CN113650812A - 一种火星探测器太阳能帆板除尘系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种火星探测器太阳能帆板除尘系统，包括火星探测器主体、太阳能帆板、连接装置、除尘装置、检测装置和除尘控制装置，除尘装置安装在太阳能帆板上，除尘控制装置安装在火星探测器主体内部，除尘控制装置用于控制除尘装置对太阳能帆板除尘，太阳能帆板通过连接装置与火星探测器主体相连。本申请的火星探测器器太阳能帆板除尘系统能及时清除火星探测器器太阳能帆板上的尘埃，确保太阳能帆板的转换效率处于高效状态，提高了火星探测器的使用寿命。
Description
技术领域
本申请涉及火星探测器太阳能帆板除尘技术领域，具体是涉及一种火星探测器器太阳能帆板除尘系统。
背景技术
火星探测器采用太阳电池翼，即太阳能帆板提供电能。火星上经常出现剧烈的火星风暴，在火星风的作用下整个火星弥漫着火星尘埃。火星尘埃通过范德华力和静电力的作用会积聚在太阳能帆板上，使电池的性能下降。火星开拓者(Mars Pathfinder)测试结果表明：积聚和粘附在太阳能帆板上的尘埃使太阳能帆板的转换效率每个火星日下降约0.28％。2年后，估计太阳能帆板的电性能下降将可达22％～89％。为保证火星探测器的工作寿命，必须对积聚在太阳能帆板表面的火星尘埃进行清除。
目前现有的除尘方式主要是风力除尘、刮板毛刷除尘和电磁除尘。首先，风力除尘可靠性不高，不适宜火星的恶劣环境条件。刮板毛刷除尘，结构复杂，使用寿命短。另外，电磁除尘效果不佳，可控性差。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请将声波能量应用于火星探测器的太阳能帆板，提出一种火星探测器太阳能帆板声波除尘系统，声波除尘相较以上除尘方式效果明显，适合火星的特殊环境，可以有效应对火星环境下太阳能帆板积尘的问题。
本申请通过两种声波与太阳能帆板的配合方式，有两种除尘模式。
第一种除尘模式以声表面波效应为作用原理。压电声波换能器产生高频声波，高频声波的频率范围是20kHz-80kHz,高频声波直接作用于火星尘颗粒，同时激励太阳能帆板面板产生微振动，以上两个因素共同作用使得尘粒与太阳能帆板的附着关系被破坏，由于火星的重力加速度仅为地球的三分之一，所以大部分尘粒飞扬进入周围气态介质，一部分被声波挟带随声波远离太阳能帆板垂直空间，少部分大粒径颗粒在声波作用下，与太阳能帆板的附着关系被破坏，但是由于重力作用和声波难以挟带的双重影响，仍停留在太阳能帆板。此时，配合太阳能帆板的姿态改变，将太阳能帆板改为垂直于火星表面姿态，此时称姿态2，仍然停留在太阳能帆板上的尘埃，在重力作用下掉落，达成除尘效果。
第二种除尘模式以声波团聚效应为作用原理。声波团聚效应作用于两个阶段。首先在姿态1，太阳能帆板平行于火星表面姿态，声表面波作用除尘时，一部分颗粒并没有在声波的激励和挟带作用下离开太阳能帆板进入空气，但是在声波和太阳能帆板激励振动下，颗粒也进行振动，此时颗粒并非与太阳能帆板附着而是分离状态，此时，大颗粒充当收集核，在小范围内产生声波团聚效应，分散的火星尘颗粒，逐渐团聚成更大粒子，之后太阳能帆板进入姿态2，尘埃集团更容易在重力的作用下，沉降、脱离太阳能帆板。其次，在进入姿态2后，太阳能帆板周围漂浮着很多火星尘，一部分来自原有的环境尘埃，另一部分来自声表面波作用下脱离太阳能帆板进入空气中的尘埃。压电声波换能器产生低频声波，低频声波的频率范围是1kHz-10kHz。
