CN110562489B - 一种陀螺驱动的可重复展开的太阳能帆板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种陀螺驱动的可重复展开的太阳能帆板，由转子系统、转子调向系统、陀螺驱动盒、陀螺框架盘组成。转子以角速度ω绕其对称轴高速自转，同时陀螺框架盘以角速度Ω进动，据此根据陀螺进动原理通过控制陀螺框架盘的正反转即可实现太阳能帆板的重复展开功能。同时实现了太阳能帆板一体化的设计制备，重量较轻，折叠与展开方便，展开可靠性经Adams仿真和简化实验得出重复展开效果很好，组成机构的各构件均为常见部件，制作方便，同时兼具轻量化、空间折叠比大、展开性能好的特点，适用于太阳能帆板展开机构。

Description

一种陀螺驱动的可重复展开的太阳能帆板
技术领域
本发明涉及航天技术卫星领域，具体涉及一种可重复展开的太阳能电池帆板。
背景技术
对于航天器、卫星来说太阳能电池帆板是目前主要电源供电系统，是整个系统的核心部件之一，其直接影响整颗卫星的性能。然而由于太阳能电池帆板所占的体积和重量问题导致一般的卫星和航天器系统难以携带更多的太阳能电池，为了解决太阳能电池帆板所占体积的问题，可展开的太阳能电池帆板机构应用而生。但是传统的太阳能电池帆板展开结构主要是通过刚性折叠展开的方式，需要在相邻两个太阳能电池帆板之间设置铰接结构，需要设计驱动相邻两个太阳能电池帆板驱动铰接结构相对转动的折叠机构，这样结构比较复杂，增加了卫星在轨展开失败的风险，同时展开结构不可重复展开，导致了诸多不便。在我国，对太阳能帆板有源展开机构的研究主要集中在各大高校：
其中哈尔滨工业大学设计出一种具有可重复折展功能的月球车用太阳翼展开机构，该种展开机构采用步进电机驱动、谐波减速器传动的方式对单块帆板进行折展，结构简单、可靠性高。但其为单块帆板展开，能够为月球车提供的电量有限，将会局限月球车其他功能的实现，影响到其工作效率。上海交通大学设计出一种太阳能帆板关节展开机构。其基于电磁体和永磁体之间相互作用的原理，设计出电磁—永磁体驱动关节。驱动关节用于连接两太阳能帆板，既是结构件，又是功能件，可实现多级太阳能帆板的展开和收回。但其为关节驱动，需要多个驱动元件，能耗较高，且机械结构和控制单元都较为复杂，对控制系统依赖较高。
发明内容
本发明的目的是针对目前卫星太阳能帆板展开机械机构较为复杂、能耗高等缺陷，提出一种利用陀螺进动原理驱动的以简单紧凑的结构实现可重复展开的卫星太阳能帆板，它具有空间折叠比大、展开性能好、控制容易的特点，而且经Adams仿真以及实验得出此展开机构在考虑重力作用下效果也比较好，而在太空中将会更容易实现其功能，而且重复展开也便于控制。
本发明采用以下技术方案：
一种陀螺驱动的可重复展开的太阳能帆板，由陀螺转子系统、转子调向系统、陀螺驱动盒和陀螺框架盘组成；
具体结构和连接方式为：
所述陀螺驱动盒包括第一支撑板、第二支撑板、第三支撑板和第四支撑板，太阳能帆板根据需要附着于各支撑板上，所述第一支撑板一端和第二支撑板一端通过连接角码固定在一起，第一支撑板的另一端和第四支撑板的一端通过两个连接角码连接，第二支撑板的另一端和第三支撑板的一端通过角码连接，第三支撑板的另一端和第四支撑板的另一端通过角码连接在一起。
所述陀螺转子系统包括无刷电机和高精度质量块，所述高精度质量块和无刷电机通过螺栓连接，高精度质量块和无刷电机经过高精度动平衡处理后组成转子系统。
所述转子调向系统包括第一转向连接板、第二转向连接板和连接板，所述连接板和第一转向连接板通过一组连接角码固定，连接板和第二转向连接板通过另一组连接角码连接。
所述陀螺转子系统通过螺栓固定在转子调向系统上的连接板上，以便实现改变角动量方向的目的。
所述陀螺转子系统的第一转向连接板通过螺栓固定于第二支撑板，第二转向连接板通过螺栓固定于第四支撑板，以便实现调整方向后对陀螺转子系统的固定。
