RU201712U1

RU201712U1 - Multifunctional payload unit for nanosatellite format CubeSat 3U

Info

Publication number: RU201712U1
Application number: RU2020116900U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Владимирович Фомин; Дмитрий Олегович Струков; Руслан Александрович Бузиков
Priority date: 2020-05-12
Filing date: 2020-05-12
Publication date: 2020-12-29

Abstract

Предлагаемый механизм ориентации и стабилизации, как и его аналог, содержит маховики, электродвигатель и вакуумные подшипники. Отличие заключается в совмещении блока маховиков, обеспечивающих ориентацию малого космического аппарата в пространстве и оригинальной системы смены светофильтров для проведения научного эксперимента по исследованию фотоэлектрических преобразователей. Устройство устанавливается в корпус наноспутника формата CubeSat 3U размером 10см×10см×30см (центральный отсек) и включает в себя четыре маховика со встроенными светофильтрами (по четыре на каждый маховик), четыре электродвигателя и четыре диэлектрические пластины с исследуемыми ФЭП и датчиками. Управление осуществляется штатным бортовым компьютером.Предлагаемый механизм относится к космической области, позволяет с одной стороны, контролировать ориентацию и стабилизацию малого космического аппарата в пространстве, а с другой - проводить углубленный научный эксперимент по исследованию новых ФЭП. При этом экономится полезное пространство спутника. Устройство позволяет изучать влияние излучения различных длин ноли на работу фотоэлектрических преобразователей. Использование гибридной системы может осуществляться как попеременно, так и одновременно. Так, при выявлении системой ориентации отклонения положения МКА от заданного значения происходит запуск системы вращения маховиков, работа которых будет продолжаться до тех пор, пока аппарат не займет необходимое в пространстве положение. Проведение научного эксперимента возможно при низкой скорости вращения моховиков до и после управления положением спутника в режиме удержания стабильного положения МКА.Технический результат заключается не только в стабильной пространственной ориентации космического аппарата CubeSat 3U, которая влияет на точность любых проводимых на борту МКА экспериментов (например, дистанционное зондирование Земли),но и позволяет улучшить качественно спектр проводимых научных экспериментов в области фотоэлектрических преобразователей на борту наноспутников за счет предложенной оригинальной системы смены светофильтров. Также данный гибрид позволяет высвободить место, занимаемое обычной полезной нагрузкой, что дает возможность увеличить количество приборов, используемых в составе наноспутника.The proposed orientation and stabilization mechanism, like its analogue, contains flywheels, an electric motor and vacuum bearings. The difference lies in the combination of a block of flywheels that ensure the orientation of a small spacecraft in space and an original system for changing light filters for conducting a scientific experiment on the study of photoelectric converters. The device is installed in the case of a CubeSat 3U nanosatellite with dimensions of 10cm × 10cm × 30cm (central compartment) and includes four flywheels with built-in light filters (four for each flywheel), four electric motors, and four dielectric plates with the investigated FEP and sensors. The control is carried out by a standard on-board computer. The proposed mechanism relates to the space field, allows, on the one hand, to control the orientation and stabilization of a small spacecraft in space, and, on the other hand, to conduct an in-depth scientific experiment to study new PVCs. This saves usable satellite space. The device makes it possible to study the effect of radiation of various zero lengths on the operation of photoelectric converters. The hybrid system can be used alternately or simultaneously. So, when the orientation system detects the deviation of the position of the small spacecraft from the set value, the system of rotation of the flywheels is launched, the operation of which will continue until the apparatus takes the required position in space. A scientific experiment can be carried out at a low rotational speed of the flywheels before and after controlling the satellite position in the mode of maintaining a stable position of the ISV. Earth sounding), but it also makes it possible to improve the quality of the spectrum of scientific experiments in the field of photoelectric converters on board nanosatellites due to the proposed original system for changing light filters. Also, this hybrid allows you to free up space occupied by a conventional payload, which makes it possible to increase the number of devices used in the nanosatellite.

