CN107264838B - 一种基于电活性聚合物的芯片卫星及其姿态控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电活性聚合物的芯片卫星及其姿态控制方法，本发明依据角动量守恒原理，通过芯片卫星中心平台四周设置的电活性聚合物的变形改变系统整体的质量分布，从而实现芯片卫星的姿态机动，因此本发明提出的芯片卫星姿态控制方法摆脱了传统芯片卫星姿态控制方法对磁场和电离层的依赖，在空间任意位置都可实现芯片卫星的姿态机动，极大地扩大了芯片卫星的应用范围；在芯片卫星姿态机动过程结束后，仍使芯片卫星系统保持姿态机动前的平面状态，在这种平面状态下，由电活性聚合物驱动器构成的触角结构处于无需通电的状态，从而使芯片星系统在姿态机动后无需消耗任何能量即可维持所实现的姿态机动。

Description

一种基于电活性聚合物的芯片卫星及其姿态控制方法
技术领域
本发明属于航天领域，具体涉及一种基于电活性聚合物的芯片卫星及其姿态控制方法。
背景技术
随着微米、纳米技术的发展，纳卫星和皮卫星等微小卫星逐渐成为空间系统的重要组成部分，开始由科学探索与技术试验阶段向商业运营阶段过渡。与此同时，由美欧提出的芯片卫星概念由于其低廉的成本、快速的研制以及便捷的发射等优势自一提出就广受关注。这种芯片卫星通过集成微机电系统(MEMS)、微光机电系统(MOEMS)和互补金属氧化物半导体(CMOS)等单元来实现。因此其体积极小、质量极轻、功能密度高，可以利用商用流水线批量化生产，易于大规模制造且成本低廉。对于一些科学探测任务，如验证太空碎片的行为模型、绘制地球磁场高空间分辨率图像等，这些芯片卫星具有极大的潜力。
由于质量、体积和功耗的严格限制，提出有效的姿态控制方法成为芯片卫星在空间广泛应用的一大挑战。传统基于推进剂的姿态控制方法无法用于芯片卫星，不仅如此，诸如动量轮和控制力矩陀螺这一类应用于大型航天器的传统姿态控制机构对于芯片卫星来说也已不再适用。然而，地球周围的磁场和电离层为芯片卫星的姿态控制提供了新的思路。利用地球磁场的磁力矩器和洛伦兹力以及利用电离层的电动力绳系统可以实现芯片卫星的姿态控制。然而，以上这些方法仅仅对于拥有磁场或电离层的天体适用，对于不存在磁场或电离层的空间，芯片卫星则无法实现姿态机动，从而极大地限制了芯片卫星的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于电活性聚合物的芯片卫星及其姿态控制方法，从而扩大芯片卫星在空间中的应用范围。
为了达到上述目的，一种基于电活性聚合物的芯片卫星，包括芯片卫星中心平台，卫星中心平台的四周分别设置有左侧电活性聚合物触角、右侧电活性聚合物触角、上部电活性聚合物触角和下部电活性聚合物触角，左侧电活性聚合物触角、右侧电活性聚合物触角、上部电活性聚合物触角和下部电活性聚合物触角均能够向两侧弯曲。
一种基于电活性聚合物的芯片卫星的姿态控制方法，包括以下步骤：
步骤一，使分布在芯片卫星中心平台上的左侧电活性聚合物触角和右侧电活性聚合物触角弯曲；
步骤二，使分布在芯片卫星中心平台上的上部电活性聚合物触角和下部电活性聚合物触角弯曲；
步骤三，使芯片卫星中心平台上的左侧电活性聚合物触角和右侧电活性聚合物触角恢复到初始状态；
步骤四，使芯片卫星的上部电活性聚合物触角和下部电活性聚合物触角在不改变芯片卫星姿态的情况下恢复到初始状态；
依次完成步骤一、步骤二、步骤三和步骤四，且步骤一中左侧电活性聚合物触角和右侧电活性聚合物触角向同一方向弯曲，步骤二中上部电活性聚合物触角和下部电活性聚合物触角向芯片卫星的同侧弯曲时，芯片卫星沿x轴转动；
依次完成步骤二、步骤一、步骤三和步骤四，且步骤一中左侧电活性聚合物触角和右侧电活性聚合物触角向芯片卫星的同侧弯曲，步骤二中上部电活性聚合物触角和下部电活性聚合物触角向同一方向弯曲时，芯片卫星沿y轴转动；
依次完成x轴转动和y轴转动时，芯片卫星沿z轴转动。
与现有技术相比，本发明并不借助外力，而是依据角动量守恒原理，通过芯片卫星中心平台四周设置的电活性聚合物的变形改变系统整体的质量分布，从而实现芯片卫星的姿态机动，因此本发明提出的芯片卫星姿态控制方法摆脱了传统芯片卫星姿态控制方法对磁场和电离层的依赖，在空间任意位置都可实现芯片卫星的姿态机动，极大地扩大了芯片卫星的应用范围；在芯片卫星姿态机动过程结束后，仍使芯片卫星系统保持姿态机动前的平面状态，在这种平面状态下，由电活性聚合物驱动器构成的触角结构处于无需通电的状态，从而使芯片星系统在姿态机动后无需消耗任何能量即可维持所实现的姿态机动。
附图说明
图1为本发明提出的芯片卫星构型示意图；
图2为本发明提出的芯片卫星姿态机动第一阶段示意图；
图3为本发明提出的芯片卫星姿态机动第二阶段示意图；
图4为本发明提出的芯片卫星姿态机动第三阶段示意图；
图5为本发明提出的芯片卫星姿态机动第四阶段示意图；
其中1、芯片卫星中心平台；2、左侧电活性聚合物触角；3、右侧电活性聚合物触角；4、上部电活性聚合物触角；5、下部电活性聚合物触角。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，一种基于电活性聚合物的芯片卫星，包括芯片卫星中心平台1，卫星中心平台的四周分别设置有左侧电活性聚合物触角2、右侧电活性聚合物触角3、上部电活性聚合物触角4和下部电活性聚合物触角5，左侧电活性聚合物触角2、右侧电活性聚合物触角3、上部电活性聚合物触角4和下部电活性聚合物触角5均能够向两侧弯曲。
在芯片卫星绕x轴姿态机动的第一阶段，如图2所示，芯片卫星左部的左侧电活性聚合物触角2和右部的右侧电活性聚合物触角3同时以相同的弯曲幅度向同一方向弯曲，从而导致芯片卫星整体的质量分布发生变化，在角动量守恒原理的作用下，芯片卫星中心平台1沿着x轴的正方向转动角度a。在芯片卫星姿态机动的第二阶段，如图3所示，上部电活性聚合物触角4和下部电活性聚合物触角5同时以相同的弯曲幅度向芯片卫星中心平台1的同一侧弯曲，最终结果则是在不改变芯片卫星姿态的情况下再一次改变了芯片卫星整体的质量分布。在芯片卫星姿态机动的第三阶段，如图4所示，芯片卫星左侧电活性聚合物触角3和右侧电活性聚合物触角3同时恢复原来的无变形状态，从而导致芯片卫星中心平台1沿着x轴的反方向转动角度b，但是由于两次沿着x轴的转动过程中芯片卫星的整体质量分布不同，因此b与a不相等，从而此时芯片卫星的姿态为绕x轴转动角度a-b。在芯片卫星姿态机动的第四阶段，如图5所示，上部电活性聚合物触角4和下部电活性聚合物触角5同时恢复原来的无变形状态，但这个过程并不改变芯片卫星整体的姿态，因此，芯片卫星最终以转动角度a-b结束姿态机动。
以上为芯片卫星沿中心平台连体坐标系的x轴机动的说明，芯片卫星沿中心平台坐标系y轴的机动与之类似。而芯片卫星沿中心平台连体坐标系z轴的机动可以通过x轴和y轴转动的叠加实现，因此这种姿态机动方法可以实现芯片卫星绕中心平台任意连体坐标轴的转动。通过控制芯片卫星电活性聚合物触角的弯曲幅度，可以实现芯片卫星在姿态机动工作空间内任意角度的姿态机动，而对于超出芯片卫星姿态机动工作空间的角度机动，可通过芯片卫星多次姿态机动的叠加实现。

