CN115959308B - 一种低成本电驱动的电动力绳释放装置及离轨实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种低成本电驱动的电动力绳释放装置及离轨实验装置，属于航天器离轨技术领域。所述一种低成本电驱动的电动力绳释放装置，通过控制系统对电机进行位置控制，进而使电机推动推杆，使推杆上的轴承与顶盖齿条交错，解除对弹簧的限位，完成弹簧能量的释放。该释放装置通过电机控制的电子同步与同步杆的机械同步相配合，实现释放的高同步性和高可靠性，同时还具有成本低、可重复使用、重量轻、锁紧力大、不影响其他部件的优点。本发明的一种低成本电驱动的电动力绳离轨实验装置，基于所述一种基于所述低成本电驱动的电动力绳释放装置实现，能够用于地面实验以及离轨原理性实验，验证电动力绳的弹射释放和基于电动力绳的离轨方法的可行性。

Description

一种低成本电驱动的电动力绳释放装置及离轨实验装置

技术领域

本发明属于航天器离轨技术领域，特别涉及一种电动力绳释放装置及离轨实验装置。

背景技术

在目前的太空探索技术条件下，人类空间活动愈加频繁，在轨的航天器和空间碎片数量也因此呈现逐年上升的趋势。尤其是近年来，随着商业航天的崛起，大规模星座开始涌现，例如SpaceX公司的Starlink计划，OneWeb公司的低轨卫星系统项目等，都将再给外太空带来巨大数量的空间碎片。大量的空间碎片和失效卫星占据着宝贵的轨道资源，使太空环境日益拥堵。而较大的碎片还可能会与其他碎片或在轨航天器发生碰撞，从而导致空间碎片数量几何级增长，甚至触发凯斯勒现象，给太空安全和人类航天活动带来严重影响。因此空间碎片的数量控制迫在眉睫，而其中最为直接的控制方式就是将空间碎片离轨清除。

空间碎片的清除技术分为被动和主动两种。被动清除是指依靠空间环境的作用，例如大气阻力等，使碎片自然地离开原有轨道。主动清除是指通过人为手段干预碎片的运行轨道，使其在较短时间内离开目标区域。被动清除方法通常所需时间较长且作用轨道范围有限，清除速度无法与人类日益增长的发射需求相匹配，难以阻止碎片数量的不断增长，因此目前研究的主流方法为主动空间碎片清除技术。

采用电动力绳装置进行离轨是近年来兴起的一种新颖的，具有节能且轻便特点的离轨方式。其工作原理为在需降轨航天器上装载小型电动力绳装置，通过弹射使得装置中的系绳展开，通过在系绳的一端施加电压使系绳两端形成电势差，从而使系绳具有吸附空间电子并配合电子发射装置形成电流的能力。当通有电流的导电系绳在轨道上运动时，会切割地球磁感线，进而产生洛伦兹力。若此时洛伦兹力方向与系统运动方向相反，则可对系统实现降轨效果。

为验证电动力绳装置的原理及可行性，目前各国已累计开展了约13次在轨实验，但是其中约半数以失败告终，失败原因多是由于系绳的展开释放出现故障，包括美国的TSS-1项目，日本的T-Rex和KITE项目等。传统基于火工品的释放装置虽然可靠性好，但仅能使用一次，不利用地面实验，其本身需要加热，难以实现较为精准的控制，同时会对部分元件的耐温情况造成限制，此外其释放时产生的冲击还有可能对装置本身的运行产生影响；而新型的记忆合金释放装置虽然较好的弥补了火工品释放装置的缺陷，但仍然存在使用次数限制和价格较高的问题，综合成本较高。因此，急需一种可靠性较高，且成本相对较低的释放装置。

同时国内尚无电动力绳装置的在轨实验，相关的设计成果也较少。上海8院在其空间碎片建议书中给出了一种通过记忆合金拔销器释放的电动力绳降轨装置，已完成地面实验，技术成熟度较高，但需要依附于主星之上运行，不具备独立运行能力；申请号为201811308255.9，题为“航天器离轨电动力绳系”的专利申请中，公布了一种充气的绳系系统，但并不涉及整体电动力绳的结构；申请号为200910217467.0，题为“一种基于电动力绳系的卫星离轨装置及方法”的专利申请中，公布了一种基于电动力绳系的卫星离轨装置的基本组成部分及示意图，并给出了工作的流程图，但并没有指出每个部分具体细节与实现方式。因此，电动力绳装置的详细设计仍存在较多空白。

发明内容

为解决传统火工系绳释放装置威胁电动力绳离轨装置本身运行稳定，记忆合金系绳释放装置成本较高的问题，本发明的主要目的之一是提供一种低成本电驱动的电动力绳释放装置，该释放装置通过控制系统对电机进行位置控制，进而使电机推动推杆，使推杆上的轴承与顶盖齿条交错，解除对弹簧的限位，完成弹簧能量的释放。该释放装置通过电机控制的电子同步与同步杆的机械同步相配合，实现释放的高同步性和高可靠性，同时还具有成本低、可重复使用、重量轻、锁紧力大、不影响其他部件的优点。

本发明的主要目的之二在于提供一种低成本电驱动的电动力绳离轨实验装置，基于所述一种基于所述低成本电驱动的电动力绳释放装置实现。所述一种低成本电驱动的电动力绳离轨实验装置，借助所述电动力绳释放装置释放弹簧能量，将所储存的系绳弹射展开，通过带电系绳吸收空间电子，通过一端的电荷发射装置发射电子形成电流。当通有电流的导电系绳在轨道上运动时，会切割地球磁感线，进而产生洛伦兹力阻碍实验装置运动，从而完成电动力绳离轨实验装置降轨。该离轨实验装置能够用于地面实验以及离轨原理性实验，以验证电动力绳的弹射释放技术和基于电动力绳的离轨方法的可行性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明公开的一种低成本电驱动的电动力绳释放装置，包括电动力绳释放装置外壳、电动力绳释放控制模块和锁紧释放装置。

