CN115180178A - 一种基于分布式构型的太阳帆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分布式构型的太阳帆,包括:航天器核心、太阳帆框架、若干个太阳帆叶片和若干个仿继电器离散式控制器,其中,太阳帆框架为方形框;若干个太阳帆叶片分布设置于太阳帆框架内,以产生太阳帆对应的动力和控制力矩;若干个仿继电器离散式控制器设置于太阳帆框架内,且与所述太阳帆叶片相连,以对所述太阳帆叶片的扭转状态进行切换;所述航天器核心设置于所述太阳帆框架的中间位置,且与所述太阳帆框架固定连接,以搭载有效载荷,并预留控制所述太阳帆叶片的电路。本发明通过自身的大量分布式太阳帆叶片实现对机械故障、微流星碰撞等事故导致任务失败的风险的降低,同时,有利于太阳帆进行深空探测任务,延长了太阳帆的工作寿命。
Description
技术领域
本发明涉及航空技术领域,特别是一种基于分布式构型的太阳帆。
背景技术
太阳帆是一种利用太阳光子冲击太阳帆面后获得动力的新型航天器。尽管太阳光产生的冲击力很小,这种连续推力在真空的太空环境下将使太阳帆获得的动量值持续增加。借助太阳光压力,太阳帆可完成常规情况下因需要极大推进剂消耗而不能完成的各类深空飞行任务。
由于工作周期长,太阳帆在运行过程中不可避免地需要面对机械故障、微流星碰撞等原因引起的系统性能衰退,并进而引发任务失败的可能性。对于机械故障与微流星碰撞问题,多数太阳帆依赖于采用分布式构型来削减危险,如NASA的NanoSail-D,但目前的分布式构型的帆面数量往往在4-8片之间,难以规避系统失灵风险。此外,考虑到燃料消耗,太阳帆需要无工质的三轴姿态控制策略。目前的方案多为采用偏置重心与压心的滑块与RSB的组合方案或利用电机旋转太阳帆叶片的方案,需要额外携带大质量的控制器。
发明内容
本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提供了一种基于分布式构型的太阳帆。
为了解决上述技术问题,本发明实施例提供了一种基于分布式构型的太阳帆,所述太阳帆包括:航天器核心、太阳帆框架、若干个太阳帆叶片和若干个仿继电器离散式控制器,其中,
所述太阳帆框架为方形框;
若干个所述太阳帆叶片分布设置于所述太阳帆框架内,以产生所述太阳帆对应的动力和控制力矩;
若干个所述仿继电器离散式控制器设置于太阳帆框架内,且与所述太阳帆叶片相连,以对所述太阳帆叶片的扭转状态进行切换;
所述航天器核心设置于所述太阳帆框架的中间位置,且与所述太阳帆框架固定连接,以搭载有效载荷,并预留控制所述太阳帆叶片的电路。
可选地,所述仿继电器离散式控制器为继电器结构的离散式控制器,且所述仿继电器离散式控制器的质量低于所述太阳帆的总质量的15%。
可选地,所述仿继电器离散式控制器包括:4个状态控制线圈、1个状态控制永磁体、1个自锁弹簧、1个自锁永磁体、1个自锁线圈、1个自锁棱锥和控制器壳体,其中,
所述自锁弹簧的底端固接于所述自锁永磁体的一端,所述自锁线圈设置于所述自锁永磁体的外周侧;
所述自锁弹簧的顶端与所述状态控制永磁体固接,两个所述状态控制线圈位于所述状态控制永磁体的一侧,另外两个所述状态控制线圈位于所述状态控制永磁体的另一侧;
所述状态控制线圈、所述状态控制永磁体、所述自锁弹簧、所述自锁永磁体、所述自锁线圈和所述自锁棱锥设置于所述控制器壳体内;
所述自锁棱锥的一端与所述自锁弹簧连接,以在所述自锁弹簧的作用下将所述仿继电器离散式控制器的状态锁死。
可选地,每个所述太阳帆叶片的底部和顶部均通过一个所述仿继电器离散式控制器与所述太阳帆框架相连。
可选地,所述太阳帆框架的结构为充气式结构,以实现所述太阳帆的折叠。
可选地,所述太阳帆框架内设置有电路,以传递控制信号及辅助保温。
