一种用于太阳帆航天器姿态控制的滑块执行机构

摘要

本发明提供一种用于太阳帆航天器姿态控制的滑块执行机构，包含：中心箱体、位于中心箱体内的预紧调节单元、控制电机、主动轮单元、主从动轮单元、可调辅助从动轮单元；伸杆臂从中心箱体的前面板和后面板的中心处设置的孔穿过；所述预紧调节单元包含：预紧螺杆和预紧螺母，且预紧螺杆穿过中心箱体的上面板；所述的控制电机通过太阳能电池获得电能从而被驱动；所述的主动轮单元包含两个凸起滚轮，且两个凸起滚轮通过连接轴与控制电机的机轴相连，且两个凸起滚轮的外壁与伸展臂的外圆周紧密接触；所述主从动轮单元的两个凸起滚轮穿过转轴安装于两片聚四氟滑环之间，且两个凸起滚轮的外壁与伸展臂的外圆周紧密接触，所述的转轴固定于中心箱体下面板的支架上；所述可调辅助从动轮单元包含四个凸起滚轮以及四个三角支架，调整三角支架使凸起滚轮的外壁与伸展臂的外圆周紧密接触。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳帆航天器调姿的滑块执行机构，具体涉及一种用于太阳帆航天 器姿态控制的滑块执行机构。

背景技术

现代航天器动力模式，大多采用液体、固体或其他复杂发动机，其推进形式都 是利用喷射高速质量提供的反推作用来获得推力。随着航天飞行任务距离增加和运 行时间增长，其必然要携带越来越多的燃料，进而提高航天器发射成本，这就使得 依靠光压或磁压作为持久动力的太阳帆航天器应运而生。太阳帆以太阳光光压为推 进动力，是一种独特的推进方式，它超越了对反应物料的依赖。其工作原理是：利 用太阳帆将照射过来的太阳光(光子)反射回去，由于力的作用是相互的，太阳帆在将 光子“推”回去的同时，光子也会对太阳帆产生反作用力，从而推动飞船前进。综合 太阳帆航天器的先进性和实用性，我国太阳帆航天器参照国际最流行的正四边形即 正方形进行设计布局。太阳帆帆面采用超轻质薄膜设计，其面积一般为上千平方米 左右；方形太阳帆航天器同时需要很长的伸展支撑构件来引导太阳帆帆面展开并支 撑其承受太阳光压。

由于太阳帆自身的特点使得其姿态调整方法不同于传统航天器，其特点主要有: 干扰力矩大，转动惯量大，指向精度要求高。传统的主动姿态控制方法如:喷气控制、 反作用飞轮控制等很难满足太阳帆的姿态控制要求，这就需要考虑特殊的适合太阳 帆姿态调整执行机构。

国内外现有的太阳帆航天器调姿执行机构按照作用原理可以分为两大类：质心 偏移类和帆面转动类。所述的质心偏移类中的执行机构包括：滑块执行机构、控制 杆执行机构；帆面转动类中的执行机构包括：RSB(Roll Stabilizer Bars)执行机构、 角帆执行机构、变反射率薄膜结构。对于滑块与RSB执行机构，其可以保证有效载 荷与帆的相对位置固定，有利于星地间通信及有效载荷正常稳定工作，对于帆的展 开过程没有特殊要求，执行机构简单紧凑，可以保障姿态控制系统的可靠性。ATK 公司在20米太阳帆航天器的地面试验中运用了滑块与RSB执行机构，滑块执行机 构在太阳帆航天器的桁架式伸展臂上可以做往复运动，如图1所示，但是现有的ATK 公司的此滑块执行机构只适用于桁架式伸展臂形式，不能用于充气式曲线截面的伸 展臂形式。且目前滑块与RSB执行机构还未有过上天飞行验证。此外，这种滑块执 行结构属于国外的保密技术而不对外公开，因此对其内部的构成和实现原理均需要 进行创造性的劳动才能实现。

对于控制杆执行机构，其质心位置变化范围大，产生的控制力矩较大，能实现 太阳帆姿态的快速机动，但是其结构质量较大，万向节处应力变化剧烈，容易使机 构发生疲劳进而失效。美国空间推进太阳帆计划中曾采用控制杆作为调姿执行机构， 如图2所示，但是未曾经过上天飞行验证。

