CN107352048B - 一种用于航天器上释放和回收小卫星的动能转化储存装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于航天器上释放和回收小卫星的动能转化储存装置，该装置可以在大型航天器释放和回收小卫星的过程中，实现相对动能的转化，有效的节省燃料，并且可以实现对小卫星的多次释放与回收。该装置由变向离合器、变速系统1和储能飞轮2组成，其任务分为两个大步骤：对于释放小卫星的任务，储能飞轮2处于高速旋转状态，通过变速系统1和变速离合器，将飞轮的转动动能转化为小卫星的运动动能，随着小卫星的速度不断增大，飞轮的转动角速度不断减小，直到小卫星到达预设的速度，脱离发射装置。对于回收小卫星的任务，小卫星以一定的速度进入回收装置后，通过变速系统1和变速离合器，将小卫星的运动动能转化为飞轮的转动动能，随着飞轮的转动角速度不断增大，小卫星的速度不断减小，直到小卫星速度减小为零，即完成回收任务。

Description

一种用于航天器上释放和回收小卫星的动能转化储存装置
【技术领域】
本发明属于航天技术领域，涉及一种用于航天器上释放和回收小卫星的动能转化储存装置。
【背景技术】
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，技术性能强的小卫星成为各国研究的热点。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，将小卫星作为大型航天器平台的补充，二者并行发展，才能充分利用各自的技术优势。
在大型航天器和小卫星的协同完成任务过程中，尤其是面向多项任务的情况下，航天器需要对小卫星进行多次的释放和回收。首先面向所要执行的任务，如在轨跟踪、观测等任务，将载于大型航天器上的小卫星进行释放，在小卫星执行任务完成后，对小卫星进行回收。释放过程要求根据任务需求，使小卫星相对于航天器有一定的相对速度，而在回收过程中需要将小卫星和航天器的相对速度减小为零。一般来说，小卫星因为技术特点的限制，不携带燃料，没有很强的机动能力，因此无论是释放还是回收，都需要航天器提供相对速度或降低相对速度。
现在实际任务中，对小卫星的释放一般采取设计释放装置进行发射。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。而在回收的方式上，一般都是航天器消耗化学燃料来消除相对速度。
因此，如果利用航天器所携带燃料提供释放和回收的能量，由于较大的相对动能，致使大型航天器需要将过多的燃料消耗在释放和回收小卫星上，将会影响航天器因为任务需要、碰撞规避等因素进行变轨以及维持航天器在太空的飞行。因此为了使航天器维持长时间的在轨服务能力，需要设计在释放和回收小卫星过程中，将相对动能进行转化并储存的装置。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于航天器上释放和回收小卫星的动能转化储存装置，使用该装置可以在大型航天器释放和回收小卫星的过程中，实现相对动能的转化，有效的节省燃料，并且可以实现对小卫星的多次释放与回收。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种用于航天器上释放和回收小卫星的动能转化储存装置，包括变速系统、储能飞轮、小卫星以及绕绳盘；变速系统与储能飞轮和绕绳盘的传动连接装置相连；传动连接装置包括皮带和减速箱；变速系统通过皮带传动与绕绳盘连接，通过减速箱与储能飞轮相连；绕绳盘上缠绕有用于释放和回收小卫星的细绳。
本发明进一步的改进在于：
变速系统包括变向离合器和无级变速器，变向离合器通过皮带连接绕绳盘，使储能飞轮的旋转方向始终与绕绳盘一致；无级变速器与变向离合器通过齿轮相连，用于控制速度转化比；储能飞轮与无级变速器通过减速箱相连，用于储存能量。
储能飞轮包括两个转动飞轮、两个齿轮连接装置以及控制电机；转动飞轮与齿轮连接装置同轴连接，且两个齿轮连接装置相啮合；控制电机通过齿轮连接装置相连，用于提供飞轮的转动能量和将飞轮储存的转动动能转化为动能。
转动飞轮的最大转速为150rad/s。
两个转动飞轮的尺寸相同、旋转方向相反。
无级变速器为圆环曲面变速器，包括三个圆盘以及设置于三个圆盘之间的四个滚轮。
位于两端的圆盘通过齿轮与变向离合器相连，中间的圆盘通过减速箱与储能飞轮相连；中间圆盘与两端圆盘之间设置两组滚轮，并通过液压压紧。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出的释放和回收小卫星动能转化储存装置，在回收的过程中，该系统能够将回收的小卫星的动能储存在飞轮中。这些能量可以在下次进行在轨释放的时候对小卫星进行加速，不需要消耗额外的燃料，这种节能设计在燃料弥足珍贵的外太空是十分必要并且有效的。其次，本发明可以适用释放和回收小卫星的相对速度范围比较广。由于无级变速器和变向离合器的存在，只要小卫星和航天器的相对速度在最大值以下，都可以利用无级变速器和变向离合器进行动能转化。最后，本发明可以存储量比较大的相对动能。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。
【附图说明】
图1为本发明提出的航天器释放和回收小卫星动能储存装置的总体示意简图；
图2为本发明提出的航天器释放和回收小卫星动能储存装置的储能飞轮；
图3为本发明提出的航天器释放和回收小卫星动能储存装置的无级变速器。
其中：1-变速系统；2-储能飞轮；3-传动连接装置；4-转动飞轮；5-齿轮连接装置；6-控制电机；7-圆盘；8-滚轮；9-绕绳盘。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1-3，本发明用于航天器释放和回收小卫星的动能转化储存装置，由变速系统1、储能飞轮2和控制电机6组成，其中，变速系统1包括变向离合器和无级变速器，变向离合器通过皮带连接外界的绕绳盘9，保证飞轮的旋转方向始终与外界装置一致；无级变速器与变向离合器通过齿轮相连，用于控制速度转化比；储能飞轮2与无级变速器通过减速箱相连，用于储存能量；控制电机6连接在储能飞轮2，用于提供飞轮的转动能量和将飞轮储存的转动动能转化为动能。变向离合器位于无级变速器和绕绳盘9之间，无论在释放过程还是回收过程，飞轮的旋转方向始终与绕绳盘9的方向一致。
实现航天器释放和回收小卫星的动能转化储存分为两个大步骤：
对于释放小卫星的任务，储能飞轮2处于高速旋转状态，通过变速系统1和变向离合器，将飞轮的转动动能转化为小卫星的运动动能，随着小卫星的速度不断增大，飞轮的转动角速度不断减小，直到小卫星到达预设的速度，脱离发射装置。对于回收小卫星的任务，小卫星以一定的速度进入回收装置后，通过变速系统1和变向离合器，将小卫星的运动动能转化为飞轮的转动动能，随着飞轮的转动角速度不断增大，小卫星的速度不断减小，直到小卫星速度减小为零，即完成回收任务。
如图1所示，本发明航天器释放和回收小卫星动能储存装置，包括变速系统1、储能飞轮2、传动连接装置3以及小卫星5；变速系统1包括变向离合器和无级变速器，变速系统1通过皮带传动与绕绳盘9连接，变速系统1通过减速箱与储能飞轮2相连；绕绳盘9上缠绕有用于释放和回收小卫星5的细绳。
当释放小卫星时，储能飞轮2处于高速旋转状态，通过变速系统1和变向离合器，将飞轮的转动动能转化为小卫星的运动动能，随着小卫星的速度不断增大，飞轮的转动角速度不断减小，直到小卫星到达预设的速度，脱离发射装置，即完成释放任务。
当回收小卫星时，小卫星以一定的速度进入回收装置后，通过变速系统1和变向离合器，将小卫星的运动动能转化为飞轮的转动动能，随着飞轮的转动角速度不断增大，小卫星的速度不断减小，直到小卫星速度减小为零，即完成回收任务。
如图2所示，储能飞轮2的结构示意图，储能飞轮2包括转动飞轮4、齿轮连接装置5以及控制电机6；转动飞轮4通过其高速转动储存转动动能。转动飞轮4与齿轮连接装置5同轴连接，且两个齿轮连接装置5相啮合；控制电机6通过齿轮连接装置5相连
为了避免旋转的反作用力矩给飞船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两个飞轮作为储能器件。飞轮的最大转速设计为150rad/s，由于太空中的真空环境，飞轮在高速旋转下受到的阻力很小，飞轮转速的衰减很慢，因此十分适合作为储能器件。
如图3所示，无级变速器使用的圆环曲面变速器由三个圆盘7与中间的四个滚轮8组成。
两端的圆盘7通过齿轮与变向离合器相连，中间的圆盘7通过减速箱与储能飞轮2相连。中间圆盘7与两端圆盘7之间是两组滚轮8，并通过液压压紧。当中间盘转动时，会带动滚轮8转动，从而带动两端的盘转动；反之两端的盘受力转动时，也可以通过滚轮8带动中间盘转动。由此可见，力是通过盘和滚轮8之间的摩擦力传递的。滚轮8的轴线是可以摆动的，以实现传动比的连续变化，具有两个状态：(a)状态中键盘转速大于两端盘的转速，(b)状态两端盘的转速大于中间盘的转速。
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 (5)