声波作用使得空气中悬浮的尘埃颗粒产生团聚效应，颗粒不断产生碰撞，在范德华力的作用下，形成大粒子团，最终沉降，使得空气中的尘埃得以消除。
具体技术方案为：
本申请提供一种火星探测器太阳能帆板除尘系统，其特征在于：包括火星探测器主体、太阳能帆板、连接装置、除尘装置、检测装置和除尘控制装置，除尘装置安装在太阳能帆板上，除尘控制装置安装在火星探测器主体内部，除尘控制装置用于控制除尘装置对太阳能帆板除尘，太阳能帆板通过连接装置与火星探测器主体相连。
进一步的，除尘装置为压电声波换能器，压电声波换能器用于产生声波，太阳能帆板两侧装有压电声波换能器。
进一步的，检测装置包括光敏传感器和风速传感器，光敏传感器用于测量太阳能帆板接光性能和判断太阳能帆板的翼面落尘程度，风速传感器安装在火星探测器主体外表面，太阳能帆板的下侧装有光敏传感器。
进一步的，所述连接装置为太阳能帆板转动轴，太阳能帆板通过太阳能帆板转动轴进行方向调整。
进一步的，除尘控制装置包括控制模块和核心处理器，控制模块和核心处理器均安装在火星探测器主体内部，核心处理器用于接受风速信息、声波作用时间及太阳能帆板的转动时机。
进一步的，每块太阳能帆板两侧分别装有压电声波换能器3-4个，声波换能器上装有指向性号筒，指向性号筒在控制模块作用下转变角度。
进一步的，还包括机动系统，火星探测器主体下侧连接机动系统，机动系统能实现火星探测器固定在地面或者机动行进。
与现有技术相比，本申请的有益效果在于：
1、太阳能帆板的转换效率直接关系到火星探测器的使用寿命，而火星风吹浮起的火星尘埃不断积聚在太阳能帆板的表面，降低转换效率，而本申请的火星探测器器太阳能帆板除尘系统能及时清除火星探测器器太阳能帆板上的尘埃，确保太阳能帆板的转换效率处于高效状态，提高了火星探测器的使用寿命。
2、借助火星上易于声波传播的大气环境，本申请的火星探测器器太阳能帆板除尘系统，相较于自然风除尘、振动除尘和静电除尘，具有除尘更彻底，持久性更强、操作简便的特点。
3、本申请提出二种声波除尘方案，利用声波的不同效应对不同状态的火星尘进行消除，适用性强。
4、本申请的声波除尘方法，通过改变声波的频率，作用于不同火星尘埃粒径颗粒，使得除尘粒径全覆盖。另外，本申请将声波作用与太阳能帆板姿态控制相结合，产生比使用其他除尘方法或单个除尘方法更佳的除尘效果。
5、本申请的火星探测器器太阳能帆板除尘系统，可以制成组装部件，无需改变太阳翼基础结构或将太阳能帆板分解成单个单元，便于安装组装。
附图说明
图1为本申请的火星探测器太阳能帆板除尘系统的整体结构示意图；
图2为本申请的火星探测器太阳能帆板除尘系统的内部结构示意图；
图3为本申请的火星探测器太阳能帆板除尘系统的太阳能帆板水平姿态侧视结构示意图；
图4为本申请的火星探测器太阳能帆板除尘系统的太阳能帆板竖直姿态侧视结构示意图；
图5为本申请的火星探测器太阳能帆板除尘系统的控制结构示意图。
附图标记：
1、太阳能帆板、2、光敏传感器、3、压电声波换能器、3.1、号筒、3.2、方向控制转轴、4、太阳能帆板转动轴、5、风速传感器、6、控制模块、7、核心处理器、8、机动系统。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图1-5对本申请作进一步的介绍。
从说明书附图1-2可知，本申请提供一种火星探测器太阳能帆板除尘系统，包括火星探测器主体、太阳能帆板1、连接装置、除尘装置、检测装置和除尘控制装置，除尘装置安装在太阳能帆板1上，除尘控制装置安装在火星探测器主体内部，除尘控制装置用于控制除尘装置对太阳能帆板除尘，太阳能帆板通过连接装置与火星探测器主体相连。