对于角帆执行机构，其利用四个角帆可以实现太阳帆的三轴姿态控制，并且能 够满足行星际飞行中的姿态控制精度要求，但是其结构设计较为复杂，不易于收拢。 L’Garde公司在20米太阳帆航天器的地面试验中运用了角帆执行机构，以及准备在 2015年发射的Sunjammer太阳帆航天器也同样运用了角帆作为执行机构，如图3所 示。

对于变反射率薄膜结构，其不需要任何运动执行机构，大大降低了太阳帆航天 器的结构复杂度与发射质量，但是其控制力矩大小有限，而且对于帆面材料技术有 很高要求。日本在2010年成功发射的IKAROS太阳帆航天器上运用了变反射率薄膜 结构作为执行机构，如图4所示。

经过对国内外太阳帆航天器调姿执行机构的调研，可以得出太阳帆航天器调姿 滑块执行机构在国内尚没有公开发表的文章以及上天飞行记录，本专利设计在国内 尚属首次。

发明内容

本发明的目的在于，为克服上述问题，本发明提供一种用于太阳帆航天器姿态控 制的滑块执行机构。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于太阳帆航天器姿态控制的滑块执行机 构，其特征在于，所述的滑块执行机构包含：中心箱体1、位于中心箱体内的预紧调 节单元4、控制电机28、主动轮单元2、主从动轮单元3；

所述中心箱体1的前面板和后面板的中心处设置孔，伸杆臂从所述孔穿过该中 心箱体1；

所述预紧调节单元4包含：预紧螺杆10和锁定螺母11，且预紧螺杆10穿过中 心箱体1的上面板和凸台21，所述凸台21为设置在中心箱体1上面板内壁上的带有 螺纹孔的凸台；

所述的主动轮单元2包含第一凸起滚轮5和第二凸起滚轮6，且第一凸起滚轮5 和第二凸起滚轮6通过连接轴13与控制电机28的机轴相连；所述控制电机28固定 于可调电机底座29上，而所述可调电机底座29与预紧螺杆10的末端相连；所述的 控制电机28通过太阳能电池27获得电能从而被驱动，进而带动第一凸起滚轮5和 第二凸起滚轮6沿伸展臂上前后移动；

所述主从动轮单元3包含第三凸起滚轮7、第四凸起滚轮8、两片滑环15和支 架16，第三凸起滚轮7和第四凸起滚轮8穿过转轴19安装于两片滑环15之间，且 所述第三凸起滚轮7和第四凸起滚轮8的外壁与伸展臂的外圆周紧密接触，所述的 转轴固定于中心箱体1下面板的支架上。

可选的，上述滑块执行机构还包含：可调辅助从动轮单元9，所述可调辅助从动 轮单元包含：三角支架26、转轴24、凸起滚轮22、滑环、锁紧螺母25和锁定螺钉 23；

所述转轴24通过端部的锁定螺钉25固定在三角支架26上，凸起滚轮22穿过 转轴24安装于两片滑环之间且凸起滚轮22与伸展臂的外壁紧密接触，所述滑环位 于凸起滚轮22与三角支架26之间；

所述三角支架26固定在中心箱体1的前面板或后面板上；

所述锁紧螺母25对凸起滚轮22与滑环压紧力进行微调并固定，所述三角支架 26的底板上开有十字孔且十字孔开孔尺寸大于锁定螺钉23的螺纹直径。

可选的，上述可调辅助从动轮单元9的个数为4个，对称布设于中心箱体1的 前面板和后面板的外壁上。

可选的，上述的滑环为聚四氟滑环15。

可选的，在所述中心箱体1的上面板的外壁、下面板的外壁、左面板的外壁和/ 或右面板的外壁布放了太阳能电池贴片27；或在所述中心箱体1的左面板和/或右面 板上安装太阳能帆板。

可选的，上述可调电机底座29与预紧螺杆10的连接方式为：所述可调电机底 座29上设置一个销轴，所述预紧螺杆10的低端设置一个销孔，所述的销轴插入销 孔中实现可调电机底座29与预紧螺杆10的连接。

