CN114194420A - 一种基于电磁分离与绳索约束的深空探测平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电磁分离与绳索约束的深空探测平台，包括电磁装置、绳索约束装置、锁定装置、激光测距传感器、三轴加速度计和三轴陀螺仪。该基于电磁分离与绳索约束的深空探测平台相对于航天器主体独立工作，探测平台上搭载光学敏感器、天线等观测装置。通过探测平台与航天器主体的电磁装置与绳索约束装置，探测平台与航天器主体分离，探测平台位于距航天器主体一定距离处工作并保持自身姿态稳定。该基于电磁分离与绳索约束的深空探测平台避免了推进剂对光学敏感器如相机的羽流污染，减小了航天器非观测装置对观测装置正常运行的影响，保证了深空探测的精确性。该发明应用于深空探测领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于电磁分离技术的可分离深空探测平台，可应用于深空探测领域，尤其适用于需要避免羽流污染的深空探测器。
背景技术
深空探测是人类走出地球、探知地外天体的重要途径，对探索宇宙起源、行星组成及其演化、扩展人类生存空间和寻找地外生命具有重要的意义。深空探测平台通常携带光学敏感器、红外相机等设备，受限于构形及尺寸，安装位置与推进系统较近，易受到羽流污染等问题。空间电磁分离是指两颗航天器利用电磁力/力矩调整相对位置和姿态，使其相对距离逐渐增大，最终实现结构分离开的一种技术。不同于传统基于推力器的分离技术，电磁分离具有无燃料消耗、无羽流污染和无光学干扰等方面的优势。
本发明基于电磁分离技术，利用电磁力可以将探测平台推离航天器主体，并且可以连续、快速地调节探测平台与航天器主体的相对速度。并且可与绳索约束装置配合调节探测平台的速度与姿态，突破了电磁力作用尺度的约束，系统集成度高，结构简单，便于控制。
发明内容
为了克服上述现有的技术不足，本发明提供了一种基于电磁分离与绳索约束的深空探测平台。其采用了如下技术方案，包括：
电磁装置包括：主电磁铁、副电磁铁，电磁铁由线圈与永磁体组成；主电磁铁安装于航天器主体的中轴线上，副电磁铁安装于探测平台的中轴线上。
电磁装置用于产生电磁斥力，为探测平台提供推力，且在探测平台回收后储存电磁势能，为再次发射探测平台提供能量。
绳索约束装置包括：卷扬机、绳索固定点、绳索；卷扬机安装于以主电磁铁为中心的正方形的四个顶点上，为回收绳索提供动力；绳索固定点安装于探测平台上，与卷扬机的位置对应；卷扬机和绳索固定点之间由绳索相连。
绳索约束装置用于连接探测平台与航天器主体，调节探测平台与航天器主体的相对速度并且产生力矩调节探测平台的姿态。
锁定装置包括：钩爪、钩爪槽、电机；钩爪槽安装于探测平台外侧；电机安装于航天器主体上，安装位置与钩爪槽位置对应；钩爪与电机相连，在锁定状态时，钩爪嵌入钩爪槽中，实现探测平台和航天器主体的机械锁紧。
激光测距传感器安装于航天器主体上，位于主电磁铁周围，用于测量并向计算机提供探测平台和航天器主体的相对位置信息。
三轴加速度计与三轴陀螺仪安装于探测平台与航天器主体的中轴线上，用于测量三个方向的加速度与角速度，获取探测平台与航天器主体的速度、姿态信息。
本发明的优点：提出了一种新型深空探测平台，与现有大部分方案相比，本装置可将搭载了高精度光学敏感器的探测平台推离航天器主体一定距离，从结构上避免探测器推进系统产生的羽流污染；结构简单，通过系统方案优化和模块化设计，巧妙实现了电磁装置与绳索约束装置配合，使探测平台各阶段切换更加快速和稳定；采用绳索调节探测平台的姿态，便于系统的简化，加快调节速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对所展示的附图作简单地介绍，附图仅是本发明的一种优选方案。
