CN114802809A - 用于空间电磁屏蔽的化学分子卫星 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于空间电磁屏蔽的化学分子卫星，化学分子卫星能够完成从二维平面构型到三维正多面体构型的拓扑变换，需要进行电磁屏蔽的目标设备能够容纳在化学分子卫星中，化学分子卫星包括原子卫星和机械臂。原子卫星依次位于正多面体的顶角处；机械臂用于连接相邻的原子卫星，机械臂中设置有能够展开的电磁屏蔽帆，展开后的电磁屏蔽帆能够至少部分地覆盖机械臂所在的正多面体中的一个平面；其中，化学分子卫星能够借助机械臂展开。由此，本发明中的化学分子卫星能够在太空中的在轨服务中根据任务需求，对目标卫星提供电磁屏蔽的空间任务，可以方便且有效地保护目标卫星。

Description

用于空间电磁屏蔽的化学分子卫星
技术领域
本发明涉及电磁屏蔽技术领域，尤其涉及一种用于空间电磁屏蔽的化学分子卫星。
背景技术
人造卫星是遵循轨道力学规律长期环绕地球或其它行星飞行、执行在轨任务的航天器，其能够实现多种空间功能，例如可以实现对地监测、天文观测、通信转播以及科学研究。为了实现相关的空间任务，例如，协助目标卫星对地隐身和在太阳风暴中保护目标卫星，人造卫星需要进行电磁屏蔽。其中，前者在空间攻防中具有重要意义，后者主要针对超强太阳风暴对地球空间的影响，以提供在太阳风暴中保护高价值卫星的在轨服务。
现有技术中，电磁屏蔽主要包括两个方面，被动屏蔽和主动屏蔽。其中，被动屏蔽为对干扰信号进行屏蔽，以保证自身器械能够正常工作，例如，可以对卫星自身设置法拉第笼，或者类似的舱式结构。主动屏蔽则为对外部的侦测信号进行屏蔽，以实现“隐形”的效果，这主要是以能够实现电磁屏蔽的复合材料为基础，例如，可以将相应的复合材料涂覆在需要“隐形”的设备上。然而。当前的电磁屏蔽方式仅应用于目标装置自身，而且需要提前进行设计制造，无法应用于其他不具备电磁屏蔽的目标设备上。因此，如何利用当前电磁屏蔽技术实现两种在轨服务任务同时不损坏目标卫星，是当前待解决的技术难题。
发明内容
为至少部分地解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种用于空间电磁屏蔽的化学分子卫星。
本发明的技术方案如下：
一种用于空间电磁屏蔽的化学分子卫星，所述化学分子卫星能够完成从二维平面构型到三维正多面体构型的拓扑变换，需要进行电磁屏蔽的目标设备能够容纳在变换成为三维正多面体构型的所述化学分子卫星中，所述化学分子卫星包括：
原子卫星，所述原子卫星依次位于所述正多面体的顶角处；以及
机械臂，所述机械臂用于连接相邻的所述原子卫星，所述机械臂中设置有能够展开的电磁屏蔽帆，展开后的所述电磁屏蔽帆能够至少部分地覆盖所述机械臂所在的所述正多面体中的一个平面；
其中，所述化学分子卫星能够借助所述机械臂展开。
可选地，所述化学分子卫星构造为大致正二十面体，所述原子卫星的数量为12个且依次位于所述正二十面体的顶角处。
可选地，所述电磁屏蔽帆展开为六边形，展开后的所述电磁屏蔽帆上依次间隔的三条边分别平行于当前所在的三角形表面的三条边。
可选地，所述机械臂的数量为21个。
可选地，所述化学分子卫星展开后能够使得所述原子卫星均位于同一平面内，展开至同一平面后的所述原子卫星包括一个一级卫星、排成一列的五个二级卫星、排成一列的五个三级卫星、一个四级卫星，其中，排成一列的所述二级卫星平行于排成一列的所述三级卫星，所述二级卫星和所述三级卫星之间经由所述机械臂依次连接能够形成8个等边三角形，所述一级卫星和所述四级卫星分别位于所述二级卫星和所述三级卫星的两侧，所述一级卫星能够与处于端部的一个所述二级卫星和处于同一端部的一个所述三级卫星共线，并且所述一级卫星能够与邻近的两个所述二级卫星经由所述机械臂连接形成等边三角形，所述四级卫星能够与处于另一端部的一个所述二级卫星和处于同一另一端部的一个所述三级卫星共线，并且所述四级卫星能够与邻近的两个所述三级卫星经由所述机械臂连接形成等边三角形。
