[發明專利]一種利用太陽光壓力驅動的深空太陽帆航天器

有效

• 申請號: 201410286986.3
• 申請日: 2014-06-24
• 公開（公告）號: CN104058105A
• 公開（公告）日: 2014-09-24
• 發明（設計）人: 劉宇飛;成正愛;黃小琦;劉海濤;賈海鵬;侯欣賓;王立;楊辰
• 申請（專利權）人: 中國空間技術研究院
• 主分類號: B64G1/44
• 分類號: B64G1/44
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 安麗

技術領域

本發明涉及一種帆形航天器，特別涉及一種利用太陽光壓力作為驅動力、具有開展深空探測能力的太陽帆航天器。

背景技術

利用太陽光壓力驅動的帆形探測器又稱為太陽帆航天器，是利用太陽光壓進行宇宙航行的飛行器。在理想的情況下，太陽帆航天器不需要任何燃料，它可以從取之不盡的陽光中獲得持續的推力飛向宇宙空間。只要形狀和傾角適當，太陽帆航天器可以飛向包括光源在內的任何方向，特別是在深空探測方面有極大的優越性。

光子撞擊到太陽帆面上并被完全反射回去，對太陽帆產生反作用力推動太陽帆進行宇宙航行，稱為光壓力驅動。為了使太陽能提供足夠的光壓，太陽帆必須盡可能多地捕捉到太陽光，這就意味著帆的面積必須足夠大，為了獲得較大的加速度，太陽帆航天器的重量必須盡可能的輕。在發射時，由于發射空間有限，又需要將太陽帆貯存在較小的空間內。太陽帆航天器有多種分類方式：由帆面形狀不同，可以分為方形帆、圓形帆和葉形帆等；由展開方式不同，可分為自旋展開太陽帆和支撐桿型太陽帆。

目前世界上很多國家都正在開展太陽帆航天器的研究工作，美國于2010年11月發射的NanoSail-D太陽帆成功進入近地軌道并進行了展開實驗。NanoSail-D帆面是方形，有四根人字形支撐臂，支撐桿與帆面采用五點(中心點和四個頂點)連接方式。但是針對深空任務來說日本于2010年5月發射升空的自旋式的IKAROS是唯一一個成功的案例，IKAROS對太陽帆面的整體進行折疊，利用自旋離心力實現帆面的分步展開。但是已有的自旋式太陽帆不適合大面積展開，因此目前針對深空探測任務來說，急需研究一種在軌展開、具有較大面質比、滿足深空探測任務需求的支撐臂形式的太陽帆航天器。

發明內容

本發明所解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供一種利用太陽光壓力驅動的深空太陽帆航天器，利用具有自展開性能的4根支撐臂實現帆面的展開和支撐，采用5點連接方式實現帆面的拉伸，具有較小面值比，能夠滿足深空探測任務的需求。

本發明的技術方案是：一種利用太陽光壓力驅動的深空太陽帆航天器，包括支撐架、四根支撐臂、四塊等腰直角三角形帆面、第一太陽能電池片、刻蝕天線、兩個滑塊以及四個滾轉軸穩定機構；

兩個滑塊分別安裝在兩個相鄰的支撐臂上；滑塊包括第二太陽能電池片、第一無線通信模塊和遙控運動小車，第二太陽能電池片和第一無線通信模塊均位于遙控運動小車上，遙控運動小車套在支撐臂上；第二太陽能電池片為遙控運動小車供電，第一無線通信模塊與衛星本體進行數據和指令的交互，并將衛星本體的指令輸出給遙控運動小車，遙控運動小車根據接收到的指令在支撐臂上運動，以調整太陽帆航天器的質心位置；

滾轉軸穩定機構包括拉桿、第三太陽能電池片、第二無線通信模塊、轉動機構、支撐架以及套筒，支撐架為中空結構，第三太陽能電池片和第二無線通信模塊安裝在支撐架的向陽面，轉動機構安裝在支撐架內部，轉動機構的轉動軸與拉桿的中心連接，支撐架安裝在套筒上，套筒膠粘在支撐臂的頂端；第三太陽能電池片為轉動機構供電，第二無線通信模塊與衛星本體進行數據和指令的交互，并將衛星本體的指令輸出給轉動結構，轉動結構能夠根據接收到的指令為太陽帆航天器提供正方向或反方向的轉動力矩；

每個等腰直角三角形帆面的直角頂點連接在支撐架的中心支撐柱上，另兩個頂點分別連接在相鄰的滾轉軸穩定機構的拉桿上；每個等腰直角三角形帆面均由基底和鍍層組成，基底上安裝有第一太陽能電池片，鍍層上刻蝕有刻蝕天線；第一太陽能電池片在四個等腰直角三角形帆面組成的方形帆面上對稱分布；

所述衛星本體是指深空太陽帆航天器上電子元器件構成的各種單元的總和，衛星本體位于支撐架上。

還包括包帶，太陽帆航天器處于未展開狀態時，包帶用于對太陽帆航天器各器件進行束緊，當太陽帆航天器展開時，由控制機構將包帶割斷，解除對各器件的束縛；包帶采用鈦合金帶材制成。

所述支撐架采用鋁蜂窩板制成。

所述支撐臂由碳纖維復合材料制成。

所述每個等腰直角三角形帆面的基底為聚酰亞胺薄膜，鍍層為鋁膜。

所述支撐臂上通過鍍層形成鍍層天線。

本發明與現有技術相比的技術效果是：

(1)本發明利用支撐臂進行帆面展開，不用考慮轉動慣量問題，避免了自旋展開過程中隨著面積的增大，轉動慣量逐漸增加，導致旋轉速度降低，從而可能會產生無法展開的情況；

(2)本發明采用正方形構型的帆，相比圓形帆和葉形帆，在力學性能和穩定性方面具有優勢，能夠提供更為優異的推進性能；