进一步的，除尘装置为压电声波换能器3，压电声波换能器3用于产生声波，太阳能帆板1两侧装有压电声波换能器3。
进一步的，检测装置包括光敏传感器2和风速传感器5，光敏传感器2用于测量太阳能帆板1的接光性能和判断太阳能帆板的翼面落尘程度，风速传感器5安装在火星探测器主体外表面，太阳能帆板1的下侧装有光敏传感器。
进一步的，所述连接装置为太阳能帆板转动轴4，太阳能帆板通过太阳能帆板转动轴4 进行方向调整。
进一步的，除尘控制装置包括控制模块6和核心处理器7，控制模块6和核心处理器7 均安装在火星探测器主体内部，核心处理器7用于接受风速信息、声波作用时间及太阳能帆板的转动时机。
进一步的，每块太阳能帆板1两侧分别装有压电声波换能器3-4个，声波换能器3上装有指向性号筒3.1，提高声波的指向性能，提高声能传播效率，在声波换能器下方与太阳能帆板连接处装有方向控制转轴3.2，使得声波换能器可以完成平行于太阳能帆板和垂直于太阳能帆板的姿态转换。方向控制转轴3.2在控制模块6作用下转变角度。可根据太阳能帆板的尺寸增加或减少换能器数量，随着换能器数量的增加相应的除尘速度和除尘效率会提高，但是成本也会增加。
进一步的，还包括机动系统8，火星探测器主体下侧连接机动系统8，机动系统8能实现火星探测器固定在地面或者机动行进。本申请中所述机动系统8对整个火星探测器起支撑和移动的作用，所用材料为钛合金、钨钼和低碳合金钢等。
本申请的一种火星探测器太阳能帆板除尘系统对火星探测器太阳能帆板进行除尘，包括如下步骤：
1)检测装置中的光敏传感器2实时检测太阳能帆板1单位面积光能接收量，传递给除尘控制装置的核心处理器7，核心处理器7计算得到太阳能帆板1的落尘量和太阳能帆板1的工作效率，太阳能帆板的工作效率：
其中，S1为太阳能帆板的总接光面积，S2是太阳能帆板上的落尘面积，S3为太阳能帆板的剩余接光面积；
2)如果太阳能帆板1的工作效率低于50％，除尘控制装置控制除尘装置开始工作，使得太阳能帆板1处于水平状态，除尘装置中的压电声波换能器3产生高频声波作用于太阳能帆板1，以声表面波效应为作用原理，声波直接作用于太阳能帆板1上的火星尘埃颗粒，同时激励太阳能帆板1产生微振动，激励落尘振动、飞扬，脱离太阳能帆板1。声表面波效应(太阳能帆板1处于水平状态)的作用时间为40-120秒；
3)声表面波效应除尘工作结束后，转动太阳能帆板转动轴4使太阳能帆板1处于垂直状态，以声波团聚效应为作用原理，在火星重力作用下促进尘翼分离；同时，启动检测装置中的风速传感器5，当火星探测器附近的风速低于5m/s时，调整压电声波换能器3的方向控制转轴3.2方向，使得压电声波换能器3垂直于太阳能帆板1的翼面，调整压电声波换能器3 的工作状态，使其产生低频声波，作用于悬浮在太阳能帆板附近空气中的尘埃，强声场使太阳能帆板1所处环境空气中的火星尘埃气溶胶细颗粒发生相对运动提升颗粒间的碰撞概率，尘埃颗粒碰撞后在范德华力和静电力的作用下会凝结成更大尺度的颗粒，在短时间内进行高频碰撞，颗粒粒径不断增大，最终经过重力沉降完成消散。声波团聚效应(太阳能帆板1处于垂直状态)的作用时间为60-120秒，结束后转动太阳能帆板转动轴4使太阳能帆板1恢复水平工作状态。
4)经过以上声表面波和声波团聚的作用，火星探测器的太阳能帆板1完成除尘工作。
本申请的火星探测器太阳能帆板除尘系统的工作原理：
