Комбинированный модуль раскрытия солнечных панелей и антенн наноспутника класса cubesat
Владельцы патента RU 2692014:
Изобретение относится к бортовым системам малого космического аппарата. Каркас модуля наноспутника формируют направляющие (1), связующие планки (6) и планки (7) системы раскрытия. На выдвижных панелях (3), размещенных в пазах направляющих (1), установлены отсеки (8) для скрученных антенн (9) из пружинной стали, фотоэлектрические преобразователи (4) и ролики (15) для сдвоенных спиральных пружин (5), закреплённых концами на неподвижном кронштейне связующей планки (6). Эти пружины служат приводом выдвижения панелей (3). Панели (3) удерживаются в транспортном положении натянутой нейлоновой нитью, расплавляемой керамическими резисторами (не показаны). Контроль раскрытия панелей (3) осуществляют концевые выключатели (14). Антенны (9) при распрямлении имеют U-образное поперечное сечение. Технический результат направлен на достижение надёжности работы спутника и его компактности в транспортном положении. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к области космической техники, в частности, к системе энергоснабжения и антенно-фидерной системе сверхмалого космического аппарата (СМКА) класса CubeSat.
Обеспечение электропитания подсистем спутника и бортовая система связи, являются наиболее важными составными частями СМКА, во многом именно они определяют массогабаритные характеристики и срок активного существования спутника.
В конструкциях космических аппаратов применяются различные средства механизации, позволяющие раскрывать солнечные панели и антенны после вывода аппарата на орбиту.
Из существующего уровня техники известен механизм развертывания антенн, который выполнен в виде отдельного модуля и спроектирован для размещения на шасси спутника класса CubeSat. Механизм состоит из четырех одинаковых отсеков симметрично закрепленных на основании в виде печатной платы. Антенна, в виде полосы из пружинной стали, свернута в спираль и размещена в одном из отсеков модуля. Отсек имеет в своей конструкции откидные, подпружиненные створки на шарнирном соединении со встроенным механизмом расчековки из нейлоновой нити и керамического резистора, к которым в свою очередь притянуты полоски антенн. (Antenna deploying mechanism for CubeSat, CN 105470621 (A) — 2016-04-06)
Недостатком данного технического решения является сложность системы раскрытия, занимаемая площадь без возможности размещения дополнительных солнечных панелей.
Задачей, на решение которой направленно данное изобретение, является конструкция модуля, совмещающего функцию раскрытия антенн и солнечных панелей с достижением технического результата, состоящего в повышении надежности, безотказности базовой системы спутника, увеличении полезного пространства, совмещении дополнительных солнечных панелей и антенн в одном компактном модуле.
Поставленная задача решена созданием модуля, каркас которого сформирован скрепленными между собой направляющими пластинами, связующими планками и планками системы раскрытия, при этом направляющие пластины имеют продольные пазы, в которых размещены выдвижные панели, на каждой из выдвижных панелей закреплены отсеки для антенн, фотоэлектрические преобразователи, сдвоенные спиральные пружины постоянного усилия, служащие приводом выдвижных панелей, пружины натянуты между неподвижным кронштейном, закрепленном на связующей планке и роликами, закрепленными на выдвижных панелях, при этом на планках системы раскрытия размещены нить, фиксирующая выдвижные панели и керамические резисторы, предназначенные для снятия фиксации, путем нагрева нити выше температуры плавления, концевые выключатели, контролирующие раскрытие выдвижных панелей, размещены на направляющих панелях.
Выдвижные панели, связующие планки и планки системы раскрытия, могут быть выполнены в виде печатных плат.
В качестве нити, фиксирующей выдвижные панели, может быть использована нейлоновая нить.
Отсеки для антенн имеют непараллельные боковые стенки, позволяющие развернуть антенны, свернутые в спираль и содержит дополнительную вспомогательную пружину, которая позволяет вытолкнуть антенну из отсека.
Антенны, изготовлены из пружинной стали, в своем сечении имеют U образную форму, что позволяет принять прямолинейную форму в рабочем положении
Для фиксации выдвижных панелей в крайних положениях в связующих планках и планках раскрытия выполнены выемки.
Концевые выключатели, закрепленные на направляющих, осуществляют контроль раскрытия панелей
Описание изобретения поясняется фигурами 1-5
1. Направляющие пластины выдвижных панелей с пазами 2;
3. Выдвижные панели с фотоэлектрическими преобразователями 4;
5. Спиральные пружины постоянного усилия;
7. Планки системы раскрытия;
10. Дополнительные пружины;
11I. Нить системы раскрытия, фиксирующая выдвижные панели;
12 керамические резисторы системы раскрытия;
13. Кронштейн спиральной пружины;
15. Ролики спиральных пружин.
