RU2188145C2

RU2188145C2 - Spacecraft

Info

Publication number: RU2188145C2
Authority: RU
Inventors: П.С. Владимиров
Original assignee: Владимиров Порфирий Сергеевич
Priority date: 1992-01-28
Filing date: 1992-01-28
Publication date: 2002-08-27

Abstract

FIELD: spacecraft engine plants and control units. SUBSTANCE: spacecraft is provided with film solar sail, control compartment with voltage sources, switchboard and winches which are connected with sail by means of rods. Ailerons made over periphery of sail are connected with voltage source through switchgear. sail is made in form of polygon with bent external corners and winch rods are connected with these corners. Pulling the corners makes center of light pressure shift relative to center of mass of spacecraft, thus forming control moment changing orientation of sail in pitching and yawing. Spacecraft rotational speed is regulated by means of ailerons controllable by action of electrostatic and centrifugal forces. EFFECT: enhanced maneuverability; enhanced reliability of sail; simplified construction; reduced mass and overall dimensions. 4 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к космическим летательным аппаратам с солнечным парусом. The invention relates to spacecraft with a solar sail.

Известен космический аппарат [1], содержащий круглый пленочный парус-отражатель с центральным отверстием, в котором с возможностью поперечного перемещения посредством лебедок и соединенных с парусом тяг размещен управляющий отсек с источником напряжений, соединенным через коммутатор с элеронами на периферии паруса, имеющими форму секторов, соединенных одной из радиальных кромок с парусом под некоторым малым углом к его радиусу. Управление аппаратом по углам тангата и рысканья осуществляется перемещением массы управляющего отсека относительно центра светового давления паруса и действием элеронов в качестве световых клапанов. Управление по крену обеспечено подачей на группы элеронов напряжения разного знака, при этом половина элеронов отклоняется на некоторый угол и изменяет скорость вращения паруса. A spacecraft [1] is known, comprising a round film reflective sail with a central hole, in which a control compartment with a voltage source connected through a switch with ailerons on the periphery of the sail, having the shape of sectors, is placed with the possibility of lateral movement by means of winches and connected to the sail rods. connected by one of the radial edges with the sail at a small angle to its radius. The apparatus is controlled at the angles of tangent and yaw by moving the mass of the control compartment relative to the center of light pressure of the sail and the action of the ailerons as light valves. The roll control is provided by supplying voltage of a different sign to groups of ailerons, while half of the ailerons deviate by a certain angle and change the speed of rotation of the sail.

Известное устройство обеспечивает достаточно высокие технические характеристики и функциональные возможности космического аппарата, но имеет некоторые недостатки. The known device provides a sufficiently high technical characteristics and functionality of the spacecraft, but has some disadvantages.

1. Возможность поперечного перемещения управляющего отсека в центральном отверстии предопределяет значительные размеры последнего, увеличение наружного диаметра паруса и его момента инерции, снижение маневренности. 1. The possibility of transverse movement of the control compartment in the Central hole determines the significant size of the latter, an increase in the outer diameter of the sail and its moment of inertia, reduced maneuverability.

2. В аппаратах с большой парусностью и относительно малой массой управляющего отсека снижены управляющие моменты и маневренность. 2. In devices with high windage and relatively low mass of the control compartment, control torques and maneuverability are reduced.

3. Использование элеронов для управления по углам тантажа и рысканья требует большого их числа и размещения по всему параметру паруса, что усложняет конструкцию, увеличивает массу и момент инерции паруса. 3. The use of ailerons to control the angles of pitch and yaw requires a large number of them and placement along the entire sail parameter, which complicates the design, increases the mass and moment of inertia of the sail.

