微纳卫星制动帆装置
阅读说明：本技术 微纳卫星制动帆装置 (Micro-nano satellite braking sail device ) 是由 和向前 马帅领 刘丽坤 杨雯森 于 2021-07-05 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种卫星制动帆离轨装置,本装置适用于体积小质量轻甚至1U立方体卫星的离轨,能够解决立方星在完成任务后无法在规定时间内脱离轨道从而成为空间碎片的问题,包括底部框架,底部框架的四个方向上分别设有一内部放置有呈折叠状态帆布的帆布储藏盒,所述帆布呈梯形、且其短边与帆布储藏盒或底部框架连接,各帆布的长边分别位于外侧并可被向外展开,还包括安装于底部框架上的伸缩机构,所述伸缩机构包括四个可分别向前伸缩的柔性伸缩板片,所述柔性伸缩板片收缩后可被弯曲卷绕、伸出后可进行自支撑；四个所述柔性伸缩板片分别从相邻两个帆布储藏盒之间的间隙内伸出,还包括用于将所述柔性伸缩板片伸出的伸出储能机构。(The invention provides a satellite braking sail derailing device which is suitable for derailing of a small-size light-weight even 1U cubic satellite and can solve the problem that the cubic satellite cannot be separated from a track within a specified time after completing a task and becomes space debris; the four flexible telescopic plate pieces extend out of gaps between two adjacent canvas storage boxes respectively and further comprise extending energy storage mechanisms used for extending the flexible telescopic plate pieces out.)
技术领域
本发明涉及微纳卫星制动帆技术领域，尤其涉及一种微纳卫星制动帆装置。
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。就目前的技术条件而言，减少空间碎片数量的唯一有效的方法是使其再入地球稠密大气层烧毁即离轨技术。
随着高新技术的发展和需求，微纳卫星以其体积小、功耗低、开发周期短，可编队组网，以更低的成本完成很多复杂的空间任务的优势，越来越受到国内外相关机构和高校的重视。随着微纳卫星发射数量的增多，对空间环境的影响也越来越显著，如果没有一个可靠的离轨技术，未来微纳卫星的发射将会受到一定的制约。
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
(AdvancesinSpaceResearch54(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(22ndAnnualAIAA/USU)。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
本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种卫星制动帆离轨装置，本装置适用于体积小质量轻甚至1U立方体卫星的离轨,不仅能够解决立方星在完成任务后无法在规定时间内脱离轨道从而成为空间碎片的问题，而且还解决了由于立方星体积较小导致星内没有空间安装制动帆装置的问题。
为了实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案为：
