CN112977884B - 一种晨昏轨道的帆板遮阳式双超卫星平台系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种晨昏轨道的帆板遮阳式双超卫星平台系统，可展开大型柔性遮阳帆板包括薄膜电池、柔性帆板基板、双梁式展开机构、导电环、驱动电机；主从非接触超高精度超高稳定度指向确定机构包括磁悬浮执行器驱动电路、非接触磁悬浮执行器、高精度位置测量敏感器、位置数据采集电路；薄壁桁架承力筒式平台舱体包括全碳纤维树脂基复合材料承力筒、舱体框架、底板、中板、顶板以及若干侧板。本发明所涉及的晨昏轨道的帆板遮阳式主从非接触双超卫星平台构型设计方法的载荷热稳定性高、平台太阳帆供电能力强、载荷具有超高指向精度和超高稳定度，适用于空间望远镜、空间太阳能电站、对地高分辨率成像卫星、激光探测与激光通信卫星。

Description

一种晨昏轨道的帆板遮阳式双超卫星平台系统

技术领域

本发明涉及卫星领域，具体地，涉及一种晨昏轨道的帆板遮阳式双超卫星平台系统。

背景技术

晨昏轨道因其具有相对稳定的光照条件，对卫星有效载荷、能源和热控系统的功能实现非常有利，目前传统卫星大部分采用体装式或单翼、双翼、多翼的太阳帆板，受制于帆板面积增大对整星挠性干扰的增大效应，当前在轨的卫星少有采用帆板遮阳的方式为有效载荷或卫星平台提供低温热控制或完全黑暗的光线条件。

专利文献为US 6454215的发明专利提供了一种无扰载荷的卫星结构方案，将遮阳薄膜(Sun Shield)作为卫星载荷遮挡热辐射的一种解决方法，这种薄膜仅具有遮挡太阳光辐射的功能，不具有太阳帆板对卫星进行充电的功能，为实现以上两种功能的综合，同时降低大面积遮阳薄膜的扰动对卫星有效载荷的影响，提出了本发明所述帆板遮阳式主从非接触双超卫星平台构型设计方法。

目前该卫星平台构型设计及样机试验结果表明，载荷实测指向精度达到万分之一度，稳定度达到百万分之一度每秒，比专利(US 6454215)所述卫星提高10倍；与专利(US6454215)相比，平台供电能力和载荷工作的热稳定性显著提升。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种晨昏轨道的帆板遮阳式双超卫星平台系统。

根据本发明提供的一种晨昏轨道的帆板遮阳式双超卫星平台系统，包括可展开大型柔性遮阳帆板、主从非接触超高精度超高稳定度指向确定机构、薄壁桁架承力筒式平台舱体以及高刚度轻量化载荷模组，其中：