4. Известное устройство предусматривает радиальное направление линий сгиба гофр при свертывании паруса, что требует производственного помещения большого размера, сопоставимого с размерами развернутого паруса, недостаточно технологична операция намотки паруса на корпус КА. 4. The known device provides a radial direction of the fold lines of the corrugations when folding the sail, which requires a large production room, comparable to the dimensions of the deployed sail, the operation of winding the sail on the spacecraft’s hull is not technologically advanced.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, т. е. повышение маневренности, технологичности, надежности, упрощение конструкции, уменьшение массы и габаритов аппарата. Указанные цели достигаются исполнением паруса в виде многоугольника, в частности квадрата, углы которого завернуты и соединены тягами с бортовыми лебедками, укладкой паруса в виде параллельных гофр, намотанных на цилиндрический корпус управляющего отсека, оснащением аппарата синхронизатором развертывания паруса. The aim of the present invention is to remedy these disadvantages, i.e., increasing maneuverability, manufacturability, reliability, simplifying the design, reducing the weight and dimensions of the apparatus. These goals are achieved by sailing in the form of a polygon, in particular a square, the corners of which are wrapped and connected by rods to the side winches, laying the sail in the form of parallel corrugations wound on a cylindrical body of the control compartment, equipping the apparatus with a sail deployment synchronizer.

Конструкция аппарата представлена на чертежах, где на фиг.1 изображен КЛАСП, вид в плане; на фиг.2 - осевой разрез; на фиг.3 и 4 в увеличенном масштабе изображено устройство управляющих элеронов, на фиг.5 приведена схема развертывания паруса в космосе, на фиг.6 и 7 изображен центральный блок с устройством синхронизации развертывания паруса. The design of the apparatus is shown in the drawings, where FIG. 1 shows a CLASP, a plan view; figure 2 is an axial section; figure 3 and 4 on an enlarged scale depicts the device control ailerons, figure 5 shows a diagram of the deployment of the sail in space, figure 6 and 7 shows the Central unit with a synchronization device deployment of the sail.

Аппарат содержит цилиндрический корпус 1, в котором размещена научная и служебная аппаратура (приборы для научных исследований, системы измерения ориентации, терморегулирования, связи и др.). Корпус размещен в центральном отверстии 2 солнечного паруса 3, выполненного в виде выпуклого многогранника, преимущественно квадрата, и соединен с ним радиальными растяжками 4. Поверхность паруса образована рядом параллельных лент, соединенных (склеенных, сваренных) между собой боковыми кромками, ленты выполнены из гибкого и легкого материала с высокой светоотражающей способностью, например из полиамидной пленки толщиной порядка 2 мкм с алюминиевым покрытием ~0,1 мкм. Периметр паруса усилен кантом 5 в виде нитей или лент, внешние углы паруса завернуты на 180^o и соединены тягами 6 с лебедками, размещенными на корпусе аппарата и снабженными приводами вращения, управляемыми бортовым компьютером.The apparatus contains a cylindrical housing 1, which houses scientific and office equipment (instruments for scientific research, systems for measuring orientation, temperature control, communications, etc.). The hull is placed in the central hole 2 of the solar sail 3, made in the form of a convex polyhedron, mainly a square, and connected to it by radial extensions 4. The surface of the sail is formed by a series of parallel tapes connected (glued, welded) to each other by the side edges, the tapes are made of flexible and light material with high reflectivity, for example, from a polyamide film about 2 μm thick with an aluminum coating of ~ 0.1 μm. The perimeter of the sail is reinforced by the edging 5 in the form of threads or tapes, the outer corners of the sail are 180 ^{° turned} and connected by rods 6 with winches placed on the hull of the apparatus and equipped with rotation drives controlled by the on-board computer.

На периферии паруса закреплены также четыре (или более) пары элеронов 7,8, выполненных в виде прямоугольных треугольников, соединенных гипотенузой под углом α к радиальному направлению паруса. Элероны могут быть выполнены из материала паруса, т.е. из алюминированной пленки, причем металлическое покрытие элеронов изолировано от покрытия паруса и соединено через управляемый бортовым компьютером коммутатор с бортовым источником высокого напряжения. Электрические соединения элеронов с генератором высокого напряжения могут быть выполнены в виде основного металлического (алюминиевого) покрытия 9, изолированного от остальной поверхности электроизоляционными промежутками 10 в виде свободных от покрытия участков (полос) подложки. Остальная металлизированная поверхность паруса тоже соединена с источником регулируемого высокого напряжения, но это условие не является необходимым в ситуациях, обеспечивающих естественную электризацию паруса, например, при пролетах аппарата радиационных поясов планет или при воздействии солнечного ветра. Вблизи внешних углов паруса целесообразно размещение тонких электропроводящих волокон 11, например углеродных, которые обеспечивают холодную эмиссию зарядов с острых и тонких концов и сброс избыточного напряжения. Возможно также использование для этих целей ионных двигателей. Four (or more) pairs of ailerons 7.8, made in the form of rectangular triangles connected by a hypotenuse at an angle α to the radial direction of the sail, are also fixed on the periphery of the sail. Ailerons can be made of sail material, i.e. from an aluminized film, the metal aileron coating being isolated from the sail coating and connected via an onboard computer-controlled switch to an onboard high voltage source. The electrical connections of the ailerons with a high-voltage generator can be made in the form of a main metal (aluminum) coating 9, isolated from the rest of the surface by electrical insulating gaps 10 in the form of substrate-free sections (bands) of the coating. The rest of the metallized surface of the sail is also connected to a source of controlled high voltage, but this condition is not necessary in situations that provide for the natural electrification of the sail, for example, when flying the apparatus of the radiation belts of the planets or when exposed to the solar wind. Near the outer corners of the sail, it is advisable to place thin electrically conductive fibers 11, for example carbon fibers, which provide cold emission of charges from sharp and thin ends and discharge of excess voltage. It is also possible to use ion engines for these purposes.

