CN114056602B - 一种构型可变的模拟太空碎片的立方星及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种构型可变的模拟太空碎片的立方星，包括立方星主单元结构(1)、太阳能帆板(2)、帆板驱动机构(3)、立方星平台系统(4)，立方星平台系统(4)设置于所述立方星主单元结构(1)内，太阳能帆板(2)设置于立方星主单元结构(1)的四周侧，立方星平台系统(4)用于实现与操纵星之间的通信、控制所述帆板驱动机构(3)驱动所述太阳能帆板(2)展开至预定角度、改变章进动运动形式。本发明通过控制立方星的太阳能帆板展开和收起，改变目标星的拓扑构型，从而训练操控星识别不同空间碎片外形的能力。本发明能够完成一星实现不同的目标星拓扑构型，同时具备模拟自旋、章动失稳目标的能力有较高的利用率和较好的可变性。

Description

一种构型可变的模拟太空碎片的立方星及其工作方法
技术领域
本发明属于微小卫星技术领域，尤其涉及一种构型可变的模拟太空碎片的立方星及其工作方法。
背景技术
近年来，空间碎片的处理越来越成为一个亟待解决的问题，受到广泛关注的是一种利用机械臂来对太空碎片进行捕获的方法。该方法需要进行频繁的空间实验来训练操控星对目标星的外形和运动状况进行识别，因此研发周期短且发射频率高的立方体卫星就得到了大量应用，但是现阶段并无一种既可以实现与训练立方星通信又可以实现构型可变的目标星。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种构型可变的模拟太空碎片的立方星及其工作方法，通过可控帆板的形式来改变立方星的拓扑结构。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种构型可变的模拟太空碎片的立方星，包括立方星主单元结构、太阳能帆板、帆板驱动机构、立方星平台系统，所述立方星平台系统设置于所述立方星主单元结构内，所述太阳能帆板设置于立方星主单元结构的四周侧，所述立方星平台系统用于实现与操纵星之间的通信、控制所述帆板驱动机构驱动所述太阳能帆板展开至预定角度、改变章进动运动形式。
进一步地，所述立方星主单元结构包括主框架和体装板，所述体装板固定安装于主框架的四周侧。
进一步地，所述帆板驱动机构包括驱动电机、中心螺母和四组杠杆装置，所述驱动电机的输出轴与中心螺母的中心螺纹连接形成丝杠传动副连接形式，所述中心螺母的四周侧分别连接一组杠杆装置，每组杠杆装置包括拉杆、两个L形支架、U形合页、两个短销轴、长销轴，所述拉杆的一端通过一个销轴与中心螺母的周侧铰接、另一端通过另一个销轴与U形合页的一端铰接，U形合页的另一端两侧通过长销轴与两个L形支架的短边铰接，所述两个L形支架与对应的体装板固定连接，U形合页的外侧与对应的太阳能帆板固定连接，太阳能帆板位于对应的体装板的外侧。
进一步地，所述U形合页与对应的两个L形支架共面设置。
进一步地，所述立方星主单元结构还包括顶盖、支撑圆柱、上框架、主框架、底板和捕捉把手，所述主框架空间位置相对固定，主框架与上框架顶部平齐安装，上框架与顶盖之间通过支撑圆柱支撑，体装板安装于主框架周围四个面，捕捉把手安装于底板几何中心位置，底板与主框架底部平齐安装。
进一步地，所述中心螺母的中心具有一与所述驱动电机的输出轴配合的螺纹孔，所述驱动电机位于顶盖的外部。
进一步地，所述立方星平台系统包括帆板驱动模块、GNSS接收模块、姿态控制计算机、磁强计模块、动量轮模块、UV通信转发模块、星务计算机、能源控制模块、电源模块。
根据上述的构型可变的模拟太空碎片的立方星的工作方法，当操纵星捕捉到目标星的信号后，将帆板展开角度指令发送给目标星，然后目标星驱动电机通过丝杠传动副带动中心螺母向下运动，杠杆装置的拉杆向下运动带动U形合页向上运动带动太阳能帆板展开至预定角度，同时操纵星对目标星进行构型识别及抓取位置确定，进而对目标星进行运动抵近通过机械臂进行抓取试验的目标星，操纵星的机械臂捕获目标星底部的捕捉把手，完成抓捕实验与目标的识别。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)立方星安装捕获适配器，具备可回收的功能，完成试验任务后可由操控飞行器捕获并返回空间站进行回收，同时具备多次释放复用的能力；
(2)作为配试目标，立方星具备模拟自旋、章动失稳目和改变拓扑构型的能力，立方星星外表面可包覆不同材质，以模拟不同光学特性进而达到操作星目标识别的训练目的；
(3)具备与操控星开展星-星数据通信的能力，达到合作目标的跟踪抵近的训练目的。
附图说明