Description

Полезная модель относится к космической технике, а именно к устройствам малых космических аппаратов (МКЛ). Устройство позволяет совмещать проведение научных экспериментов по исследованию электрических свойств фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) с возможностью изменения ориентации и стабилизации МКА в космосе.The utility model relates to space technology, namely to small spacecraft devices (SCL). The device allows you to combine scientific experiments on the study of the electrical properties of photoelectric converters (PECs) with the ability to change the orientation and stabilize the small spacecraft in space.

Известно устройство но патенту RU 134517 U1 /1/, предназначенное для ориентации малых космических аппаратов в космосе. Данная конструкция на основе маховиков имеет уменьшенные габаритные размеры, позволяет с высокой точностью производить ориентацию аппаратов класса наноспутник. Однако, конструкция данного устройства не предусматривает встраивания в него светофильтров, либо другого научного оборудования для проведения научных исследований в космосе. Следовательно, не позволяет одновременно решать задачи управления положением МКА и проведения научного эксперимента. Отсутствует рациональное использование полезного объема МКА.Known device but patent RU 134517 U1 / 1 /, designed for the orientation of small spacecraft in space. This flywheel-based design has reduced overall dimensions, and allows for high-precision orientation of nanosatellites. However, the design of this device does not provide for the integration of light filters or other scientific equipment for scientific research in space. Consequently, it does not allow to simultaneously solve the problems of controlling the position of the small spacecraft and conducting a scientific experiment. There is no rational use of the usable volume of the MCA.

Существует патент SU 1658109 A1 /2/ на регулируемый оптический фильтр, а так же патент SU 354776 А1 /3/ на когерентный фильтр, используемые для изучения излучений разных длин волн в космическом пространстве. Предложенные светофильтры вполне возможно использовать в экспериментах по изучению ФЭП, однако, данные приборы не являются частью других приборов, жизненно необходимых для функционирования наноспутников, и будут требовать выделения дополнительного места из ограниченного объема МКА формата CubeSat.There is a patent SU 1658109 A1 / 2 / for an adjustable optical filter, as well as a patent SU 354776 A1 / 3 / for a coherent filter used to study radiation of different wavelengths in outer space. It is quite possible to use the proposed light filters in experiments on the study of PVCs; however, these devices are not part of other devices vital for the functioning of nanosatellites, and will require the allocation of additional space from the limited volume of small spacecraft of the CubeSat format.

Техническая проблема, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в создании компактного гибридного устройства, позволяющего совмещать возможности проведения научных экспериментов с использованием светофильтров, и ориентации малого космического аппарата в пространстве.The technical problem solved by the proposed utility model is to create a compact hybrid device that allows to combine the possibilities of conducting scientific experiments using light filters and the orientation of a small spacecraft in space.

