CN109747864A - 一种基于增材制造的重力梯度卫星 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于增材制造的重力梯度卫星,包括卫星本体、太阳电池阵、在轨3D打印部分载荷;其中,在轨3D打印部分载荷包括打印舱舱体、材料舱、控制盒、进料机构、打印机构、打印舱盖板、导出和压紧机构以及重力梯度杆;打印舱舱体为一个舱体,打印舱盖板为底部盖板,将舱体封闭成为一个整体;材料舱位于舱体内;控制盒是整个3D增材加工的控制核心,进料机构用于将材料舱中的材料取出,并以一定速率进给,提供3D打印头部的材料供应;导出和压紧机构位于打印舱盖板的外侧,其主要作用是在发射阶段,将重力梯度杆端部的载荷和配重压紧,确保能承受发射时的各种条件,在轨后释放,该部分确保重力梯度杆的稳定伸长,为3D打印的Z轴驱动。
Description
技术领域
本发明涉及航天器技术领域,尤其涉及一种基于增材制造的重力梯度卫星。
背景技术
随着航天技术发展,空间飞行器的尺寸需求越来越大,从最初的米级到现在空间站的几十米甚至上百米,很多需要大尺寸的空间飞行器使用桁架来扩展空间,桁架结构可以在发射过程中被压缩起来,在轨释放后展开、锁定。该种展开机构在空间有以下三类典型应用,首先,用于大型空间机构的支撑,如国际空间站上的链接舱段,其次卫星常见的重力梯度杆,第三种常见的空间大型结构为科学探测卫星,如为避免卫星本体剩磁影响而设计的磁探测卫星等。
当前这些大型航天结构的结构类似,均通过各种复杂的机构,通过驱动或者自身地面压缩储能驱动,在卫星发射前压缩收起到一定尺寸,通过火工品或专门设计的压缩机构压紧,发射成功后,火工品或者压缩机构启动,解除压紧状态。
这些机构的共同难点在于:
(1)难以实现超长结构和复杂结构,由于现有机构的长度通过先压缩,后伸展,结构本身设计非常复杂,压缩机构体积、解锁机构也需要占用大量空间,超长超大结构的展开系统实现难度会异常的大,从而难以实施;(2)压缩系统可靠性低,由于大型展开结构有非常多的运动副,一套机构多达几百个运动副,任何一个卡死都会导致机构展开失败。因此,可靠性计算链条长,导致可靠性低;(3)难以实现良好的结构形式,由于受到展开机构的限制,导致传统展开机构均采用长度方向机构一致材料,从结构上说非最优结构;(4)体积重量大。
发明内容
为了解决现有技术中的问题,本发明提供了一种基于增材制造的重力梯度卫星,利用轨道空间零重力环境,通过在轨增材制造,不断延长结构长度,以实现超大重力梯度杆结构。本发明具体通过如下技术方案实现:
一种基于增材制造的重力梯度卫星,包括卫星本体、太阳电池阵、在轨3D打印部分载荷;其中,所述在轨3D打印部分载荷包括打印舱舱体、材料舱、控制盒、进料机构、打印机构、打印舱盖板、导出和压紧机构以及重力梯度杆;所述打印舱舱体为一个舱体,打印舱盖板为底部盖板,将舱体封闭成为一个整体;所述材料舱位于舱体内,用于存放打印耗材;控制盒是整个3D增材加工的控制核心,进料机构用于将材料舱中的材料取出,并以一定速率进给,提供3D打印头部的材料供应;打印机构用于实现3D打印;导出和压紧机构位于打印舱盖板的外侧,其主要作用是在发射阶段,将重力梯度杆端部的载荷和配重压紧,确保能承受发射时的各种条件,在轨后释放,重力梯度杆伸长阶段,该部分确保重力梯度杆的稳定伸长,为3D打印的Z轴驱动;所述重力梯度杆随着3D打印的进行而伸长。
作为本发明的进一步改进,所述舱体内大部分空间为打印材料的储存空间,根据重力梯度杆长度和粗细设计,确定需要携带的打印材料数量,从而可以确定整个舱体的体积。
作为本发明的进一步改进,所述重力梯度卫星还包括监视相机、激光测量装置,用于检测重力梯度杆的伸长过程中的直线度、长度以及变形,并将检测到的数据信号传回控制盒以确定打印的状态。
作为本发明的进一步改进,所述进料机构与材料舱一并设计。