1.一种用于航天器上释放和回收小卫星的动能转化储存装置，其特征在于，包括变速系统(1)、储能飞轮(2)、小卫星以及绕绳盘(9)；变速系统(1)与储能飞轮(2)和绕绳盘(9)的传动连接装置(3)相连；传动连接装置(3)包括皮带和减速箱；变速系统(1)通过皮带传动与绕绳盘(9)连接，通过减速箱与储能飞轮(2)相连；绕绳盘(9)上缠绕有用于释放和回收小卫星的细绳；
变速系统(1)包括变向离合器和无级变速器，变向离合器通过皮带连接绕绳盘(9)，使储能飞轮(2)的旋转方向始终与绕绳盘(9)一致；无级变速器与变向离合器通过齿轮相连，用于控制速度转化比；储能飞轮(2)与无级变速器通过减速箱相连，用于储存能量；
储能飞轮(2)包括两个转动飞轮(4)、两个齿轮连接装置(5)以及控制电机(6)；转动飞轮(4)与齿轮连接装置(5)同轴连接，且两个齿轮连接装置(5)相啮合；控制电机(6)通过齿轮连接装置(5)相连，用于提供飞轮的转动能量和将飞轮储存的转动动能转化为动能。
2.根据权利要求1所述的用于航天器上释放和回收小卫星的动能转化储存装置，其特征在于，转动飞轮(4)的最大转速为150rad/s。
3.根据权利要求1所述的用于航天器上释放和回收小卫星的动能转化储存装置，其特征在于，两个转动飞轮(4)的尺寸相同、旋转方向相反。
4.根据权利要求1所述的用于航天器上释放和回收小卫星的动能转化储存装置，其特征在于，无级变速器为圆环曲面变速器，包括三个圆盘(7)以及设置于三个圆盘(7)之间的四个滚轮(8)。
5.根据权利要求4所述的用于航天器上释放和回收小卫星的动能转化储存装置，其特征在于，位于两端的圆盘(7)通过齿轮与变向离合器相连，中间的圆盘(7)通过减速箱与储能飞轮(2)相连；中间圆盘(7)与两端圆盘(7)之间设置两组滚轮，并通过液压压紧。
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