所述电动力绳释放装置外壳具有保护、固定、支撑、限位并改善电动力绳释放装置受力情况的作用。所述电动力绳释放装置外壳为无盖长方体盒状，构成整个所述电动力绳释放装置的外包络，将电动力绳释放装置与环境隔离，起到保护作用。所述电动力绳释放装置的侧壁和底面留有固定接口，所述固定接口用于通过螺栓将所述电动力绳释放控制模块与所述锁紧释放装置刚性连接，起到固定和支撑作用。所述电动力绳释放装置外壳侧壁顶端对称分布有两个长方体状凸起，所述两个长方体状凸起用于限制所述锁紧释放装置平行弹射方向的移动，同时用于平衡弹簧压力，降低所述锁紧释放装置收到的扭矩，改善所述锁紧释放装置受力情况。所述电动力绳释放装置外壳内部四角有四根光轴，所述四根光轴作为弹簧的中心轴，限制弹簧垂直弹射方向的运动。

所述电动力绳释放装置控制模块通过螺栓固定于所述电动力绳释放装置外壳内部的接口。所述电动力绳释放装置控制模块由中心控制板组成，用于控制所述锁紧释放装置在锁紧状态和释放状态之间切换，同时具备判断所述锁紧释放装置当前状态的能力。所述中心控制板有两种工作模式，分别为遥控模式和自主模式，可以在接收到远程指令或者满足预先设计的触发条件时对所述锁紧释放装置进行状态切换控制，具体控制方式为通过控制电源为推杆电机提供的电流，改变推杆电机运动的方向，从而改变推杆的位置，使推杆和顶盖的齿条交错或对齐，完成装置的释放或锁紧。

所述锁紧释放装置主要由顶盖、2组推杆、2组外螺纹圆柱销、2组轴承、2组推杆电机、2组推杆电机固定架、4根弹簧、1根同步杆组成。所述锁紧释放装置在锁紧状态时，用于维持储能弹簧的压缩状态，承受弹簧带来的压力并使弹簧和自身相对于所述电动力绳释放装置外壳保持相对静止的稳定状态；在释放状态时，通过所述推杆电机推动所述推杆，使所述推杆和所述顶盖的齿条交错，从而接触对弹簧的限位，释放弹簧的能量并对所述顶盖进行弹射，所述顶盖与系绳的一端固连，从而将系绳弹射。

所述顶盖整体外包络呈长方形，与所述电动力绳释放装置外壳内部的侧面形成松装配关系，以限制所述顶盖垂直于弹射方向的运动。所述顶盖中间凸起，对系绳起限位作用，同时提高空间利用率。所述顶盖的两侧存在齿条结构，在锁定状态时，每一个齿位于所述推杆对应齿的下方，通过所述弹簧施加的压紧力与所述推杆施加的反作用力实现平行于弹射方向的锁定。当装置处于锁定状态时，所述顶盖起支撑和固定作用。当被弹射时，所述顶盖的齿与所述推杆对应齿交错，从而解除所述弹簧平行于弹射方向的限制，所述顶盖在所述弹簧作用下被弹射，与系绳相连起到配重和拉出系绳的作用。

所述推杆、所述外螺纹圆柱销、所述轴承、所述推杆电机和所述推杆电机固定架均为两组，相对安装于所述电动力绳释放装置外壳内部的两侧。

1组所述推杆电机固定架含1个所述推杆电机固定架。所述推杆电机固定架的功能是通过螺丝将所述所述推杆电机固定架和所述推杆电机的定子部分固定于所述电动力绳释放装置外壳内部的侧壁上。所述推杆电机固定架呈E字形，内部空腔和所述推杆电机外侧呈紧装配，将所述推杆电机的定子部分垂直于运动方向固定。所述推杆电机固定架在一侧和所述推杆电机对位打孔，通过贯穿螺丝将两者固定于所述电动力绳释放装置外壳内部的侧壁上。所述推杆电机固定架另一侧凸起的外边沿上对称打孔，通过螺丝固定将所述推杆电机固定架固定于所述电动力绳释放装置外壳内部的侧壁上。

1组所述推杆电机包含1或2个所述推杆电机，根据所需推力进行选择。所述推杆电机的转子通过螺丝和所述推杆下端固连，用于推动所述推杆进行平移运动，从而使所述推杆的齿和所述顶盖的齿相互交错，完成所述锁紧释放装置的释放。所述推杆电机的定子通过螺丝固定于所述推杆电机固定架和所述电动力绳释放装置外壳内部的侧壁之间。

1组所述推杆包含1个所述推杆，随所述推杆电机运动，使所述锁紧释放装置在锁紧和释放状态间切换。所述推杆呈L型，一端开孔，与所述推杆电机的转子部分通过螺栓固定；另一端为齿条形，每一齿下边沿添加圆角，以避免齿交错时带来摩擦力陡增的现象，每一齿中间开孔，孔中放入所述轴承，将两根齿条相对运动时的滑动摩擦转化为滚动摩擦，从而减小阻力，降低对所述推杆电机推力的要求。当所述轴承与所述顶盖的齿对位时，所述锁紧释放装置为锁紧状态；当所述轴承与所述顶盖的齿交错时，所述锁紧释放装置为释放状态。

所述同步杆呈C字形，两端通过螺栓分别与所述推杆固定，从机械的角度保证2组所述推杆的运动同步。

1组所述外螺纹圆柱销包含多个所述外螺纹圆柱销，数目与所述推杆的齿数相同。所述外螺纹圆柱销的螺纹段通过螺纹与所述推杆的齿固连，所述外螺纹圆柱销的销段用于为轴承提供中心转轴，为所述轴承提供周向固定。

1组所述轴承包含多个所述轴承，数目与所述推杆的齿数相同。所述轴承将所述推杆与所述顶盖的齿之间相对运动时的滑动摩擦转换为滚动摩擦，降低运动阻力，同时降低对所述推杆电机推力的要求。所述轴承穿于所述外螺纹圆柱销的销段，相对所述外螺纹圆柱销周向固定。所述轴承两侧夹于所述推杆齿两侧的阶梯，相对所述外螺纹圆柱销轴向固定。

4根所述弹簧均匀分布于所述主体外壳的四角，所述弹簧底部固定于所述电动力绳释放装置外壳内部的底面，所述弹簧插入所述电动力绳释放装置外壳四角的光轴上，实现周向固定。所述弹簧的自由端被压在所述顶盖的下方，在锁定状态下，所述弹簧为压缩状态。当所述推杆电机推动所述推杆实现解锁之后，所述弹簧将释放能量，将所述顶盖发射。