作为本发明的进一步改进,所述3D打印采用熔融沉积成型(FDM)技术或者光敏固化技术。
作为本发明的进一步改进,所述打印舱盖板起支撑和封闭作用,所述打印舱盖板上有重力梯度杆伸出的孔。
作为本发明的进一步改进,所述重力梯度杆根部的直径粗,顶部的细。
作为本发明的进一步改进,所述重力梯度卫星还包括导线放线盒;所述导线放线盒的内部存放的长电缆,包含高频和低频部分电缆,用于卫星与重力梯度杆顶部的载荷之间的连线,电缆采用柔性较好的耐空间环境的电缆,发射过程盘放在放线盒子里,重力梯度杆伸长过程中,该部分逐渐释放。
作为本发明的进一步改进,所述重力梯度卫星还包括、重力梯度杆端部载荷和配重,该部分在卫星发射过程中被导出和压紧机构压紧。
本发明的有益效果是:本发明的基于增材制造的重力梯度卫星,相对于传统的重力梯度杆卫星,具有以下优点:1)可以在轨实现超长度的结构,是其他类型机构难以实现的;2)该机构发射过程中无需复杂的展开系统,仅需打印系统和打印材料,打印材料可以盘在一起包装好,配置灵活,可以携带的量也更大;3)该机构可以实现复杂内部结构,而无需考虑折叠和展开功能,从而实现不同用途结构的优化设计,从而达到材料最佳利用率;4)无重力环境下,有利于打印机实现最佳精度;5)充分利用空间无重力条件,可以实现其他方式都无法实现的空间复杂结构系统;6)系统可靠性较复杂机构更高;7)打印过程实时监测重力梯度杆的状态,可以实现闭环控制;8)无展开冲击;9)相同的类似技术可以扩展生产其他的空间结构、机构产品。
附图说明
图1是本发明的卫星在轨工作初期的示意图;
图2是本发明的卫星重力梯度杆伸长后的示意图;
图3是本发明的卫星在轨3D打印部分载荷的结构图;
图4是本发明的卫星在轨示运行意图一;
图5是本发明的卫星在轨示运行意图二。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明提供了一种基于增材制造(3D打印)的在轨重力梯度卫星,其中使用的3D打印原理与传统增材加工使用的3D打印原理一致,3D打印的Z轴为重力梯度杆的伸长方向,利用轨道空间零重力环境,通过在轨增材制造,不断延长结构长度,以实现超大重力梯度杆结构。
如图1所示,本发明的卫星在轨工作初期,卫星太阳翼展开,但打印机并未工作,此时,重力梯度杆未伸长。
如图2所示,在打印完成后,本发明的卫星的重力梯度杆伸长后的示意图。
如图3所示,本发明的卫星在轨3D打印部分载荷包括:打印舱舱体3、材料舱4、控制盒5、进料机构6、打印机构7、打印舱盖板8、导出和压紧机构9。所述卫星在轨3D打印部分载荷位于卫星本体的一侧,安装重力梯度杆的位置。
图中的卫星本体1和卫星太阳电池阵2仅示意,实际卫星由于应用载荷不一样,功耗不一样,卫星的形状、体积、太阳电池阵的布置、大小、形状可能都与图示并不一样。
打印舱舱体3为一个舱体,舱体内大部分空间为打印材料的储存空间,根据重力梯度杆长度和粗细设计,确定需要携带的打印材料数量,从而可以确定整个舱体的体积。打印舱盖板8为底部盖板,将舱体封闭成为一个整体。
材料舱4主要存放打印耗材,打印耗材需要按照一定的规则放置在材料舱内,以达到最大的空间利用,该部分可以根据需要设计成成为圆形的或其他形状。
控制盒5是整个3D增材加工的控制核心,同时也根据监视相机、激光测量装置等传感器传回的信号确定打印的状态。
进料机构6主要负责将材料舱中的材料取出,并以一定速率进给,提供3D打印头部的材料供应,这部分可以与4.材料舱一并设计,得到最好的空间利用效果。
打印机构7负责实现3D打印(增材制造),该部分的一般选择熔融沉积成型(FDM)技术),该技术使用的常用的3D打印技术,也可使用包括光敏固化技术等技术,本发明可以适应不同的3D打印技术。
打印舱盖板8起支撑和封闭作用;
导出和压紧机构9的主要作用是在发射阶段,将重力梯度杆端部的载荷(如磁强计)和配重压紧,确保能承受发射时的各种条件;在轨后释放,重力梯度杆伸长阶段,该部分确保重力梯度杆的稳定伸长,为3D打印的Z轴驱动,该驱动机构需要与重力梯度杆的结构一并设计,确保重力梯度杆伸长过程中的稳定性和精度。