可展开大型柔性遮阳帆板用于遮挡空间热辐射，保持卫星有效载荷的热环境稳定，并通过光电转换提供电能；

主从非接触超高精度超高稳定度指向确定机构用于卫星平台对高刚度轻量化载荷模组进行多自由度高精度控制；

薄壁桁架承力筒式平台舱体用于为可展开大型柔性遮阳帆板和主从非接触超高精度超高稳定度指向确定机构提供安装结构、传力路径、能源和信息传输服务；

高刚度轻量化载荷模组安装在主从非接触超高精度超高稳定度指向确定机构上。

优选地，可展开大型柔性遮阳帆板包括纳米薄膜太阳能电池、柔性帆板基板，柔性帆板基板上平铺纳米薄膜太阳能电池。

优选地，纳米薄膜太阳能电池采用纳米硅基薄膜(101)材料沉积在聚酰亚胺基底(102)上形成。

优选地，柔性帆板基板设置在双梁式展开机构上，通过双梁式展开机构实现展开和收拢。

优选地，还包括导电环，导电环在双梁式展开机构与薄壁桁架承力筒式平台舱体之间传输电能与信号。

优选地，主从非接触超高精度超高稳定度指向确定机构包括非接触磁悬浮执行器、磁悬浮机构驱动器、高精度位置测量敏感器以及位置数据采集电路，其中：

磁悬浮机构驱动器与非接触磁悬浮执行器的电路连接；

高精度位置测量敏感器进行执行机构的输出力效果测量，并通过位置数据采集电路进行采集和数据处理。

优选地，薄壁桁架承力筒式平台舱体通过复合材料承力筒，将底板、中板、顶板和舱体框架连接并构建成一个分层分舱段的箱式结构。

优选地，采用无接头一体式空心碳纤维管材的舱体框架为承力筒结构提供加强，并将底板、中板、顶板与承力筒连接成闭合舱体。

优选地，可展开大型柔性遮阳帆板安装在舱体的中板和舱体框架上；

顶板用于主从非接触超高精度超高稳定度指向确定机构的安装；

底板上安装有卫星的推进系统，为卫星姿态的保持和轨道的维持提供动力；

还包括若干侧板，侧板用于测控天线、数传天线、GPS天线的安装。

优选地，高刚度轻量化载荷模组包括基准板、一级光机组件、连接杆、连接接头、二级光机组件以及温度采集传感器，其中：

基准板用于安装一级光机组件和主从非接触超高精度超高稳定度指向确定机构；

高比刚度连接杆用于基准板与二级光机组件之间的连接；

连接接头用于将各连接杆组合成一个高刚度轻量化的整体结构；

温度采集传感器采用分布式测温组合，用于监测帆板遮阳后高刚度轻量化载荷模组的温度特征曲线。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明解决卫星超高精度超高稳定度指向以及星上大型载荷在轨热变形的问题，且当前除了常规热变形控制手段之外尚未有抑制卫星平台及大型有效载荷微小热变形的有效手段。

2、本发明可为卫星大型有效载荷提供稳定的热环境，满足卫星大型有效载荷热变形控制的需要，适用于晨昏轨道的空间望远镜卫星、空间太阳能电站、对地高分辨率成像卫星、激光探测与通信卫星的要求。

3、本发明利用可展开大型柔性遮阳帆板，可通过纳米硅基薄膜材料的太阳能电池及其柔性基板实现遮阳和发电两种功能，且柔性遮阳帆板的可用面积远大于传统刚性布片的三结砷化镓太阳帆板，能量转换效率极大提高。

4、本发明采用主从非接触超高精度超高稳定度指向确定机构隔绝卫星平台与有效载荷之间的干扰，使得载荷的指向精度达到万分之一度，稳定度达到百万分之一度每秒，相比传统卫星构型具有超精超稳的优势。

5、本发明采用复合材料结构和无接头一体式空心碳纤维框架等对平台进行减重设计，使得卫星承载能力极大增强，能够经受住不同运载火箭的运输环境。

6、本发明充分解决了面向太阳同步晨昏轨道的双超卫星平台帆板遮阳和薄膜电池充电、挠性干扰隔离和大型有效载荷热变形控制等技术问题。

7、本发明应用广泛，适用于但不限于未来空间望远镜、空间太阳能电站卫星、商业对地高分辨率成像卫星、空间激光探测与通信卫星。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明帆板遮阳式双超卫星平台系统的组成框图。

图2是本发明帆板遮阳式双超卫星平台系统的发射收拢示意图。

图3是本发明帆板遮阳式双超卫星平台系统的在轨工作原理图。

图4是本发明帆板遮阳式双超卫星平台系统的实施流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1至图4所示，本发明提供了一种晨昏轨道的帆板遮阳式双超卫星平台系统，包括可展开大型柔性遮阳帆板1、主从非接触超高精度超高稳定度指向确定机构2、薄壁桁架承力筒式平台舱体3以及高刚度轻量化载荷模组4，具体如下：

图1是本发明帆板遮阳式双超卫星平台系统的组成框图，如图1的实施例所示，该装置包括：

可展开大型柔性遮阳帆板1，用于遮挡空间热辐射，保持卫星有效载荷的热环境稳定，同时通过光电转换提供给卫星平台足够的电能，采用纳米硅基薄膜101材料沉积在聚酰亚胺基底102上，形成可折叠的纳米薄膜太阳能电池10；柔性帆板基板11上平铺纳米薄膜太阳能电池10。柔性薄膜厚度0.5μm，沉积在聚酰亚胺基底上，重量比功率极高。采用双梁式展开机构12作为柔性遮阳帆板1的收拢与展开结构；导电环13采用金属基固体润滑的铍青铜材料，在双梁式展开机构12与薄壁桁架承力筒式平台舱体3之间传输电能与信号；采用驱动电机14控制双梁式展开机构12上的可展开大型柔性遮阳帆板1在轨姿态调整，保障在飞行状态下太阳帆板对日定向且始终遮挡卫星有效载荷。