所述电动力绳释放装置控制模块通过螺栓固定于所述电动力绳释放装置外壳内部的接口。所述电动力绳释放装置控制模块由中心控制板组成，用于控制所述锁紧释放装置在锁紧状态和释放状态之间切换，同时具备判断所述锁紧释放装置当前状态的能力。所述中心控制板有两种工作模式，分别为遥控模式、自主模式，在接收到远程指令或者满足预先设计的触发条件时对所述锁紧释放装置进行状态切换控制，具体控制方式为通过控制电源为推杆电机提供的电流，改变推杆电机运动的方向，从而改变推杆的位置，使推杆和顶盖的齿条交错或对齐，完成电动力绳释放装置的释放或锁紧。

本发明公开的一种低成本电驱动的电动力绳释放装置的工作方法为：在未收到远程指令或者不满足设定的条件时，电动力绳释放装置为锁紧状态，所述电动力绳释放装置控制模块控制电源，切断对所述推杆电机的电流供应，所述推杆电机处于自锁状态，所述推杆的齿与所述顶盖的齿相对，所述弹簧保持压紧状态，所述电动力绳释放装置整体保持相对静止状态；在收到远程指令或者满足设定的条件时，电动力绳释放装置切换为释放状态，所述电动力绳释放装置控制模块控制电源对所述推杆电机供电，推动所述推杆，使所述推杆的齿与所述顶盖的齿交错，解除弹簧在弹射方向的锁定，所述顶盖在弹簧的作用下被弹射，所述顶盖末端与系绳相连，将系绳释放拉出。

作为优选，所述系绳采用0.6mm直径软态纯铝丝，在保证抗拉强度的同时，尽可能减小系绳拉出时的阻力，同时铝丝还用于和空间构成导电回路。

作为优选，所述飞轮采用iACS200-3.0飞轮，静质量为0.34kg，额定功率为1.3W，控制能力足以控制3U以下的小卫星，同时满足功率和控制能力需求。

作为优选，所述电荷发射装置采用基于固态工质的微真空电弧等离子体接触器，具有总冲高、质量体积小、造价低、易实现模块化和加工难度低等优点。

作为优选，所述推杆电机采用锶庭推杆电机，该产品具有控制指令简单传动精准，体积小，推力大等优点。

作为优选，所述弹簧采用进口琴钢压簧，该产品具有刚度大，线性范围大，线性范围内线性程度高，耐疲劳性好等优点。

本发明还公开一种低成本电驱动的电动力绳离轨实验装置，基于所述一种基于所述低成本电驱动的电动力绳释放装置实现。所述一种低成本电驱动的电动力绳离轨实验装置，包括所述电动力绳释放装置、系绳存储模块、电荷发射装置、电荷发射装置外壳、离轨控制模块。

所述离轨实验装置借助所述电动力绳释放装置释放弹簧能量，将所储存的系绳弹射展开，通过导电系绳吸收空间电子，通过一端的电荷发射装置发射电子，形成电流。当通有电流的导电系绳在轨道上运动时，会切割地球磁感线，进而产生洛伦兹力阻碍实验装置运动，从而完成离轨实验装置降轨。该离轨实验装置用于地面实验以及离轨原理性实验，以验证电动力绳的弹射释放技术和基于电动力绳的离轨方法的可行性。

所述系绳存储模块由系绳底座、系绳组成，主要作用为存储系绳。所述系绳底座对系绳起支撑、固定作用。所述系绳底座整体呈倒立烧杯状，边沿突起，顶部带轴，通过边沿预留的孔以螺丝和所述电动力绳释放装置外壳的底部固连，顶部的轴可供系绳缠绕。所述系绳底座将所述飞轮与所述系绳隔开，其圆柱形的平面对所述系绳其支撑作用，同时顶部的轴呈正圆台型，在固定系绳的同时减小所述系绳拉出的阻力。所述系绳缠绕固定于所述系绳底座的顶部，所述系绳的一端和所述电荷发射装置固连，另一端和所述顶盖固连。所述系绳由导电材质制作而成，在空间展开后起到吸收空间电子，形成电流的作用。

所述电荷发射装置采用等离子体接触器，主要作用为将导电系绳吸收的电子发射向空间，从而形成电流，并测量端口处的电流和电压大小。所述电荷发射装置通过螺栓固定于所述电荷发射装置外壳的底部。所述电荷发射装置一端有三个接口，分别为供电接口、数据传输接口、电荷吸收接口。供电接口与所述离轨控制模块相连，可根据指令控制电荷的收发；数据传输接口与所述离轨控制模块相连，用于将实时测量的端口处的电流和电压大小数据传回所述离轨控制模块；电荷吸收接口和系绳相连，将系绳吸收的空间电子导入所述电荷发射装置。所述电荷发射装置另一端为电荷发射接口，将吸收的电子发射向空间。

所述电荷发射装置外壳成无盖空心长方体状，用于固定、保护所述电荷发射装置。所述电荷发射装置外壳底部与所述电动力绳释放装置外壳底部固连，进而使所述电荷发射装置与所述电动力绳释放装置外壳固连。所述电荷发射装置外壳侧壁一端开口，为所述电荷发射装置提供保护的同时为其电子发射端口留出接口。

所述离轨控制模块由中心控制板、飞轮组成。所述中心控制板与所述电动力绳释放装置中的所述中心控制板为同一部件，两者共享算力。所述离轨控制模块的作用为控制所述离轨实验装置的姿态和轨道，同时进行数据的处理和传输。

所述飞轮共有3组，每组含有两个完全相同的所述飞轮，以起到冗余备份的作用。所述飞轮的作用为改变自身的角动量，通过角动量守恒定理改变所述离轨实验装置的角动量，进而改变所述离轨实验装置的姿态。3组所述飞轮的中心轴向相互正交，分别控制装置的3轴姿态角，从而实现3轴稳定和机动。其中一组所述飞轮固定于所述主体外壳内部的底面的正中央，位于所述系绳底座的下方；另外两组所述飞轮相对固定于所述主体外壳内部的四个侧面。