图1是探测器整体的示意图；
图2是探测平台与航天器主体部分的放大图；
图3是锁定时的探测平台与航天器主体示意图；
图4是探测平台回收后的探测器示意图；
图5是探测平台与航天器主体的正视图；
图6是探测平台与航天器主体部分系统组成图；
图7是探测平台进入工作状态流程；
图8是探测平台回收流程。
图中：1.航天器主体，2.主电磁铁，3.副电磁铁，4.卷扬机，5.电机，6.钩爪，7.绳索，8.绳索固定点，9.钩爪槽，10.激光测距传感器，11.三轴加速度计与三轴陀螺仪，12.探测平台，13.光学敏感器。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述：应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
面向高精度深空探测任务，本发明一种基于电磁分离与绳索约束的深空探测平台,通过电磁力实现探测平台的推离，电磁力与绳索拉力作用于探测平台，调节两者的相对速度，同时产生力矩保持探测平台姿态的稳定，探测平台回收后可储存电磁势能，再次发射时利用电磁势能发射探测平台。
本发明一种基于电磁分离与绳索约束的深空探测平台，分为电磁装置、绳索约束装置、锁定装置、激光测距传感器、三轴加速度计、三轴陀螺仪。电磁装置包括：主电磁铁、副电磁铁，电磁铁由线圈与永磁体组成；绳索约束装置包括：卷扬机、绳索固定点、绳索；锁定装置包括：钩爪、钩爪槽、电机。
电磁装置包括：主电磁铁与副电磁铁，电磁铁由线圈与永磁体组成。电磁装置用于产生电磁斥力，将探测平台推离航天器主体。当回收探测平台时，探测平台与航天器主体之间处于极近距离，利用永磁体磁滞效应，探测平台与航天器主体之间储存电磁势能，为再次发射探测平台提供能量。主电磁铁安装于航天器主体的中轴线上，副电磁铁安装于探测平台的中轴线上。
绳索约束装置包括：卷扬机、绳索固定点、绳索。绳索约束装置用于连接探测平台与航天器主体，使之成为一个整体；与电磁力配合，调节探测平台与航天器主体的相对速度并且产生力矩调节探测平台的姿态。当回收探测平台时，探测平台与航天器主体之间处于极近距离，绳索锁紧，探测平台与航天器主体之间储存电磁势能。卷扬机安装于以主电磁铁为中心的正方形的四个顶点上，为回收绳索提供动力；绳索固定点安装于探测平台上，与卷扬机的位置对应；卷扬机和绳索固定点之间由绳索相连。
锁定装置包括：钩爪、钩爪槽、电机。锁定装置用于在探测器发射过程中固定探测平台，实现与航天器主体的机械锁紧。钩爪槽安装于探测平台外侧；电机安装于航天器主体上，为钩爪运动提供动力；钩爪与电机相连，在锁定状态时，钩爪嵌入钩爪槽中，实现探测平台和航天器主体的机械锁紧。
激光测距传感器安装于航天器主体上，位于主电磁铁周围，用于测量并向计算机提供探测平台和航天器主体的相对位置信息；三轴加速度计与三轴陀螺仪安装于探测平台与航天器主体的中轴线上，用于测量三个方向的加速度与角速度，获取探测平台与航天器主体的速度、姿态信息。
本项目的优选方案为：当探测器入轨后，锁定装置的钩爪在电机的驱动下张开，钩爪离开钩爪槽，探测平台与航天器主体解除锁定。电磁装置的主电磁铁与副电磁铁通过恒定电流，主电磁铁产生的磁场强度较大，副电磁产生的磁场强度较小，主电磁铁与副电磁铁产生恒定磁场，探测平台与航天器主体之间产生电磁斥力，探测平台被缓慢推离航天器主体；航天器主体通过激光测距传感器获得与探测平台之间的相对位置信息并导入计算机；绳索约束装置开始工作，绳索在卷扬机的驱动下产生拉力，控制探测平台与航天器主体相互分离的相对速度。当探测平台远离航天器主体至一定距离后，进入减速阶段，探测平台受到的绳索拉力大于电磁斥力，探测平台与航天器主体之间相对速度降低。在探测平台远离航天器主体的同时，通过探测平台与航天器主体搭载的三轴加速度计与三轴陀螺仪，获得探测平台与航天器主体的速度、姿态信息，在绳索约束装置中卷扬机驱动下，绳索在探测平台上产生力矩，调节探测平台的姿态，维持探测平台中轴线与航天器主体中轴线重合。当探测平台远离航天器主体一定距离且探测平台与航天器主体速度降低至一定范围后，绳索锁紧，主电磁铁与副电磁铁断电，探测平台与航天器主体保持探测平台进入工作状态。
