CN110697083B - 利用高温超导永磁交互作用力操控微小卫星组态的模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用高温超导永磁交互作用力操控微小卫星组态的模拟装置，涉及微小卫星组态调节技术领域，其包括并排悬浮的永磁载台和超导载台，永磁载台上固定连接有转轴永磁体，在转轴永磁体的两侧固定有改变转轴永磁体磁场的变场导磁杆，超导载台上转动连接有置于第一液氮盒中的转轴超导体；超导载台中设置有旋转轴及限位装置，使超导载台可相对转轴超导体旋转一定角度；永磁载台和超导载台之间设置有通过磁通钉扎效应交互作用的初始定位组件和末位定位组件；永磁载台和超导载台上分别独立设置有第一飞轮组件和第二飞轮组件。该发明解决了现有技术中调节微小卫星组态只能通过消耗星体自身携带的燃料来实现导致星体在轨寿命短的问题。

Description

利用高温超导永磁交互作用力操控微小卫星组态的模拟装置

技术领域

本发明涉及微小卫星组态调节技术领域，特别是涉及一种利用高温超导永磁交互作用力操控微小卫星组态的模拟装置。

背景技术

微小卫星簇群飞行在合成孔径望远镜、太空通讯等方面有广阔的应用前景。这种应用同时也要求卫星簇群之间具有自主保持相互空间位置，同时还要具有调节微小卫星簇群组合构型的能力。调节卫星组态的传统方法是通过消耗星体自身携带燃料来实现的。由于星体携带燃料能力有限，为尽可能延长星体在轨寿命，需要寻找到新的微小卫星簇的组态维持及组态操控技术。

由于高温超导体和永磁体之间磁通钉扎效应的存在，会在两者之间产生磁通钉扎力。该力具有回复力的性质，能够使高温超导体和磁体之间实现自稳定交互作用，亦即当高温超导体与永磁体在一定距离上场冷并转变为超导态时，二者间相互作用力为零，此时为初始态；当二者间距从初始态增大，二者间相互作用力表现为吸引力，且吸引力会随距离的进一步增加而迅速减小；反之，当二者间距从初始态减小，二者间表现为排斥力，排斥力随距离的减小而近乎呈指数关系增大。该特性可以保持二者相互空间位置的动态稳定。高温超导体通常是指超导临界温度在液氮温度(77K)以上超导的材料。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种利用高温超导永磁交互作用力操控微小卫星组态的模拟装置，解决了现有技术中调节微小卫星组态只能通过消耗星体自身携带的燃料来实现导致星体在轨寿命短的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

提供一种利用高温超导永磁交互作用力操控微小卫星组态的模拟装置，其包括并排悬浮的永磁载台和超导载台，永磁载台上固定连接有转轴永磁体，超导载台上转动连接有置于第一液氮盒中且与转轴永磁体轴线平行的转轴超导体，转轴超导体整体位于转轴永磁体的磁场中；永磁载台和超导载台之间设置有通过磁通钉扎效应交互作用的初始定位组件和末位定位组件；永磁载台和超导载台上分别独立设置有第一飞轮组件和第二飞轮组件。

进一步地，转轴永磁体上设置有通过改变其磁场分布来增加转轴超导体绕转轴永磁体公转阻力的变场导磁杆，具体地，通过设置的变场导磁杆使得公转阻力大于自转阻力，使超导载台绕着转抽超导体的自转优先于公转，完成设定的自转旋转角。然后，通过继续利用飞轮组件旋转产生的转矩克服公转阻力，控制并调节转轴超导体围绕着转轴永磁体公转的角度，进而准确控制超导载台公转的角度，提高本装置的可控性。

进一步地，变场导磁杆包括中部的导磁金属杆和固定于导磁金属杆两端的不导磁金属杆，且在转轴永磁体的两侧对称分布有两根变场导磁杆。变场导磁杆中间的导磁金属杆能够减弱邻近区域的磁场强度，使得转轴超导体在绕着转轴永磁体公转过程中，转轴超导体的中间部分经历的磁场强度逐渐增强而两端经历的磁场强度基本保持不变，从而使超导载台绕转轴永磁体公转时会产生一定的阻力。

进一步地，转轴超导体上设置有限制超导载台相对于转轴超导体自转的角度限位装置。通过角度限位装置来准确控制超导载台相对于转轴超导体自转的角度，进一步提高了本装置的可控性。