可选地，所述电磁屏蔽帆板通过三浦折叠的方式容纳在所述机械臂的臂体部分，所述电磁屏蔽帆能够沿所述机械臂的径向方向向外扩展。
可选地，所述机械臂包括：
臂体，所述臂体构造为杆状；
弯折部分，所述弯折部分连接至所述臂体的端部；以及
旋转部分，所述旋转部分连接至所述弯折部分，所述旋转部分远离所述弯折部分的一端能够连接外部设备；
其中，所述弯折部分绕垂直于所述臂体的轴向方向的第一旋转轴可旋转地连接至所述臂体的端部，所述旋转部分绕垂直于所述第一旋转轴的第二旋转轴可旋转地连接至所述弯折部分。
可选地，所述臂体的两个端部均设置有所述弯折部分和所述旋转部分。
本发明技术方案的主要优点如下：
本发明的用于空间电磁屏蔽的化学分子卫星构造为正多面体，其能够容纳需要进行电磁屏蔽的目标设备，该化学分子卫星包括原子卫星和机械臂，原子卫星位于正多面体的顶角处，机械臂用于连接相邻的原子卫星，并且机械臂中设置有电磁屏蔽帆，化学分子卫星还能够借助机械臂展开。当目标卫星需要进行电磁屏蔽时，化学分子卫星能够捕获该目标卫星，并且机械臂中的电磁屏蔽帆能够依次展开并且覆盖化学分子卫星的表面，从而有效地对目标卫星进行电磁屏蔽。与现有技术相比，本发明中的化学分子卫星能够在太空中的在轨服务中根据任务需求，对目标卫星提供电磁屏蔽的空间任务，可以方便且有效地保护目标卫星。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1为根据本发明的一个实施方式中的化学分子卫星的结构示意图；
图2为图1中所示的化学分子卫星展开后的结构示意图；
图3为图2中所示的化学分子卫星展开后的平面结构示意图；
图4为图3中所示的化学分子卫星中的各个机械臂上的电磁屏蔽帆展开方向的结构示意图；
图5为图1中所示的化学分子卫星中的其中一个表面的电磁屏蔽帆展开后的结构示意图；
图6为图1中的化学分子卫星中机械臂上的电磁屏蔽帆展开后的局部结构示意图；
图7为图5中所示的电磁屏蔽帆展开后的尺寸示意图；
图8为图5中所示的电磁屏蔽帆的折叠示意图；
图9为图1中所示的化学分子卫星靠近目标卫星时的状态示意图；
图10为图1中所示的化学分子卫星捕获目标卫星时的状态示意图，其中电磁屏蔽帆未展开；
图11为图1中所示的化学分子卫星捕获目标卫星时的状态示意图，其中电磁屏蔽帆未展开；以及
图12为图1中所示的化学分子卫星捕获目标卫星时的状态示意图，其中电磁屏蔽帆已展开。
附图标记说明：
10：原子卫星 11：一级卫星 12：二级卫星
13：三级卫星 14：四级卫星 20：机械臂
30：电磁屏蔽帆。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。
如图1至图12所示，在根据本发明的一个实施方式中，提供了一种用于空间电磁屏蔽的化学分子卫星，该化学分子卫星能够完成从二维平面构型到三维正多面体构型的拓扑变换，需要进行电磁屏蔽的目标设备能够容纳在变换成为三维正多面体构型的化学分子卫星中。
如图1和图2所示，化学分子卫星包括原子卫星10和机械臂20。
其中，原子卫星10依次位于正多面体的顶角处，机械臂20用于连接相邻的原子卫星10，机械臂20中还设置有能够展开的电磁屏蔽帆30。在本实施方式中，展开后的电磁屏蔽帆30能够至少部分地覆盖当前机械臂20所在的正多面体中的一个平面。此外，化学分子卫星能够借助机械臂20展开变换成为二维平面构型。