本发明与现有技术相比的优点在于:
本发明提供的太阳帆,可以通过自身的大量分布式太阳帆叶片实现对机械故障、微流星碰撞等事故导致任务失败的风险的降低。使得即便发生事故,对于太阳帆整体的功能影响也相对于传统太阳帆大大降低。同时,分布式的结构设计也为神经元网络等智能控制算法提供了应用空间。通过大量独立可控叶片扭转的组合,在太阳光压力的作用下产生不同方向的力矩。由此,可以为三轴姿态控制算法提供物理上的基础,使得该太阳帆可实现无工质消耗的三轴姿态控制。更有利于太阳帆进行深空探测任务,延长了太阳帆的工作寿命。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于分布式构型的太阳帆的结构示意图;
图2为本发明实施例提供的一种轨道坐标系的结构示意图;
图3为本发明实施例提供的一种仿继电器离散式控制器的结构示意图;
图4为本发明实施例提供的一种仿继电器离散式控制器工作阶段变化的示意图;
图5为本发明实施例提供的一种太阳帆叶片与仿继电器离散式控制器连接的示意图;
图6为本发明实施例提供的一种在轨维持中轨道高度随时间变化的示意图;
图7为本发明实施例提供的一种三轴姿态控制策略的示意图;
图8为本发明实施例提供的一种太阳帆框架折叠状态与框架横剖面的示意图。
具体实施方式
为了解决现有技术中,采用偏置重心与压心的滑块与RSB的组合方案或利用电机旋转太阳帆叶片的方案,需要额外携带大质量的控制器的问题。本发明实施例提出了巨量离散可控太阳帆构型设计。通过采用大量独立可控太阳帆叶片的分布式构型,可以将机械故障与微流星碰撞带来的系统性能衰退大大减小,因此单一叶片与控制器的破坏对整个太阳帆的影响将大大降低。通过采用独立可控条带帆叶片,可以令太阳帆在无工质消耗的情况下完成三轴姿态控制。同时,为减轻太阳帆整体质量,设计了采用继电器结构的离散式轻质量控制器,大大削减了太阳帆的控制器质量。由此,巨量离散可控太阳帆具备更强的抵抗由机械故障,碰撞引发的任务失败的能力,同时具备无工质三轴姿态控制的能力,因而可更好地应用于外行星探测、人工拉格朗日点绕飞、小行星带探测和太阳极轨探测等行星际长周期探测任务。
接下来结合具体实施例对本发明的技术方案进行如下详细描述。
参照图1,示出了本发明实施例提供的一种基于分布式构型的太阳帆的结构示意图,如图1所示,该太阳帆可以包括:航天器核心11、太阳帆框架12、若干个太阳帆叶片13和若干个仿继电器离散式控制器14,其中,
所述太阳帆框架12为方形框;
若干个所述太阳帆叶片13分布设置于所述太阳帆框架12内,以产生所述太阳帆对应的动力和控制力矩;
若干个所述仿继电器离散式控制器14设置于太阳帆框架12内,且与所述太阳帆叶片13相连,以对所述太阳帆叶片13的扭转状态进行切换;
所述航天器核心11设置于所述太阳帆框架12的中间位置,且与所述太阳帆框架12固定连接,以搭载有效载荷,并预留控制所述太阳帆叶片13的电路。
在本实施例中,航天器核心是太阳帆航天器进行的任务的中枢,搭载着实现任务所需的所有仪器和仪器工作所需的环境;太阳帆框架起着连接太阳帆与核心、固定仿继电器离散式控制器以及支撑太阳帆帆面的作用,并在内部设置电路用于航天器核心对于仿继电器离散式控制器的控制;独立可控太阳帆叶片是太阳帆产生动力和控制力矩的来源,独立可控太阳帆叶片的顶部和底部均与仿继电器离散式控制器相连接,根据控制器状态的不同改变叶片的扭转状态,可获得不同方向的力矩,并以此为基础进行太阳帆的三轴姿态控制;仿继电器离散式控制器是对于太阳帆叶片扭转状态进行切换的器件,其与叶片的两端直接相连,并可在三个旋转状态之间切换,借此实现对太阳帆叶片的不同扭转状态。
