[发明专利]一种功率密度可调的聚光式多用途卫星系统

说明书

技术领域

本发明涉及空间光学应用领域，特别是涉及一种功率密度可调的柔性菲涅尔透镜的聚光系统及其构成的多用途卫星系统。

背景技术

太阳能是一种取之不尽的绿色能源，目前对于太阳能的利用主要有地面太阳能发电和供热。然而由于到达地面的太阳能不稳定且辐射强度较小，因此对于外层空间太阳能的利用引起了世界各国科学家越来越大的兴趣，于是不少科学家和学者提出在空间使用太阳能传输到地面发电的概念。

地球上空的空间碎片数量与日俱增，对航天活动构成了很大威胁，空间碎片的清除技术研究成为当前各航天大国研究的重要领域。现有空间碎片清理技术有收集、灼烧和熔化，或者对其进行离轨降轨进入大气层烧毁。碎片收集装置需要巨大面积且能在轨展开，并耗费大量时间进行碎片清除，使用寿命也较短，不适合长期有效地空间碎片清理。此外，这些空间碎片清理措施还依赖于大功率激光器、控制推进、轨道交会和稳定捕获等技术，成本较高，工作量大，有的甚至存在与碎片撞击的危险，因此需要一种新型的空间碎片清理技术，安全、低成本，高效率的完成清理任务。

发明专利“自旋稳定的薄膜反射镜及在太空的应用”（专利号CN1341536A）公开了一种可在太空中依靠自旋稳定的薄膜反射镜，该方案介绍了利用薄膜凹面反射镜聚集太阳能对航天器进行发电供热，依靠自旋稳定方式维持姿态和轨道，该发明无法实现对光能的远距离输出利用，停留在对太阳能的原位利用功能，此外，其薄膜反光镜面型固定，无法改变功率密度，对太阳能的利用不具有可控性。

发明专利“高能聚光武器系统的方法及装置”（专利号CN101078610A）公开了一种高能聚光武器系统，通过使用耐高温凹面镜将光线汇聚一点，利用反射镜对出射光束进行方向控制。由于它系统中没有调节聚光系统镜面相对位置的设备，因此一旦系统研制完成就无法根据需要调节光束的功率密度，导致其功用相对单一。此外，该方法的聚光镜时刻处于高能光束的照射状态，没有休眠和保护策略，以目前光学设计加工工艺水平和材料特性，其寿命极短。若是应用于空间卫星，其光学透镜反光镜采用传统菲涅尔透镜研制，若要实现均匀聚光的目的，对面型的加工工艺要求极高；要想达到武器杀伤的聚光能力，重量大，发射成本高，因此很难用于空间领域。

结合空间太阳能来源充足和能量密度低的特点，可以使用大口径聚光镜将其聚集使用，从而以极低的成本实现在太空中将太阳能用于空间碎片清理和地面照明等功能，较好的弥补了目前卫星应用领域的功能单一性。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种功率密度可调的聚光式多用途卫星系统。

本发明的技术解决方案是：一种功率密度可调的聚光式多用途卫星系统，包括航天器平台、光学系统、光路调节机构和指向控制机构；所述的光学系统包括主聚光镜、副聚光镜和平面反射镜；副聚光镜位于主聚光镜背面且光轴重合，通过光路调节机构调整主聚光镜和副聚光镜之间的法向距离，改变输出光束的功率密度；通过指向控制机构调整平面反射镜的角度，使经平面反射镜反射的光束对准目标；太阳光经主聚光境透射聚光至副聚光镜，由副聚光镜将光线进行聚光后反射至平面反射镜，由平面反射镜将光束反射至目标；

所述的航天器平台包括桁架支撑结构、调姿控轨系统和自主信息管理系统；桁架支撑结构为光学系统、光路调节机构和指向控制机构提供安装空间；调姿控轨系统控制航天器运行在预定的轨道上，并调整主聚光镜镜面法线方向始终指向太阳；

自主信息管理系统根据预先设置的地面受能站信息，控制光路调节机构和指向控制机构，调节光束的功率密度，使光束反射至地面受能站位置；当需要照明时，接收地面发出的控制指令，根据控制指令控制光路调节机构和指向控制机构，调整光束功率密度并将输出光束照射到指定位置。

自主信息管理系统根据接收外部输入的空间碎片信息，完成以下两步操作：a控制光路调节机构，调节光束的功率密度至要求值；b控制指向控制机构，将副反射镜反射的高能光束准确投射至目标空间碎片，实现对空间碎片的清理。

低轨卫星通过星间链路与所述的自主信息管理系统建立通讯，自主信息管理系统接收低轨卫星发送的卫星轨道位置、蓄电池电量、所需光照条件和照射时间的供电申请指令；根据供电申请指令控制光路调节机构形成满足低轨卫星太阳翼正常发电所需光强的功率密度光束，并控制指向控制机构将该光束指向低轨卫星，同时将包含多用途卫星系统的轨道位置信息的回应指令反馈至低轨卫星，低轨卫星根据该回应指令调整太阳翼的受光面正对光束，实现在轨充电。