一种用于微纳卫星的帆板的展开装置和微纳卫星

1.本发明涉及空间卫星装置技术领域，尤其涉及一种用于微纳卫星的帆板的展开装置和微纳卫星。


背景技术：

2.微纳卫星，通常是指湿重在1至10公斤（2.2-22磅）或者10至100公斤（22至220磅）之间的人造卫星，在实际或方案上，有时以微卫星联合运作或同组运作的方式来设计这类型当中的某些卫星，当几个微纳卫星同组运作时，可统称为“卫星群”或者“分级航天器”。经过电子技术的小型化与性能提高的发展以及一系列有关卫星设想的运用，纳卫星的有关商业需求不断扩大，而这些商业需求在此前大多被微卫星满足，例如，6u立方星标准被提出使得一个35.8公斤(18磅)的地球影像卫星群替代了由5个156公斤(344磅)快影地球成像卫星组成的卫星群，在同一成本下，这有着显著的重访次数的提高：每一片地球上的区域能够在每隔3.5小时就被重复照下，而非快影的每次24小时。
3.现有的微纳卫星的推进技术主要使用太阳能电池，通过太阳能电池组件将收集的太阳光热能转化为电能向卫星供电。微纳卫星由于体型受限，并不能够携带大面积的太阳电池阵，所以通过将太阳电池与帆板结合，在微纳卫星进入轨道后需要将帆板展开以接收能量来源，常用的帆板展开装置通过铰链展开，在该技术方案中帆板的展开尺寸包络大，铰链占据空间较小，存在较大的设计难度，并且，帆板展开角度大多不是90度，帆板展开后的朝向不一致，利用效率较低，帆板在收拢状态下时不受光照或者对日角度较差。现有技术中还通过电机驱动的方式驱动帆板展开，能够实现较多的自由度控制，但是电机会占据微纳卫星较多的空间和质量。实用新型专利cn202022669375.0公开了一种纳卫星用的气动式滑动展开装置，该实用新型所公开的技术方案通过磁力吸力紧固箱体，利用断电失去吸力，气舱释放气体解锁箱体，但是该结构存在展开方式不稳定，展开长度受限，且不能完成多级展开任务的问题。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明实施例期望提供一种用于微纳卫星的帆板的展开装置和微纳卫星，通过上述展开装置能够稳定地展开帆板并减小帆板展开时的尺寸包络。
5.本发明的技术方案是这样实现的：第一方面，本发明实施例提供了一种用于微纳卫星的帆板的展开装置，包括收纳机构和驱动机构，所述收纳机构与所述帆板处于同一平面内，所述帆板借助所述驱动机构的驱动以在所述平面内旋转的方式从与所述收纳机构重叠的收拢位置位移至不与所述收纳机构重叠的展开位置。
6.第二方面，本发明实施例提供了一种微纳卫星，所述微纳卫星包括根据第一方面所述的展开装置。
7.本发明实施例提供的一种用于微纳卫星的帆板的展开装置，其通过扭簧的弹性势
能作为驱动源，将处于同一平面的帆板和收纳机构以绕旋转轴旋转的方式展开，所述帆板以在所述平面内旋转的方式展开，减小了所述帆板受到的冲击，并且该展开装置的结构简单，能够减小帆板展开时的尺寸包络，通过简单的加工便能实现制造，降低了制造成本。
附图说明
8.图1为本发明实施例中的一种用于微纳卫星的帆板的展开装置的帆板位于收拢位置的示意图；图2为本发明实施例的一种用于微纳卫星的帆板的展开装置的帆板位于展开位置的示意图；图3为本发明实施例的一种用于微纳卫星的帆板的展开装置的帆板的结构示意图；图4为本发明实施例的一种用于微纳卫星的帆板的展开装置的收纳机构的结构示意图；图5为本发明实施例的一种用于微纳卫星的帆板的展开装置的驱动机构的结构示意图；图6为本发明实施例的一种用于微纳卫星的帆板的展开装置中转子与帆板的连接示意图；图7为本发明实施例的一种用于微纳卫星的帆板的展开装置的定子与底座的连