进一步地，角度限位装置包括固定于转轴超导体上的限位杆，在超导载台相对于转轴超导体自转过程中，限位杆的两端能够分别与第一液氮盒两个相邻且垂直的侧面抵接。结构简单，限位可靠，降低成本。

进一步地，初始定位组件包括第一钉扎永磁体和第一钉扎超导体，第一钉扎永磁体与第一钉扎超导体在同轴时能够产生磁通钉扎效应；

末位定位组件包括第二钉扎永磁体和第二钉扎超导体，第二钉扎永磁体与第二钉扎超导体在同轴时能够产生磁通钉扎效应；

第一钉扎永磁体和第二钉扎永磁体均固定于永磁载台上，第一钉扎超导体和第二钉扎超导体固定于超导载台上，第一钉扎超导体和第二钉扎超导体分别固定于第二液氮盒和第三液氮盒中。

进一步地，第一钉扎永磁体与第二钉扎永磁体的轴线相互垂直且分别位于转轴永磁体所在转角的两侧；第一钉扎超导体与第二钉扎超导体的轴线相互垂直且分别位于转轴超导体所在转角的两侧。进而准确定位超导载台相对于永磁载台的旋转初始位置和末位位置。

进一步地，第一飞轮组件和第二飞轮组件均包括飞轮，飞轮固定连接于驱动电机的输出轴上，驱动电机安装于对应的永磁载台或超导载台上。两个飞轮的反向旋转，为永磁载台和超导载台的相对运动提供驱动力。

进一步地，永磁载台和超导载台的下方设置有多孔面板，多孔面板上密集设置有供气流穿过的通孔，多孔面板的下方设置有喷气装置。通过喷气装置向多孔面板喷气，气体穿过多孔面板上密集分布的通孔，通过气流使永磁载台和超导载台均处于漂浮状态，以达到近似模拟空间环境下微小卫星间的交互作用状态，使其能够在实验室进行可行性研究。

本发明的有益效果为：永磁载台上的转轴永磁体在其柱面方向等半径空间位置提供等强度磁场，使得超导载台上的转轴超导体能够沿转轴永磁体产生的等强度磁场面作无阻旋转运动，通过设置的初始定位组件和末位定位组件来对超导载台旋转的位置进行限位，防止转动过程中永磁载台与超导载台产生碰撞。并且，初始定位组件和末位定位组件能在飞轮组件停止工作时，通过超导永磁的交互作用保持系统状态的自稳定。通过将超导载台和永磁载台固定到不同的微小卫星中即可操控微小卫星的组态。

由于超导载台围绕转轴永磁体公转阻力大于围绕转轴超导体自转的摩擦阻力，通过第二飞轮组件中飞轮的逆时针旋转产生的转矩能够克服初始定位组件的限位作用，使得超导载台绕转轴超导体的自转得以优先完成，同时为避免永磁载台跟随超导载台运动，在永磁载台上安装有第一飞轮组件，通过第一飞轮组件中飞轮的顺时针转动产生的与超导载台相反的驱动力来稳定永磁载台的位置。

转轴超导体转动连接于超导载台上，当超导载台绕着转轴超导体的自转达到角度限位装置限定角度时，自转过程停止，通过继续驱动第二飞轮组件中飞轮的转动产生的转矩来克服公转阻力，使超导载台绕着转轴永磁体公转，从而增大超导载台的旋转角度，增大超导载台相对于永磁载台位置的操控范围，进而增大了分别安装有永磁载台和超导载台的微小卫星的组态调节范围。