Сборка паруса в предстартовое состояние осуществляется складыванием его в виде гофр по линиям изгиба 12, параллельным одной из внешних кромок паруса. Полученные таким образом два пакета гофр с натягом наматываются на цилиндрическую поверхность корпуса 1 и закрываются корсетом в виде двух полуцилиндрических створок 13, стянутых, например, пироболтами. Assembly of the sail in the prelaunch state is carried out by folding it in the form of corrugations along the bending lines 12 parallel to one of the outer edges of the sail. Thus obtained two packages of corrugations with interference are wound on the cylindrical surface of the housing 1 and closed with a corset in the form of two semi-cylindrical flaps 13, tightened, for example, with pyro-bolts.

Аппарат может быть оснащен устройством синхронизации развертывания (см. фиг.6 и 7), содержащим основание 14, на котором посредством механизма разделения 15 закреплен корпус 1 аппарата с намотанным на нем парусом 3, и на подшипнике 16 установлен зубчатый венец 17 с кронштейнами 13, в которых на осях 19 с возможностью поворота смонтированы проушины 20, в последних и в водиле 21 с возможностью вращения установлены валики 22. С венцом 17 сопряжена шестерня 23, кинематически связанная с приводом, например с электродвигателем или центробежным тормозом. The apparatus may be equipped with a deployment synchronization device (see Figs. 6 and 7), comprising a base 14, on which, by means of a separation mechanism 15, the apparatus body 1 is fixed with the sail 3 wound thereon, and a gear ring 17 with brackets 13 is mounted on the bearing 16, in which the eyes 20 are mounted rotatably on the axes 19, the rollers 22 are mounted rotatably in the latter and in the carrier 21. A gear 23 is coupled to the crown 17, kinematically connected to the drive, for example, with an electric motor or centrifugal brake.

После старта ракеты и прохождения ею плотных слоев атмосферы сбрасывается носовой обтекатель, под которым находится аппарат с собранным парусом. По достижении ракетной системой заданной области космического пространства сбрасываются створки корсета, и освободившийся парус развертывается под действием центробежной силы в радиальном направлении (см. фиг.5). Одновременно оба пакета гофр паруса от бортового генератора или из внешней среды получают электростатический заряд, вызывающий расслоение пакета и расширение паруса в поперечном к гофрам направлении. After the launch of the rocket and its passage through the dense layers of the atmosphere, the nose cone is dropped, under which there is an apparatus with the assembled sail. When the missile system reaches the specified area of outer space, the corset flaps are reset, and the released sail unfolds under the action of centrifugal force in the radial direction (see Fig. 5). At the same time, both packages of the corrugations of the sail from the onboard generator or from the external environment receive an electrostatic charge, causing the bundle to stratify and expand the sail in the direction transverse to the corrugations.