本项目的优选方案为：当探测平台处于工作状态且探测器需要变轨时，绳索解除锁定，主电磁铁与副电磁铁通电，三轴加速度计与三轴陀螺仪测量探测平台与航天器主体的加速度与姿态信息，卷扬机调节绳索的拉力，使探测平台的速度与航天器主体相同，维持姿态稳定。
本项目的优选方案为：当探测器需要回收探测平台时，绳索解锁，绳索在卷扬机的驱动下逐渐回收，同时维持探测平台与航天器主体的姿态稳定；探测平台回收时，主电磁铁与副电磁铁产生电磁斥力，使探测平台与航天器主体保持较小的相对速度，探测平台与航天器主体的距离逐渐减小。当探测平台与航天器主体间距离减小到一定值后，进入减速阶段，主电磁铁与副电磁铁产生的磁场增强，探测平台受到的电磁斥力大于绳索拉力，探测平台与航天器主体的相对速度逐渐降低。当探测平台与航天器主体间相对距离和相对速度减小至满足对接要求时，绳索锁紧，探测平台与航天器主体保持当前距离；主电磁铁与副电磁铁断电，利用永磁体磁滞效应，可实现探测平台与航天器主体之间电磁势能的储存。
本方案的优选方案为：当探测器需要探测平台工作时，绳索解锁，探测平台与航天器主体之间储存的电磁势能转化为动能，探测平台获得一定初速度。此时，重复上述调节过程，使探测平台进入工作状态。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种基于电磁分离与绳索约束的深空探测平台，其特征在于：该基于电磁分离与绳索约束的深空探测平台包括电磁装置、绳索约束装置、锁定装置、激光测距传感器、三轴加速度计、三轴陀螺仪；
电磁装置包括：主电磁铁与副电磁铁(电磁铁包含永磁体与线圈)；
绳索约束装置包括：卷扬机、绳索固定点、绳索；
锁定装置包括：电机、钩爪、钩爪槽。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁分离与绳索约束的深空探测平台，其特征在于：所述电磁装置中，主电磁铁位于航天器主体中轴线上，副电磁铁位于探测平台的中轴线上；主电磁铁与副电磁铁之间产生电磁斥力，将探测平台推离航天器主体，并与绳索约束装置配合，调节探测平台与航天器主体之间的相对速度。
3.根据权利要求1所述的一种基于电磁分离与绳索约束的深空探测平台，其特征在于：所述绳索约束装置中，卷扬机安装于以主电磁铁为中心的正方形四个顶点上；绳索固定点安装于探测平台上，与卷扬机的位置对应；卷扬机和绳索固定点之间由绳索相连；卷扬机为绳索提供拉力，从而调节探测平台与航天器主体之间的相对速度与姿态，稳定探测平台。
4.根据权利要求1所述的一种基于电磁分离与绳索约束的深空探测平台，其特征在于：所述锁定装置中，钩爪槽安装于探测平台外侧；电机安装于航天器主体上，为钩爪运动提供动力；钩爪与电机相连，在锁定状态时，钩爪嵌入钩爪槽中，实现探测平台和航天器主体的机械锁紧。
5.根据权利要求1所述的一种基于电磁分离与绳索约束的深空探测平台，其特征在于：所述激光测距传感器安装于航天器主体上，位于主电磁铁周围，用于测量并向计算机提供探测平台和航天器主体的相对运动信息；所述三轴加速度计与三轴陀螺仪安装于探测平台与航天器主体的中轴线上，用于测量三个方向的加速度与角速度，获取探测平台与航天器主体的速度、姿态信息。
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