所述中心控制板通过螺栓固定于所述电动力绳释放装置外壳内部的侧壁。所述中心控制板搭载姿态控制算法，用于控制飞轮转动，从而实现所述离轨实验装置的姿态控制；搭载轨道控制算法，通过控制电荷发射装置产生的电流大小以改变电动力绳的姿态以及所受到的洛伦兹力，从而实现所述离轨实验装置的轨道控制；搭载数据处理算法和数据传输装置，对所采集的电流电压数据进行滤波处理，并将处理后的数据传输到接收装置。

本发明公开一种低成本电驱动的电动力绳离轨实验装置的工作方法，包括如下步骤：

步骤一：所述中心控制板在接收到外界指令或满足设定条件后，控制所述锁紧释放装置转入释放状态。

步骤二：弹簧释放，将所述顶盖弹射，同时顶盖将系绳拉出，完成系绳弹射。

步骤三：当系绳完全展开，所述中心控制板控制所述飞轮和所述电荷发射装置，实现离轨实验装置的姿态控制和轨道控制，进行离轨实验装置降轨实验，以验证电动力绳的弹射释放技术和基于电动力绳的离轨方法的可行性。

有益效果：

1、本发明公开的一种低成本电驱动的电动力绳释放装置，通过控制系统对电机进行位置控制，进而使电机推动推杆，推杆上的轴承与顶盖齿条交错，解除对弹簧的限位，完成弹簧能量的释放，进而释放电动力绳。该释放装置通过电机控制的电子同步与同步杆的机械同步相配合，实现释放的高同步性和高可靠性；相比基于火工品的释放装置，本发明为纯电力驱动，具有安全、可重复使用、不影响其他部件的优点；相比基于记忆合金的释放装置，本发明具有成本低、便于地面多次实验的优点；同时本发明还具有重量轻、锁紧力大等优点。

2、本发明公开的一种低成本电驱动的电动力绳离轨实验装置，除发挥一种低成本电驱动的电动力绳释放装置优点外，还能够借助所述电动力绳释放装置释放弹簧能量，将所储存的系绳弹射展开，通过带电系绳吸收空间电子，通过一端的电荷发射装置发射电子，形成电流。当通有电流的导电系绳在轨道上运动时，会切割地球磁感线，进而产生洛伦兹力阻碍实验装置运动，从而完成降轨。本发明具有姿态和轨道控制能力，能够独立运行，可用于地面实验以及离轨原理性实验，以验证电动力绳的弹射释放技术和基于电动力绳的离轨方法的可行性。

附图说明

图1为本发明的一种电动力绳释放装置的机械结构示意图；

图2为本发明的一种电动力绳释放装置去除外壳后的机械结构示意图；

图3为本发明的一种电动力绳离轨实验装置的机械结构示意图；

图4为本发明的一种电动力绳离轨实验装置去除外壳后的机械结构示意图；

其中：1—电动力绳释放装置、2—电动力绳释放装置外壳、3—电动力绳释放控制模块、4—锁紧释放装置、5—中心控制板、6—顶盖、7—推杆、8—外螺纹圆柱销、9—轴承、10—推杆电机、11—推杆电机固定架、12—弹簧、13—同步杆、14—离轨实验装置、15—系绳存储模块、16—电荷发射装置、17—电荷发射装置外壳、18—离轨控制模块、19—系绳底座、20—系绳、21—飞轮。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

工作方式+具体内容

实施例1：

如图1所示，本实施例公开的一种低成本电驱动的电动力绳释放装置1，包括电动力绳释放装置外壳2、电动力绳释放控制模块3和锁紧释放装置4。

所述电动力绳释放装置外壳2具有保护、固定、支撑、限位并改善受力情况的作用。所述电动力绳释放装置外壳2为无盖长方体盒状，构成整个所述电动力绳释放装置1的外包络，将装置与环境隔离，起到保护作用。所述电动力绳释放装置1的侧壁和底面留有固定接口，可以通过螺栓将所述电动力绳释放控制模块3和所述锁紧释放装置4与接口刚性连接，起到固定和支撑作用。所述电动力绳释放装置外壳2侧壁顶端对称分布有两个长方体状凸起，可以限制所述锁紧释放装置4平行弹射方向的移动，同时可以平衡弹簧12压力，降低所述锁紧释放装置4收到的扭矩，改善所述锁紧释放装置4受力情况。所述电动力绳释放装置外壳2内部四角有四根光轴，可作为弹簧12的中心轴，限制弹簧12垂直弹射方向的运动。

所述电动力绳释放装置1控制模块通过螺栓固定于所述电动力绳释放装置外壳2内部的接口。所述电动力绳释放装置1控制模块由中心控制板5组成，用于控制所述锁紧释放装置4在锁紧状态和释放状态之间切换，同时具备判断所述锁紧释放装置4当前状态的能力。所述中心控制板5有两种工作模式，分别为遥控模式和自主模式，可以在接收到远程指令或者满足预先设计的触发条件时对所述锁紧释放装置4进行状态切换控制，具体控制方式为通过控制电源为推杆电机10提供的电流，改变推杆电机10运动的方向，从而改变推杆7的位置，使推杆7和顶盖6的齿条交错或对齐，完成装置的释放或锁紧。

所述锁紧释放装置4由顶盖6、2组推杆7、2组外螺纹圆柱销8、2组轴承9、2组推杆电机10、2组推杆电机固定架11、4根弹簧12、1根同步杆13组成。所述锁紧释放装置4在锁紧状态时，可以维持储能弹簧12的压缩状态，承受弹簧12带来的压力并使弹簧12和自身相对于所述电动力绳释放装置外壳2保持相对静止的稳定状态；在释放状态时，可以通过所述推杆电机10推动所述推杆7，使所述推杆7和所述顶盖6的齿条交错，从而接触对弹簧12的限位，释放弹簧12的能量并对所述顶盖6进行弹射，所述顶盖6与系绳20的一端固连，从而将系绳20弹射。

所述顶盖6整体外包络呈长方形，与所述电动力绳释放装置外壳2内部的侧面形成松装配关系，以限制所述顶盖6垂直于弹射方向的运动。所述顶盖6中间凸起，对系绳20起限位作用，同时提高空间利用率。所述顶盖6的两侧存在齿条结构，在锁定状态时，每一个齿位于所述推杆7对应齿的下方，通过所述弹簧12施加的压紧力与所述推杆7施加的反作用力实现平行于弹射方向的锁定。当装置处于锁定状态时，所述顶盖6起支撑和固定作用。当被弹射时，所述顶盖6的齿与所述推杆7对应齿交错，从而解除所述弹簧12平行于弹射方向的限制，所述顶盖6在所述弹簧12作用下被弹射，与系绳20相连起到配重和拉出系绳20的作用。所述系绳20采用0.6mm直径软态纯铝丝，在保证抗拉强度的同时，尽可能减小系绳20拉出时的阻力，同时系绳20还能够和空间构成导电回路。