На фигурах 1, 2, 3 изображен комбинированный модуль раскрытия солнечных панелей и антенн наноспутника в транспортном положении.
На фигуре 4 изображен отсек с антенной свернутой в спираль и дополнительной пружиной.
На фигуре 5 изображена сдвоенная пружина постоянного усиления, служащая приводом выдвижных панелей.
На фигуре 6 изображен модуль в рабочем положении.
Изобретение спроектировано отдельным модулем, каркас модуля формируют направляющие пластины 1, связующие планки 6 и планки систем раскрытия 7. Отсеки антенн 8 со скрученными в спираль полосками антенн 9, фотоэлектрические преобразователи 4 и ролики спиральных пружин 15 закреплены на выдвижных панелях 3, которые в свою очередь размещены в пазах направляющих 2 (фиг.2). Сдвоенные спиральные пружины постоянного усилия 5 (фиг.5), служащие приводом выдвижных панелей 3, натянуты между кронштейном 13 и роликами 15. Выдвижные панели 3 удерживаются в транспортном положении с помощью системы раскрытия, состоящей из натянутой нейлоновой нити 11 и керамических резисторов 12, размещенных на планках системы раскрытия. Концевые выключатели 14, закрепленные на направляющих 1, осуществляют контроль раскрытия панелей 3. Комбинированный модуль раскрытия солнечных панелей и антенн скомпонован симметрично (фиг. 1)
В транспортном положении (фиг. 1, 2, 3), выдвижные панели 3 удерживаются с помощью натянутой нейлоновой нити 11, антенны 9 скручены в спираль и уложены в специальные отсеки 8 (фиг.4). Антенна 9, изготовлена из пружинной стали, в своем сечении имеет U образную форму, что позволяет принять прямолинейную форму в рабочем положении (фиг. 6). Отсек для антенны 8, имеет не параллельные, скошенные стенки, антенна, сложенная в спираль, стремится расправиться за счет свойств пружинной стали и упругой деформации, дополнительная пружина 10, расположенная в отсеке усиливает этот эффект. В транспортном положении антенну удерживают направляющие 1.
После вывода космического аппарата на требуемую орбиту, керамические резисторы 12, в течение нескольких секунд пережигают нейлоновую нить 11 и панели начинают свое движение, приводом являются спиральные пружины постоянного усилия 5, изображенные на фиг.5, сдвоенные «спиной к спине» для обеспечения большего натяга и стабильного рабочего хода.
В рабочем положении (фиг. 6), выдвижная панель упирается в связующую планку 6 с коническими вырезами, остаточный натяг спиральных пружин 5 и вырезы на планке 6, в которые упираются ролики спиральных пружин 15, способствуют надежной фиксации панелей в крайнем положении. Контроль раскрытия, осуществляется концевыми выключателями 14, которые закреплены на направляющих и дублированы для каждой из двух панелей.
Модуль имеет конфигурацию, позволяющую размещать его в различных частях аппарата в зависимости от решаемых задач и с различной ориентацией относительно осей X и Y.
1. Комбинированный модуль раскрытия солнечных панелей и антенн наноспутника класса CubeSat, каркас которого сформирован скрепленными между собой направляющими пластинами, связующими планками и планками системы раскрытия, при этом направляющие пластины имеют продольные пазы, в которых размещены выдвижные панели, на каждой из выдвижных панелей закреплены отсеки для антенн, фотоэлектрические преобразователи, сдвоенные спиральные пружины постоянного усилия, служащие приводом выдвижных панелей, причём пружины натянуты между неподвижным кронштейном, закрепленным на связующей планке, и роликами, закрепленными на выдвижных панелях, при этом на планках системы раскрытия размещены нить, фиксирующая выдвижные панели, и керамические резисторы, предназначенные для снятия фиксации путем нагрева нити выше температуры плавления, при этом концевые выключатели, контролирующие раскрытие выдвижных панелей, размещены на направляющих панелях.
2. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что выдвижные панели, связующие планки и планки системы раскрытия выполнены в виде печатных плат.
3. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что в качестве нити, фиксирующей выдвижные панели, использована нейлоновая нить.
4. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что в связующих планках и планках системы раскрытия выполнены выемки, фиксирующие положение выдвижных панелей в крайних положениях.
5. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что концевые выключатели, осуществляющие контроль раскрытия панелей, закреплены на направляющих панелях.
6. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что антенны изготовлены из пружинной стали и в своем сечении имеют U-образную форму.
7. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что отсеки для антенн имеют непараллельные боковые стенки, позволяющие развернуть антенны, свернутые в спираль.
8. Модуль по п. 7, отличающийся тем, что отсек для антенны содержит дополнительную вспомогательную пружину, которая позволяет вытолкнуть антенну из отсека.
Источник
Как устроены «кубсаты» (CubeSat)?
Одной из определяющих характеристик современной эпохи освоения космоса является ее открытая природа. В прошлом космос был фронтиром, доступным лишь двум национальным космическим агентствам — программам США и СССР. Но благодаря развитию новых технологий и сокращению расходов на те или иные аспекты, коммерческий сегмент уже активно предлагает собственные услуги по запуску чего-либо в космос. Кроме того, научные учреждения и малые страны строят собственные спутники для проведения атмосферных исследований, наблюдений Земли и испытания новых космических технологий. Так вот, именно CubeSat («кубсат»), миниатюрный спутник, позволяет им проводить вполне недорогие космические исследования.
Таких кубсатов могут быть сотни на орбите
Что такое «кубсаты»?
«Кубсаты», известные также как наноспутники, строятся в стандартном размере 10 х 10 х 11 сантиметров (1U) и выполнены в форме кубика, как легко догадаться по названию. Они масштабируются и бывают разных версий — 1U, 2U, 3U или 6U. Весит такой спутник 1,33 кг на U.
Кубсаты выше 3U по размерам — это большие прототипы, составленные из трех кубиков, которые находятся в цилиндре.
В последние годы предлагались и более крупные платформы CubeSat, включающие модель в 12U (20 x 20 x 30 сантиметров). Она позволила бы расширить возможности кубсатов, выйдя за пределы академических исследований, и проводить испытания новых технологий, включая более сложную науку и оборонку.
Структура и дизайн «кубсата»
Основная причина миниатюризации спутников заключается в снижении стоимости развертывания и поскольку их можно развернуть на остатках мощности ракеты. Это позволяет снизить различные риски, а также существенно ускорить процесс запуска.
Также их можно делать на основе готовых коммерческих электронных компонентов, что относительно легко. Обычно миссии с участием кубсатов запускаются на самую низкую околоземную орбиту, а через несколько дней или недель они уже повторно входят в атмосферу, что позволяет проигнорировать излучение и использовать обычную технику, как из магазина электроники.
Кубсаты делают из четырех определенных типов алюминиевого сплава, чтобы гарантировать, что у них с ракетой-носителем будет один и тот же коэффициент теплового расширения. Спутники также покрываются защитным слоем оксида на всех поверхностях, что предотвращает холодную сварку с местом под большим давлением.
Компоненты «кубсатов»
Кубсаты зачастую оснащены множеством бортовых компьютеров для проведения исследований, а также для управления ориентацией, подруливающими устройствами и коммуникациями. Как правило, обилие бортовых компьютеров позволяет перераспределить нагрузку в случае избытка данных. Основной компьютер отвечает за делегирование задач другим компьютерам — например, управление ориентацией, расчет орбитальных маневров и планирование задач. Также основной компьютер можно использовать для выполнения задач, связанных с грузом, вроде обработки изображений, анализа данных и сжатия данных.
По сути это космические мини-компьютеры
Миниатюрные компоненты, обеспечивающие управление ориентацией, состоят из маховиков, движителей, звездных трекеров, датчиков Земли и Солнца, датчиков угловых скоростей, GPS-приемников и антенн. Многие из этих систем часто используются в сочетании, чтобы компенсировать недостатки и обеспечить уровень избыточности.
Датчики Солнца и звезд используются для направления спутника, а датчик Земли и ее горизонта необходим для проведения земных и атмосферных исследований. Солнечные датчики также нужны, чтобы кубсат получал максимум солнечной энергии.
В то же время движение происходит в разных формах, все из которых включают миниатюрные двигатели, обеспечивающие различный импульс. Спутники также подвержены радиационному нагреву Солнца, Земли и отраженного солнечного света, не говоря уж о тепле, вырабатываемом их компонентами.
Поэтому кубсат имеет изоляционные слои и теплозащиту, которая гарантирует, что компоненты не будут нагреваться выше положенного и что избыточное тепло будет рассеиваться. Зачастую для наблюдения за температурой включат датчики температуры.
