CN113682495A - 一种集通信传输与清除碎片于一体的空间薄膜卫星 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集通信传输与清除碎片于一体的空间薄膜卫星，属于航天技术设计领域，包括两个结构板层、隔板、离子液体层、推进器、变形驱动结构、电子沉积层、卫星供电电路及多种航天器件；两个所述结构板层对称设置，所述结构板层为柔性薄膜，所述变形驱动结构为柔性骨架，设置于两个所述结构板层互相远离的一侧，用于对所述结构板层进行支撑，所述推进器为多个，用于提供不同方向的推力以改变所述结构板层对应位置的曲率。本发明的空间薄膜卫星不仅质量小，而且通过推进器提供的推力可以改变其表面曲率，更有效地收集太阳能，还可以在其寿命即将结束时包裹、清除空间碎片。
Description
技术领域
本发明涉及一种集通信传输与清除碎片于一体的空间薄膜卫星，属于航天技术设计领域。
背景技术
近年来，卫星向小型化、轻量化、批量化方向发展快速发展。而传统的卫星设计，通常由三维结构来实现所要求的功能，并且大多数的卫星想要拥有持久的工作时间和工作寿命，除去自身携带的燃料来提供能能量外，还需要太阳能帆板来吸收转化空间中的太阳能。
现有的卫星采用三维的空间主体结构，将额外需要设计太阳能帆板的展开结构，这不仅增加了整体卫星的质量，也增加了卫星的设计难度。另外，现今卫星种类、外形及用途多样，分布的轨道范围广，在空间轨道中的碎片数量众多，尺寸大小在5-10cm大约17500个，这将严重影响目前活动中的卫星，并易对其造成灾难性的破坏。
发明内容
本发明提供了一种集通信传输与清除碎片于一体的空间薄膜卫星，解决了现有空间卫星质量大、不能主动清除空间碎片的问题。
本发明提供了一种集通信传输与清除碎片于一体的空间薄膜卫星，包括：两个结构板层、隔板、离子液体层、推进器、变形驱动结构、电子沉积层、卫星供电电路及多种航天器件；
两个所述结构板层对称设置，所述结构板层为柔性薄膜；
所述隔板为多个，设置于两个所述结构板层之间，用于支撑两个所述结构板层，并将两个所述结构板层分开，使两个所述结构板层之间形成推进剂腔；
所述离子液体层填充于所述推进剂腔内；
所述推进器为多个，用于提供不同方向的推力以改变所述结构板层对应位置的曲率；所述结构板层上设有多个用于安装所述推进器的安装孔，所述推进器设置在所述安装孔处，且所述推进器与所述离子液体层连接；
所述变形驱动结构为柔性骨架，设置于两个所述结构板层互相远离的一侧，用于对所述结构板层进行支撑；
所述电子沉积层设置于两个所述结构板层互相远离的一侧，用于阻挡空间辐射，同时保护所述离子液体层；
多种所述航天器件呈矩阵布置在所述结构板层设置所述变形驱动结构的一侧；
所述卫星供电电路用于连接多种所述航天器件，所述卫星供电电路设置在所述结构板层安装所述航天器件的一侧。
可选的，所述结构板层为柔性聚酰亚胺薄膜；
优选的，每一所述结构板层的厚度小于或等于7微米。
可选的，所述卫星供电电路通过丝网印刷工艺印刷在所述结构板层设置所述航天器件的一侧。
可选的，所述空间薄膜卫星总体厚度小于或等于60微米。
可选的，所述空间薄膜卫星质量小于或等于100克。
可选的，所述空间薄膜卫星尺寸大小为1-1.5平方米。
可选的，多种所述航天器件包括电子板、太阳能电池板、传感器及通信装置；
所述电子板包含卫星系统，用于实现卫星的命令和控制、航天器太阳能和功率调节、通信、姿态确定与调控及导航；
所述传感器用于感知并测量卫星的平面内的磁场强度，并确定所述结构板层的局部及整体曲率；
所述太阳能电池板用于将光能转换为电能，为所述电子板、所述传感器及所述通信装置供电；
所述通信装置用于实现卫星的通信传输；
优选的，所述电子板由碳纳米管、ZnO薄膜晶体管及处理器制成；
优选的，所述碳纳米管和所述ZnO薄膜晶体管通过喷墨印刷或光刻技术设置所述处理器上；
优选的，所述处理器的最小特征尺寸为10微米；