所述推杆7，所述外螺纹圆柱销8，所述轴承9，所述推杆电机10和所述推杆电机固定架11均为两组，相对安装于所述电动力绳释放装置外壳2内部的两侧。

1组所述推杆电机固定架11含1个所述推杆电机固定架11。所述所述推杆电机固定架11的功能是通过螺丝将所述推杆电机固定架11和所述推杆电机10的定子部分固定于所述电动力绳释放装置外壳2内部的侧壁上。所述推杆电机固定架11呈E字形，内部空腔和所述推杆电机10外侧呈紧装配，将所述推杆电机10的定子部分垂直于运动方向固定。所述推杆电机固定架11在一侧和所述推杆电机10对位打孔，通过贯穿螺丝将两者固定于所述电动力绳释放装置外壳2内部的侧壁上。所述推杆电机固定架11另一侧凸起的外边沿上对称打孔，通过螺丝固定将所述推杆电机固定架11固定于所述电动力绳释放装置外壳2内部的侧壁上。

1组所述推杆电机10包含1个所述推杆电机10。所述推杆电机10采用锶庭推杆电机，锶庭推杆电机具有控制指令简单传动精准，体积小，推力大等优点。所述推杆电机10的转子通过螺丝和所述推杆7下端固连，可以推动所述推杆7进行平移运动，从而使所述推杆7的齿和所述顶盖6的齿相互交错，完成所述锁紧释放装置4的释放。所述推杆电机10的定子可以通过螺丝固定于所述推杆电机固定架11和所述电动力绳释放装置外壳2内部的侧壁之间。

1组所述推杆7包含1个所述推杆7，可随所述推杆电机10运动，使所述锁紧释放装置4在锁紧和释放状态间切换。所述推杆7呈L型，一端开孔，与所述推杆电机10的转子部分通过螺栓固定；另一端设计为齿条形，每一齿下边沿添加圆角，以避免齿交错时带来摩擦力陡增的现象，每一齿中间开孔，孔中放入所述轴承9，将两根齿条相对运动时的滑动摩擦转化为滚动摩擦，从而减小阻力，降低对所述推杆电机10推力的要求。当所述轴承9与所述顶盖6的齿对位时，所述锁紧释放装置4为锁紧状态；当所述轴承9与所述顶盖6的齿交错时，所述锁紧释放装置4为释放状态。

所述同步杆13呈C字形，两端通过螺栓分别与所述推杆7固定，从机械的角度保证2组所述推杆7的运动同步。

1组所述外螺纹圆柱销8包含多个所述外螺纹圆柱销8，数目与所述推杆7的齿数相同。所述外螺纹圆柱销8的螺纹段通过螺纹与所述推杆7的齿固连，所述外螺纹圆柱销8的销段可为轴承9提供中心转轴，为所述轴承9提供周向固定。

1组所述轴承9包含多个所述轴承9，数目与所述推杆7的齿数相同。所述轴承9将所述推杆7与所述顶盖6的齿之间相对运动时的滑动摩擦转换为滚动摩擦，降低了运动阻力，同时降低了对所述推杆电机10推力的要求。所述轴承9穿于所述外螺纹圆柱销8的销段，相对所述外螺纹圆柱销8周向固定。所述轴承9两侧夹于所述推杆7齿两侧的阶梯，相对所述外螺纹圆柱销8轴向固定。

所述弹簧12采用外径28mm、线径3mm、原长220mm的进口琴钢压簧，具有刚度大，线性范围大，线性范围内线性程度高，耐疲劳等优点。4根所述弹簧12均匀分布于所述主体外壳的四角，所述弹簧12底部固定于所述电动力绳释放装置外壳2内部的底面，所述弹簧12插入所述电动力绳释放装置外壳2四角的光轴上，实现周向固定。所述弹簧12的自由端被压在所述顶盖6的下方，在锁定状态下，所述弹簧12为压缩状态。当所述推杆电机10推动所述推杆7，实现解锁之后，所述弹簧12将释放能量，将所述顶盖6发射。

所述电动力绳释放装置1控制模块通过螺栓固定于所述电动力绳释放装置外壳2内部的接口。所述电动力绳释放装置1控制模块由中心控制板5组成，用于控制所述锁紧释放装置4在锁紧状态和释放状态之间切换，同时具备判断所述锁紧释放装置4当前状态的能力。所述中心控制板5有两种工作模式，分别为遥控模式和自主模式，可以在接收到远程指令或者满足预先设计的触发条件时对所述锁紧释放装置4进行状态切换控制，具体控制方式为通过控制电源为推杆电机10提供的电流，改变推杆电机10运动的方向，从而改变推杆7的位置，使推杆7和顶盖6的齿条交错或对齐，完成装置的释放或锁紧。

本实施例公开的一种低成本电驱动的电动力绳释放装置1的工作方法为：在未收到远程指令或者不满足设定的条件时，电动力绳释放装置1为锁紧状态，所述电动力绳释放装置1控制模块控制电源，切断对所述推杆电机10的电流供应，所述推杆电机10处于自锁状态，所述推杆7的齿与所述顶盖6的齿相对，所述弹簧12保持压紧状态，所述电动力绳释放装置1整体保持相对静止状态；在收到远程指令或者满足设定的条件时，电动力绳释放装置1切换为释放状态，所述电动力绳释放装置1控制模块控制电源对所述推杆电机10供电，推动所述推杆7，使所述推杆7的齿与所述顶盖6的齿交错，解除弹簧12在弹射方向的锁定，所述顶盖6在弹簧12的作用下被弹射，所述顶盖6末端与系绳20相连，可将系绳20释放拉出。

基于所述一种低成本电驱动的电动力绳释放装置1，本实施例还公开一种基于低成本电驱动的电动力绳释放装置1实现的离轨实验装置14，包括所述电动力绳释放装置1、系绳20存储模块15、电荷发射装置16、电荷发射装置外壳17、离轨控制模块18。

