接飞行过程主要划分为远程导引、近程导引、平移靠拢和对接等阶段。传统的交会对接技术需要在近程导引阶段施加一定的脉冲或者连续推力，来减小相对速度，以完成最终的对接。如果以较大的相对速度进行交会对接，可以减小近程导引段的燃料消耗。但是目前的实际应用中并没有有效的装置可以实现相对速度较大的航天器之间直接进行交会对接。

另外，小卫星的在轨释放对大型航天器上的分离机构也有很高的要求，其难点在于实现足够大的最大释放速度，并对实际释放速度进行精确的控制。实现高速小卫星的回收和释放关键是要使小卫星平稳地减速或加速，避免在回收或释放过程中由于小卫星过载过大造成损坏。小卫星在轨释放的方法之一是采用压缩弹簧弹射。例如，2000年瑞典发射了用于极光研究的MUNIN科研卫星，卫星的分离机构即为压缩弹簧系统，释放后卫星被弹射出去。这种压缩弹簧系统将弹簧的弹性势能转化为小卫星的动能，转化效率低，最大释放速度非常有限且难以精确控制，释放速度较大时小卫星瞬时过载大，容易造成任务的失败。

总之，目前国际上还没有一种既快速又节能的在轨释放和回收小卫星的装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供了一种利用飞轮实现能量储存和再利用的小卫星在轨释放和回收装置，能够高速回收和释放小卫星，且能够充分弥补外太空燃料不足的缺点。

本发明采用以下技术方案：

一种利用飞轮储能和再利用的小卫星在轨释放及回收装置，包括小卫星存储机构、运动导轨和接收爪，其中，所述运动导轨设置在所述小卫星存储机构内，通过滑动关节与所述小卫星存储机构连接，用于进入工作状态时能够从所述小卫星存储机构中滑出，所述接收爪通过滑动关节设置在所述运动导轨上，能够沿所述运动导轨移动，用于回收/释放小卫星，所述小卫星存储机构内设置有能量转换机构和控制电机，用于给整个装置提供能量供给和存储利用。

进一步的，所述能量转换机构包括储能飞轮，所述储能飞轮经过离合器、减速器与所述控制电机连接，用于进行能量储存和转换。

进一步的，所述储能飞轮通过变向离合器与所述接收爪连接，所述变向离合器用于控制所述储能飞轮与所述接收爪的运动方向。

进一步的，所述储能飞轮与所述变向离合器之间设置有皮带传动机构，用于实现传动。

进一步的，所述储能飞轮通过无级变速器与所述皮带传动机构连接。

进一步的，所述能量转换机构还包括绞绳盘和定滑轮，所述绞绳盘用于和所述变向离合器连接，所述绞绳盘与所述定滑轮之间设置有拦阻索，所述拦阻索用于和所述接收爪连接。

进一步的，所述拦阻索包括两组，分别水平设置在所述绞绳盘上，两组所述拦阻索分别经过一个所述定滑轮与所述接收爪连接。

进一步的，所述储能飞轮包括两个，结构相同，旋转方向相反。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明采用机械方式传递和储存能量，在执行小卫星回收任务时，接收爪抓住小卫星并在冲力作用下闭合，沿运动导轨向左运动，与接收爪连接的拦阻索带动绞绳盘转动，并进一步带动储能飞轮转动，使小卫星的平动动能转化为飞轮的转动动能。在执行小卫星释放任务时，接收爪与小卫星位于运动导轨后端，变向离合器通过皮带传动机构控制储能飞轮的转动方向与接收爪从左到右的运动方向相同，接收爪及小卫星在储能飞轮的带动下沿运动导轨向右运动，使飞轮的转动动能转化为小卫星的平动动能，这种能量转换方式极大地提高了能量转化效率，且储能飞轮在太空高速旋转几乎不受空气阻力的影响，可以存储更多的动能，为装置进一步工作提供能量储备。

进一步的，设置两个形状相同但旋转方向相反的飞轮作为储能器件，避免旋转的反作用力矩给携带此装置的大卫星增加额外的控制负担。设置的飞轮在太空中高速旋转受到的阻力很小且转速的衰减很慢，十分适合作为储能器件。