接示意图；图8为本发明实施例的一种用于微纳卫星的帆板的展开装置的定子的结构示意图；图9为本发明实施例的一种用于微纳卫星的帆板的展开装置的定子的俯视图；图10为本发明实施例的一种用于微纳卫星的帆板的展开装置的转子的结构示意图；图11为本发明实施例的一种用于微纳卫星的帆板的展开装置的转子的仰视图；图12为本发明实施例的一种用于微纳卫星的帆板的展开装置的扭簧的示意图；图13为本发明实施例的一种用于微纳卫星的帆板的展开装置中扭簧的安装示意图；图14为本发明实施例的一种用于微纳卫星的帆板的展开装置中帆板位于展开位置时定子与转子的位置关系示意图；图15为本发明实施例的一种用于微纳卫星的帆板的展开装置中帆板位于收拢位置时定子与转子的位置关系示意图；图16为本发明实施例的一种微纳卫星的固定板与底座的位置关系的示意图；图17为本发明实施例的一种微纳卫星的固定板的结构示意图。
9.附图标记说明10展开装置、1帆板、11圆孔、2收纳机构、21底座、22支座、3驱动机构、31定子、311螺纹孔、312第一容置槽、313挡板、32转子、321装配螺纹孔、322通孔、323第二容置槽、324第一凸起、325第二凸起、33旋转轴、34扭簧、341第一部段、342第二部段、4固定板。
具体实施方式
10.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
11.在现有技术中，主要用于大型卫星的帆板展开机构是通过铰链连接各个基板或帆板，利用电驱动使得基板能够从处置位置逐渐展开至规定位置，然而微纳卫星由于受自身尺寸限制以及卫星可支配能源的限制，较多使用的是借助铰链展开的折叠式基板，其通过弹簧的弹性势能或者记忆材料自身储存的势能作为动力源驱动上述基板进行展开并在指定位置锁定。然而，现有技术中通过铰链展开的基板其尺寸包络大，设计难度高，而且展开角度难于控制，在基板展开后朝向并不能够对达到统一导致基板的使用率较低。
12.有鉴于此，本发明实施例提供一种用于微纳卫星的帆板1的展开装置10，参见附图1和附图2，所述装置包括收纳机构2和驱动机构3，所述收纳机构2与所述帆板1处于同一平面中，所述驱动机构3经配置成驱动所述帆板1在所述平面内旋转，通过所述驱动机构3的驱动，所述帆板1能够以旋转的方式实现展开，在这里，所述展开指的是所述帆板1从与所述收纳机构2重叠的收拢位置移动旋转至不与所述收纳机构2重叠的展开位置。
13.参见附图3，所述帆板1用于在所述帆板1表面安装太阳能电池板或太阳能电池片以吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换为电能，通常，所述帆板1采用轻量化设置，一般由超轻型复合材料制成，并同时在复合材料两侧粘贴金属薄层以提高材料强度和刚度，所述帆板1具有密度低、机械强度高以及隔热性能好的特点。
14.参见附图4，所述收纳机构2包括用于与所述卫星本体连接的底座21，所述收纳机构2用于收纳处于收拢位置的所述帆板1，参见附图1和附图2，在此处，所述收拢位置指的是所述帆板1在展开过程中存在与所述收纳机构2重叠的部分，即所述帆板1从完全容置在所述收纳机构2中直至所述帆板1的整体旋转至所述收纳机构2外的过程中，所述帆板1一直处于所述收拢位置，相应地，参见附图2，其示出了位于展开位置的帆板1，所述展开位置相对于所述收拢位置指的是，当所述帆板1完成展开动作后，所述帆板1与所述收纳机构2不存在重叠部分。所述帆板1被收纳在所述收纳机构2中，通过在被收纳平面内旋转的方式离开所述收纳机构2，减小了所述帆板1在展开过程中受到的形式面冲击，并且节省了整体展开装置的占用空间，有利于多重帆板展开的设计。