设计一种微纳卫星制动帆装置，包括底部框架；所述底部框架的四个方向上分别设有一个内部放置有呈折叠状态帆布的帆布储藏盒，所述帆布呈梯形、且其短边与帆布储藏盒或底部框架连接，各帆布的长边分别位于外侧并可被向外展开，当四个帆布被展开后共同组成矩形；
还包括安装于底部框架上的伸缩机构，所述伸缩机构包括四个可分别向前伸缩的柔性伸缩板片，所述柔性伸缩板片收缩后可被弯曲卷绕、伸出后可进行自支撑；四个所述柔性伸缩板片分别从相邻两个帆布储藏盒之间的间隙内伸出，并在位于外端部的柔性伸缩板片端部上分别设有连接件，所述连接件与相邻两侧的两个帆布的顶角连接；
还包括用于将所述柔性伸缩板片伸出的伸出储能机构。
所述伸出储能机构包括柔性伸缩板片卷绕单元、用于将柔性伸缩板片伸出的储能单元，所述柔性伸缩板片卷绕单元包括两端分别设有下法兰盘和上法兰盘的卷轮，所述下法兰盘和上法兰盘的外侧壁中心分别设有上连接轴、下连接轴，四个所述柔性伸缩板片的内端部层叠后卷绕在下法兰盘和上法兰盘之间的卷轮上，四个所述柔性伸缩板片的外端部分别从卷轮的四个方向伸出；从卷轮上伸出的四个柔性伸缩板片两侧分别间隔设有若干组的导向轮组，导向轮组沿柔性伸缩板片的伸出方向设置并延伸至相邻两个帆布储藏盒之间的帆布储藏盒开口处，每组导向轮组包括两个分别套在安转于底部框架固定轴上的滚珠衬套。
所述储能单元包括固定安装于柔性伸缩板片卷绕单元上方的卷簧支架，所述卷轮分别通过两端的上连接轴、下连接轴转动连接于卷簧支架与底部框架之间，所述卷簧支架的顶部上方设有卷簧，所述上连接轴贯穿所述卷簧支架并与所述卷簧的一端连接，通过所述卷簧储存的势能可促使所述卷轮转动。
所述卷簧支架上设有环形的围板，所述卷簧位于所述尾板内，所述上连接轴上开设有内卡槽，所述卷簧的内侧端部卡于所述内卡槽内，所述尾板的侧壁上设有外卡槽，所述卷簧的外端部卡于所述外卡槽内。
所述柔性伸缩板片为金属薄片、且其截面为弧形或“(”形。
所述连接件呈W状，所述柔性伸缩板片的端部与连接片的中部连接，连接片的两侧设有弧形凹槽，两个弧形凹槽可分别卡在位于最前端的两个滚珠衬套上。
所述帆布储藏盒为内部为梯形立方体空腔的盒体，且帆布储藏盒的长边开口端朝外设置。
各所述帆布储藏盒的开口端上分别设有一挡板，所述挡板的底部与底部框架转动连接，其上部与自动释放结构连接。
所述自动释放结构包括分别开设在挡板两端外侧壁上的凹槽、凸台，当所述挡板处于直立并将所述帆布储藏盒开口封闭时，相邻两个挡板端部上的所述凸体位于所述凹槽内，且四个所述挡板首尾依次通过所述凸台和凹槽的卡合围城矩形；
还包括固定于其中一个帆布储藏盒顶部的热敏电阻，其中一个挡板的上端部上连接有拉力绳，所述拉力绳的另一端与帆布储藏盒连接，且所述拉力绳的中部位于所述热敏电阻上并与之接触，且当热敏电阻通电受热后可将所述拉力绳烧断。
所述挡板的底部通过连接轴转动连接于底部框架的侧部，并在所述连接轴上设有扭簧，所述扭簧的受力端与所述挡板连接并促使所述挡板展开。
还包括上盖板，所述上盖板固定于伸出储能机构顶部并与卷簧支架上的连接柱连接，且所述上盖板、挡板、底部框架将本装置围城四方立体状。
本发明的有益效果在于：
本设计其体积小，只占0.4U的空间，重量轻，在1U立方星内也可以搭载；
本设计成本低，方便制作，可选用标准件，零件拆卸十分方便；
本设计可重复使用，聚酰亚胺帆布使用寿命长；
本设计的解锁方式为烧断方式，无冲击力、无需复杂的机械机构。
附图说明
图1为本装置处于收纳状态的下主要结构示意图；
图2为图1所示结构的另一视角示意图；
图3为本装置取出上盖板及其中一个挡板后的结构示意图；
图4为本装置中的帆布储藏盒及侧部的挡板结构示意图；
图5为图3所示结构下去除挡板后的结构示意图；
图6为本装置中的底部框架、其上滚珠衬套及挡板打开状态后的结构示意图；
图7为本装置的分解状态下的各主要结构示意图；
图8为本装置中的帆布、储能单元主要结构示意图；