巨量离散可控太阳帆采用大量独立可控太阳帆叶片组成帆面,如图5所示,每个独立可控太阳帆叶片均通过顶部和底部各一个的仿继电器离散式控制器与太阳帆框架相连接和固定。如图6所示,顶部和底部的仿继电器离散式控制器的不同控制状态将决定独立可控太阳帆叶片的扭转状态,由于顶部和底部的仿继电器离散式控制器各存在3种不同的状态,因此独立可控太阳帆叶片的扭转状态共有9种。根据独立可控太阳帆叶片的扭转状态的不同,太阳光压力作用于太阳帆叶片上将产生不同的力矩。通过大量太阳帆叶片不同扭转状态的组合,可以产生不同方向的力矩,并以此为基础进行太阳帆的三轴姿态控制。
可以理解地,上述示例仅是为了更好地理解本申请实施例的技术方案而列举的示例,在本示例中,太阳帆叶片的扭转状态为3*3种,在具体实现中,根据选择的不同,太阳帆叶片的扭转状态也并不相同,本实施例对此不加以限制。
对于巨量离散可控太阳帆的三轴姿态控制,图7中给出了利用独立可控太阳帆叶片的扭转实现三轴转动的策略。可以看出,图7a)中给出了产生沿xb方向的力矩的太阳帆叶片扭转模式,图7b)中给出了产生沿yb方向的力矩的太阳帆叶片扭转模式,图7c)中给出了产生沿zb方向的力矩的太阳帆叶片扭转模式。通过对不同方向扭转模式对应的叶片数量进行调整,可获得在一定范围内的任意方向的力矩,这可作为太阳帆三轴姿态控制的基础。
航天器核心作为太阳帆的核心组件,主要起到搭载有效载荷的作用,并预留出用于控制太阳帆叶片的电路。在本构型设计中无特殊需求。
可选地,所述仿继电器离散式控制器14为继电器结构的离散式控制器,且所述仿继电器离散式控制器14的质量低于太阳帆总质量的15%。
本申请实施例采用继电器结构的离散式轻质量控制器,大大削减了太阳帆的控制器质量,削减了发射太阳帆的燃料消耗,增加了太阳帆运行中的机动能力。同时在控制器的结构中应用了自锁设计,使得控制器不需要额外的能源来维持控制状态,削减了太阳帆的能量消耗。
可选地,所述仿继电器离散式控制器包括:4个状态控制线圈、1个状态控制永磁体、1个自锁弹簧、1个自锁永磁体、1个自锁线圈、1个自锁棱锥和控制器壳体,其中,
所述自锁弹簧的底端固接于所述自锁永磁体的一端,所述自锁线圈设置于所述自锁永磁体的外周侧;
所述自锁弹簧的顶端与所述状态控制永磁体固接,两个所述状态控制线圈位于所述状态控制永磁体的一侧,另外两个所述状态控制线圈位于所述状态控制永磁体的另一侧;
所述状态控制线圈、所述状态控制永磁体、所述自锁弹簧、所述自锁永磁体、所述自锁线圈和所述自锁棱锥设置于所述控制器壳体内;
所述自锁棱锥的一端与所述自锁弹簧连接,以在所述自锁弹簧的作用下将所述仿继电器离散式控制器的状态锁死。
可选地,每个所述太阳帆叶片的底部和顶部均通过一个所述仿继电器离散式控制器与所述太阳帆框架相连。
在本实施例中,采用继电器结构的离散式轻质量控制器以在实现对太阳帆叶片的稳定状态控制的情况下减小质量和能量消耗为设计目标。如图6所示,离散式控制器作为控制叶片旋转状态的执行机构,仅存在三个状态,“-1,0,1”,当某继电器状态为“0”时,其相连接的叶片端部与框架平面保持平行;当某继电器状态为“-1”时,其相连接的叶片端部与“0”状态相比,逆时针旋转了90度;当某继电器状态为“1”时,其相连接的叶片端部与“0”状态相比,顺时针旋转了90度。
如图3所示,控制器主要由4个状态控制线圈、1个状态控制永磁体、1个自锁弹簧、1个自锁永磁体、1个自锁线圈、1个自锁棱锥和控制器壳体组成。控制器的工作阶段分为自锁阶段和状态改变阶段,其工作过程如图4所示。在自锁阶段,即图4中的a)处,所有线圈断电,自锁棱锥在自锁弹簧的作用下将控制器的状态锁死。在状态改变阶段,如图4中的b)处,向自锁线圈通入电流Imain,自锁线圈产生磁场排斥自锁永磁体使得控制器自锁状态解除。再如图4中的c)处,向状态控制线圈通入电流Ic,状态控制线圈产生磁场吸引状态控制永磁体使得控制器状态改变为目标状态,之后,对所有线圈断电,使得控制器转为自锁阶段,即图4中的d)处。