15.所述驱动机构3包括定子31、转子32、旋转轴33和弹性件，参见附图5，所述转子32和所述定子31并排设置在所述旋转轴33上。参见附图6和附图7，所述转子32与所述帆板1连接，所述定子31与所述收纳机构2的底座21连接，在上述构型下，所述帆板1与所述收纳机构2沿所述旋转轴33的长度方向平行设置。其中，参见附图6和附图7，所述转子32设置在所述帆板1的一角，所述定子31设置在所述底座21的一角，以使得所述帆板1能够以所述旋转轴33为中心轴线旋转的方式从所述收拢位置旋转至所述展开位置。具体地，所述转子32与所述帆板1能够形成为一个整体，为了便于加工制造，所述定子31与所述帆板1也能够单独制造然后通过螺栓固定连接，参见附图6，所述帆板1一角设置有圆孔11，所述转子32顶部设置有装配螺纹孔321，使用螺栓穿过所述圆孔11旋入所述装配螺纹孔321从而将所述帆板1与所述转子32固定为一个整体。所述定子31与所述底座21能够单独制造通过螺栓固定连接，为了保证定子31与所述底座21的稳固性以及展开装置10的可靠性，所述定子31与所述底座21优选为一体制作，所述驱动机构3经构造成，所述弹性件驱动所述转子32绕所述旋转轴33
相对于所述定子31旋转，从而带动所述帆板1绕所述旋转轴33相对于所述底座21旋转实现所述帆板1的展开。
16.为了保证所述展开装置的结构可靠性以及所述帆板1展开的稳定性，参见附图8和附图9，所述定子31设置有以螺纹固定的方式与所述旋转轴33固定连接的螺纹孔311，相应地，所述旋转轴33上位于所述定子31内部的部段的外周面上设置有与所述螺纹孔311相匹配的螺纹，当所述旋转轴33旋入所述螺纹孔311时，所述定子31与所述旋转轴33保持相对静止。参见附图10和附图11，所述转子32内具有供所述旋转轴33穿过的通孔322。通过上述构型，所述转子32能够绕所述旋转轴33旋转，所述旋转轴33与所述定子31保持相对静止，从而实现所述转子32相对于所述定子31的旋转。
17.所述驱动机构3经配置成通过所述弹性件驱动所述转子32相对于所述定子31旋转，带动所述帆板1相对于所述底座21旋转，以使得所述帆板1沿展开方向从所述收拢位置旋转至所述展开位置，其中，所述弹性件优选为扭簧，扭簧又叫做螺旋弹簧，扭簧的强度高、韧性好。将扭簧的一端固定，同时将扭簧的另一端连接至其他组件，当所述其他组件绕着扭簧的中心旋转时，扭簧积累弹性势能产生扭矩或旋转力，通过释放弹性势能将所述其他组件拉回初始位置。在本发明提供的一种用于微纳卫星的帆板1的展开装置的实施例中，参见附图12，其示出了扭簧34的结构示意图，所述扭簧34的端部构造成直扭转臂，位于所述扭簧34一端的第一部段341固定至所述定子31，位于所述扭簧34另一端的第二部段342固定至所述转子32，当所述帆板1处于所述收拢位置时，所述扭簧34被旋转至收缩状态，即所述第一部段341与所述第二部段342夹角为0度，处于大致的平行状态，以使得所述扭簧34保持紧张且积累有弹性势能，当所述扭簧34通过释放弹性势能产生扭矩时，所述第二部段342以围绕所述扭簧34的中心轴线旋转的方式展开直至所述第一部段341与所述第二部段342夹角展开至90度位置。在本发明的实施例中，第二部段342被固定安装在转子32中，所述第一部段341被固定在所述定子31中，旋转轴33与所述扭簧34同轴设置，因此，在所述定子31被固定安装在底座21上的情况下，所述第二部段342驱动所述转子32以围绕所述旋转轴33旋转的方式相对于所述定子31旋转90度，也就是说，所述帆板1以围绕所述旋转轴33旋转的方式相对于所述底座21旋转了90度，从完全收拢在所述收纳机构2内的位置旋转至所述展开位置。