图9为本装置中的底部框架及其上的伸缩机构、伸出储能机构主要结构示意图；
图10为本装置中的柔性伸缩板片卷绕单元主要结构示意图；
图11为本装置中的储能单元主要结构示意图；
图12为本装置中的卷轮结构示意图；
图13为本装置中的柔性伸缩板片22与卷轮配合关系示意图；
图14为本装置处于展开状态下的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
实施例1：一种微纳卫星制动帆装置，参见图1至图14。
它包括底部框架1、上盖板6，本设计中其所述底部框架1的四个方向上分别设有一个内部放置有呈折叠状态帆布的帆布储藏盒3，如图14所示，所述帆布31呈梯形、且其短边与帆布储藏盒3内的空腔内部连接，各帆布31的长边分别位于外侧，折叠后的帆布呈梯形(图8所示)、帆布31的长边位于外侧并可被向外拉伸后展开，当四个帆布31被展开后共同组成矩形。
它还包括安装于底部框架1上的伸缩机构，所述伸缩机构包括四个可分别向前伸缩的柔性伸缩板片22，所述柔性伸缩板片22为金属薄片、且其截面为弧形或“(”形，所述柔性伸缩板片收缩后可被弯曲卷绕、伸出后可进行自支撑；如图9所示，四个所述柔性伸缩板片22分别从相邻两个帆布储藏盒3之间的间隙内伸出，并在位于外端部的柔性伸缩板片22端部上分别设有连接件23。
本实施例中，所述连接件23呈W状，所述柔性伸缩板片22的端部与连接片的中部连接，连接片的两侧设有弧形凹槽231，两个弧形凹槽231可分别卡在位于最前端的两个滚珠衬套15(后文提出)上，所述连接件23通过连环232与相邻两侧的两个帆布31的顶角连接。
它还包括用于将所述柔性伸缩板片伸出的伸出储能机构，具体来说，所述伸出储能机构包括柔性伸缩板片卷绕单元2、用于将柔性伸缩板片伸出的储能单元5；参见图9-13，所述柔性伸缩板片卷绕单元2包括两端分别设有下法兰,21和上法兰盘25的卷轮24，所述下法兰盘21和上法兰盘24的外侧壁中心分别设有上连接轴27、下连接轴28，四个所述柔性伸缩板片22的内端部层叠后卷绕在下法兰盘和上法兰盘之间的卷轮24上，四个所述柔性伸缩板片的外端部分别从卷轮24的四个方向伸出；实际使用中，四个柔性伸缩板片的端部可通过两个柔性伸缩板片实现，如图13所示，其卷轮采用四个并列并呈四方形分布的柱形体构成，两柔性伸缩板片的分别从四个柱形体构成的两对称分布的缝隙中穿过，并促使两柔性伸缩板片的中部位于四个柱形体内，而后两柔性伸缩板片构成的四个端部可形成如上所述的四个向前延伸的两柔性伸缩板片，使用前“四个柔性伸缩板片”层叠后向同一方向卷绕在卷轮上，并促使外端部向前延伸至下述的导向轮组内并与上述的连接件23连接。
具体来说，从卷轮24上伸出的四个柔性伸缩板片22两侧分别间隔设有若干组的导向轮组，导向轮组沿柔性伸缩板片22的伸出方向设置并延伸至相邻两个帆布储藏盒之间的帆布储藏盒开口处，每组导向轮组包括两个分别套在安转于底部框架固定轴上的滚珠衬套15。
具体来说，所述储能单元5包括固定安装于柔性伸缩板片卷绕单元2上方的卷簧支架51，所述卷轮24分别通过两端的上连接轴27、下连接轴28转动连接于卷簧支架51与底部框架1之间，所述卷簧支架51的顶部上方设有卷簧52，所述上连接轴27贯穿所述卷簧支架51并与所述卷簧的内端部53连接，通过所述卷簧52储存的势能可促使所述卷轮24转动；进一步来说，所述卷簧支架51上设有环形的围板512，所述卷簧52位于所述尾板内，所述上连接轴27上开设有内卡槽，所述卷簧的内侧端部53卡于所述内卡槽内，所述尾板的侧壁上设有外卡槽55，所述卷簧的外端部54卡于所述外卡槽内。
如图2-7所示，所述帆布储藏盒3为内部为梯形立方体空腔的盒体，且帆布储藏盒3的长边开口端朝外设置，本设计还在各所述帆布储藏盒3的开口端上分别设有一挡板14，所述挡板14的底部与底部框架1转动连接，其上部与自动释放结构连接，具有来说，所述挡板14的底部通过连接轴13转动连接于底部框架的侧部，并在所述连接轴上设有扭簧12，所述扭簧12的受力端与所述挡板14连接并促使所述挡板展开。