Для связи кубсат полагается на антенну, которая работает в VHF, UHF, L-, S-, C- или X-диапазонах. Они ограничены двумя ваттами энергии из-за небольших размеров и ограниченных возможностей спутников. Эти антенны могут быть спиральными, дипольными или монопольными, хотя бывают и более сложные модели.
Как двигается кубсат
Кубсаты полагаются на множество различных методов движения, что в свою очередь привело к прогрессу в разных сферах технологий. Самые распространенные методы включают холодный газ, химическое, электрическое движение и солнечные паруса. Тяга на холодном газе подразумевает хранение инертного газа (например, азота) в баке и выпуск через сопло для движения.
Это самая простая, полезная и безопасная система, которую может использовать кубсат, поскольку большинство газов холодные и не являются ни летучими, ни едкими. Тем не менее они также предполагают ограниченную эффективность и не позволяют особо разогнаться или поманеврировать. Поэтому они используются в системах управления высотой, а не в качестве основных двигателей.
Системы химической тяги опираются на химические реакции для получения газа под высоким давлением и при высокой температуре, которые затем направляется в сопло для создания тяги. Они могут быть жидкими, твердыми или гибридными и, как правило, сводятся к комбинации химических веществ и катализаторов или окислителей. Эти двигатели просты (а значит и миниатюрны), имеют низкие требования к мощности и очень надежны.
Электрическая тяга полагается на электрическую энергию для ускорения заряженных частиц до высоких скоростей. Двигатели Холла, ионные двигатели, импульсные плазменные двигатели — это все сюда. Этот вид тяги сочетает высокий удельный импульс с высокой эффективностью, а его компоненты можно легко уменьшить. Недостатком является то, что они требуют дополнительной мощности, а значит нужны будут и более крупные солнечные батареи, и более сложные системы питания.
Для движения также используются солнечные паруса, которые полезны, поскольку не нуждаются в топливе. Солнечные паруса также можно масштабировать в зависимости от размеров кубсата, а малая масса спутников приводит к значительному ускорению при помощи паруса.
Солнечные паруса питают его и помогают двигаться
Тем не менее солнечные паруса должны быть достаточно велики по сравнению со спутником, что добавляет механической сложности и возможностей для потенциального отказа. В настоящее время не так много кубсатов оснащали солнечным парусом, но поскольку это единственный метод на текущий момент, который не требует ракетного топлива и не включает опасные материалы, интерес к нему не исчезает.
Поскольку двигатели миниатюрны, с этим сопряжено несколько технических проблем. Например, операции с вектором тяги невозможны при небольших двигателях. Управление вектором тяги осуществляется за счет использования асимметричной тяги из множества сопел или за счет изменения центра массы относительно геометрии кубсата.
История «кубсата»
Начиная с 1999 года Политехнический университет штата Калифорния и Стэнфордский университет разрабатывали спецификации CubeSat, чтобы помочь университетам всего мира «выйти в космос». Термин CubeSat был придуман для обозначения наноспутников, которые соответствуют стандартам, указанным в проектных спецификациях.
Основы этих спецификаций были заложены профессором авиационно-космической техники Джорди Пьюиг-Суари и Бобом Твиггсом из Стэнфордского университета. С тех пор на основе этой работы выросло международное партнерством более 40 институтов, которые разрабатывают ценный груз для наноспутников при проведении собственных исследований.
Первоначально, несмотря на их малые размеры, научные учреждения были существенно ограничены, вынужденные ждать возможности запуска годами. В некоторой степени это было исправлено появлением Poly-PicoSatellite Orbital Deployer (P-POD), созданного Политехническим калифорнийским университетом. P-POD монтируются к пусковой ракете и выводят кубсаты на орбиту, выпуская их после получения правильного сигнала от носителя.
Если коротко, P-POD позволили запускать множество кубсатов в строго указанное время.
Производством кубсатов занимается множество компаний, включая Boeing. Но большая часть интереса проистекает со стороны научного сообщества, с гремучей смесью успешно запущенных на орбиту кубсатов и проваленных миссий. С момента создания кубсаты использовались множество раз.
Например, для развертывания системы автоматической идентификации для мониторинга морских судов; удаленных датчиков Земли; для проверки долгосрочной жизнеспособности космических тросов, а также для проведения биологических и радиологических экспериментов.
Внутри академического и научного сообщества эти результаты являются общими и достигаются за счет широкого вовлечения институтов и сотрудничества разработчиков.
Источник