所述离轨实验装置14可以借助所述电动力绳释放装置1释放弹簧12能量，将所储存的系绳20弹射展开，通过导电系绳20吸收空间电子，通过一端的电荷发射装置16发射电子，形成电流。当通有电流的导电系绳20在轨道上运动时，会切割地球磁感线，进而产生洛伦兹力阻碍实验装置运动，从而完成降轨。该离轨实验装置14可用于地面实验以及离轨原理性实验，以验证电动力绳的弹射释放技术和基于电动力绳的离轨方法的可行性。

所述系绳20存储模块15由系绳20底座19、系绳20组成，主要作用为存储系绳20。所述系绳20底座19对系绳20起支撑、固定作用。所述系绳20底座19整体呈倒立烧杯状，边沿突起，顶部带轴，通过边沿预留的孔以螺丝和所述电动力绳释放装置外壳2的底部固连，顶部的轴可供系绳20缠绕。所述系绳20底座19将所述飞轮21与所述系绳20隔开，其圆柱形的平面对所述系绳20其支撑作用，同时顶部的轴呈正圆台型，在固定系绳20的同时减小所述系绳20拉出的阻力。所述系绳20缠绕固定于所述系绳20底座19的顶部，所述系绳20的一端和所述电荷发射装置16固连，另一端和所述顶盖6固连。所述系绳20由导电材质制作而成，在空间展开后起到吸收空间电子，形成电流的作用。

所述电荷发射装置16采用基于固态工质的微真空电弧等离子体接触器，具有总冲高、质量体积小、造价低、易实现模块化和加工难度低等优点，主要作用为将导电系绳20吸收的电子发射向空间，从而形成电流，并测量端口处的电流和电压大小。所述电荷发射装置16通过螺栓固定于所述电荷发射装置外壳17的底部。所述电荷发射装置16一端有三个接口，分别为供电接口、数据传输接口、电荷吸收接口。供电接口与所述离轨控制模块18相连，可根据指令控制电荷的收发；数据传输接口与所述离轨控制模块18相连，可将实时测量的端口处的电流和电压大小数据传回所述离轨控制模块18；电荷吸收接口和系绳20相连，可将系绳20吸收的空间电子导入所述电荷发射装置16。所述电荷发射装置16另一端为电荷发射接口，可将吸收的电子发射向空间。

所述电荷发射装置外壳17呈无盖空心长方体状，其作用为固定、保护所述电荷发射装置16。所述电荷发射装置外壳17底部与所述电动力绳释放装置外壳2底部固连，进而使所述电荷发射装置16与所述电动力绳释放装置外壳2固连。所述电荷发射装置外壳17侧壁一端开口，为所述电荷发射装置16提供保护的同时为其电子发射端口留出接口。

所述离轨控制模块18由中心控制板5、飞轮21组成，所述中心控制板5与所述电动力绳释放装置1中的所述中心控制板5为同一部件，两者共享算力。所述离轨控制模块18的作用为控制所述离轨实验装置14的姿态和轨道，同时进行数据的处理和传输。

所述飞轮21共有3组，每组含有两个完全相同的所述飞轮21，以起到冗余备份的作用。所述飞轮21采用iACS200-3.0飞轮，静质量为0.34kg，额定功率为1.3W，控制能力足以控制3U以下的小卫星，同时满足功率和控制能力需求。所述飞轮21的作用为改变自身的角动量，通过角动量守恒定理改变所述离轨实验装置14的角动量，进而改变所述离轨实验装置14的姿态。3组所述飞轮21的中心轴向相互正交，分别控制装置的3轴姿态角，从而实现3轴稳定和机动。其中一组所述飞轮21固定于所述主体外壳内部的底面的正中央，位于所述系绳20底座19的下方。另外两组所述飞轮21相对固定于所述主体外壳内部的四个侧面。

所述中心控制板5通过螺栓固定于所述电动力绳释放装置外壳2内部的侧壁。所述中心控制板5搭载姿态控制算法，控制飞轮21转动，从而实现所述离轨实验装置14的姿态控制；搭载轨道控制算法，通过控制电荷发射装置16产生的电流大小以改变电动力绳的姿态以及所受到的洛伦兹力，从而实现所述离轨实验装置14的轨道控制；搭载数据处理算法和数据传输装置，对所采集的电流电压数据进行滤波处理，并将处理后的数据传输到接收装置。

本实施例公开一种基于低成本电驱动的电动力绳释放装置1实现的离轨实验装置14的工作方法，包括如下步骤：

步骤一：所述中心控制板5在接收到外界指令或满足设定条件后，控制所述锁紧释放装置4转入释放状态。

步骤二：弹簧12释放，将所述顶盖6弹射，同时顶盖6将系绳20拉出，完成系绳20弹射。

步骤三：当系绳20完全展开，所述中心控制板5控制所述飞轮21和所述电荷发射装置16，实现离轨实验装置14的姿态控制和轨道控制，完成降轨目标。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低成本电驱动的电动力绳释放装置，其特征在于：包括电动力绳释放装置外壳、电动力绳释放控制模块和锁紧释放装置；

所述锁紧释放装置主要由顶盖、2组推杆、2组外螺纹圆柱销、2组轴承、2组推杆电机、2组推杆电机固定架、4根弹簧、1根同步杆组成；所述锁紧释放装置在锁紧状态时，用于维持弹簧的压缩状态，承受弹簧带来的压力并使弹簧和自身相对于所述电动力绳释放装置外壳保持相对静止的稳定状态；在释放状态时，通过所述推杆电机推动所述推杆，使所述推杆和所述顶盖的齿条交错，从而解除对弹簧的限位，释放弹簧的能量并对所述顶盖进行弹射，所述顶盖与系绳的一端固连，从而将系绳弹射；

所述电动力绳释放装置外壳具有保护、固定、支撑、限位并改善电动力绳释放装置受力情况的作用；所述电动力绳释放装置外壳为无盖长方体盒状，构成整个所述电动力绳释放装置的外包络，将电动力绳释放装置与环境隔离，起到保护作用；所述电动力绳释放装置外壳的侧壁和底面留有固定接口，所述固定接口用于通过螺栓将所述电动力绳释放控制模块与所述锁紧释放装置刚性连接，起到固定和支撑作用；所述电动力绳释放装置外壳侧壁顶端对称分布有两个长方体状凸起，所述两个长方体状凸起用于限制所述锁紧释放装置平行弹射方向的移动，同时用于平衡弹簧压力，降低所述锁紧释放装置收到的扭矩，改善所述锁紧释放装置受力情况；所述电动力绳释放装置外壳内部四角有四根光轴，所述四根光轴作为弹簧的中心轴，限制弹簧垂直弹射方向的运动；