所述自动释放结构包括分别开设在挡板两端外侧壁上的凹槽141、凸台142，当所述挡板14处于直立并将所述帆布储藏盒3开口封闭时，相邻两个挡板端部上的所述凸体142位于所述凹槽141内，且四个所述挡板首尾依次通过所述凸台和凹槽的卡合围城矩形；还包括固定于其中一个帆布储藏盒顶部31的热敏电阻41，其中一个挡板14的上端部上连接有拉力绳42，所述拉力绳42的另一端与帆布储藏盒3连接，且所述拉力绳的中部位于所述热敏电阻上并与之接触，且当热敏电阻通电受热后可将所述拉力绳烧断。
其所述上盖板6固定于伸出储能机构顶部并与卷簧支架上的连接柱连接，且所述上盖板、挡板、底部框架将本装置围城四方立体状。
帆布处于未展开状态时的状态如图1、2所示，此时，底部框架的底板11上连接的四个挡板14首尾依次通过凸台141和凹槽142配合，可以实现只需约束和释放一个挡板，可同时操作四个的目的；此时，挡板14通过根部扭簧12和连接轴13安装在底板11上，根部扭簧12储存的能量可使挡板14展开时的沿底板11上的连接轴旋转打开。
此时，底板11的上表面安装有三十二个滚珠衬套15，滚珠衬套15四周侧壁可安装多个自由转动的旋珠，多个滚珠衬套15组合起来可以对柔性伸缩板片22起到导向和减小摩擦的作用。
如图9、11所示，下法兰盘21、上法兰盘25和卷轮24通过螺钉连接形成一个支架结构，两个滚动轴承26分别安装在上、下法兰盘上使整个结构进行轴旋转，下法兰盘21的轴末端留有豁口并延伸出至底部框架外部，目的是可以用外部工具对卷轮及顶部的卷簧进行旋转操作，其上法兰盘25的轴末端的卡槽，目的是卡住卷簧52的一端，这样卷簧释放时，会驱动卷轮旋转。帆布处于未展开状态时卷簧处于受力势能存储状态，此时，柔性伸缩板片22的前端，处于如图8、9所示，此时，两个弧形凹槽231分别卡在位于最前端的两个滚珠衬套15(后文提出)上并通过连接件23将帆布端部的两个角拉紧，此时，挡板属于封闭状态，此时，柔性伸缩板片22的前端因受到连接件23的限制并不会向前伸出(挡板限制了连接件23向前伸出，同时限制了帆布被向外拉出)，此时卷簧处于势能未释放状态。
本实施例中，帆布的材料为0.02mm的聚酯酰胺薄膜，两端分别留有圆孔，连接环33一端连接帆布31的圆孔，另一端与连接件的圆孔连接，这样当柔性伸缩板片22释放弹出时时，会将帆布一起拉出展开呈平面状32。
此状态下拉绳被拉紧并压在电路板上面的热敏电阻41上。当需要对帆布展开时，对电路板通电，此后热敏电阻发热将拉绳42烧断，拉绳42烧断后解除对挡板14的约束，挡板14会在根部扭簧12作用下沿根部展开向外打开，此后，由于四个挡板14首尾依次通过凸台141和凹槽142配合，此时只需打开一个挡板即可依次实现释放其余的3个挡板，当挡板打开时，挡板解除了对连接件23及帆布的限位作用，此时卷簧势能释放并促使卷轮旋转并促使四个前伸的柔性伸缩板片22伸出，此时，卷簧52的能量释放，驱动上法兰盘25的轴旋转，从而驱动柔性伸缩板片22旋转，柔性伸缩板片22会在滚珠衬套15的导向作用下向外伸出，在伸出过程中帆布32一同被柔性伸缩板片22末端的连接件23带出，最终4块帆布展开形成的面积为2㎡。
当要把制动的帆布回复收拢状态时，把帆布32折叠成梯形存放于帆布储藏盒331内，而后用外部工具与卷簧52拧紧方向旋转下法兰盘21轴末端的豁口，既把柔性伸缩板片22收缩内，同时把卷簧52拧紧储存弹性势能，然后把四个挡板14按顺序关闭，对挡板连接件23约束，防止柔性伸缩板片22在卷簧52作用下弹出，最后用拉绳42把一个挡板拉紧，这样就恢复制动帆的收拢状态。
本发明实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。
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