主从非接触超高精度超高稳定度指向确定机构2，用于卫星平台对高刚度轻量化载荷模组进行多自由度高精度控制；采用多个非接触磁悬浮执行器21实现多个方向的直接力输出；采用磁悬浮机构驱动器22与非接触磁悬浮执行器21的电路连接，实现非接触磁悬浮执行器的输出力开关控制和力的大小控制；保证卫星有效载荷与卫星平台之间的距离调整平稳精准；非接触磁悬浮执行器21用于调整卫星有效载荷与卫星平台之间的相对姿态，隔绝卫星平台与有效载荷之间的扰动，使有效载荷具有超高的指向精度和稳定度；采用高精度位置测量敏感器23进行执行机构的输出力效果测量，高精度位置测量敏感器23用于测量有效载荷与卫星平台之间的三维正交方向位置变化，并通过位置数据采集电路24进行采集和数据处理，保证超高精度超高稳定度指向确定机构的控制系统可靠性。位置数据采集电路24用于采集高精度测量敏感器23的三维正交位置变化，并引入卫星姿态控制回路，在星上计算机的控制下，实现指向机构的运动控制。

薄壁桁架承力筒式平台舱体3，用于为可展开大型柔性遮阳帆板1和主从非接触超高精度超高稳定度指向确定机构2提供安装结构、传力路径、能源和信息传输服务；采用T800高强度碳纤维一体绕制成型的复合材料承力筒31，将底板32、中板33、顶板34和舱体框架35连接并构建成一个分层分舱段的箱式结构；采用无接头一体式空心碳纤维管材的舱体框架35为承力筒结构提供加强，并将底板32、中板33、顶板34与承力筒31连接成闭合舱体；可展开大型柔性遮阳帆板1安装在舱体的中板33和舱体框架35上，此外，中板上还安装有用于为卫星平台服务的单机设备；顶板34用于非接触磁悬浮执行器21的安装，形成薄壁桁架承力筒式平台舱体3与高刚度轻量化载荷模组4之间的协同控制集群；若干侧板36用于测控天线、数传天线、GPS天线等外围单机设备的安装；底板32上安装有卫星的推进系统，为卫星姿态的保持和轨道的维持提供动力。

高刚度轻量化载荷模组4是帆板遮阳所保护的一种对热环境敏感的部组件，其中，基准板41采用超稳定铝基碳化硅材料打磨成型，安装一级光机组件42和主从非接触超高精度超高稳定度指向确定机构2；高比刚度连接杆43采用陶瓷基碳纤维增强复合材料，用于基准板41与二级光机组件45之间的连接；连接接头44采用高强度树脂基碳纤维增强复合材料，用于将各连接杆43组合成一个高刚度轻量化的整体结构；温度采集传感器46采用分布式测温组合，用于监测帆板遮阳后高刚度轻量化载荷模组4的温度特征曲线。

图2是本发明帆板遮阳式双超卫星平台构型的发射收拢示意图，如图2所示，本发明帆板遮阳式双超卫星平台构型呈正六边形柱体构型，组装后形成两个非接触的舱段，分别为薄壁桁架承力筒式平台舱体3和高刚度轻量化载荷模组4；可展开大型柔性遮阳帆板1收拢于薄壁桁架承力筒式平台舱体3的若干侧板36上。

图3是本发明帆板遮阳式双超卫星平台构型的在轨工作原理图，如图3所示，本发明帆板遮阳式双超卫星平台构型在卫星入轨姿态指向初步调整对日定向后，星上控制计算机在程控指令下解除锁紧机构对双梁式展开机构12的锁紧，驱动电机14控制双梁式展开机构12展开到位，并适时调整可展开大型柔性遮阳帆板1的姿态，以在轨遮挡太阳光直射向高刚度轻量化载荷模组4，由此形成本发明所述帆板遮阳式双超卫星平台构型。

图4是本发明帆板遮阳式双超卫星平台构型的实施流程图，如图4所示，该帆板遮阳式双超卫星平台构型的具体实施顺序为：步骤一，将承力筒31、底板32、中板33、顶板34和舱体框架35连接并构建成一个分层分舱段的箱式结构；步骤二，在所述箱式结构上安装用于为卫星平台服务的单机设备、磁悬浮机构驱动器22和驱动电机14，在顶板34上安装非接触磁悬浮执行器21；步骤三，在步骤二的基础上，将高刚度轻量化载荷模组4安装在非接触磁悬浮执行器21的一侧，并将舱体内的各设备单机电缆进行连接；步骤四，在步骤三的基础上安装若干侧板36进行封舱；步骤五，在步骤四的基础上安装可展开大型柔性遮阳帆板1，将其压紧在承力筒式平台舱体3的若干侧板36上，并安装测控天线、数传天线、GPS天线等外围单机设备；最后，将外围设备和舱内单机的电缆相连，便形成了本发明所述帆板遮阳式双超卫星平台构型。