图1是构型可变的模拟太空碎片的立方星结构爆炸示意图。
图2是立方星主单元结构结构示意图。
图3是帆板驱动机构爆炸图。
图4是太阳能帆板展开过程示意图。
图5是立方星平台系统结构示意图。
图6是构型可变的模拟太空碎片的立方星变化之前的示意图。
图7是构型可变的模拟太空碎片的立方星变化之后的示意图。
图8是型可变的模拟太空碎片的立方星被抓取过程的示意图。
图中：立方星主单元结构(1)、太阳能帆板(2)、帆板驱动机构(3)和立方星平台系统(4)、顶盖(1-1)、支撑圆柱(1-2)、上框架(1-3)、主框架(1-4)、体装板(1-5)、底板(1-6)、捕捉把手(1-7)、驱动电机(3-1)、中心螺母(3-2)、拉杆(3-4)、L形支架(3-6)、U形合页(3-7)、短销轴(3-3)、长销轴(3-5)、帆板驱动模块(4-1)、GNSS接收模块(4-2)、姿态控制计算机(4-3)、磁强计模块(4-4)、动量轮模块(4-5)、UV通信转发模块(4-6)、星务计算机(4-7)、能源控制模块(4-8)、电源模块(4-9)。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本发明中所述的“内、外”的含义指的是相对于电机本身而言，由电机外壳外部指向电机外壳内部的方向为内，反之为外；而非对本发明的装置结构的特定限定。
本发明中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
如图1所示，一种构型可变的模拟太空碎片的立方星，包括立方星主单元结构1、太阳能帆板2、帆板驱动机构3、立方星平台系统4，所述立方星平台系统4设置于所述立方星主单元结构1内，所述太阳能帆板2设置于立方星主单元结构1的四周侧，所述立方星平台系统4用于实现与操纵星之间的通信、控制所述帆板驱动机构3驱动所述太阳能帆板2展开至预定角度、改变章进动运动形式。
优选地，结合图2，所述立方星主单元结构1包括主框架1-4和体装板1-5，所述体装板1-5固定安装于主框架1-4的四周侧。
优选地，结合图3-4，所述帆板驱动机构3包括驱动电机3-1、中心螺母3-2和四组杠杆装置，所述驱动电机3-1的输出轴与中心螺母3-2的中心螺纹连接形成丝杠传动副连接形式，所述中心螺母3-2的四周侧分别连接一组杠杆装置，每组杠杆装置包括拉杆3-4、两个L形支架3-6、U形合页3-7、两个短销轴3-3、长销轴3-5，所述拉杆3-4的一端通过一个销轴3-3与中心螺母3-2的周侧铰接形成转动副、另一端通过另一个销轴3-3与U形合页3-7的一端铰接形成转动副，U形合页3-7的另一端两侧通过长销轴3-5与两个L形支架3-6的短边铰接形成转动副，所述两个L形支架3-6与对应的体装板1-5通过螺钉固定连接，U形合页3-7的外侧与对应的太阳能帆板2固定连接，太阳能帆板2位于对应的体装板1-5的外侧，所用销轴的轴向定位采用两端紧定螺丝固定。
优选地，在安装帆板驱动机构时，要保证中心螺母3-2处于水平位置，所述U形合页3-7与对应的两个L形支架3-6共面设置。
优选地，结合图2，所述立方星主单元结构1还包括顶盖1-1、支撑圆柱1-2、上框架1-3、主框架1-4、底板1-6和捕捉把手1-7，所述主框架1-4空间位置相对固定，主框架1-4与上框架1-3顶部平齐安装，上框架1-3与顶盖1-1之间通过支撑圆柱1-2支撑，体装板1-5安装于主框架1-4周围四个面，捕捉把手1-7安装于底板1-6几何中心位置，底板1-6与主框架1-4底部平齐安装。
优选地，所述中心螺母3-2的中心具有一与所述驱动电机3-1的输出轴配合的螺纹孔，所述驱动电机3-1位于顶盖1-1的外部。
优选地，结合图5，所述立方星平台系统4包括帆板驱动模块4-1、GNSS接收模块4-2、姿态控制计算机4-3、磁强计模块4-4、动量轮模块4-5、UV通信转发模块4-6、星务计算机4-7、能源控制模块4-8、电源模块4-9。
所述帆板驱动模块4-1、GNSS接收模块4-2、姿态控制计算机4-3、磁强计模块4-4、动量轮模块4-5、UV通信转发模块4-6、星务计算机4-7、能源控制模块4-8、电源模块4-9分别具有统一的机械接口，并通过四根钛杆4-10构成层叠式结构，在相邻的两个模块之间设有支撑圆柱4-11增加连接刚度。立方星平台系统4与立方星主框架1之间设有止口，通过螺栓连接固定于主单元框架上框架与底板之间。
所述模块可以实现传统的立方星的通信、姿控等功能，完成与操纵星之间的通信以及自身姿态变换和章进动运动形式的改变。立方星通过姿态控制计算机、动量轮模块可实现模拟各种章进动状态下的飞行。该立方星姿态机动机构质量轻巧、结构紧凑、可靠性高，可实现立方星拓扑构型变化，可实现一星多构型达到操控星对其抓取、识别等训练提供了一种新型立方星系统。