首先在太阳能帆板处于水平位置时，压电声波换能器3产生高频声波，对于足够小的均匀固体介质的单位体积，压力场的梯度导致单位体积单元的加速，并导致它们从平衡位置以速度v位移，单位体积元素的总位移压缩相邻的体积单元，并因此导致振动传播。介质的不连续性形成了界面，空气中固体的表层在两种不同的传播环境之间形成了一个界面，这两种环境分别是固体和气体环境，因此，表面可以被认为是密度和杨氏模量参数发生不连续的接合层。在这种结构不连续处，由于表面附近单位体积压力场的变化，以体积表面元素膨胀形式出现声表面波，这导致表面元件振动，由此产生的声表面波对静止在表面的尘粒施加惯性力，在声表面波的作用下火星尘与太阳能帆板在静电力与范德华力作用下的稳定关系被破坏，从而脱离太阳能帆板；而后，太阳能帆板进入垂直状态，此时太阳能帆板上的火星尘大部分进入环境空气，此时，环境空气中弥漫着大量火星尘，包括原本环境中的尘埃和刚刚离开太阳能帆板的尘埃，控制压电声波换能器产生低频声波，作用于环境空气，强声场使环境空气中的火星尘气溶胶细颗粒发生相对运动提升颗粒间的碰撞概率，颗粒碰撞后在范德华力和静电力的作用下会凝结成更大尺度的颗粒，在短时间内进行高频碰撞，颗粒粒径不断增大，最终经过重力沉降完成消散。经过以上声表面波和声波团聚的作用下，火星探测器太阳能帆板完成除尘工作。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请实施例可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种火星探测器太阳能帆板除尘系统，其特征在于：包括火星探测器主体、太阳能帆板、连接装置、除尘装置、检测装置和除尘控制装置，除尘装置安装在太阳能帆板上，除尘控制装置安装在火星探测器主体内部，除尘控制装置用于控制除尘装置对太阳能帆板除尘，太阳能帆板通过连接装置与火星探测器主体相连。
2.根据权利要求1所述的一种火星探测器太阳能帆板除尘系统，其特征在于：除尘装置为压电声波换能器，压电声波换能器用于产生声波，太阳能帆板两侧装有压电声波换能器。
3.根据权利要求1所述的一种火星探测器太阳能帆板除尘系统，其特征在于：检测装置包括光敏传感器和风速传感器，光敏传感器用于测量太阳能帆板接光性能和判断太阳能帆板的翼面落尘程度，风速传感器安装在火星探测器主体外表面，太阳能帆板的下侧装有光敏传感器。
4.根据权利要求1所述的火星探测器太阳能帆板除尘系统，其特征在于：所述连接装置为太阳能帆板转动轴，太阳能帆板通过太阳能帆板转动轴进行方向调整。
5.根据权利要求1所述的一种火星探测器太阳能帆板除尘系统，其特征在于：除尘控制装置包括控制模块和核心处理器，控制模块和核心处理器均安装在火星探测器主体内部，核心处理器用于接受风速信息、声波作用时间及太阳能帆板的转动时机。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的火星探测器太阳能帆板除尘系统，其特征在于：每块太阳能帆板两侧分别装有压电声波换能器3-4个，声波换能器上装有指向性号筒，在声波换能器下方与太阳能帆板连接处装有方向控制转轴，方向控制转轴在控制模块作用下转变角度。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的一种火星探测器太阳能帆板除尘系统，其特征在于：还包括机动系统，火星探测器主体下侧连接机动系统，机动系统能实现火星探测器固定在地面或者机动行进。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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