所述电动力绳释放装置控制模块通过螺栓固定于所述电动力绳释放装置外壳内部的接口；所述电动力绳释放装置控制模块由中心控制板组成，用于控制所述锁紧释放装置在锁紧状态和释放状态之间切换，同时具备判断所述锁紧释放装置当前状态的能力；所述中心控制板有两种工作模式，分别为遥控模式和自主模式，可以在接收到远程指令或者满足预先设计的触发条件时对所述锁紧释放装置进行状态切换控制，具体控制方式为通过控制电源为推杆电机提供的电流，改变推杆电机运动的方向，从而改变推杆的位置，使推杆和顶盖的齿条交错或对齐，完成装置的释放或锁紧。

2.如权利要求1所述的一种低成本电驱动的电动力绳释放装置，其特征在于：所述顶盖整体外包络呈长方形，与所述电动力绳释放装置外壳内部的侧面形成松装配关系，以限制所述顶盖垂直于弹射方向的运动；所述顶盖中间凸起，对系绳起限位作用，同时提高空间利用率；所述顶盖的两侧存在齿条结构，在锁定状态时，每一个齿位于所述推杆对应齿的下方，通过所述弹簧施加的压紧力与所述推杆施加的反作用力实现平行于弹射方向的锁定；当装置处于锁定状态时，所述顶盖起支撑和固定作用；当被弹射时，所述顶盖的齿与所述推杆对应齿交错，从而解除所述弹簧平行于弹射方向的限制，所述顶盖在所述弹簧作用下被弹射，与系绳相连起到配重和拉出系绳的作用；

所述推杆、所述外螺纹圆柱销、所述轴承、所述推杆电机和所述推杆电机固定架均为两组，相对安装于所述电动力绳释放装置外壳内部的两侧。

3.如权利要求2所述的一种低成本电驱动的电动力绳释放装置，其特征在于：1组所述推杆电机固定架含1个所述推杆电机固定架；所述推杆电机固定架的功能是通过螺丝将所述所述推杆电机固定架和所述推杆电机的定子部分固定于所述电动力绳释放装置外壳内部的侧壁上；所述推杆电机固定架呈E字形，内部空腔和所述推杆电机外侧呈紧装配，将所述推杆电机的定子部分垂直于运动方向固定；所述推杆电机固定架在一侧和所述推杆电机对位打孔，通过贯穿螺丝将两者固定于所述电动力绳释放装置外壳内部的侧壁上；所述推杆电机固定架另一侧凸起的外边沿上对称打孔，通过螺丝固定将所述推杆电机固定架固定于所述电动力绳释放装置外壳内部的侧壁上；

1组所述推杆电机包含1或2个所述推杆电机，根据所需推力进行选择；所述推杆电机的转子通过螺丝和所述推杆下端固连，用于推动所述推杆进行平移运动，从而使所述推杆的齿和所述顶盖的齿相互交错，完成所述锁紧释放装置的释放；所述推杆电机的定子通过螺丝固定于所述推杆电机固定架和所述电动力绳释放装置外壳内部的侧壁之间；

1组所述推杆包含1个所述推杆，随所述推杆电机运动，使所述锁紧释放装置在锁紧和释放状态间切换；所述推杆呈L型，一端开孔，与所述推杆电机的转子部分通过螺栓固定；另一端为齿条形，每一齿下边沿添加圆角，以避免齿交错时带来摩擦力陡增的现象，每一齿中间开孔，孔中放入所述轴承，将两根齿条相对运动时的滑动摩擦转化为滚动摩擦，从而减小阻力，降低对所述推杆电机推力的要求；当所述轴承与所述顶盖的齿对位时，所述锁紧释放装置为锁紧状态；当所述轴承与所述顶盖的齿交错时，所述锁紧释放装置为释放状态；

所述同步杆呈C字形，两端通过螺栓分别与所述推杆固定，从机械的角度保证2组所述推杆的运动同步；

1组所述外螺纹圆柱销包含多个所述外螺纹圆柱销，数目与所述推杆的齿数相同；所述外螺纹圆柱销的螺纹段通过螺纹与所述推杆的齿固连，所述外螺纹圆柱销的销段用于为轴承提供中心转轴，为所述轴承提供周向固定；

1组所述轴承包含多个所述轴承，数目与所述推杆的齿数相同；所述轴承将所述推杆与所述顶盖的齿之间相对运动时的滑动摩擦转换为滚动摩擦，降低运动阻力，同时降低对所述推杆电机推力的要求；所述轴承穿于所述外螺纹圆柱销的销段，相对所述外螺纹圆柱销周向固定；所述轴承两侧夹于所述推杆齿两侧的阶梯，相对所述外螺纹圆柱销轴向固定；

4根所述弹簧均匀分布于电动力绳释放装置外壳的四角，所述弹簧底部固定于所述电动力绳释放装置外壳内部的底面，所述弹簧插入所述电动力绳释放装置外壳四角的光轴上，实现周向固定；所述弹簧的自由端被压在所述顶盖的下方，在锁定状态下，所述弹簧为压缩状态；当所述推杆电机推动所述推杆实现解锁之后，所述弹簧将释放能量，将所述顶盖发射。

4.如权利要求3所述的一种低成本电驱动的电动力绳释放装置，其特征在于：所述电动力绳释放装置控制模块通过螺栓固定于所述电动力绳释放装置外壳内部的接口；所述电动力绳释放装置控制模块由中心控制板组成，用于控制所述锁紧释放装置在锁紧状态和释放状态之间切换，同时具备判断所述锁紧释放装置当前状态的能力；所述中心控制板有两种工作模式，分别为遥控模式、自主模式，在接收到远程指令或者满足预先设计的触发条件时对所述锁紧释放装置进行状态切换控制，具体控制方式为通过控制电源为推杆电机提供的电流，改变推杆电机运动的方向，从而改变推杆的位置，使推杆和顶盖的齿条交错或对齐，完成电动力绳释放装置的释放或锁紧。