附图说明

图1为利用高温超导永磁交互作用力操控微小卫星组态的模拟装置的俯视图。

图2为利用高温超导永磁交互作用力操控微小卫星组态的模拟装置前视图。

图3为永磁载台的立体图。

图4为超导载台的立体图。

图5为超导载台绕着转轴超导体自转90°后的位置分布图。

图6为超导载台绕着转轴永磁体公转90°后的位置分布图。

图7为转轴永磁体的俯视图。

图8为图7中A-A方向的剖视图。

图9为图7和图8中从W0到W5各点沿Z轴方向的磁场分布变化示意图。

其中，1、永磁载台；11、转轴永磁体；2、超导载台；21、转轴超导体；22、第一液氮盒；3、变场导磁杆；31、导磁金属杆；32、不导磁金属杆；4、第一飞轮组件；5、第二飞轮组件；6、初始定位组件；61、第一钉扎永磁体；62、第一钉扎超导体；63、第二液氮盒；7、末位定位组件；71、第二钉扎永磁体；72、第二钉扎超导体；73、第三液氮盒；8、角度限位装置；81、限位杆；9、多孔面板。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1、图2所示，该利用高温超导永磁交互作用力操控微小卫星组态的模拟装置包括并排悬浮的永磁载台1和超导载台2，永磁载台1和超导载台2均为方形板。如图3所示，在永磁载台1的一个直角处固定连接有转轴永磁体11，转轴永磁体11的轴线垂直于永磁载台1的台面；如图4所示，对应的在超导载台2的一个直角处转动连接有置于第一液氮盒22中且与转轴永磁体11轴线平行的转轴超导体21。

转轴超导体21由多块同尺寸的圆柱状高温超导块重叠而成，并使得使得转轴超导体21位于转轴永磁体11的磁场中。高温超导体工作于77K左右，该温度环境通过液氮提供。

转轴永磁体11在其柱面方向等半径空间位置提供等强度磁场，处于液氮环境中的转轴超导体21进入超导态后，由于抗磁性和磁通钉扎效应的作用，在无变场导磁杆作用时，转轴超导体21能够沿着转轴永磁体11等强度磁场面作无阻旋转运动。

永磁载台1和超导载台2之间设置有通过磁通钉扎效应交互作用的初始定位组件6和末位定位组件7，图1中所示的是永磁载台1和超导载台2的初始位置，此时通过初始定位组件6使永磁载台1和超导载台2的位置固定；图6为本实施例中永磁载台1和超导载台2的末位位置，此时通过末位定位组件7使永磁载台1和超导载台2的位置固定。

初始定位组件6包括第一钉扎永磁体61和第一钉扎超导体62，第一钉扎永磁体61与第一钉扎超导体62在同轴时能够产生磁通钉扎效应。末位定位组件7包括第二钉扎永磁体71和第二钉扎超导体72，第二钉扎永磁体71与第二钉扎超导体72在同轴时能够产生磁通钉扎效应。第一钉扎永磁体61和第二钉扎永磁体71均固定于永磁载台1上，第一钉扎超导体62和第二钉扎超导体72固定于超导载台2上，第一钉扎超导体62和第二钉扎超导体72分别固定于第二液氮盒63和第三液氮盒73中。

在第一钉扎永磁体61与第一钉扎超导体62靠近时两者同轴，即第一钉扎永磁体61的N-S极与第一钉扎超导体62的轴线重合，同理，在第二钉扎永磁体71与第二钉扎超导体72靠近时两者也同轴。

在永磁载台1和超导载台2的初始位置时，通过液氮冷却第一钉扎超导体62使之进入超导态后，通过第一钉扎超导体62与第一钉扎永磁体61的高温超导永磁交互作用使永磁载台1和超导载台2实现空间位置的自稳定；在永磁载台1和超导载台2的末位位置时，通过液氮冷却第二钉扎超导体72使之进入超导态后，通过第二钉扎超导体72与第二钉扎永磁体71的高温超导永磁交互作用使永磁载台1和超导载台2实现空间位置的自稳定。

本实施例中，是通过超导载台2绕着转轴超导体21自转90°后，再通过转轴超导体21绕着转轴永磁体11公转90°，来达到超导载台2相对于永磁载台1旋转180°的目的。所以如图1所示，第一钉扎永磁体61与第二钉扎永磁体71的轴线相互垂直且分别位于转轴永磁体11所在转角的两侧；第一钉扎超导体62与第二钉扎超导体72的轴线相互垂直且分别位于转轴超导体21所在转角的两侧，通过该布局，以及初始定位组件6和末位定位组件7各自的超导永磁交互作用分别完成在0°和180°处的定位作用。

转轴超导体21上设置有限制超导载台2相对于转轴超导体21自转的角度限位装置8。角度限位装置8包括固定于转轴超导体21上的限位杆81，限位杆81的两端能够分别与第一液氮盒22两个相邻且垂直的侧面抵接，通过抵接处的阻挡作用，来对超导载台2相对于转轴超导体21自转的角度进行定位。

