[发明专利]立方体卫星制动帆离轨装置

说明书

技术领域

本发明属于航天器离轨领域，具体涉及一种立方体卫星制动帆离轨装置。

背景技术

近年来，随着人类空间技术取得飞速发展和巨大成就，人类的空间活动也制造了大量空间碎片（也称太空垃圾）。空间碎片的存在严重威胁着在轨航天器的安全，制约了人类空间技术的发展。如何减缓空间碎片的增长已经成为国内外亟需解决的问题。机构间空间碎片协调委员会（Inter-Agency Space Debris Coordination Committee ,IADC）建议卫星如果不能变轨到墓地轨道，就应在完成其任务后25年内或发射后30年内能自行离轨，进入稠密大气烧毁。

立方体卫星以其成本低、研制周期短、功能密度大等一系列优点，逐渐成为国内外的研究热点。很多研究机构都选择立方体卫星为搭载平台验证新技术和新材料。为避免立方体卫星在完成任务后变为太空碎片，对其他在轨航天器构成碰撞威胁，需要在立方体上装载离轨系统，使其在完成任务后迅速脱离轨道。

目前主要离轨方式包括推进技术、充气球技术、电动力系绳以及制动帆等。但由于立方体卫星体积和质量的限制，导致一些适用于传统卫星的离轨技术难以适用于立方体卫星。其中推进技术会占用星上一些额外的推进剂，提高了卫星的质量，并且在离轨阶段还需要持续的推力矢量控制，对星上其他子系统的寿命提出更高的要求，尤其是电源和太阳能电池板。充气球技术需要星上携带一定的增压装置，给卫星发射和长时间工作带来了一定的安全隐患，并且高压气体引起的不可避免的气体泄露也缩短了该技术的使用寿命。电动力系绳展开后可达到数十米甚至数公里，对于低轨道卫星而言，增加了一定的任务风险性，此外电动力系绳是利用高速运动的导电绳索切割地磁场磁力线产生垂直于系绳和当地磁场方向的作用力，对于一些极地轨道卫星而言，该装置存在一定的局限性。

制动帆主要是通过提高卫星在轨飞行过程中所受到的大气阻力，从而加速卫星的离轨，其在工作过程中不需要卫星进行主动控制，可以依靠自身所储存的机械能来展开，系统质量轻、结构简单、成本低，适用于快速响应、任务周期短的低轨道立方体卫星。

Patrick公开报道了一种适用于低轨道立方体卫星的制动帆装置AEOLDOS (Advances in Space Research 54(2014) 82–91)，该装置依赖系统自身所储存的弹性势能驱动中间转轴转动，从而将制动帆展开。由于该装置所设计的制动帆面积较小，因而可以通过一个转轴将四根桅杆展开，4个帆存储室分别设置在四根桅杆之间。系统结构简单、体积小、质量轻，适用于低轨道立方体卫星的离轨。然而随着立方体卫星轨道高度不断提高，星体质量不断增大，该装置的应用存在一定的局限性。

NASA所设计的制动帆离轨装置Nanosail-D(22^nd Annual AIAA/USU)是目前公开报道的制动帆装置中唯一实现了在轨演示验证。该装置将帆存储室设置在展开机构顶部，装置展开后面积最大可达到10m²。由于该装置占用了星内2U(20cm*10cm*10cm)的空间，因而不适用于体积较小的立方体卫星。

发明内容

本发明的目的在于提供一种立方体卫星制动帆离轨装置，适用于体积小质量轻的立方体卫星的离轨，解决了立方体卫星在完成任务后无法在规定时间内离轨从而成为空间碎片影响其他卫星的正常运转的问题。

本发明解决技术方案为：一种立方体卫星制动帆离轨装置，由两个完全相同的立方体卫星制动帆离轨子装置构成，立方体卫星制动帆离轨子装置包括离轨装置和设置在离轨装置顶部的分隔板。

离轨装置为中心对称结构，包括主框架、上端盖、帆存储室导轨、霍尔传感器、底板和两个展开机构，主框架为Z字形，以主框架的中心为对称中心，将主框架分为两个相同的分室，两个展开机构分别设置在两个分室内。

主框架的分室以Z字形的端点的连线为界分为内腔和外腔，外腔侧壁的顶部和底部分别设有帆存储室导轨，顶部和底部的帆存储室导轨之间的外腔侧壁上形成桅杆导槽，内腔底部设有底板，底板中心设有轴承安装通孔，内腔顶部设有上端盖，上端盖底部设有轴承盲孔，与底板的轴承安装通孔对应，上端盖设有传感器槽口，用于安装霍尔传感器。

所述展开机构包括帆存储室、带状弹簧桅杆、卷轴、薄齿轮、桅杆限位装置。

所述卷轴两端分别设有薄齿轮，其底部通过轴承与底板的轴承安装通孔固连，顶部通过轴承与上端盖底部的轴承盲孔固连，带状弹簧桅杆套在卷轴上，桅杆限位装置套在带状弹簧桅杆外壁，且与底板固连，帆存储室通过帆存储室导轨与外腔固连。