结合图6-图8说明本发明的工作原理：作为目标星的立方星处于初始帆板闭合状态。当操纵星捕捉到目标星的信号后，发送给目标星帆板展开角度指令，然后目标星驱动电机通过丝杠传动副带动中心螺母3-2向下运动，同时拉杆、U形合页、L形支架形成杠杆系统，拉杆向下运动带动U形合页向上运动，同时帆板固定于U形合页上，因此实现了帆板的展开完成目标星的构型变换。同时操纵星对目标星进行构型识别及抓取位置确定，进而对目标星进行运动抵近通过机械臂进行抓取试验的目标星，操纵星的机械臂捕获目标星底部的捕捉把手，完成抓捕实验与目标的识别。
本发明通过控制立方星(即目标星)的太阳能帆板展开和收起，改变目标星自身的拓扑构型，从而训练操控星识别不同空间碎片外形的能力。比较于现有的其他目标星，本发明能够完成一星实现不同的目标星拓扑构型，同时具备模拟自旋、章动失稳目标的能力有较高的利用率和较好的可变性。
本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种构型可变的模拟太空碎片的立方星，其特征在于，包括立方星主单元结构(1)、太阳能帆板(2)、帆板驱动机构(3)、立方星平台系统(4)，所述立方星平台系统(4)设置于所述立方星主单元结构(1)内，所述太阳能帆板(2)设置于立方星主单元结构(1)的四周侧，所述立方星平台系统(4)用于实现与操纵星之间的通信、控制所述帆板驱动机构(3)驱动所述太阳能帆板(2)展开至预定角度、改变章进动运动形式；
所述立方星主单元结构(1)包括主框架(1-4)和体装板(1-5)，所述体装板(1-5)固定安装于主框架(1-4)的四周侧；
所述帆板驱动机构(3)包括驱动电机(3-1)、中心螺母(3-2)和四组杠杆装置，所述驱动电机(3-1)的输出轴与中心螺母(3-2)的中心螺纹连接形成丝杠传动副连接形式，所述中心螺母(3-2)的四周侧分别连接一组杠杆装置，每组杠杆装置包括拉杆(3-4)、两个L形支架(3-6)、U形合页(3-7)、两个短销轴(3-3)、长销轴(3-5)，所述拉杆(3-4)的一端通过一个短销轴(3-3)与中心螺母(3-2)的周侧铰接、另一端通过另一个短销轴(3-3)与U形合页(3-7)的一端铰接，U形合页(3-7)的另一端两侧通过长销轴(3-5)与两个L形支架(3-6)的短边铰接，所述两个L形支架(3-6)与对应的体装板(1-5)固定连接，U形合页(3-7)的外侧与对应的太阳能帆板(2)固定连接，太阳能帆板(2)位于对应的体装板(1-5)的外侧；
所述立方星主单元结构(1)还包括顶盖(1-1)、支撑圆柱(1-2)、上框架(1-3)、主框架(1-4)、底板(1-6)和捕捉把手(1-7)，所述主框架(1-4)空间位置相对固定，主框架(1-4)与上框架(1-3)顶部平齐安装，上框架(1-3)与顶盖(1-1)之间通过支撑圆柱(1-2)支撑，体装板(1-5)安装于主框架(1-4)周围四个面，捕捉把手(1-7)安装于底板(1-6)几何中心位置，底板(1-6)与主框架(1-4)底部平齐安装。
2.根据权利要求1所述的构型可变的模拟太空碎片的立方星，其特征在于，所述U形合页(3-7)与对应的两个L形支架(3-6)共面设置。
3.根据权利要求1所述的构型可变的模拟太空碎片的立方星，其特征在于，所述中心螺母(3-2)的中心具有一与所述驱动电机(3-1)的输出轴配合的螺纹孔，所述驱动电机(3-1)位于顶盖(1-1)的外部。
4.根据权利要求1所述的构型可变的模拟太空碎片的立方星，其特征在于，所述立方星平台系统(4)包括帆板驱动模块(4-1)、GNSS接收模块(4-2)、姿态控制计算机(4-3)、磁强计模块(4-4)、动量轮模块(4-5)、UV通信转发模块(4-6)、星务计算机(4-7)、能源控制模块(4-8)、电源模块(4-9)。
5.根据权利要求4所述的构型可变的模拟太空碎片的立方星的工作方法，其特征在于，当操纵星捕捉到目标星的信号后，将帆板展开角度指令发送给目标星，然后目标星驱动电机(3-1)通过丝杠传动副带动中心螺母(3-2)向下运动，杠杆装置的拉杆(3-4)向下运动带动U形合页(3-7)向上运动带动太阳能帆板(2)展开至预定角度，同时操纵星对目标星进行构型识别及抓取位置确定，进而对目标星进行运动抵近通过机械臂进行抓取试验的目标星，操纵星的机械臂捕获目标星底部的捕捉把手(1-7)，完成抓捕实验与目标的识别。
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