所述陀螺框架盘和第一陀螺驱动盒通过铰链一、铰链二连接。
所述第一陀螺驱动盒和第二陀螺驱动盒通过铰链三、铰链四连接。
所述陀螺框架盘与卫星本体中的可调速直流电机连接。
所述转子调向系统与陀螺驱动盒两侧设有滑槽用来按需求调整转子角动量方向，每侧用两个螺栓固定调整好的位置。
所述陀螺驱动盒通过两个铰链与陀螺框架转动盘进行铰接，同时所述陀螺驱动盒之间也是通过两个铰链进行铰接。
所述陀螺转子系统通过三个螺栓固定于陀螺调向系统中的连接板上，以实现调整转子角动量方向的目的。
相对于现有技术，本发明所述的陀螺驱动的可重复展开的太阳能帆板具有以下优势：
本发明所述太阳能帆板，是采用目前航天领域常用的陀螺组件利用陀螺进动原理来实现太阳能帆板重复展开，只需要给定转子固定的转速，通过陀螺框架盘以一定转速的正反转即可控制太阳能帆板展开或收拢；控制过程简单，实现了太阳能帆板一体化的设计制备，重量较轻，同时太阳能帆板面积也有一定提升，展开可靠性经Adams仿真和简化实验得出重复展开效果很好，除此之外本发明虽然利用单框架陀螺进动原理但是更具特色的是，将多个转子系统通过共用一个陀螺框架盘进而实现陀螺进动，以达到重复展开太阳能帆板的目的。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述的空间太阳能帆板的展开结构示意图；
图2(a)为本发明所述的空间太阳能帆板的正面结构示意图；
图2(b)为本发明所述的空间太阳能帆板的反面结构示意图；
图3为本发明所述的陀螺驱动盒示意图；
图4为本发明所述的空间太阳能帆板的转子系统示意图；
图5为本发明所述的转子调向系统示意图；
图中标记为：1-陀螺框架盘，2-第一支撑板，3-第二支撑板，4-第三支撑板，5-第四支撑板，6-铰链一，7-铰链二，8-铰链三，9-铰链四，10-高精度质量块，11-无刷电机，12-连接板，13-第一转向连接板，14-第二转向连接板。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行进一步描述：
如图1至5所示，本发明所述的一种陀螺驱动的可重复展开的太阳能帆板主要包括陀螺框架盘(1)、第一支撑板(2)、无刷电机(11)、高精度质量块(10)、连接板(12)和第一转向连接板(13)。
所述陀螺驱动盒包括第一支撑板(2)、第二支撑板(3)、第三支撑板(4)、第四支撑板(5)，其中所述第一支撑板(2)一端和第二支撑板(3)一端通过两个连接角码固定在一起，第一支撑板(2)的另一端和第四支撑板(5)的一端通过两个连接角码连接，第二支撑板(3)的另一端和第三支撑板(4)的一端通过两个角码连接，同时第三支撑板(4)的另一端和第四支撑板(5)的另一端通过两个角码连接在一起，其中第一、三支撑板是长、宽、高为10m×8m×0.3m的长方体，第二、四支撑板是长、宽、高为8m×3m×0.3m的长方体。
所述陀螺转子系统包括无刷电机(11)、高精度质量块(10)，所述高精度质量块和无刷电机通过螺栓连接，同时所述陀螺转子系统通过三个螺栓固定在转子调向系统上的连接板(12)上。
所述转子调向系统包括第一转向连接板(13)、第二转向连接板(14)、连接板(12)，所述连接板(12)和第一转向连接板(13)通过四个连接角码固定，连接板(12)和第二转向连接板(14)同理也通过四个连接角码连接，其中第一、二转向连接板是长、宽、高为1.5m×1.5m×0.3m的长方体，连接板是长、宽、高为8.8m×1.5m×0.3m的长方体。
所述陀螺转子调向系统通过第一、第二转向连接板上的滑槽来调整转子角动量的方向。第一转向连接板(13)通过两个螺栓固定于第二支撑板(3)，同理第二转向连接板(14)通过两个螺栓固定于第四支撑板(5)，以便实现对转子角动量调向后的固定。