Сущность полезной модели заключается в том, что в многофункциональном блоке полезной нагрузки наноспутника формата CubeSat 3U, включающем устройство ориентации и с табилизации положения малого космического аппарата, дополнительно установлен совмещенный с устройством ориентации и стабилизации оригинальный блок смены фильтров, каждый из которых выполнен в виде маховика, в четырех пазах которого, расположенных равномерно симметрично, установлены светофильтры, а на внутренней стороне, обращенной к двигателю, от центра до края, расположены под углом 90° к поверхности четыре гибкие щетки между светофильтрами и нанесены углубления с наружного края от каждого светофильтра, при этом каждый маховик установлен на валу каждого из четырех электродвигателей, попарно и соосно расположенных друг относительно друга под углом 90°, горизонтально, на раме-держателе, в центре корпуса космического аппарата, при этом каждый из валов сначала проходит через вакуумный подшипник, установленный в центре перпендикулярной валу квадратной пластины, которая, как и рама-держатель, установлена на платформе, прикрепленной к корпусу горизонтально, с расположением на квадратной пластине равномерно симметрично четырех образцов, соответствующих расположению светофильтров, а затем череч центр маховиков, светофильтры которых расположены перед прозрачной стенкой корпуса.The essence of the utility model lies in the fact that in the multifunctional payload unit of the CubeSat 3U format nanosatellite, including the orientation device and with the stabilization of the position of the small spacecraft, an original filter changer combined with the orientation and stabilization device is additionally installed, each of which is made in the form of a flywheel, in four slots of which, evenly symmetrically spaced, light filters are installed, and on the inner side facing the engine, from center to edge, four flexible brushes are located at an angle of 90 ° to the surface between the light filters and recesses are applied from the outer edge of each light filter, while each flywheel is mounted on the shaft of each of four electric motors, in pairs and coaxially located relative to each other at an angle of 90 °, horizontally, on a holder frame, in the center of the spacecraft body, while each of the shafts first passes through a vacuum bearing installed in the center perpendicular the ular shaft of a square plate, which, like the holder frame, is mounted on a platform horizontally attached to the body, with four samples uniformly symmetrically arranged on the square plate corresponding to the location of the light filters, and then through the center of the flywheels, the light filters of which are located in front of the transparent wall of the body.

Устройство представлено на следующих чертежах: фиг. 1 - Общий вид наноспутника формата CubeSat с установленным многофункциональным блоком полезной нагрузки, фиг. 2 - Маховик со встроенными светофильтрами и нанесенными иитами, фиг. 3 - Пластина с установленными ФЭП, а так же, расположенными с правой стороны лазерным светодиодом и фотоприемником, фиг. 4 - Платформа для уст ановки гибридной системы, фиг. 5 - Уголок крепления пластины с ФЭП к платформе.The device is shown in the following drawings: FIG. 1 - General view of a CubeSat nanosatellite with an installed multifunctional payload unit, Fig. 2 - Flywheel with built-in light filters and applied devices, fig. 3 - Plate with installed FEPs, as well as a laser LED and a photodetector located on the right side, Fig. 4 - Platform for installing a hybrid system, FIG. 5 - Corner of fastening the plate with the FEP to the platform.

Устройство установлено в центре корпуса наноспутника формата CubeSat 3U и расположено симметрично относительно центра устройства в плоскости X, включает в себя расположенные под углом 90° четыре электродвигателя 1 и четыре маховика 2, попарно и соосно установленные друг относительно друга. Маховики 2 закреплены на валах 3 электродвигателя. Каждый вал проходит через квадратную пластину 4 с установленными на ней четырьмя образцами 5 исследуемых ФЭП. Образцы 5 расположены под углом 90° в плоскости Y относительно центра оси. В месте прохождения валов через квадратную пластину установлены вакуумные подшипники 6. Пластины 4 крепятся уголками 7 к платформе 8, закрепленной горизонтально в корпусе. Па маховиках 2, в пазы установлены светофильтры 9, рассчитанные на разную длину волны видимого спектра. Кроме этого, на внутренней стороне каждого маховика (обращенной к двигателю), от центра до края установлены под углом 90° к нему четыре гибкие щетки 10 для предотвращения боковой засветки образцов. Немаловажной задачей в проведении эксперимента является определение того, какой светофильтр находится в текущий момент времени перед исследуемым ФЭП. Это устанавливается с помощью углублений - питов, нанесенных на внутренней стороне маховика, с наружного края светофильтров, как показано на фиг. 2. Определение информации об установленном фильтре, происходит по принципу считывания информации со штампованных CD-дисков, для этого используется лазерный диод и фотоприемник, установленные также на пластине 4, продемонстрированные на фигуре 3. Двигатели 1 кренятся к раме-держателю 11. Форма используемой рамы-держателя зависит от типа двигателей и особенностей их крепежа, а сама рама-держатель крепится на платформе 8. Принцип работы устройства.The device is installed in the center of the CubeSat 3U nano-satellite case and is located symmetrically relative to the center of the device in the X plane, includes four electric motors 1 and four flywheels 2 located at an angle of 90 °, in pairs and coaxially mounted relative to each other. Flywheels 2 are fixed on the shafts 3 of the electric motor. Each shaft passes through a square plate 4 with four samples of 5 investigated PVCs installed on it. Samples 5 are located at an angle of 90 ° in the Y plane relative to the center of the axis. Vacuum bearings 6 are installed in the place where the shafts pass through the square plate. Plates 4 are attached with corners 7 to platform 8, which is fixed horizontally in the housing. On flywheels 2, light filters 9 are installed in the grooves, designed for different wavelengths of the visible spectrum. In addition, on the inner side of each flywheel (facing the engine), from center to edge, four flexible brushes 10 are installed at an angle of 90 ° to it to prevent lateral illumination of the samples. An important task in the experiment is to determine which light filter is at the current time in front of the investigated PVC. This is established by means of recesses - pits, applied on the inner side of the flywheel, from the outer edge of the filters, as shown in FIG. 2. Determination of information about the installed filter, occurs on the principle of reading information from stamped CDs, for this a laser diode and a photodetector are used, also installed on plate 4, shown in figure 3. The motors 1 tilt to the holder frame 11. The shape of the frame used -the holder depends on the type of motors and the peculiarities of their fasteners, and the holder frame itself is mounted on the platform 8. The principle of operation of the device.