本发明通过帆板遮阳式双超卫星平台构型将可展开大型柔性遮阳帆板、主从非接触超高精度超高稳定度指向确定机构、薄壁桁架承力筒式平台舱体和高刚度轻量化载荷模组的合理设计，使帆板面积和供电能力成倍增加，使得高刚度轻量化载荷模组的空间热环境更加稳定，指向精度进一步提升，首次同时实现柔性太阳能帆板遮挡太阳光辐射和聚能充电两种功能。本发明是一种具有高热稳定性、超高指向精度和超高稳定度、超大容量光电转化能力的非接触卫星平台，集成了非接触磁悬浮执行器、磁悬浮机构驱动器、位置测量敏感器、纳米薄膜太阳能电池、超精超稳无扰控制、精密位姿测量和先进纳米材料等技术。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (3)

1.一种晨昏轨道的帆板遮阳式双超卫星平台系统，其特征在于，包括可展开大型柔性遮阳帆板（1）、主从非接触超高精度超高稳定度指向确定机构（2）、薄壁桁架承力筒式平台舱体（3）以及高刚度轻量化载荷模组（4），其中：

可展开大型柔性遮阳帆板（1）用于遮挡空间热辐射，保持卫星有效载荷的热环境稳定，并通过光电转换提供电能；

主从非接触超高精度超高稳定度指向确定机构（2）用于卫星平台对高刚度轻量化载荷模组进行多自由度高精度控制；

薄壁桁架承力筒式平台舱体（3）用于为可展开大型柔性遮阳帆板（1）和主从非接触超高精度超高稳定度指向确定机构（2）提供安装结构、传力路径、能源和信息传输服务；

高刚度轻量化载荷模组（4）安装在主从非接触超高精度超高稳定度指向确定机构（2）上；

可展开大型柔性遮阳帆板（1）包括纳米薄膜太阳能电池（10）、柔性帆板基板（11），柔性帆板基板（11）上平铺纳米薄膜太阳能电池（10）；

柔性帆板基板（11）设置在双梁式展开机构（12）上，通过双梁式展开机构（12）实现展开和收拢；

还包括导电环（13），导电环（13）在双梁式展开机构（12）与薄壁桁架承力筒式平台舱体（3）之间传输电能与信号；

采用纳米硅基薄膜（101）材料沉积在聚酰亚胺基底（102）上，形成可折叠的纳米薄膜太阳能电池（10）；

采用驱动电机（14）控制双梁式展开机构（12）上的可展开大型柔性遮阳帆板（1）在轨姿态调整；

高刚度轻量化载荷模组（4）是帆板遮阳所保护的一种对热环境敏感的部组件；

高刚度轻量化载荷模组（4）包括基准板（41）、一级光机组件（42）、连接杆（43）、连接接头（44）、二级光机组件（45）以及温度采集传感器（46），其中：

基准板（41）用于安装一级光机组件（42）和主从非接触超高精度超高稳定度指向确定机构（2）；

高比刚度连接杆（43）用于基准板（41）与二级光机组件（45）之间的连接；

连接接头（44）用于将各连接杆（43）组合成一个高刚度轻量化的整体结构；

温度采集传感器（46）采用分布式测温组合，用于监测帆板遮阳后高刚度轻量化载荷模组（4）的温度特征曲线；

薄壁桁架承力筒式平台舱体（3）通过复合材料承力筒（31），将底板（32）、中板（33）、顶板（34）和舱体框架（35）连接并构建成一个分层分舱段的箱式结构；

可展开大型柔性遮阳帆板（1）安装在薄壁桁架承力筒式平台舱体（3）的中板（33）和舱体框架（35）上；

顶板（34）用于主从非接触超高精度超高稳定度指向确定机构（2）的安装；

底板（32）上安装有卫星的推进系统，为卫星姿态的保持和轨道的维持提供动力；

还包括若干侧板（36），侧板（36）用于测控天线、数传天线、GPS天线的安装。

2.根据权利要求1所述的晨昏轨道的帆板遮阳式双超卫星平台系统，其特征在于，主从非接触超高精度超高稳定度指向确定机构（2）包括非接触磁悬浮执行器（21）、磁悬浮机构驱动器（22）、高精度位置测量敏感器（23）以及位置数据采集电路（24），其中：

磁悬浮机构驱动器（22）与非接触磁悬浮执行器（21）的电路连接；

高精度位置测量敏感器（23）进行执行机构的输出力效果测量，并通过位置数据采集电路（24）进行采集和数据处理。

3.根据权利要求1所述的晨昏轨道的帆板遮阳式双超卫星平台系统，其特征在于，采用无接头一体式空心碳纤维管材的舱体框架（35）为承力筒结构提供加强，并将底板（32）、中板（33）、顶板（34）与承力筒（31）连接成闭合舱体。

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