18.参见附图8至附图11，所述定子31沿所述螺纹孔311径向向外设置有第一容置槽312，所述转子32沿所述通孔322径向向外设置有第二容置槽323，其中第一容置槽312和第二容置槽323的形状与所述扭簧34端部的直扭转臂形状相匹配，从而稳定地与所述扭簧34的端部接触并保持所述扭簧34，能够以最大的效率接收所述扭簧34的弹性势能并将其转换为用于展开所述帆板1的动能。当所述转子32与所述定子31并排设置在所述旋转轴33上时，所述第一容置槽312与所述第二容置槽323中心轴线重合，扭簧34的第一部段341被容置在所述第一容置槽312当中，第二部段342被容置在所述第二容置槽323当中，参见附图13，所述扭簧34部分地容置在所述第一容置槽312中另一部分容置在所述第二容置槽323中，所述扭簧34的端部与所述第一容置槽312和所述第二容置槽323的槽壁接触并抵接槽壁，通过扭转力驱动所述转子32绕所述扭簧34的中心轴线沿所述扭簧34的释放方向（所述释放方向等同于所述展开方向）旋转。
19.优选地，所述展开装置还包括用于释放所述扭簧34的释放机构（未示出），所述释放机构用于保持储存有弹性势能的构件处于紧张状态并且在卫星需要展开帆板1时释放该
构件使其将储存的弹性势能转换为相应构件所需要的能量，在展开装置10中，可选用现有技术中成熟的爆炸螺栓、热刀或者火工品中的任意一种作为释放机构，所述释放机构可以在卫星的帆板展开时接收信号，以释放其所保持的构件。
20.具体地，在使用本发明上述实施方式公开的一种用于微纳卫星的帆板1的展开装置时，所述帆板1在未展开前完全容置在所述收纳机构2中，所述帆板1与所述底座21完全重合，所述扭簧34积累有弹性势能并由所述释放机构保持，所述帆板1需要展开时，卫星主体向所述释放机构发送释放信号，所述扭簧34释放弹性势能产生扭矩，所述定子31与所述底座21一体地固定至卫星主体，所述转子32在上述扭矩的驱动下以所述旋转轴33为中心轴线相对于所述定子31发生旋转，以带动所述帆板1以所述旋转轴33为中心轴线相对于所述底座21发生旋转，直至所述帆板1旋转至所述展开位置。
21.为了避免所述帆板1在收纳过程和展开过程中发生过转动影响所述展开装置的可靠性，参见附图14和15，所述定子31与所述转子32上还设置有定位部件，所述定位部件包括设置在所述转子32底部的第一凸起324和第二凸起325以及设置在所述定子31外壁上的挡板313，所述第一凸起324和所述第二凸起325随着所述转子32一起发生转动。当所述帆板1在展开之前，需要手动收纳帆板1，即将帆板1沿背向所述展开方向旋转至完全容置在所述收纳机构2的位置并由所述释放机构保持。所述第一凸起324与所述挡板313经构造成，在上述收纳所述帆板1的过程中，当所述帆板1全部容置在所述收纳机构2中时，参见附图15，所述第一凸起324与所述挡板313接触并发生抵接，所述挡板313限制所述第一凸起324继续转动以防止所述转子32沿背向所述展开方向发生过转动，从而影响所述展开装置10的可靠性和稳定性。参见附图14和附图15，当所述帆板1在展开过程中，所述第二凸起325跟随所述转子32一起旋转，所述第二凸起325经构造成当所述帆板1旋转至所述展开位置时，所述第二凸起325与所述定子31的外壁接触并发生抵接，以使得所述转子32不能够继续沿展开方向旋转。通过上述定位部件限制了所述帆板1的旋转范围，通过所述驱动机构3能够精准的将帆板1展开至需要的位置。需要注意的是，所述扭簧34具有充足的弹性势能，当所述第二凸起325与所述定子31的外壁接触时，所述扭簧34仍处于紧张状态，所述扭簧34持续向所述转子32施加沿所述展开方向的旋转力将所述帆板1稳定地保持在所述展开位置。