Более однозначным, управляемым и поддающимся оптимизации является процесс раскрытия паруса, снабженного синхронизатором (см. фиг. 6 и 7). В этом варианте пакеты гофр паруса воздействуют на валики 22, приводят зубчатый венец 17, водило 21 и шестерню 23 во вращение, регулируемое связанным с шестерней приводом. Развертывание паруса с синхронизатором происходит с оптимальной скоростью, оба пакета гофр расходятся в диаметрально противоположном направлении. В завершающей фазе раскрытия парус принимает форму веера, после чего центральный блок с корпусом 1 отделяется в осевом направлении посредством механизма разделения 15, при этом водило 21 сходит с концов валиков 22, последние действием центробежной силы поворачиваются в положение 24 и создают возможность расширения паруса до его полного раскрытия. A more unambiguous, controllable and optimizable process is the disclosure of a sail equipped with a synchronizer (see Figs. 6 and 7). In this embodiment, the packages of the corrugations of the sail act on the rollers 22, drive the ring gear 17, the carrier 21 and the gear 23 into rotation, regulated by a drive connected to the gear. Deployment of the sail with the synchronizer occurs at the optimum speed, both packages of corrugations diverge in the diametrically opposite direction. In the final phase of the disclosure, the sail takes the form of a fan, after which the central block with the hull 1 is axially separated by a separation mechanism 15, while the carrier 21 comes off the ends of the rollers 22, the latter rotate to position 24 by the action of centrifugal force and make it possible to expand the sail to its full disclosure.

Управление парусом по крену (скорость вращения) осуществляется подобно управлению космическим аппаратом по а.с. 1547229 В 64 G 1/40, 1988 г. При вращении паруса и элеронов 7,8, заряженных однозначно с парусом, последние силами электростатического отталкивания отклоняются от паруса, одновременно на элероны вследствие вращения паруса и соединения элеронов с парусом под углом α к радиусу действует центробежная сила, прижимающая электроны к парусу. В результате противоположного действия электростатических и центробежных сил элероны 7,8 в каждой фазе отклоняются на равные углы, но в противоположных (правом и левом) направлениях, создаваемые ими моменты вращения взаимно уравновешены. Подачей напряжения противоположного знака на один из элеронов в каждой паре можно соединить элерон с парусом, при этом второй элерон каждой пары создает крутящий момент и придает парусу требуемую скорость вращения. The roll control of the sail (rotation speed) is carried out similarly to the control of the spacecraft by AS 1547229 В 64 G 1/40, 1988. With the rotation of the sail and ailerons 7.8, charged uniquely with the sail, the latter deflect from the sail by the forces of electrostatic repulsion, while the ailerons act due to rotation of the sail and the connection of the ailerons with the sail at an angle α to the radius centrifugal force pressing electrons to the sail. As a result of the opposite action of electrostatic and centrifugal forces, ailerons 7.8 in each phase deviate at equal angles, but in opposite (right and left) directions, the moments of rotation created by them are mutually balanced. By applying a voltage of the opposite sign to one of the ailerons in each pair, you can connect the aileron to the sail, while the second aileron of each pair creates torque and gives the sail the required speed.

Управление аппаратом по углам тантажа и рысканья осуществляется изменением парусности путем включения бортовых лебедок и наматывания тяг 6, при этом угловые участки паруса перемещаются к центру, конфигурация паруса изменяется согласно фиг.1, центр тяжести перемещается на величину L₂, центр давления - на величину L₁, разность L₁-L₂=L₃ определяет плечо силы и управляющий момент. Команды на включение лебедок формируются бортовым компьютером в соответствии с программой полета и информацией, поступающей из системы измерения ориентации. \\2 Гофрированные поверхности являются концентраторами солнечного излучения, поэтому при опасности перегрева материала паруса развертывание последнего рекомендуется осуществлять или в плоскости эклиптики (ребром к направлению солнечных лучей), или в тени Земли.The apparatus is controlled by the pitch and yaw angles by changing the windage by turning onboard winches and winding the rods 6, while the corner sections of the sail move to the center, the configuration of the sail changes according to figure 1, the center of gravity moves by L ₂ , the center of pressure by L ₁ , the difference L ₁ -L ₂ = L ₃ determines the arm of the force and the control moment. Commands to turn on the winches are generated by the on-board computer in accordance with the flight program and information coming from the orientation measurement system. \\ 2 Corrugated surfaces are concentrators of solar radiation, therefore, in case of danger of overheating of the sail material, the deployment of the latter is recommended either in the ecliptic plane (edge to the direction of sunlight), or in the shadow of the Earth.