可选的，通过电机压片30将所述控制电机28固定于所述可调电机底座29上。

可选的，上述主动轮单元2还包含：锁紧螺母14和调整垫片12；

所述的锁紧螺母14通过调整垫片12将第一凸起滚轮5和第二凸起滚轮6与连 接轴13轴向固定，连接键将第一凸起滚轮5和第二凸起滚轮6与连接轴13径向固 定，使第一凸起滚轮5和第二凸起滚轮6与连接轴13同步转动，通过垫片12使第 一凸起滚轮5和第二凸起滚轮6从两侧夹紧伸展臂，与伸展臂外圆周紧密接触。

所述第一凸起滚轮5和第二凸起滚轮6外表面上设置块状凸起，用于增大摩擦 力。

可选的，上述主从动轮单元3还包含：阶梯轴19、锁紧螺钉17、垫片20和锁 紧螺母18；

所述支架16固定在中心箱体1的下面板上，阶梯轴19通过锁紧螺钉17固定在 支架16上，第三凸起滚轮7和第四凸起滚轮8安装于阶梯轴19两侧的两片滑环15 之间，；

所述阶梯轴19上的滑环15的外侧依次套设垫片20和锁紧螺母18，所述锁紧螺 母18用于调整第三凸起滚轮7和第四凸起滚轮8与滑环15之间的压紧力，所述垫 片20保护滑环15表面免受锁紧螺母18划伤。

可选的，上述的第一凸起滚轮5、第二凸起滚轮6、第三凸起滚轮7、第四凸起 滚轮8以及可调辅助从动轮单元9的四个凸起滚轮22上的所有凸起构成的外包络曲 面在伸展臂轴向上的投影圆弧半径尺寸与伸展臂圆截面半径尺寸相等，使滑块执行 机构与伸展臂外表面紧密结合，增大接触面积，从而保证滑块执行机构稳定运动。