为确保仿继电器离散式控制器在自锁阶段可实现自锁,即在任意大的外界干扰力矩下,控制器的自锁棱锥与壳体之间的静摩擦力产生的力矩均大于等于外界干扰力矩,控制器的自锁棱锥锥角M与自锁结构表面静摩擦系数μma需要满足以下关系:
其中,yre为以自锁棱锥高的中点为原点,以指向xb轴正方向自锁棱锥高的方向为正方向的自锁棱锥高方向上的坐标。F(yre)为在yre处因受到外界干扰力矩而产生的自锁棱锥与壳体表面的压力。很明显的,当M和μma满足下式时,自锁条件成立:
由上式计算可知,取离散式控制器的自锁棱锥锥角M为60度,自锁结构表面静摩擦系数μma为0.6满足自锁条件。
此外,状态控制线圈对状态控制永磁体产生的磁力FB应满足以下条件,使得自锁棱锥在外部力矩的作用下依然可以对准控制器壳体的沟槽:
Toutside/rw≤FB
则磁力FB应大于0.1N。
可选地,所述太阳帆框架的结构为充气式结构,以实现所述太阳帆的折叠。
可选地,所述太阳帆框架内设置有电路,以传递控制信号及辅助保温。
巨量离散可控太阳帆的太阳帆框架主要起到支撑和连接的作用,其连接的具体关系如图1所示。如图8a)所示,太阳帆框架主体采用充气式结构,可通过折叠方式大大减少太阳帆在发射时的体积。如图8b)所示,太阳帆框架由一层内部充有惰性气体的弹性外皮构成,内部可设置电路用以传递控制信号,并可借助电路发热来辅助保温。
基于分布式构型的巨量离散可控太阳帆整体构型如图1所示。太阳帆框架连接着航天器核心与大量的仿继电器离散式控制器,并在内部设置电路用于航天器核心对于仿继电器离散式控制器的控制。独立可控太阳帆叶片的顶部和底部均与仿继电器离散式控制器相连接,并根据控制器状态的不同改变叶片的扭转状态,进而可获得不同方向的力矩,并以此为基础进行太阳帆的三轴姿态控制。同时,由于每个独立可控太阳帆叶片的控制均相互独立,且单个独立可控太阳帆叶片的破坏对于整体系统的影响很小,因此可大大降低机械故障、微流星碰撞等事故导致任务失败的风险。
在进行分布式构型的太阳帆的设计时,可以设置太阳帆的基本参数:设置太阳帆初始的尺寸、质量等参数,航天器核心质量m1为336.11kg,单个仿继电器离散式控制器质量m2为0.003kg,独立可控太阳帆叶片质量m3为0.00311kg,太阳帆框架质量m4为72.79kg。航天器核心数量n1为1,单个仿继电器离散式控制器数量n2为2×n3,独立可控太阳帆叶片数量n3设置为10000,太阳帆框架数量n4为1。航天器核心边长a为1m,单个仿继电器离散式控制器边长a2为0.01m,独立可控太阳帆叶片长lb为50m、宽wb为0.02m,太阳帆框架长lf为201m、宽为lb。太阳帆与太阳距离Lsun2sail为1AU,太阳帆本体坐标系Sb如图1所示方式建立坐标系,太阳帆轨道坐标系Sl如图2所示方式建立坐标系。离散式控制器的自锁棱锥锥角M为60度,自锁结构表面静摩擦系数μma为0.6。自锁棱锥高rl为0.8cm,自锁棱锥宽rw为0.1cm。取独立可控太阳帆叶片的顶部和底部处的外部干扰力矩Toutside为0.0001N/m。
在进行基本参数的设置之后,可以按照设置的基本参数构建本实施例描述的基于分布式构型的太阳帆,在具体设计过程中,可以适当调整基本参数,以完成整体设计。
本申请所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本申请,但不以任何方式限制本申请。因此,本领域技术人员应当理解,仍然对本申请进行修改或者等同替换;而一切不脱离本申请的精神和技术实质的技术方案及其改进,均应涵盖在本申请专利的保护范围中。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (6)