Многие частные проблемы, например, технология укладки паруса и его свертывание, могут быть рассмотрены позже в рабочем порядке. Many particular problems, for example, the technology of laying the sail and its folding, can be considered later in working order.

Оценка реализуемости проекта может быть выполнена с учетом приведенных ниже основных технических характеристик конкретного варианта исполнения. Assessment of the feasibility of the project can be carried out taking into account the following basic technical characteristics of a specific embodiment.

1. Габариты паруса - квадрат 400х400 м
2. Площадь паруса - 160000 м²
3. Материал паруса - - полиамидная пленка с толщиной 2 мкм, с алюминиевым покрытием 0,1 мкм, масса 1 м² 2,53 г.1. Dimensions of the sail - square 400x400 m
2. The area of the sail - 160,000 m ²
3. Sail material - - polyamide film with a thickness of 2 microns, with an aluminum coating of 0.1 microns, weight 1 m ² 2.53 g

4. Масса паруса - 405 кг
5. Масса центрального блока - 200 кг
6. Масса КЛАСП - 605 кг
7. Габариты центрального блока - ⌀ 400х2500 мм
8. Габариты КЛАСП со свернутым парусом - ⌀ 700х2500 мм
9. Сила тяги паруса - 1,36 н
10. Макс. ускорение КЛАСП - 2,25 мм/с²
11. Скорость вращения развернутого КЛАСП из условия отклонения периферии паруса на 5^o от плоскости - = 0,00798 рад/с (1 оборот за 13 мин)
12. Момент инерции паруса - = 10800000 кГм²
13. Сила тяги зарифованного паруса - 1,02 н (100 г)
14. Управляющий момент силы тяги - 33,96 н.м.4. Sail mass - 405 kg
5. The mass of the central unit is 200 kg
6. Weight of KLASP - 605 kg
7. Dimensions of the central unit - ⌀ 400x2500 mm
8. Dimensions KLASP with a folded sail - ⌀ 700x2500 mm
9. Sail pull force - 1.36 n
10. Max. KLASP acceleration - 2.25 mm / s ²
11. The rotation speed of the deployed CLASP from the condition that the periphery of the sail deviates by 5 ^o from the plane - = 0.00798 rad / s (1 revolution in 13 min)
12. The moment of inertia of the sail - = 10,800,000 kgm ²
13. The thrust of the sharpened sail - 1.02 n (100 g)
14. The control moment of the thrust force is 33.96 nm.

15. Момент инерции КЛАСП с зарифованным парусом - = 7963191 кг•м²
16. Угловая скорость КЛАСП с зарифованным парусом - = 0,010836 рад/с
17. Макс. угловая скорость прецессии КЛАСП как мера маневренности и управляемости - = 0,000394 рад/с (1 оборот за 4,43 ч)
Источники информации
1. Авт. свид. СССР 1547229 МКИ B 64 G 1/40, 1988 г.15. The moment of inertia of the CLASP with a furry sail - = 7963191 kg • m ²
16. The angular velocity of the CLASP with a harnessed sail - = 0.010836 rad / s
17. Max. CLASP precession angular velocity as a measure of maneuverability and controllability - = 0.000394 rad / s (1 revolution in 4.43 h)
Sources of information
1. Auth. testimonial. USSR 1547229 MKI B 64 G 1/40, 1988

Claims

1. A spacecraft containing a film solar sail, a control compartment with a voltage source, a switch and winches connected by tie rods with a sail, ailerons on the periphery of the sail connected through a switch with a voltage source, characterized in that the sail is made in the form of a polygon with wrapped outer corners , and the indicated thrusts of the winches are connected with the indicated external angles of the sail.

2. The spacecraft according to claim 1, characterized in that the sail is made in the form of a square.

3. The spacecraft according to claim 1, characterized in that the sail in the transport position is folded into a package of corrugations with fold lines parallel to the outer edge of the sail and wound on a cylindrical hull of the spacecraft.

4. The spacecraft according to claims 1 and 3, characterized in that it is equipped with a synchronizing device containing a gear ring with a rotation drive and brackets, mounted by means of rotation bearings on the base, a separation mechanism fastened to the base and the spacecraft body, carrier, placed on this case, with the possibility of rotation, axial rollers coupled to the corrugation package, the ends of which are mounted for rotation in the carrier and eyes, pivotally connected to the specified ring gear.