优选的，所述太阳能电池板上贴有太阳能电池阵列，所述太阳能电池板具有大于或等于200W的功率，能为所述推进器提供大于或等于1200V的直接驱动；
优选的，所述电子板、所述太阳能电池板、所述传感器及所述通信装置通过航天用高强度胶粘接在所述结构板层；
优选的，所述电子板、所述太阳能电池板、所述传感器及所述通信装置在所述结构板层平铺和/或堆叠设置。
可选的，所述电子沉积层大于或等于7微米。
可选的，所述隔板长度大于或等于30微米。
可选的，所述推进器提供大于或等于4000s的比冲，所述推进器的最大总推力大于或等于10mN；
优选的，所述推进器为分布式纳米电喷雾推进器；
优选的，所述分布式纳米电喷雾推进器呈多对对称分布。
本发明能产生的有益效果包括：
本发明提供的空间薄膜卫星采用柔性薄膜作为结构板层，采用柔性骨架作为变形驱动结构对结构板层进行支撑，大大节省了钢性支撑的外板或蒙皮；本发明的空间薄膜卫星的总体厚度小于或等于60微米，体积在1-1.5平方米；本发明的空间薄膜卫星的离子液体层设置在两个结构板层之间的推进剂腔内，大大减少了转存离子液的结构；综上，本发明的空间薄膜卫星体积小，重量轻。
本发明的空间薄膜卫星具有一定的柔性，采用分布式布置的推进器提供不同方向的推力，从而根据需求改变空间薄膜卫星的曲率，更有效地收集太阳能；还能在空间薄膜卫星寿命即将结束时，利用自身将空间碎片包裹，通过推进器助推，降低空间薄膜卫星的运行轨道高度，并在轨道高度下降到200km以下时，在大气阻力作用下燃烧，从而达到清除空间碎片的目的。
附图说明
图1为本发明实施例提供的空间薄膜卫星的部分切面剖视图；
图2为本发明实施例提供的空间薄膜卫星在运动时的曲率变化图；
图3为本发明实施例提供的空间薄膜卫星的平面示意图；
图4为本发明实施例提供的空间薄膜卫星用于低轨通信的示意图；
图5为本发明实施例提供的空间薄膜卫星捕捉空间碎片示意图；
图6为本发明实施例提供的空间薄膜卫星捕捉空间碎片后向低轨跃进的示意图。
部件和附图标记列表：
1、空间薄膜卫星；10、结构板层；11、隔板；12、离子液体层；13、推进器；14、变形驱动结构；15、电子沉积层；16、卫星供电电路；17、电子板；18、太阳能电池板；19、传感器及通信装置；2、离子束；3、太阳光照；4、推力；5、空间碎片。
具体实施方式
下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
本发明实施例提供了一种集通信传输与清除碎片于一体的空间薄膜卫星，如图1、图2及图3所示，本发明的空间薄膜卫星1包括：两个结构板层10、隔板11、离子液体层12、推进器13、变形驱动结构14、电子沉积层15、卫星供电电路16及多种航天器件。
两个结构板层10对称设置，结构板层10为柔性薄膜，具体的，结构板层10为柔性聚酰亚胺薄膜，且每一结构板层10的厚度小于或等于7微米。
隔板11为多个，每一隔板11的长度大于或等于30微米，通过航天用高强度腔粘接于两个结构板层10之间，用于支撑两个结构板层10，并将两个结构板层10分开，使两个结构板层10之间形成推进剂腔，离子液体层12填充于推进剂腔内。
推进器13为多个，用于提供不同方向的推力4以改变结构板层10对应位置的曲率。结构板层10上开设有多个用于安装推进器13的安装孔，推进器13设置在安装孔处，且推进器13与离子液体层12连接，若推进器13为离子推进器，推进器13能提供大于或等于4000s的比冲，推进器13的最大总推力4大于或等于10mN。
本实施例中推进器13为分布式纳米电喷雾推进器，且分布式纳米电喷雾推进器呈多对对称分布，方便实现空间薄膜卫星1的姿态控制。推进器13的工作原理如下：
电喷雾推进器会在电喷雾推进器上施加电场，这些电场直接使离子液体层12内的离子液蒸发。由于该电离过程非常高效，每个推进器13都可产生离子束2，可产生2000到5000s之间的比冲，推力4的推力范围为每个推进器13为6到20纳牛顿，总推力范围为推进器13的数量，并且每个尖端的离子电流与推力4成正比。