由于超导载台2绕转轴超导体21的自转存在滑动摩擦阻力，为了确保超导载台2克服其滑动摩擦阻力完成围绕着转轴超导体21自转90°，在转轴永磁体11上设置有通过改变转轴永磁体11的磁场分布来增加转轴超导体21绕转轴永磁体11公转阻力的变场导磁杆3。

如图7、图8所示，变场导磁杆3包括中部的导磁金属杆31和固定于导磁金属杆两端的不导磁金属杆32，导磁金属杆31为采用碳钢等导磁材料制成的金属杆，不导磁金属杆32为采用黄铜等不导磁材料制成的金属杆。在转轴永磁体11的两侧对称分布有两根变场导磁杆3。

如图9所示，变场导磁杆3的导磁金属杆31能够减弱邻近区域的磁场强度，使得转轴超导体21在绕着转轴永磁体11公转过程中，转轴超导体21的中间部分经历的磁场强度逐渐增强且两端经历的磁场强度基本保持不变，从而使得转轴超导体21在临近变场导磁杆3区域场冷后，转轴超导体21绕转轴永磁体11的公转产生阻力，当该公转阻力大于超导载台2绕转轴超导体21自转阻力时，自转过程才能实现，从而才能保证公转及自转均能分别达到90°旋转角度的要求。

在自转与公转分别完成90°，总体完成180°旋转的过程中，装置实现初始定位组件6的钉扎超导体与钉扎磁体的脱钉扎，以及末位定位组件7进入钉扎交互作用的自稳定态。

永磁载台1和超导载台2上分别独立设置有第一飞轮组件4和第二飞轮组件5。第一飞轮组件4和第二飞轮组件5均包括飞轮，飞轮固定连接于驱动电机的输出轴上，驱动电机分别安装于对应的永磁载台1和超导载台2上。永磁载台1和超导载台2还分别安装有给对应驱动电机供能的电源，以及电源转换装置、驱动电机控制装置等常规装置，使直流的蓄电池电源能够带动驱动电机旋转，驱动电机带动飞轮转动。

通过将永磁载台1和超导载台2固定到不同的微小卫星中，即可操控微小卫星的组态。在太空中，永磁载台1和超导载台2会自然处于漂浮状态下，若在实验室试验过程中，可通过在永磁载台1和超导载台2的下方设置有多孔面板9，多孔面板9上密集设置有供气流穿过的通孔，多孔面板9的下方设置有喷气装置，通过喷气装置喷吹气流来克服重力托起永磁载台1和超导载台2，进而模拟在太空中的悬浮状态。

使用时，首先让永磁载台1和超导载台2处于悬浮状态，使第二钉扎永磁体71与第二钉扎超导体72同轴且两者间距为预设的工作间距30mm，永磁载台1和超导载台2的分布位置为图6所示，然后向第三液氮盒73中注入液氮，使第二钉扎超导体72进入超导态并俘获第二钉扎永磁体71的磁场。

将永磁载台1和超导载台2重新布置成如图1所示的状态，第一钉扎永磁体61与第一钉扎超导体62同轴且两者间距为预设的工作间距30mm，转轴永磁体11与转轴超导体21轴线平行，然后向第一液氮盒22和第二液氮盒63中注入液氮，使转轴超导体21和第一钉扎超导体62均进入超导态，转轴超导体21与转轴永磁体11进入超导永磁交互作用状态，第一钉扎永磁体61与第一钉扎超导体62进入超导永磁交互作用状态。由于第一钉扎永磁体61与第一钉扎超导体62的超导永磁交互作用，使得永磁载台1和超导载台2进入初始自稳定工作状态。

启动第二飞轮组件5使其飞轮逆时针旋转，同时启动第一飞轮组件4中的飞轮顺时针旋转，在旋转转矩作用下，第一钉扎永磁体61与第一钉扎超导体62脱钉扎。由于变场导磁杆3增加了超导载台2相对永磁载台1沿顺时针方向公转的阻力，超导载台2绕着转轴超导体21自转，并转动90°后，由于限位杆81与第一液氮盒22的侧面抵接，自转过程受到限制，在飞轮旋转力矩作用下，超导载台2克服变场导磁杆3导致的阻力相对永磁载台1沿顺时针方向公转。

当公转90°以后，第二钉扎永磁体71与第二钉扎超导体72靠近并进入交互作用状态后，飞轮组件停止工作，通过第二钉扎永磁体71与第二钉扎超导体72以及转轴超导体21与转轴永磁体11的超导永磁交互作用下，使超导载台2与永磁载台1再次进入自稳定交互作用状态，由此完成超导载台2相对于永磁载台1旋转180°的组态转变过程，如图6所示。