所述陀螺框架盘(1)与卫星安装的可调速直流电机通过齿轮传动连接，以便实现陀螺框架盘以一定转速转动。
所述陀螺框架盘(1)和第一陀螺驱动盒通过铰链一(6)、铰链二(7)连接，以便实现陀螺驱动盒的展开收回运动。
所述第一陀螺驱动盒和第二陀螺驱动盒通过铰链三(8)、铰链四连接(9)。工作原理及过程：
根据陀螺进动原理，当陀螺以角速度ω绕其对称轴高速自转时，若同时以角速度Ω进动，则由赖柴耳定理及陀螺的近似理论知，此时作用于陀螺的外力矩就为：M0＝Ω×JZω而陀螺力矩MG＝M0＝JZω×Ω。式中JZ是陀螺对自转轴z的转动惯量。
本发明，太阳能帆板由图2(a)、2(b)初始收拢状态到图1展开状态，是通过首先调整好每个陀螺盒体转子角动量的方向，第一陀螺盒体角动量方向与陀螺框架盘角速度Ω方向的夹角约为135度，第二陀螺盒体角动量方向与陀螺框架盘角速度Ω方向的夹角约为135度。其次通过STM32单片机编程输出PWM波驱动无刷电机带动高精度质量块也即转子系统以高速角速度ω(顺着转子对称轴看去初始状态即图2(a)、2(b)状态两个转子角速度方向均为逆时针方向)实现陀螺绕其对称轴高速自转，然后通过伺服电机带动陀螺框架盘以角速度Ω(逆时针)转动，实现陀螺以角速度Ω进动，根据陀螺近似理论，即可实现太阳能帆板由图2(a)、2(b)初始收拢状态到图1的展开状态。
同时若要太阳能帆板由图1转开状态变为图2(a)、2(b)初始收拢状态，同理由陀螺进动性仍然可以实现，不同的是由于由图2(a)、2(b)到图1后，陀螺盒体的每个转子的角动量方向发生了变化，具体角动量方向的变化在图1，图2(a)、2(b)均已标明，此时，只需要让带动陀螺框架盘的的伺服电机反转即可实现由图1展开状态到图2(a)、2(b)收拢状态，由此可以根据陀螺进动原理实现太阳能帆板的重复展开。

Claims (4)

1.一种陀螺驱动的可重复展开的太阳能帆板，其特征在于，由陀螺转子系统、转子调向系统、陀螺驱动盒和陀螺框架盘组成；
所述陀螺驱动盒包括第一支撑板、第二支撑板、第三支撑板和第四支撑板，太阳能帆板根据需要附着于各支撑板上，所述第一支撑板一端和第二支撑板一端通过连接角码固定在一起，第一支撑板的另一端和第四支撑板的一端通过两个连接角码连接，第二支撑板的另一端和第三支撑板的一端通过角码连接，第三支撑板的另一端和第四支撑板的另一端通过角码连接在一起；
所述陀螺转子系统包括无刷电机和高精度质量块，所述高精度质量块和无刷电机通过螺栓连接，高精度质量块和无刷电机经过高精度动平衡处理后组成转子系统；
所述转子调向系统包括第一转向连接板、第二转向连接板和连接板，所述连接板和第一转向连接板通过一组连接角码固定，连接板和第二转向连接板通过另一组连接角码连接；
所述陀螺转子系统通过螺栓固定在转子调向系统上的连接板上，以便实现改变角动量方向的目的；
所述陀螺转子系统的第一转向连接板通过螺栓固定于第二支撑板，第二转向连接板通过螺栓固定于第四支撑板，以便实现调整方向后对陀螺转子系统的固定；
所述陀螺框架盘和第一陀螺驱动盒通过铰链一、铰链二连接；
所述第一陀螺驱动盒和第二陀螺驱动盒通过铰链三、铰链四连接；
所述陀螺框架盘与卫星本体中的可调速直流电机连接。
2.根据权利要求1所述的一种陀螺驱动的可重复展开的太阳能帆板，其特征在于：所述转子调向系统与陀螺驱动盒两侧设有滑槽用来按需求调整转子角动量方向，每侧用两个螺栓固定调整好的位置。
3.根据权利要求1所述的一种陀螺驱动的可重复展开的太阳能帆板，其特征在于：所述陀螺驱动盒通过两个铰链与陀螺框架盘进行铰接，同时所述陀螺驱动盒之间也是通过两个铰链进行铰接。
4.根据权利要求1所述的一种陀螺驱动的可重复展开的太阳能帆板，其特征在于：所述陀螺转子系统通过三个螺栓固定于转子调向系统中的连接板上。
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