监视相机10和激光测量装置11是用来检测重力梯度杆的伸长过程中的直线度、长度以及变形的,可以选择其他的传感器替代。
重力梯度杆12,其内部结构可以设计较为复杂的拓扑结构,已实现最好的材料利用率,原则上重力梯度杆根部的直径粗,顶部的细。
导线放线盒13内部存放的是长电缆,包含高频和低频部分电缆,主要是卫星与重力梯度杆顶部的载荷之间的连线,这部分电缆采用柔性较好的耐空间环境的电缆,发射过程盘放在放线盒子里,重力梯度杆伸长过程中,该部分逐渐释放。部分卫星端部没有载荷的则不需要电缆连接,则无导线放线盒。
重力梯度杆端部载荷和配重14,该部分在卫星发射过程中被导出和压紧机构9压紧,该部分质量根据卫星控制要求设计。
打印完成后,本发明的卫星在轨示运行意图如图4和图5所示。
本发明利用增材制造(3D打印)技术,实现重力梯度卫星中重力梯度杆的在轨加工和布置,类似技术还可以实现大型或者超大型的空间机构产品的加工和布置。
以上所述仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
对于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,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于增材制造的重力梯度卫星,其特征在于:所述重力梯度卫星包括卫星本体、太阳电池阵、在轨3D打印部分载荷;其中,所述在轨3D打印部分载荷包括打印舱舱体、材料舱、控制盒、进料机构、打印机构、打印舱盖板、导出和压紧机构以及重力梯度杆;所述打印舱舱体为一个舱体,打印舱盖板为底部盖板,将舱体封闭成为一个整体;所述材料舱位于舱体内,用于存放打印耗材;控制盒是整个3D增材加工的控制核心,进料机构用于将材料舱中的材料取出,并以一定速率进给,提供3D打印头部的材料供应;打印机构用于实现3D打印;导出和压紧机构位于打印舱盖板的外侧,其主要作用是在发射阶段,将重力梯度杆端部的载荷和配重压紧,确保能承受发射时的各种条件,在轨后释放,重力梯度杆伸长阶段,该部分确保重力梯度杆的稳定伸长,为3D打印的Z轴驱动;所述重力梯度杆随着3D打印的进行而伸长。
2.根据权利要求1所述的重力梯度卫星,其特征在于:所述舱体内大部分空间为打印材料的储存空间,根据重力梯度杆长度和粗细设计,确定需要携带的打印材料数量,从而可以确定整个舱体的体积。
3.根据权利要求1所述的重力梯度卫星,其特征在于:所述重力梯度卫星还包括监视相机、激光测量装置,用于检测重力梯度杆的伸长过程中的直线度、长度以及变形,并将检测到的数据信号传回控制盒以确定打印的状态。
4.根据权利要求1所述的重力梯度卫星,其特征在于:所述进料机构与材料舱一并设计。
5.根据权利要求1所述的重力梯度卫星,其特征在于:所述3D打印采用熔融沉积成型(FDM)技术或者光敏固化技术。
6.根据权利要求1所述的重力梯度卫星,其特征在于:所述打印舱盖板起支撑和封闭作用,所述打印舱盖板上有重力梯度杆伸出的孔。
7.根据权利要求1所述的重力梯度卫星,其特征在于:所述重力梯度杆根部的直径粗,顶部的细。
8.根据权利要求1所述的重力梯度卫星,其特征在于:所述重力梯度卫星还包括导线放线盒;所述导线放线盒的内部存放的长电缆,包含高频和低频部分电缆,用于卫星与重力梯度杆顶部的载荷之间的连线,电缆采用柔性较好的耐空间环境的电缆,发射过程盘放在放线盒子里,重力梯度杆伸长过程中,该部分逐渐释放。
9.根据权利要求1所述的重力梯度卫星,其特征在于:所述重力梯度卫星还包括、重力梯度杆端部载荷和配重,该部分在卫星发射过程中被导出和压紧机构压紧。
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