При выявлении системой ориентации отклонения положения МКА от заданного значения, происходит запуск блока вращающихся маховиков (включает в себя: электродвигатели 1, валы 3 и маховики 2), работа которого будет продолжаться до тех пор, пока аппарат не займет необходимое в пространстве положение. В зависимости от скорости вращения маховиков 2, научный эксперимент можно проводить либо во время корректировки положения МКА (при низкой скорости вращения маховиков), либо после. В этом случае маховики 2 исполняют роль оригинального устройства смены оптических фильтров 9. После занятия нужного положения светофильтрами, привод маховиков отключается.When the orientation system detects a deviation of the MCA position from the set value, a block of rotating flywheels (includes: electric motors 1, shafts 3 and flywheels 2) is started, the operation of which will continue until the apparatus takes the required position in space. Depending on the speed of rotation of the flywheels 2, a scientific experiment can be carried out either during the correction of the position of the MCA (at low speed of rotation of the flywheels), or after. In this case, the flywheels 2 play the role of an original device for changing the optical filters 9. After taking the desired position by the light filters, the flywheel drive is turned off.

Данное решение позволит сократить энергопотребление системы на проведение научного эксперимента и увеличит общую продолжительность функционирования наноспутника формата CubeSat.This solution will reduce the energy consumption of the system for conducting a scientific experiment and will increase the total duration of the operation of the CubeSat nanosatellite.

При попадании света на ФЭП 5, прошедшего через светофильтр 9, начинается процедура снятия экспериментальных данных (измерение ВАХ). ФЭП разделены между собой гибкими щетками 10, установленными на маховиках 2 для защиты соседних образцов от боковой засветки. После снятия показаний происходит смена положения фильтров 9, путем одновременного, но противоположно направленного попарного вращения маховиков 2 электродвигателями 1, на угол, равный 45°. Информация о находящемся светофильтре устанавливается путем сканирования углублений (питов), показанных на фигуре 2 в виде точек. Считывание происходит с помощью лазерного диода и фотоприемника, установленных в отверстия с краю пластины с ФЭП, как показано на фигуре 3.When light hits the photovoltaic transformer 5, which has passed through the light filter 9, the procedure for taking the experimental data (measuring the I - V characteristic) begins. FECs are separated by flexible brushes 10 mounted on flywheels 2 to protect neighboring samples from side illumination. After taking the readings, the position of the filters 9 is changed by simultaneous, but oppositely directed, pairwise rotation of the flywheels 2 by electric motors 1 by an angle equal to 45 °. The information about the located light filter is established by scanning the recesses (pits) shown in figure 2 in the form of dots. Reading takes place using a laser diode and a photodetector installed in the holes on the edge of the PVC plate, as shown in figure 3.