Claims (9)

1.一种利用高温超导永磁交互作用力操控微小卫星组态的模拟装置，其特征在于，包括并排悬浮的永磁载台(1)和超导载台(2)，所述永磁载台(1)上固定连接有转轴永磁体(11)，所述超导载台(2)上转动连接有置于第一液氮盒(22)中且与所述转轴永磁体(11)轴线平行的转轴超导体(21)，所述转轴超导体(21)整体位于所述转轴永磁体(11)的磁场中；

所述永磁载台(1)和所述超导载台(2)之间设置有通过磁通钉扎效应交互作用的初始定位组件(6)和末位定位组件(7)；

所述永磁载台(1)和所述超导载台(2)上分别独立设置有第一飞轮组件(4)和第二飞轮组件(5)。

2.根据权利要求1所述的利用高温超导永磁交互作用力操控微小卫星组态的模拟装置，其特征在于，所述转轴永磁体(11)上设置有通过改变其磁场分布来增加所述转轴超导体(21)绕所述转轴永磁体(11)公转阻力的变场导磁杆(3)。

3.根据权利要求2所述的利用高温超导永磁交互作用力操控微小卫星组态的模拟装置，所述变场导磁杆(3)包括中部的导磁金属杆(31)和固定于导磁金属杆两端的不导磁金属杆(32)；在所述转轴永磁体(11)的两侧对称分布有两根所述变场导磁杆(3)。

4.根据权利要求1或2所述的利用高温超导永磁交互作用力操控微小卫星组态的模拟装置，其特征在于，所述转轴超导体(21)上设置有限制所述超导载台(2)相对于所述转轴超导体(21)自转的角度限位装置(8)。

5.根据权利要求4所述的利用高温超导永磁交互作用力操控微小卫星组态的模拟装置，其特征在于，所述角度限位装置(8)包括固定于所述转轴超导体(21)上的限位杆(81)，在所述超导载台(2)相对于所述转轴超导体(21)自转过程中，所述限位杆(81)的两端能够分别与所述第一液氮盒(22)两个垂直的侧面抵接。

6.根据权利要求1所述的利用高温超导永磁交互作用力操控微小卫星组态的模拟装置，其特征在于，所述初始定位组件(6)包括第一钉扎永磁体(61)和第一钉扎超导体(62)，所述第一钉扎永磁体(61)与所述第一钉扎超导体(62)在同轴时能够产生磁通钉扎效应；

所述末位定位组件(7)包括第二钉扎永磁体(71)和第二钉扎超导体(72)，所述第二钉扎永磁体(71)与所述第二钉扎超导体(72)在同轴时能够产生磁通钉扎效应；

所述第一钉扎永磁体(61)和所述第二钉扎永磁体(71)均固定于所述永磁载台(1)上，所述第一钉扎超导体(62)和所述第二钉扎超导体(72)固定于所述超导载台(2)上，所述第一钉扎超导体(62)和第二钉扎超导体(72)分别固定于第二液氮盒(63)和第三液氮盒(73)中。

7.根据权利要求6所述的利用高温超导永磁交互作用力操控微小卫星组态的模拟装置，其特征在于，所述第一钉扎永磁体(61)与所述第二钉扎永磁体(71)的轴线相互垂直且分别位于所述转轴永磁体(11)所在转角的两侧；所述第一钉扎超导体(62)与所述第二钉扎超导体(72)的轴线相互垂直且分别位于所述转轴超导体(21)所在转角的两侧。

8.根据权利要求1所述的利用高温超导永磁交互作用力操控微小卫星组态的模拟装置，其特征在于，所述第一飞轮组件(4)和第二飞轮组件(5)均包括飞轮，所述飞轮固定连接于驱动电机的输出轴上，所述驱动电机安装于对应的永磁载台(1)或超导载台(2)上。

9.根据权利要求1所述的利用高温超导永磁交互作用力操控微小卫星组态的模拟装置，其特征在于，所述永磁载台(1)和所述超导载台(2)的下方设置有多孔面板(9)，所述多孔面板(9)上密集设置有供气流穿过的通孔，所述多孔面板(9)的下方设置有喷气装置。

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