可以理解，在对目标设备进行电磁屏蔽之前，化学分子卫星将处于二维平面构型的展开状态，而且电磁屏蔽帆30收纳在机械臂20中。当需要对目标设备进行电磁屏蔽时，化学分子卫星能够移动至目标设备附近，并借助机械臂20变形，在包覆目标设备的同时变形成为正多面体构型。之后，机械臂20中的电磁屏蔽帆30将会逐渐展开，并且至少部分地覆盖当前机械臂20所在的正多面体中的一个平面。由此，在化学分子卫星的包覆下，目标设备的周侧都覆盖有电磁屏蔽帆，从而使得目标设备能够被电磁屏蔽。而且，当目标设备不再需要电磁屏蔽时，电磁屏蔽帆30可以收纳至机械臂20中。同时，在机械臂20的运动下，化学分子卫星能够展开，被包覆在化学分子卫星中的目标设备也能够被释放出来。
由此可见，本实施方式中的化学分子卫星能够在在轨服务中，根据任务需求，有效地对目标卫星进行电磁屏蔽，而且不会损坏目标卫星。同时，该化学分子卫星能够重复执行电磁屏蔽的空间任务。
具体地，在本实施方式中，如图1所示，化学分子卫星构造为大致正二十面体，其中，原子卫星10的数量为12个，并且该12个原子卫星10依次位于正二十面体的顶角处。由此，可使得体积较大的目标设备能够容纳在化学分子卫星中，而且该化学分子卫星中的原子卫星的数量相对较少，控制中心也能够方便地对其进行控制。
可以理解，化学分子卫星构造为正二十面体，其表面形成有二十个等边三角形，每个等边三角形的顶角处均具有原子卫星10，其中相邻的两个原子卫星10之间通过机械臂20固定连接，该机械臂20中的电磁屏蔽帆能够沿着机械臂形成的等边三角形所在的平面展开，从而至少部分地覆盖该等边三角形，以便于进行电磁屏蔽。
作为一种实现方式，电磁屏蔽帆30通过三浦折叠的方式容纳在机械臂20的臂体中，电磁屏蔽帆30能够沿机械臂20的径向方向向外扩展。
当电磁屏蔽帆30在对形成为等边三角形的表面进行填充覆盖时，若电磁屏蔽帆展开后为等边三角形，则该电磁屏蔽帆的顶角可能与原子卫星发生碰撞，或者覆盖面积不足。为了避免上述问题，在本实施方式中，电磁屏蔽帆30展开为六边形，而且展开后的电磁屏蔽帆30上依次间隔的三条边分别平行于当前所在的三角形面的三条边，也即三个机械臂20。
也就是说，对于变换成为正二十面体的化学分子卫星的其中一个三角形表面而言，该三角形表面的三个顶角处分别有一个原子卫星10，连接其中的两个原子卫星之间的机械臂20中收纳有电磁屏蔽帆30，当需要进行电磁屏蔽时，该机械臂20中的电磁屏蔽帆30能够逐渐展开并覆盖该三角形区域。同时，当电磁屏蔽帆30完全展开后将形成为六边形的屏蔽区域，其中，电磁屏蔽帆30依次间隔的三条侧边依次平行于该三角形区域的三条边。优选地，该依次间隔的三条边能够同时抵接至该三角形区域的三条边，也即三个机械臂20。
优选地，在本实施方式中，该展开后的电磁屏蔽帆30形成的形状可以构造为由等边三角形截取三个顶角后形成的六边形。而且，该六边形的电磁屏蔽帆的相对的两条边相互平行，从而使得化学分子卫星的三角形表面的三个顶角处分别具有三个大小相同的较小的等边三角形。
进一步地，为了避免展开后的原子卫星和机械臂各自的位置出现重叠，在本实施方式中，机械臂20的数量为21个。
如图2所示，在机械臂20的运动下，12个原子卫星10在展开后能够位于同一个平面内。具体地，展开至同一个平面后的所有的原子卫星10中包括一个一级卫星11、五个二级卫星12、五个三级卫星13和一个四级卫星14。
如图3所示，五个二级卫星12排成一列，五个三级卫星13也排成一列，排成一列的二级卫星12和排成一列的三级卫星13相互平行，并且二级卫星12和三级卫星13之间经由机械臂20依次连接能够形成8个等边三角形。一级卫星11和四级卫星14分别位于二级卫星12和三级卫星13的两侧。并且，位于同一端部的一个二级卫星12和一个三级卫星13与一级卫星11共线，同时该一级卫星11能够与邻近的两个二级卫星12经由机械臂20连接形成等边三角形。同样地，位于另一端部的一个二级卫星12和一个三级卫星13与四级卫星14共线，同时该四级卫星14能够与邻近的两个三级卫星13经由机械臂20连接形成等边三角形。