Такой тин устройств позволяет высвободить полезный объем спутника формата CubeSat для других полезных целей и задач. Приводит к снижению затрат на изготовление МКЛ в целом за счет производства одного устройства (маховика и блока светофильтров), вместо двух. Способствует повышению качества проводимых научных экспериментов по изучению влияния видимого излучения на фотовольтаические свойства ФЭП, в зависимости от длин волн. В свою очередь, эксперименты с новыми ФЭП способствуют развитию альтернативной энергетики и расширению возможностей по освоению дальнего космоса. Эти исследования позволяют, на основе полученных данных, апробировать новые типы элементов солнечных батарей, с целью выявления путей достижения их наибольшего кпд и срока службы.This type of device allows freeing up the useful volume of the CubeSat satellite for other useful purposes and tasks. It leads to a decrease in the cost of manufacturing MCL as a whole due to the production of one device (flywheel and block of light filters), instead of two. Contributes to the improvement of the quality of ongoing scientific experiments to study the effect of visible radiation on the photovoltaic properties of PVC, depending on the wavelength. In turn, experiments with new PVCs contribute to the development of alternative energy and the expansion of opportunities for deep space exploration. These studies make it possible, on the basis of the data obtained, to test new types of solar cells in order to identify ways to achieve their highest efficiency and service life.

Технический результат использования полезной модели состоит в том, что маховики позволят выполнять точную пространственную ориентацию МКА, а совмещенная с ними оригинальная система смены оптических фильтров позволит расширить спектр проводимых научных исследований на борту малых космических аппаратов. Важно, что предложенное устройство смены оптических фильтров, во время его работы, не будет оказывать влияние на изменение положения наноспутника в пространстве. При этом предлагаемая компоновка высвобождает полезное пространство МКА, что позволит в дальнейшем добавлять дополнительные модули полезной нагрузки, увеличивая возможности применения спутников формата CubeSat.The technical result of using the utility model is that the flywheels will allow precise spatial orientation of the small spacecraft, and the original system for changing optical filters combined with them will expand the range of scientific research on board small spacecraft. It is important that the proposed device for changing optical filters, during its operation, will not affect the change in the position of the nanosatellite in space. At the same time, the proposed layout frees up the usable space of the small spacecraft, which will make it possible to add additional payload modules in the future, increasing the possibilities of using satellites in the CubeSat format.

Список использованных источников:List of sources used:

1. Патент №1345171. Patent No. 134517

2. Патент №16581092. Patent No. 1658109

3. Патент №3547763. Patent No. 354776

4. Патент №1459784. Patent No. 145,978

5. Игнатенко П.М. О системах стабилизации и ориентации космических аппаратов.5. Ignatenko P.M. On systems of stabilization and orientation of spacecraft.

Claims

Multifunctional payload unit of a nanosatellite of the CubeSat 3U format, including a device for orientation and stabilization of the position of the nanosatellite, characterized in that it additionally has a filter changer combined with the orientation and stabilization device, each of which is made in the form of a flywheel, in four slots of which, located in pairs centrally symmetrically , light filters are installed, and on the inner side facing the flywheel motor, from the center to the edge, four flexible brushes are located at an angle of 90 ° to the surface between the light filters and grooves are applied from the outer edge from each light filter, with each flywheel mounted on the shaft of each of the four electric motors, in pairs and coaxially located relative to each other at an angle of 90 ° horizontally, on a holder frame installed in the center of the nanosatellite body, while each of the shafts first passes through a vacuum bearing installed in the center of a square plate perpendicular to the shaft, cat The hole, like the holder frame, is mounted on a platform attached to the body horizontally, with four samples located in pairs centrally symmetrically on a square plate, corresponding to the location of the light filters, and then through the center of the flywheels, the light filters of which are located in front of the transparent wall of the body.