5.如权利要求4所述的一种低成本电驱动的电动力绳释放装置，其特征在于：所述系绳采用0.6mm直径软态纯铝丝；

所述推杆电机采用锶庭推杆电机；

所述弹簧采用琴钢压簧。

6.如权利要求4所述的一种低成本电驱动的电动力绳释放装置，其特征在于：在未收到远程指令或者不满足设定的条件时，电动力绳释放装置为锁紧状态，所述电动力绳释放装置控制模块控制电源，切断对所述推杆电机的电流供应，所述推杆电机处于自锁状态，所述推杆的齿与所述顶盖的齿相对，所述弹簧保持压紧状态，所述电动力绳释放装置整体保持相对静止状态；在收到远程指令或者满足设定的条件时，电动力绳释放装置切换为释放状态，所述电动力绳释放装置控制模块控制电源对所述推杆电机供电，推动所述推杆，使所述推杆的齿与所述顶盖的齿交错，解除弹簧在弹射方向的锁定，所述顶盖在弹簧的作用下被弹射，所述顶盖末端与系绳相连，将系绳释放拉出。

7.一种低成本电驱动的电动力绳离轨实验装置，如权利要求1至6任意一项所述的一种基于所述低成本电驱动的电动力绳释放装置实现，其特征在于：包括所述电动力绳释放装置、系绳存储模块、电荷发射装置、电荷发射装置外壳、离轨控制模块；

所述离轨实验装置借助所述电动力绳释放装置释放弹簧能量，将所储存的系绳弹射展开，通过系绳吸收空间电子，通过一端的电荷发射装置发射电子，形成电流；当通有电流的系绳在轨道上运动时，会切割地球磁感线，进而产生洛伦兹力阻碍实验装置运动，从而完成离轨实验装置降轨；该离轨实验装置用于地面实验以及离轨原理性实验，以验证电动力绳的弹射释放技术和基于电动力绳的离轨方法的可行性；

所述系绳存储模块由系绳底座、系绳组成，主要作用为存储系绳；所述系绳底座对系绳起支撑、固定作用；所述系绳底座整体呈倒立烧杯状，边沿突起，顶部带轴，通过边沿预留的孔以螺丝和所述电动力绳释放装置外壳的底部固连，顶部的轴可供系绳缠绕；所述系绳底座将所述飞轮与所述系绳隔开，其圆柱形的平面对所述系绳其支撑作用，同时顶部的轴呈正圆台型，在固定系绳的同时减小所述系绳拉出的阻力；所述系绳缠绕固定于所述系绳底座的顶部，所述系绳的一端和所述电荷发射装置固连，另一端和所述顶盖固连；所述系绳由导电材质制作而成，在空间展开后起到吸收空间电子，形成电流的作用；

所述电荷发射装置采用等离子体接触器，主要作用为将导电系绳吸收的电子发射向空间，从而形成电流，并测量端口处的电流和电压大小；所述电荷发射装置通过螺栓固定于所述电荷发射装置外壳的底部；所述电荷发射装置一端有三个接口，分别为供电接口、数据传输接口、电荷吸收接口；供电接口与所述离轨控制模块相连，可根据指令控制电荷的收发；数据传输接口与所述离轨控制模块相连，用于将实时测量的端口处的电流和电压大小数据传回所述离轨控制模块；电荷吸收接口和系绳相连，将系绳吸收的空间电子导入所述电荷发射装置；所述电荷发射装置另一端为电荷发射接口，将吸收的电子发射向空间；

所述电荷发射装置外壳成无盖空心长方体状，用于固定、保护所述电荷发射装置；所述电荷发射装置外壳底部与所述电动力绳释放装置外壳底部固连，进而使所述电荷发射装置与所述电动力绳释放装置外壳固连；所述电荷发射装置外壳侧壁一端开口，为所述电荷发射装置提供保护的同时为其电子发射端口留出接口；

所述离轨控制模块由中心控制板、飞轮组成；所述中心控制板与所述电动力绳释放装置中的所述中心控制板为同一部件，两者共享算力；所述离轨控制模块的作用为控制所述离轨实验装置的姿态和轨道，同时进行数据的处理和传输；

所述飞轮共有3组，每组含有两个完全相同的所述飞轮，以起到冗余备份的作用；所述飞轮的作用为改变自身的角动量，通过角动量守恒定理改变所述离轨实验装置的角动量，进而改变所述离轨实验装置的姿态；3组所述飞轮的中心轴向相互正交，分别控制装置的3轴姿态角，从而实现3轴稳定和机动；其中一组所述飞轮固定于电动力绳释放装置外壳内部的底面的正中央，位于所述系绳底座的下方；另外两组所述飞轮相对固定于电动力绳释放装置外壳内部的四个侧面；

所述中心控制板通过螺栓固定于所述电动力绳释放装置外壳内部的侧壁；所述中心控制板搭载姿态控制算法，用于控制飞轮转动，从而实现所述离轨实验装置的姿态控制；搭载轨道控制算法，通过控制电荷发射装置产生的电流大小以改变电动力绳的姿态以及所受到的洛伦兹力，从而实现所述离轨实验装置的轨道控制；搭载数据处理算法和数据传输装置，对所采集的电流电压数据进行滤波处理，并将处理后的数据传输到接收装置。

8.如权利要求7所述的一种低成本电驱动的电动力绳离轨实验装置，其特征在于：所述飞轮采用iACS200-3.0飞轮；

所述电荷发射装置采用基于固态工质的微真空电弧等离子体接触器。

9.如权利要求8所述的一种低成本电驱动的电动力绳离轨实验装置，其特征在于：工作方法包括如下步骤，

步骤一：所述中心控制板在接收到外界指令或满足设定条件后，控制所述锁紧释放装置转入释放状态；

步骤二：弹簧释放，将所述顶盖弹射，同时顶盖将系绳拉出，完成系绳弹射；

步骤三：当系绳完全展开，所述中心控制板控制所述飞轮和所述电荷发射装置，实现离轨实验装置的姿态控制和轨道控制，进行离轨实验装置降轨实验，以验证电动力绳的弹射释放技术和基于电动力绳的离轨方法的可行性。