如图4所示，各个机械臂20中容纳的电磁屏蔽帆30可以沿图中所示出方向向外展开，从而在化学分子卫星变换成为正二十面体后有效地覆盖各个外表面。
在本实施方式中，机械臂20包括臂体、弯折部分和旋转部分。其中，臂体构造为杆状，弯折部分连接至臂体的端部，旋转部分连接至弯折部分，旋转部分远离弯折部分的一端能够连接外部设备。
具体地，弯折部分绕垂直于臂体的轴向方向的第一旋转轴可旋转地连接至臂体的端部，旋转部分绕垂直于第一旋转轴的第二旋转轴可旋转地连接至弯折部分。
臂体的两个端部均设置有弯折部分和旋转部分，在本实施方式中，弯折部分和旋转部分共同形成机械臂的连接部，即机械臂的两端均具有连接部。旋转部分远离弯折部分的一端能够连接外部的原子卫星，由此，机械臂可以借助连接部与原子卫星连接，同时可以控制原子卫星沿多个方向移动。
为了使展开后的电磁屏蔽帆30具有足够大的覆盖面积，可以通过以下方式来确定电磁屏蔽帆30展开后的各个尺寸。
如图5所示，电磁屏蔽帆30展开后，其在机械臂的轴向方向上的最大长度为Lmax，收纳该电磁屏蔽帆的机械臂的臂体的轴向长度为Larm，则Lmax＜Larm。为了提高电磁屏蔽帆的覆盖面积，降低空隙所占据的面积，需要尽可能地提高Lmax的值。
在本实施方式中，电磁屏蔽帆30采用三浦折叠的方式进行收纳和展开，三浦折纸在展开过程中能够构成如图6所示的结构，其在受到冲击时具有很大的刚度，不容易发生变形。此外，三浦折纸在收缩时，相比于普通的折纸，能够在横向和纵向都带来更大程度的收缩，而且其折叠的次数也能够决定其收缩的程度。
电磁屏蔽帆30展开后的尺寸关系如图7所示，其中，电磁屏蔽帆可视为从左侧的斜边展开，需要覆盖的三角形的边长为L，顶角用于防干涉的空隙均为等边三角形，该较小的等边三角形的边长为x。电磁屏蔽帆的最长翼展为h1、h2，则：
h1＝(L-x)sin60°；
h2＝L-x；
电磁屏蔽帆可以由长为h1、宽为h2的长方形结构裁剪而成。如图8所示，设电磁屏蔽帆30在该长方形结构中在长度方向上分为n份，在宽度方向上分为m份，则：
Figure BDA0003605566630000071
Figure BDA0003605566630000072
假设机械臂20的径向方向上的半径为r，为了使电磁屏蔽帆收缩后能够有效地收纳在机械臂中，则收缩后的h1'需要满足：
h1'＜2r；
由于
Figure BDA0003605566630000073
则：
Figure BDA0003605566630000074
收缩后的h'2需要满足：
h'2＜Larm；
由于
Figure BDA0003605566630000075
则：
Figure BDA0003605566630000076
之后，将m与n的关系代入上述不等式可得：
Figure BDA0003605566630000077
通过计算可得：
Figure BDA0003605566630000078
Figure BDA0003605566630000079
通过上述计算可以得出电磁屏蔽帆初步制作的尺寸关系，但是在实际的过程中还需要各个部件的材质需求、结构强度、功能装置的位置等因素，尤其要考虑对机械臂开槽后对其结构特性带来的影响。因此，为了避免机械臂在工作的过程中发生变形，需要限制机械臂的槽口宽度。
在一个实施例中，对于径向半径r＝35mm、长度为L＝1400mm的机械臂，可以设置h1'＝r＝35mm，n＝28，折叠后h'2＝1169.12mm＜Larm。