进一步的，设置的无极变速器可实现传动比的连续变化，保证了拦阻索受力平稳，从而使小卫星均匀受力。

进一步的，设置的变向离合器位于无级变速器和绞绳盘之间，保证无论在释放过程还是回收过程，飞轮的旋转方向始终与绞绳盘的方向一致。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明工作状态结构示意图；

图3为本发明能量转换机构的工作原理示意图。

其中：1.小卫星存储机构；2.运动导轨；3.接收爪；4.小卫星；5.定滑轮；6.拦阻索；7.绞绳盘；8.变向离合器；9.皮带传动机构；10.无级变速器；11.储能飞轮；12.控制电机。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“水平”、“内”、“外”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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1和图2，本发明公开了一种利用飞轮实现能量储存和再利用的小卫星在轨释放及回收装置，包括小卫星存储机构1、运动导轨2和接收爪3，其中，运动导轨2设置在小卫星存储机构1内，通过滑动关节与所述小卫星存储机构1连接，进入工作状态时能够从所述小卫星存储机构1中滑出，所述接收爪3通过滑动关节设置在所述运动导轨2上，能够沿所述运动导轨2移动，用于回收/释放小卫星4。

其中，定滑轮是固定在导轨2的末端，导轨2为普通轨道，伸出和收回是通过与小卫星4的存储机构相连的滑动关节。

请参阅图3，所述小卫星存储机构1内设置有能量转换机构和控制电机12，其中，所述能量转换机构包括定滑轮5，拦阻索6，绞绳盘7，变向离合器8，皮带传动机构9，无极变速器10，两个结构相同但旋转方向相反的储能飞轮11，控制电机12通过减速器、离合器与所述储能飞轮11连接，所述储能飞轮11通过转动关节与所述无级变速器10连接，用于传递所述储能飞轮11的动力，所述无级变速器10通过两路所述皮带传动机构9与所述变相离合器8连接，所述变向离合器8通过转动关节与所述绞绳盘7连接，所述绞绳盘7上设置有拦阻索6，所述拦阻索6经过定滑轮5与所述接收爪3连接，控制所述接收爪3沿所述运动导轨2移动。

为了避免旋转的反作用力矩给携带该装置的大卫星增加额外的控制负担，设计了两个形状相同但旋转方向相反的储能飞轮11作为储能器件。由于太空中的真空环境，储能飞轮11在高速旋转下受到的阻力很小，储能飞轮11转速的衰减很慢，因此十分适合作为储能器件。

装置安装受力可控的拦阻索，保证小卫星在轨道上有较高的加速度，在相同的长度内允许小卫星有更大的速度变化量；无极变速器能够保证拦阻索的受力平稳，从而使小卫星均匀受力。

其中，所述变向离合器8在在轨释放和回收时，分别用于控制所述储能飞轮11的转动方向与所述接收爪3的运动方向保持一致。

储能飞轮在太空高速旋转几乎不受空气阻力的影响，可以存储更多的动能，为装置进一步工作提供能量储备。

所述拦阻索6包括两组，分别水平设置在所述绞绳盘7上，两组所述拦阻索6分别经过一个定滑轮5与所述接收爪3连接。

小卫星的工作过程包括在轨释放和回收两种，其中，在执行小卫星回收任务时，接收爪3位于运动导轨2的前端，处于张开状态，变向离合器8通过皮带传动机构9控制储能飞轮11的初始转动方向与接收爪3从右到左的运动方向相同；当小卫星4进入接收爪3后，接收爪3在冲力作用下收紧(闭合)并沿运动导轨2向左运动，与接收爪3连接的拦阻索6带动绞绳盘7转动，并进一步带动储能飞轮11转动。在此过程中，通过调节无极变速器10的传动比控制拦阻索6上的拉力，从而控制接收爪3的加速度，使小卫星4在拉力作用下减速，储能飞轮11转速加快，实现了小卫星4的相对平动动能转化成为储能飞轮11的转动动能；当接收爪3接近运动导轨2后端时，小卫星4速度降低到零，完成对小卫星4的回收操作。

