[发明专利]一种主动驱动式大型薄膜展开帆装置

说明书

本发明公开了一种主动驱动式大型薄膜展开帆装置，包括自上而下依次设置的上层展开装置、帆存储装置、下层展开装置、驱动装置、锁紧装置，上层展开装置和下层展开装置用于实现带状弹性桅杆的延伸，进而牵拽薄膜帆的展开；帆存储装置中存储薄膜帆；驱动装置用于驱动展开装置中带状弹性桅杆的展开；锁紧装置用于锁紧状态时展开装置的锁紧。本发明还包括用于将内部装置与外部环境隔离开的档板装置。本发明可作为离桅帆用于卫星寿命末期离轨；也可作为太阳帆，用作未来航天器推进系统，适用于远距离深空探测航天器的推进系统，同时能够减轻装置的质量，简化结构设计，提高系统可靠性和稳定性。

技术领域

本发明属于空间结构机构领域，具体涉及一种主动驱动式大型薄膜展开帆装置。

背景技术

薄膜展开帆作为一种航天空间结构机构系统，可作为离轨帆用于卫星寿命末期离轨，也可作为太阳帆，用作未来航天器推进系统。

薄膜离轨帆装置主要通过增加卫星在飞行方向上的迎风面积，从而提高卫星所受到的大气阻力，加速卫星离轨。离轨帆主要用于低轨航天器，在寿命末期展开后加速离轨。Patrick公开报道了一种适用于低轨道立方星的离轨帆装置AEOLDOS，该装置展开面积仅为1m²，占用了星内约0.3U（3cm×10cm×10cm）的空间。NASA所设计的离轨帆装置Nanosail-D是目前公开报道最早的在轨演示验证装置，展开后面积最大可达到10 m²，也是迄今为止展开面积最大的离轨帆，占用了星内2U（20cm×10cm×10cm）的空间。加拿大多伦多大学研制了针对20 kg级以下的微纳卫星离轨帆装置，主要采用单层四根带状弹性桅杆牵拽四张面积为1的三角形薄膜帆展开，其四块薄膜帆分别存储于四个帆存储仓内，需要占用了星内0.5U（5cm×10cm×10cm）的空间。目前国内外所设计出的离轨帆装置多采用单层四桅杆结构，帆展开面积基本在10m²以内，均适用于微纳卫星，针对大型失效航天器、火箭末子级、飞船等，由于其质量较大，为了加速其离轨，则需要提高其在轨飞行的面质比，因此需要设计出大型薄膜展开帆装置。

太阳帆适合高轨道卫星变轨或者深空航行等领域，目前处于各个研究单位与公司的热点领域。2010年5月21日，日本JAXA成功发射了世界上第一个太阳帆航天器“IKAROS”号，帆面展开后规格约为14m×14m，首次完成了太阳帆的在轨展开、在轨光压加速航行以及加速飞掠金星任务。此后，美国行星协会先后发送“LightSail-1”和“LightSail-2”号太阳帆航天器，其中“LightSail-2”号首次成功演示了太阳驱动飞行，抬升轨道，开启了一个新的行星际航行模式。薄膜帆无质损、无限比冲的本质特征使其成为深空探测领域，尤其是非开普勒轨道任务领域的研究焦点。目前我国在太阳帆的轨道转移和姿态控制等领域进行了部分基础研究，但在大型太阳帆展开装置研究仍处于起步阶段，装置存在复杂度高，可靠性低的问题，且暂时未进行在轨展开试验及推进试验的应用研究。

基于上述分析，目前国内外薄膜展开帆装置的设计主要从结构机构展开可行性、产品可靠性以及在轨寿命角度考虑。在低轨离轨帆领域，主要采用主动驱动式展开模式设计，利用桅杆所存储的弹性势能，驱动薄膜帆展开；在太阳帆领域，主要采用电机驱动式展开模式设计，利用步进电机驱动薄膜帆展开。两种设计方案适用范围窄，并且难以实现通用化，从而导致目前太阳帆与离轨帆难以扩大其空间应用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种主动驱动式大型薄膜展开帆装置（帆面积20至100m²），适用于运行于深空探测等领域，解决了部分航天器进行远距离深空探测的推进系统的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种主动驱动式大型薄膜展开帆装置，包括自上而下的上层展开装置、帆存储装置、下层展开装置、驱动装置、锁紧装置；

所述帆存储装置用于存储薄膜帆。