在又一个实施例中，对于L＝2331mm、Larm＝1440mm、r＝35mm的机械臂，可以设置x＝713mm，h1＝1401.2mm，h2＝1618mm，l1＝50mm。
由此，如图9至图12，以及图1所示，在本实施方式中，当需要对目标卫星进行电磁屏蔽时，展开至所有原子卫星10位于同一平面的化学分子卫星可以移动至目标卫星附近，之后，原子卫星10在机械臂20的驱动作用下，化学分子卫星朝向正二十面体的构型变形，并使得目标卫星被包覆在化学分子卫星中，当化学分子充分变形为正二十面体后，机械臂中的电磁屏蔽帆逐渐展开，最终将目标卫星电磁屏蔽。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种用于空间电磁屏蔽的化学分子卫星，其特征在于，所述化学分子卫星能够完成从二维平面构型到三维正多面体构型的拓扑变换，需要进行电磁屏蔽的目标设备能够容纳在变换成为三维正多面体构型的所述化学分子卫星中，所述化学分子卫星包括：
原子卫星，所述原子卫星依次位于所述正多面体的顶角处；以及
机械臂，所述机械臂用于连接相邻的所述原子卫星，所述机械臂中设置有能够展开的电磁屏蔽帆，展开后的所述电磁屏蔽帆能够至少部分地覆盖所述机械臂所在的所述正多面体中的一个平面；
其中，所述化学分子卫星能够借助所述机械臂展开，实现构型的拓扑变换。
2.根据权利要求1所述的一种用于空间电磁屏蔽的化学分子卫星，其特征在于，所述化学分子卫星构造为大致正二十面体，所述原子卫星的数量为12个且依次位于所述正二十面体的顶角处。
3.根据权利要求2所述的一种用于空间电磁屏蔽的化学分子卫星，其特征在于，所述电磁屏蔽帆展开为六边形，展开后的所述电磁屏蔽帆上依次间隔的三条边分别平行于当前所在的三角形表面的三条边。
4.根据权利要求3所述的一种用于空间电磁屏蔽的化学分子卫星，其特征在于，所述机械臂的数量为21个。
5.根据权利要求4所述的一种用于空间电磁屏蔽的化学分子卫星，其特征在于，所述化学分子卫星展开后能够使得所述原子卫星均位于同一平面内，实现三维正二十面体构型到二维平面构型的拓扑变换，展开至同一平面后的所述原子卫星包括一个一级卫星、排成一列的五个二级卫星、排成一列的五个三级卫星、一个四级卫星，其中，排成一列的所述二级卫星平行于排成一列的所述三级卫星，所述二级卫星和所述三级卫星之间经由所述机械臂依次连接能够形成8个等边三角形，所述一级卫星和所述四级卫星分别位于所述二级卫星和所述三级卫星的两侧，所述一级卫星能够与处于端部的一个所述二级卫星和处于同一端部的一个所述三级卫星共线，并且所述一级卫星能够与邻近的两个所述二级卫星经由所述机械臂连接形成等边三角形，所述四级卫星能够与处于另一端部的一个所述二级卫星和处于同一另一端部的一个所述三级卫星共线，并且所述四级卫星能够与邻近的两个所述三级卫星经由所述机械臂连接形成等边三角形。
6.根据权利要求5所述的一种用于空间电磁屏蔽的化学分子卫星，其特征在于，所述电磁屏蔽帆板通过三浦折叠的方式容纳在所述机械臂的臂体部分，所述电磁屏蔽帆能够沿所述机械臂的径向方向向外扩展。
7.根据权利要求3所述的一种用于空间电磁屏蔽的化学分子卫星，其特征在于，所述机械臂包括：
臂体，所述臂体构造为杆状；
弯折部分，所述弯折部分连接至所述臂体的端部；以及
旋转部分，所述旋转部分连接至所述弯折部分，所述旋转部分远离所述弯折部分的一端能够连接外部设备；
其中，所述弯折部分绕垂直于所述臂体的轴向方向的第一旋转轴可旋转地连接至所述臂体的端部，所述旋转部分绕垂直于所述第一旋转轴的第二旋转轴可旋转地连接至所述弯折部分。
8.根据权利要求7所述的用于空间电磁屏蔽的化学分子卫星，其特征在于，所述臂体的两个端部均设置有所述弯折部分和所述旋转部分。
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