22.优选地，参见附图4，为了将所述帆板1稳定的保持在所述收纳机构2中，所述收纳机构2顶部设置有支座22，所述支座数量优选为三个，所述支座用于当所述帆板1位于所述展开位置时支承所述帆板1，保证所述帆板1能够平稳展开。
23.在本发明的另一实施例中，对所述展开装置10进行模块化设计和拼装，以进一步扩大展开装置10的适用性，增强其接收光照的能力以向航天器提供更多能源，同时增强展开装置10的设计灵活度。有鉴于此，所述展开装置10中帆板1的数量为两个或更多个，以及与所述帆板1对应的驱动机构3的数量为两个或更多个，其中，单个所述驱动机构3用于驱动单个的帆板1的旋转展开。为了避免多个帆板1在展开过程中相互碰撞，该构型中的多个所述帆板1经配置成沿竖直方向在不同的水平面中实现展开过程，当多个所述帆板1在收拢位置时多个所述帆板1沿竖直方向以堆叠的方式收纳在所述收纳机构2中。
24.示例性地，所述展开装置10包括四个帆板1以及相应的四个驱动机构3，所述四个驱动机构3经构造成具有不同高度的定子以使得所述四个驱动机构3沿竖直方向处于不同的水平面之中，所述四个驱动机构3均能够以相同的方式独立地驱动与其对应的一个帆板1
旋转展开。优选地，所述四个驱动机构3设置在所述底座21的四个角上，所述四个驱动机构3将与各自所连接的帆板1保持在不同高度的水平面之中以防止帆板1在展开过程中帆板相互碰撞，该构型下的帆板1具有相同的形状。需要注意的是，当所述帆板1的形状为正方形时，其对角线长度需小于相邻两个驱动机构3之间的距离以防止帆板1在展开过程中与相邻的驱动机构3发生碰撞，在另一实施例中，所述帆板1的形状可以是半径等于相邻两个驱动机构3之间的距离的扇形以防止帆板1在展开过程中与相邻的驱动机构3发生碰撞。
25.当所述展开装置10需要展开时，所述四个驱动机构3同时驱动各自相应的帆板1展开，在该构型下的展开过程中，四个帆板1沿竖直方向处于各自的水平面之中，在驱动机构3的驱动下由所述收拢位置展开至所述展开位置并锁定。在该发明构思下，所述展开装置10能够包括更多或更少个驱动机构以满足更多设计需求。
26.本发明还提供一种微纳卫星，所述微纳卫星能够可靠并稳定地展开帆板1，为了实现该目的，所述微纳卫星的帆板1的展开装置可以是上述一种用于微纳卫星的帆板1的展开装置，根据本发明的公开，所述微纳卫星通过所述展开装置能够平稳且可靠地展开卫星帆板1。优选地，为了进一步提高卫星帆板1的工作效率，获取更多的太阳光能，所述微纳卫星还包括固定板4，参见附图16和17，所述固定板4通过螺栓固定安装在所述收纳机构2的底座21的顶部，当所述帆板1位于所述展开位置时，所述固定板4被完全展露以吸收更多的太阳光能。
27.本文中使用的术语仅用于描述特定示例实施方式的目的，而不意在是限制性的。如本文中所使用的，单数形式“一个”、“一种”以及“该”也可以意在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。术语“包括”、“包括有”、“包含”以及“具有”是包含性的，并且因此指定了所阐述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组的存在或添加。
28.需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
29.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。