1.一种基于分布式构型的太阳帆,其特征在于,所述太阳帆包括:航天器核心、太阳帆框架、若干个太阳帆叶片和若干个仿继电器离散式控制器,其中,
所述太阳帆框架为方形框;
若干个所述太阳帆叶片分布设置于所述太阳帆框架内,以产生所述太阳帆对应的动力和控制力矩;
若干个所述仿继电器离散式控制器设置于太阳帆框架内,且与所述太阳帆叶片相连,以对所述太阳帆叶片的扭转状态进行切换;
所述航天器核心设置于所述太阳帆框架的中间位置,且与所述太阳帆框架固定连接,以搭载有效载荷,并预留控制所述太阳帆叶片的电路。
2.根据权利要求1所述的太阳帆,其特征在于,所述仿继电器离散式控制器为继电器结构的离散式控制器,且所述仿继电器离散式控制器的质量低于所述太阳帆的总质量的15%。
3.根据权利要求1所述的太阳帆,其特征在于,所述仿继电器离散式控制器包括:4个状态控制线圈、1个状态控制永磁体、1个自锁弹簧、1个自锁永磁体、1个自锁线圈、1个自锁棱锥和控制器壳体,其中,
所述自锁弹簧的底端固接于所述自锁永磁体的一端,所述自锁线圈设置于所述自锁永磁体的外周侧;
所述自锁弹簧的顶端与所述状态控制永磁体固接,两个所述状态控制线圈位于所述状态控制永磁体的一侧,另外两个所述状态控制线圈位于所述状态控制永磁体的另一侧;
所述状态控制线圈、所述状态控制永磁体、所述自锁弹簧、所述自锁永磁体、所述自锁线圈和所述自锁棱锥设置于所述控制器壳体内;
所述自锁棱锥的一端与所述自锁弹簧连接,以在所述自锁弹簧的作用下将所述仿继电器离散式控制器的状态锁死。
4.根据权利要求1所述的太阳帆,其特征在于,每个所述太阳帆叶片的底部和顶部均通过一个所述仿继电器离散式控制器与所述太阳帆框架相连。
5.根据权利要求1所述的太阳帆,其特征在于,所述太阳帆框架的结构为充气式结构,以实现所述太阳帆的折叠。
6.根据权利要求1所述的太阳帆,其特征在于,所述太阳帆框架内设置有电路,以传递控制信号及辅助保温。
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Cited By (2)
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CN116560079A (zh) * | 2023-07-10 | 2023-08-08 | 天府兴隆湖实验室 | 一种光帆构建方法及光帆 |
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2022
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Cited By (4)
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CN116560079A (zh) * | 2023-07-10 | 2023-08-08 | 天府兴隆湖实验室 | 一种光帆构建方法及光帆 |
CN116560079B (zh) * | 2023-07-10 | 2023-09-08 | 天府兴隆湖实验室 | 一种光帆构建方法及光帆 |
CN116834979A (zh) * | 2023-08-30 | 2023-10-03 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种采用双帆轮毂结构的太阳帆展开机构 |
CN116834979B (zh) * | 2023-08-30 | 2023-11-07 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种采用双帆轮毂结构的太阳帆展开机构 |
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