Claims (5)

1.一种基于电活性聚合物的芯片卫星，其特征在于，包括芯片卫星中心平台(1)，卫星中心平台的四周分别设置有左侧电活性聚合物触角(2)、右侧电活性聚合物触角(3)、上部电活性聚合物触角(4)和下部电活性聚合物触角(5)，左侧电活性聚合物触角(2)、右侧电活性聚合物触角(3)、上部电活性聚合物触角(4)和下部电活性聚合物触角(5)均能够向两侧弯曲。
2.一种基于电活性聚合物的芯片卫星的姿态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，使分布在芯片卫星中心平台(1)上的左侧电活性聚合物触角(2)和右侧电活性聚合物触角(3)弯曲；
步骤二，使分布在芯片卫星中心平台(1)上的上部电活性聚合物触角(4)和下部电活性聚合物触角(5)弯曲；
步骤三，使芯片卫星中心平台(1)上的左侧电活性聚合物触角和右侧电活性聚合物触角恢复到初始状态；
步骤四，使芯片卫星的上部电活性聚合物触角和下部电活性聚合物触角在不改变芯片卫星姿态的情况下恢复到初始状态。
3.根据权利要求2所述的一种基于电活性聚合物的芯片卫星的姿态控制方法，其特征在于，依次完成步骤一、步骤二、步骤三和步骤四，且步骤一中左侧电活性聚合物触角和右侧电活性聚合物触角向同一方向弯曲，步骤二中上部电活性聚合物触角和下部电活性聚合物触角向芯片卫星的同侧弯曲时，芯片卫星沿x轴转动。
4.根据权利要求3所述的一种基于电活性聚合物的芯片卫星的姿态控制方法，其特征在于，依次完成步骤二、步骤一、步骤三和步骤四，且步骤一中左侧电活性聚合物触角和右侧电活性聚合物触角向芯片卫星的同侧弯曲，步骤二中上部电活性聚合物触角和下部电活性聚合物触角向同一方向弯曲时，芯片卫星沿y轴转动。
5.根据权利要求4所述的一种基于电活性聚合物的芯片卫星的姿态控制方法，其特征在于，依次完成x轴转动和y轴转动时，芯片卫星沿z轴转动。
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