Космический аппарат с солнечным парусом

 

Изобретение относится к космической технике, конкретно к космическим аппаратам ( КА ), использующим для управления своим движением солнечное световое давление; кроме того, КА может применяться в качестве отражателя для освещения поверхности планеты. Сущность изобретения состоит в том, что парус выполнен в виде узких длинномерных крыльев из тонкой зеркальной пленки, взаимодействующих внешними концевыми торцами с внешним опорным ободом и закрепленных внутренними концами на центральной части КА. Поворот зеркальной поверхности крыльев относительно светового потока производится электроприводами (соленоидного типа, с винтовыми преобразователями движения сердечников), установленными на внешнем ободе и связанными (винтовыми парами) с концевыми торцами крыльев. Ширина крыльев убывает, а толщина возрастает от периферии к центру. По командам системы управления могут быть задействованы все или некоторые электроприводы, в результате произойдет разворот всех или некоторых крыльев на определенные углы кручения, что приведет к изменению тяги солнечного паруса и / или возникновению управляющего момента светового давления для требуемого изменения ориентации паруса вместе с КА. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к космической технике, конкретно к космическим аппаратам (КА), использующим для управления своим движением солнечное световое давление.

Наиболее близким аналогом из числа известных является КА с солнечным парусом, содержащий центральную часть корпуса, радиальные длинномерные крылья из тонкой отражающей пленки с укрепленными на их внешних концевых торцах стержнями, внешний опорный обод, с которым указанные стержни взаимодействуют посредством радиальных шарнирных осей и электродвигателей поворота внешних торцев крыльев в этих осях, связанные с электродвигателями источники электроэнергии и управляющее устройство [1] Недостатком известного КА является то, что при большой длине крыльев, необходимой для получения требуемой площади светоотражающей поверхности, возникает ряд проблем с выбором технических средств управления наклоном плоскостей крыльев к световому потоку, которые в известном техническом решении не преодолены в полной мере.

Технический результат состоит в разработке указанных выше средств управления, обладающих небольшими массой и энергопотреблением при обеспечении достаточных точности и надежности управления солнечным парусом КА.

Данный технический результат достигается тем, что в известном КА с солнечным парусом крылья выполнены с шириной, убывающей от внешних торцев к центральной части корпуса, и закреплены на этой части своими внутренними концами, а электродвигатели установлены на радиальных шарнирных осях.

Кроме того, электродвигатели поворота внешних торцев крыльев могут быть выполнены в виде соленоидов с сердечниками, причем обмотки соленоидов закреплены на элементах радиальных осей, неподвижных относительно опорного обода, а сердечники связаны со стержнями и образуют винтовые пары с этими элементами.

На фиг. 1 дан космический аппарат в развернутом состоянии во время полета: а вид сбоку, б по направлению оси вращения; на фиг. 2: а поперечное сечение торцевых стержней крыльев; б возможное поперечное сечение стержней опорного обода; в соединение стержней опорного обода; на фиг. 3 шарнирное соединение торца крыла с опорным ободом; на фиг. 4 двигатель поворота крыла: а и б прорези.

Космический аппарат содержит цилиндрический корпус 1, в котором может находиться полезный груз и управляющая аппаратура: бортовой компьютер и радиоприемник. К корпусу прикреплены крылья 2 длинные узкие ленты из тонкой зеркальной пленки, на торцах которых укреплены тонкостенные стержни 3. Последние прикреплены к опорному ободу 4 с помощью шарнирных осей 5. Аппарат вращается вокруг оси симметрии. Под действием солнечных лучей крылья прогибаются на угол α ≈0,01.

Крылья могут быть изготовлены, например, из алюминизированной пластиковой пленки или металлической фольги. Около центра аппарата используется более толстая и прочная пленка. Радиальные края пленки могут быть слегка вогнутыми и укреплены бордюрными нитями, или узкими полосками более толстой пленки, создающими азимутальное натяжение крыла. Длина крыльев: 300-500 м, число их: 200-400. Толщина пленки на периферии 2-4 мкм.

Обод 4 может быть выполнен в виде цепочки стержней 6, соединенных посредством шарниров 7. Тонкостенные стержни 3 и 6 могут быть изготовлены из композиционного материала, стали или титана и иметь поперечное сечение. Шарниры 7 могут быть выполнены в виде кольца 8, вставленного в отверстия 9. Шарнирное соединение 5 может быть выполнено в виде двух трубчатых осей 10 и 11, прикрепленных к стержням 3 и 6, вставленных одна в другую и закрепленных с помощью подшипников 12.

Электродвигатель поворота крыла может быть расположен непосредственно в соединении 5 и выполнен в виде соленоида с втягиваемым намагниченным сердечником. В этом случае в трубке 10 делается продольный разрез 13, в трубке 11 винтовой разрез 14. Сердечник 15 с поперечным выступом 16 вставляется в трубку 10. При этом выступ 16 вставлен в прорези 13 и 14. Обмотка соленоида 17 намотана на трубку 11. При пропускании электрического тока по обмотке возникает поступательное движение сердечника. Оно преобразуется во вращательное движение оси 10 с помощью винтового разреза 14. Меняя ток в обмотке, можно обеспечить требуемые повороты крыльев.

Электроэнергия может вырабатываться солнечными батареями, прикрепленными к корпусу, ободу или некоторым крыльям. К электродвигателям она подводится или по специальным изолированным токопроводящим покрытиям на крыльях, или по отдельным, не показанным на чертеже, кабелям. Необходимое изменение тока обеспечивает управляющее устройство.

Космический аппарат работает следующим образом. Из-за наличия опорного обода все крылья всегда остаются в одной плоскости, а расстояние между ними строго сохраняется. Это позволяет использовать большее число крыльев, чем предлагалось ранее, и получить большую площадь паруса при меньшем отношении длины крыла к его ширине на периферии. В результате уменьшаются амплитуда крутильных колебаний крыла и отклонения локальных нормалей к пленке от нужного направления. Из-за гироскопического эффекта плоскость обода сохраняет ориентацию. При этом углы поворота крыльев относительно этой плоскости строго контролируются управляющим устройством.

Поворачивая крылья с периодом, равным периоду вращения аппарата вокруг его оси симметрии, можно менять величину и направление общей силы светового давления на аппарат при сохранении направления оси симметрии. Для изменения направления оси создается момент сил, приводящий к нужной процессии. Для этого крылья поворачиваются так, чтобы точка приложения суммарной силы светового давления сместилась относительно корпуса. Постоянный во времени разворот крыльев позволяет менять период вращения аппарата и натяжение крыльев и обода. Часть крыльев может быть ориентирована так, чтобы отраженные ими лучи попали на нужный участок земной поверхности.

Формула изобретения

1. КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ С СОЛНЕЧНЫМ ПАРУСОМ, содержащий центральную часть корпуса, радиальные длинномерные крылья из тонкой отражающей пленки с укрепленными на их внешних концевых торцах стержнями, внешний опорный обод, с которым указанные стержни взаимодействуют посредством радиальных шарнирных осей и электродвигателей поворота внешних торцов крыльев в этих осях, связанные с электродвигателями источники электроэнергии и управляющее устройство, отличающийся тем, что крылья выполнены с шириной, убывающей от внешних торцов к центральной части корпуса, и закреплены на этой части своими внутренними концами, а электродвигатели установлены на радиальных шарнирных осях.

2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что электродвигатели поворота внешних торцов крыльев выполнены в виде соленоидов с сердечниками, причем обмотки соленоидов закреплены на элементах радиальных осей, неподвижных относительно опорного обода, а сердечники связаны стержнями и образуют винтовые пары с этими элементами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4