在执行小卫星释放任务时，接收爪3位于运动导轨2后端，通过机械臂或其他装置将待发射小卫星4放入接收爪3内，变向离合器8通过皮带传动机构9控制储能飞轮11的转动方向与接收爪3从左到右的运动方向相同。接收爪3在储能飞轮11的带动下沿运动导轨2向右运动，在此过程中通过调整无极器变速器10的传动比控制接收爪3的加速度，接收爪3速度逐渐加快，储能飞轮11转速逐渐降低，储能飞轮11的转动动能转化为小卫星4的平动动能，当接收爪3运动到运动导轨2前端时，接收爪3自动打开，将小卫星4以给定的速度释放出去。

本发明采用机械方式传递和储存能量，工作过程中小卫星的平动动能与飞轮转动动能相互转化，提高了能量转化效率，具有以下优点：

1.能量转化效率高。本装置使用机械方式传递、存储能量，回收和释放过程是小卫星平动动能和飞轮转动动能之间的转移，相对于电磁力、弹性力或摩擦力等途径，减少能量转化时的耗散。

2.小卫星受力平稳。由于无级变速器的传动比可实时控制，因此可以保证拦阻索的受力平稳。仿真结果表明小卫星的瞬时过载不会超过标称过载的10％。

3.适用速度更高。由于拦阻索受力可控，因此可以保证小卫星在轨道上有较高的加速度，在相同的长度内允许小卫星有更大的速度变化量。

4.能量存储量大。由于外太空空气稀薄，飞轮在高速旋转时几乎不受空气阻力影响，因此能存储更多的动能。相同质量的飞轮系统比蓄电池存储的能量高得多。以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用飞轮储能和再利用的小卫星在轨释放及回收装置，其特征在于：包括小卫星存储机构(1)、运动导轨(2)和接收爪(3)，其中，所述运动导轨(2)设置在所述小卫星存储机构(1)内，通过滑动关节与所述小卫星存储机构(1)连接，用于进入工作状态时能够从所述小卫星存储机构(1)中滑出，所述接收爪(3)通过滑动关节设置在所述运动导轨(2)上，能够沿所述运动导轨(2)移动，用于回收/释放小卫星(4)，所述小卫星存储机构(1)内设置有能量转换机构和控制电机(12)，用于给整个装置提供能量供给和存储利用，所述能量转换机构包括储能飞轮(11)，所述储能飞轮(11)经过离合器、减速器与所述控制电机(12)连接，用于进行能量储存和转换，所述储能飞轮(11)包括两个，结构相同，旋转方向相反。

2.根据权利要求1所述的一种利用飞轮储能和再利用的小卫星在轨释放及回收装置，其特征在于，所述储能飞轮(11)通过变向离合器(8)与所述接收爪(3)连接，所述变向离合器(8)用于控制所述储能飞轮(11)与所述接收爪(3)的运动方向。

3.根据权利要求2所述的一种利用飞轮储能和再利用的小卫星在轨释放及回收装置，其特征在于，所述储能飞轮(11)与所述变向离合器(8)之间设置有皮带传动机构(9)，用于实现传动。

4.根据权利要求3所述的一种利用飞轮储能和再利用的小卫星在轨释放及回收装置，其特征在于：所述储能飞轮(11)通过无级变速器(10)与所述皮带传动机构(9)连接。

5.根据权利要求2所述的一种利用飞轮储能和再利用的小卫星在轨释放及回收装置，其特征在于：所述能量转换机构还包括绞绳盘(7)和定滑轮(5)，所述绞绳盘(7)用于和所述变向离合器(8)连接，所述绞绳盘(7)与所述定滑轮(5)之间设置有拦阻索(6)，所述拦阻索(6)用于和所述接收爪(3)连接。

6.根据权利要求5所述的一种利用飞轮储能和再利用的小卫星在轨释放及回收装置，其特征在于：所述拦阻索(6)包括两组，分别水平设置在所述绞绳盘(7)上，两组所述拦阻索(6)分别经过一个所述定滑轮(5)与所述接收爪(3)连接。