КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ С СОЛНЕЧНЫМ ПАРУСОМ Советский патент 1995 года по МПК B64G1/40 B64G1/44 

Изобретение относится к двигательным системам космических аппаратов (КА) и может быть использовано в устройствах управления движением КА с солнечным парусом для межпланетных перелетов.

Известна конструкция КА с солнечным парусом из тонкой полимерной металлизированной пленки, натянутой на жесткую раму. Управление ориентацией поверхности паруса в пространстве достигается путем частичного изменения формы поверхности паруса и смещения тем самым центра давления относительно центра масс.

Недостатком такой конструкции является наличие в ней жесткой рамы и обусловленные ею технические трудности, такие, как сложность процесса сборки рамы с парусом, малая надежность конструкции из-за большого количества подвижных сочленяемых элементов в сборной раме, значительные ее малогабаритные характеристики в сложенном состоянии, необходимые для обеспечения требуемой жесткости.

Наиболее близким техническим решением является КА с солнечным парусом, содержащий корпус, гибкую отражающую поверхность, средство ее формирования, включающее в себя устройство закрутки, и средство управления ориентацией гибкой отражающей поверхности в пространстве. Формирование центробежными силами отражающей поверхности паруса и управление ее ориентацией в пространстве осуществляется за счет сил солнечного давления путем их воздействия на многочисленные протяженные лопасти с изменяемым углом атаки, образующие поверхность паруса.

Недостатками этой конструкции является неэффективность использования внешних сил солнечного давления для формирования поверхности паруса и управления ее ориентацией в пространстве; недостаточная жесткость паруса, обусловливающая слабую чувствительность концов лопастей к изменению угла атаки в их основании, динамическая неустойчивость формы лопастей и наличие различных форм ее колебаний. Неэффективность управления ориентацией "гелиоротора" в пространстве и его раскрытия из уложенного состояния за счет сил солнечного давления проявилась бы даже в случае обеспечения требуемой жесткости лопастей, так как зависит от положения аппарата на орбите относительно Солнца: управляющий момент максимален только при освещении паруса лучами, перпендикулярными плоскости паруса; при косом освещении момент уменьшается пропорционально квадрату косинуса угла падения, а при развороте ребром или в тени момент равен нулю и управление вообще невозможно.

Цель изобретения повышение эффективности управления движением КА путем обеспечения независимости процесса ориентации гибкой отражающей поверхности в пространстве от действия сил солнечного давления.

Это достигается тем, что в космическом аппарате с солнечным парусом корпус выполнен в виде двух шарнирно соединенных частей, с одной из которых связана гибкая отражающая поверхность, средство формирования снабжено установленным на другой части корпуса трансформируемым маховиком, устройство закрутки выполнено в виде механизма противовращения частей корпуса вдоль их продольных осей, а средство управления ориентацией гибкой отражающей поверхности в пространстве выполнено в виде устройства изменения угла между продольными осями частей корпуса.

На чертеже показан предлагаемый аппарат.

Гибкая отражающая поверхность 1 паруса связана с частью 2 корпуса, где предусмотрен механизм 3 вращения паруса и механизм 4 управляемого роспуска паруса из уложенного состояния (на барабанах).

Трансформируемый маховик 5 установлен на другой части 6 корпуса и снабжен собственным механизмом 7 вращения. Механизмы 3 и 7 образуют механизм противовращения частей корпуса. Обе части корпуса 2 и 6 связаны между собой шарнирно через устройство 8 изменения угла между продольными осями частей 2 и 6 корпуса.

Поверхность паруса может быть выполнена в виде сплошного диска или из отдельных (связанных по кромкам) лопастей. В качестве материала паруса может использоваться полиимидная пленка толщиной порядка 3-10 мкм с алюминиевым покрытием толщиной 0,1 мкм.

Крепление паруса к механизму 4 должно осуществляться по вантовой схеме, обеспечивающей жесткость конструкции к силовым воздействиям, возникающим при боковом повороте, при отношении величин внутреннего радиуса крепления паруса к вантам (R₀) к наружному радиусу паруса (R_к),
R₀/R_к ≥ 0,1 и отношении угловой скорости бокового поворота Ω к угловой скорости вращения паруса ω
Ω/ω≅10^-2.

Для больших размеров паруса (R_к≥10--100 м) в конструкции целесообразно применение трансформируемого маховика, поскольку величина компенсируемого кинетического момента паруса столь велика, что любая жесткая маховичная система технически нереальна из-за слишком больших величин необходимой вращающейся массы и/или скорости углового вращения. В качестве трансформируемого маховика может быть предложена специальная тросовая система, а также конструкция, аналогичная основному парусу (второй парус). В качестве механизмов вращения паруса и маховика, а также механизма управляемого роспуска паруса могут использоваться электромеханические приводы, питаемые от солнечных батарей.

Устройство 8 практически требует изменения углов на небольшую величину (порядка нескольких минут) с высокой точностью. Это может быть осуществлено прецезионными электроприводами, а также известными приводами на основе пьезокристаллов.

КА с солнечным парусом функционирует следующим образом.

В первоначальном состоянии поверхность паруса уложена на элементы (барабаны) механизма 4, а маховик 5 втянут в кронштейны части 6 корпуса КА.

После начала вращения частей 2 и 6 относительно одна другой во взаимно противоположных направлениях возникают центробежные силы, которые начинают развертывать поверхность паруса 1 и (тросовую) конструкцию компенсирующего кинетический момент маховика 5. Скорость роспуска паруса задается механизмом 4. Маховик 5 также может иметь механизм управляемого роспуска.

В течение процесса роспуска паруса и компенсирующего маховика и по окончании этого процесса система сохраняет в целом нулевой кинетический момент. Для осуществления определенной ориентации поверхности паруса в пространстве производится "излом" оси вращения в устройстве 8. Возникающий при этом гироскопический момент разворачивает систему относительно двух осей, перпендикулярных оси вращения паруса, выставляя парусную поверхность 1 под требуемым углом к направлению солнечных лучей.

Изобретение относится к двигательным системам космических аппаратов (КА) и может быть использовано в устройствах управления движением КА с солнечным парусом для межпланетных перелетов. Цель изобретения повышение эффективности управления движением КА путем обеспечения независимости процесса ориентации гибкой отражающей поверхности паруса в пространстве от действия сил солнечного давления. Это достигается выполнением корпуса КА в виде двух шарнирно соединенных частей 2 и 6, снабженных устройством 8 изменения угла между продольными осями этих частей. Для регулирования угловой скорости вращения отражающей поверхности 1 вместе с частью 2 корпуса (в частности при развертывании паруса с элементов 4) служат трансформируемый (тросовой) маховик 5, связанный с частью 6 корпуса КА, и механизмы 3 и 7, образующие механизм противовращения частей 2 и 6 корпуса КА. 1 ил.

КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ С СОЛНЕЧНЫМ ПАРУСОМ, содержащий корпус, гибкую отражающую поверхность, средство ее формирования, включающее в себя устройство закрутки, и средство управления ориентацией гибкой отражающей поверхности в пространстве, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности управления движением космического аппарата путем обеспечения независимости процесса ориентации гибкой отражающей поверхности в пространстве от действия сил солнечного давления, в нем корпус выполнен в виде двух шарнирно соединенных частей, с одной из которых связана гибкая отражающая поверхность, средство формирования снабжено установленным на другой части корпуса трансформируемым маховиком, устройство закрутки выполнено в виде механизма противовращения частей корпуса вдоль их продольных осей, а средство управления ориентацией гибкой отражающей поверхности в пространстве выполнено в виде устройства изменения угла между продольными осями частей корпуса.