变形驱动结构14为柔性骨架，设置于两个结构板层10互相远离的一侧，用于对结构板层10进行支撑。
电子沉积层15设置于两个结构板层10互相远离的一侧，电子沉积层15大于或等于7微米，用于阻挡空间辐射，同时保护离子液体层12。
多种航天器件呈矩阵布置在结构板层10设置变形驱动结构14的一侧。
具体的，多种航天器件包括电子板17、太阳能电池板18、传感器及通信装置19，电子板17、太阳能电池板18、传感器及通信装置19通过航天用高强度胶粘接在结构板层10；电子板17、太阳能电池板18、传感器及通信装置19在结构板层10平铺和/或堆叠设置。
电子板17包含卫星系统，用于实现卫星的命令和控制、航天器太阳能和功率调节、通信、姿态确定与调控及导航；电子板17由碳纳米管、ZnO薄膜晶体管及处理器制成，碳纳米管和ZnO薄膜晶体管通过喷墨印刷或光刻技术设置处理器上，处理器的最小特征尺寸为10微米。
传感器用于感知并测量卫星的平面内的磁场强度，并确定结构板层10的局部及整体曲率。
太阳能电池板18用于将光能转换为电能，为电子板17、传感器及通信装置19供电；太阳能电池板18上贴有太阳能电池阵列，太阳能电池板18具有大于或等于200W的功率，能为推进器13提供大于或等于1200V的直接驱动。
通信装置用于实现卫星的通信传输。
卫星供电电路16用于连接多种航天器件，卫星供电电路16设置在结构板层10安装航天器件的一侧，具体的，卫星供电电路16通过丝网印刷工艺印刷在结构板层10设置航天器件的一侧。
本发明的空间薄膜卫星1总体厚度小于或等于60微米，空间薄膜卫星1质量小于或等于100克，空间薄膜卫星1尺寸大小为1-1.5平方米。能运行在200-2000Km的轨道中。
本发明提供的空间薄膜卫星1采用柔性薄膜作为结构板层10，采用柔性骨架作为变形驱动结构14对结构板层10进行支撑，大大节省了钢性支撑的外板或蒙皮；本发明的空间薄膜卫星1的总体厚度小于或等于60微米，体积在1-1.5平方米；本发明的空间薄膜卫星1的离子液体层12设置在两个结构板层10之间的推进剂腔内，大大减少了转存离子液的结构；综上，本发明的空间薄膜卫星1体积小，重量轻。
本发明的空间薄膜卫星1具有一定的柔性，采用分布式布置的推进器13提供不同方向的推力4，从而根据需求改变空间薄膜卫星1的曲率，更有效地收集太阳能；还能在空间薄膜卫星1寿命即将结束时，利用自身将空间碎片5包裹，清除空间碎片5。
如图2所示，本发明的空间薄膜卫星1利用太阳能电池板18将太阳能转化为空间薄膜卫星1需要的电能，并在推进器13产生的不同方向的推力4作用下曲率发生改变，并通过变形驱动结构14进行支撑维持空间薄膜卫星1的当前形态进行持续工作，却本发明的空间薄膜卫星1能相对于入射的太阳光照3在任何方向上都可进行相应的变形，附图2中的4个推力4的方向从左到右分别为空间薄膜卫星1的左、下、右、上方向运行原理示意图。
如图4所示，由于本发明的空间薄膜卫星1的质量小，一次发射能发射4万颗左右，初始发射时，空间薄膜卫星1被发射到地球低轨轨道，释放后由推进器13发射到目标碎片轨道，在该轨道中作为通信卫星，传输卫星与卫星间，卫星与地面用户间的实时通讯。由于空间薄膜卫星1的重量较小，因此在调整姿态时基本不需要消耗太多的能量，仅部分推进器13模块工作即可。
如图5、图6所示，当本发明的空间薄膜卫星1寿命快结束时，通过推进器13推动空间薄膜卫星1向空间碎片5的方向运动，并在轨道上进行微调，当空间薄膜卫星1接近目标空间碎片5后，改变空间薄膜卫星1的曲率，包裹空间碎片5，之后推进器13工作，降低空间薄膜卫星1运行的轨道，并在高度下降到200km以下时，在大气阻力作用下燃烧，从而达到清除空间碎片5的目的。
在此工作过程中，从2000km下降到200km，大约仅需要900m/s相对容量的体积的离子液，而整体空间薄膜卫星1所携带的离子液体足以满足此需求。且多余的离子液燃料，能够使空间薄膜卫星1携带的轨道中的空间碎片5质量高达空间薄膜卫星1自身重量的十几倍，因此，1平方米大小的空间薄膜卫星1能够将1Kg的空间碎片5进行主动清除，当要清除更大的空间碎片5时，需要制作设计更大尺寸的空间薄膜卫星1。
以上，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (10)
1.一种集通信传输与清除碎片于一体的空间薄膜卫星，其特征在于，包括：两个结构板层、隔板、离子液体层、推进器、变形驱动结构、电子沉积层、卫星供电电路及多种航天器件；
两个所述结构板层对称设置，所述结构板层为柔性薄膜；
所述隔板为多个，设置于两个所述结构板层之间，用于支撑两个所述结构板层，并将两个所述结构板层分开，使两个所述结构板层之间形成推进剂腔；
所述离子液体层填充于所述推进剂腔内；
所述推进器为多个，用于提供不同方向的推力以改变所述结构板层对应位置的曲率；所述结构板层上设有多个用于安装所述推进器的安装孔，所述推进器设置在所述安装孔处，且所述推进器与所述离子液体层连接；
所述变形驱动结构为柔性骨架，设置于两个所述结构板层互相远离的一侧，用于对所述结构板层进行支撑；
所述电子沉积层设置于两个所述结构板层互相远离的一侧，用于阻挡空间辐射，同时保护所述离子液体层；
多种所述航天器件呈矩阵布置在所述结构板层设置所述变形驱动结构的一侧；
所述卫星供电电路用于连接多种所述航天器件，所述卫星供电电路设置在所述结构板层安装所述航天器件的一侧。
2.根据权利要求1所述的空间薄膜卫星，其特征在于，所述结构板层为柔性聚酰亚胺薄膜；
优选的，每一所述结构板层的厚度小于或等于7微米。
3.根据权利要求2所述的空间薄膜卫星，其特征在于，所述卫星供电电路通过丝网印刷工艺印刷在所述结构板层设置所述航天器件的一侧。
4.根据权利要求3所述的空间薄膜卫星，其特征在于，所述空间薄膜卫星总体厚度小于或等于60微米。
5.根据权利要求4所述的空间薄膜卫星，其特征在于，所述空间薄膜卫星质量小于或等于100克。
6.根据权利要求5所述的空间薄膜卫星，其特征在于，所述空间薄膜卫星尺寸大小为1-1.5平方米。
7.根据权利要求1-6任一项所述的空间薄膜卫星，其特征在于，多种所述航天器件包括电子板、太阳能电池板、传感器及通信装置；
所述电子板包含卫星系统，用于实现卫星的命令和控制、航天器太阳能和功率调节、通信、姿态确定与调控及导航；
所述传感器用于感知并测量卫星的平面内的磁场强度，并确定所述结构板层的局部及整体曲率；
所述太阳能电池板用于将光能转换为电能，为所述电子板、所述传感器及所述通信装置供电；
所述通信装置用于实现卫星的通信传输；
优选的，所述电子板由碳纳米管、ZnO薄膜晶体管及处理器制成；
优选的，所述碳纳米管和所述ZnO薄膜晶体管通过喷墨印刷或光刻技术设置所述处理器上；
优选的，所述处理器的最小特征尺寸为10微米；
优选的，所述太阳能电池板上贴有太阳能电池阵列，所述太阳能电池板具有大于或等于200W的功率，能为所述推进器提供大于或等于1200V的直接驱动；
优选的，所述电子板、所述太阳能电池板、所述传感器及所述通信装置通过航天用高强度胶粘接在所述结构板层；
优选的，所述电子板、所述太阳能电池板、所述传感器及所述通信装置在所述结构板层平铺和/或堆叠设置。
8.根据权利要求1-6任一项所述的空间薄膜卫星，其特征在于，所述电子沉积层大于或等于7微米。
9.根据权利要求1-6任一项所述的空间薄膜卫星，其特征在于，所述隔板长度大于或等于30微米。
10.根据权利要求1-6任一项所述的空间薄膜卫星，其特征在于，所述推进器提供大于或等于4000s的比冲，所述推进器的最大总推力大于或等于10mN；
优选的，所述推进器为分布式纳米电喷雾推进器；
优选的，所述分布式纳米电喷雾推进器呈多对对称分布。
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