与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

(1)太阳帆航天器调姿滑块执行机构的研制，国内实现了从无到有的飞跃；

(2)太阳帆航天器调姿滑块执行机构具有指向精度高、定位准确、整体强度刚 度高等特性，满足太阳帆航天器姿态控制的精度需求；

(3)太阳帆航天器调姿滑块执行机构结构简单紧凑、装拆方便、可靠性高，便 于携带及运输；

(4)太阳帆航天器调姿滑块执行机构主体结构材料由航天轻质铝合金材料制 造，材料资源丰富，加工工艺成熟，便于太阳帆航天器调姿滑块执行机构的技术实 施；

(5)太阳帆航天器调姿滑块执行机构也满足其它有变质心机构控制的基本需 求，便于技术应用推广。

附图说明

图1是现有技术的滑块与RSB执行机构的示意图；

图2是现有技术的控制杆调姿执行机构的示意图；

图3是现有技术的角帆执行机构的示意图；

图4是现有技术的变发射率薄膜结构作为执行机构的示意图；

图5是本发明的调姿滑块执行机构与太阳帆之间结构关系的示意图；

图6是本发明的滑块执行机构的外观图；

图7-a和7-b是本发明的滑块执行机构内部的轴测图；

图8是本发明的滑块执行机构的主视图；

图9-a和9-b是本发明的中心箱体的剖开图；

图10-a和10-b是本发明的预紧调节单元的结构示意图及本发明的预紧螺杆与底 座的连接关系示意图；

图11-a和11-b是本发明的控制电机的结构及预紧调节单元与控制电机的连接关 系图；

图12-a和12-b是本发明的主从动轮单元及支架的结构示意图；

图13是本发明的可调辅助从动轮的结构示意图；

图14-a和14-b、14-c是本发明的主动轮单元结构示意图。

附图标识：

1、中心箱体      2、主动轮单元    3、主从动轮单元

4、预紧调节单元  5、第一凸起滚轮  6、第二凸起滚轮

7、第三凸起滚轮  8、第四凸起滚轮  9、可调辅助从动轮单元

10、预紧螺杆     11、锁定螺母      12、主动轮单元的垫片

13、主动轮单元的连接轴            14、主动轮单元的锁紧螺母

15、聚四氟滑环      16、支架        17、主从动轮上的锁紧螺钉

18、主从动轮上的锁紧螺母            19、主从动轮上的阶梯轴

20、主从动轮上的垫片    21、凸台      22、可调辅助从动轮上的凸起滚轮

23、可调辅助从动轮上的锁定螺钉    24、可调辅助从动轮上的转轴

25、可调辅助从动轮上的锁紧螺母    26、三角支架

27、太阳能电池贴片28、控制电机    29、可调电机底座

30、电机压片

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述方法进行详细说明。

一、本发明的滑块执行机构的技术指标和功能要求：

1)滑块执行机构能够安装于圆截面充气伸展臂(下称伸展臂)上；

2)滑块执行机构静止以及运动过程中，与伸展臂紧密结合、运动稳定，不会绕 伸展臂轴向滑动(即不会旋转打滑)；

3)滑块执行机构静止以及运动过程中，在伸展臂圆截面垂直的平面内，不会绕 此平面法向转动(即不会前倾或后倾)；

4)滑块执行机构静止以及运动停止时，在伸展臂轴向方向上，不会相对伸展臂 发生运动(即可以稳定夹紧伸展臂不动)；

5)能够沿伸展臂前后移动。

二、本发明提供的滑块执行机构的工作原理：

太阳帆航天器调姿滑块执行机构通过滑块执行机构自身在伸展臂上的移动，改 变太阳帆航天器的质量分布，从而改变太阳帆航天器的质心，使得太阳光压压力产 生对某个轴的转动力矩，从而达到太阳帆航天器姿态调整的目的，如图5所示。

首先，将滑块(即滑块执行机构)包含的中心箱体1装配完毕(包括预紧调节 单元4、驱动电机(该驱动电机包含控制电机28和电机压片30)、主动轮单元2、主 从动轮单元3、方形太阳能侧板)；第二步，将伸展臂从装配好的中心箱体1中间孔 穿过，将中心箱体1套在伸展臂上；第三步，通过预紧调节单元4将中心箱体1与 伸展臂适当紧密夹紧；第四步，将四个可调辅助从动轮单元9安装于中心箱体1的 前面板和后面板上，并且通过可调节安装十字孔将每个辅助从动轮单元与伸展臂适 当紧密压紧。

完全装配好的太阳帆航天器调姿滑块执行机构从表面太阳能电池贴片27获得电 能，从而通过控制电机28正转或者反转带动主动轮单元2包含的第一凸起滚轮5和 第二凸起滚轮6转动，滑块执行机构沿伸展臂轴向运动，带动主从动轮单元3以及 可调辅助从动轮单元9转动，并且主从动轮单元3通过预紧调节单元4保证滑块执 行机构始终与伸展臂适当紧密夹紧，不会发生旋转打滑，可调辅助从动轮单元9进 一步保证滑块执行机构始终与伸展臂适当紧密夹紧，不会发生旋转打滑与前倾或者 后倾。

三、本发明滑块执行机构的结构设计：

如图6，图7、图8所示，本发明提供的太阳帆航天器调姿的滑块执行机构包含： 中心箱体1、预紧调节单元4、控制电机28、主动轮单元2、主从动轮单元3、可调 辅助从动轮单元9。其中预紧调节单元4包括预紧螺杆10、锁定螺母11和可调电机 底座29。

所述中心箱体1的具体结构为：

中心箱体分系统由8块箱体侧板、太阳能电池贴片27组成，其中用于安装预紧 调节单元4的上面板内部有一个带螺纹孔的凸台21，伸展臂可以从前面板和后面板 的孔中穿过，如图6所示。8块箱体侧板组成一个外部框架，将其他分系统组成一个 整体，起到承力主框架与安装接口作用；8块箱体侧板，上、下、左和右4块面板的 外壁可以用来安装太阳能电池贴片27，用于对整个系统供电供能，针对实际的不同 任务约束条件，还可以在左右面板的外壁上安装小型太阳能帆板，以满足更大功率 需求的滑块执行机构。

所述预紧调节单元4的具体结构为：

预紧调节单元由预紧螺杆10、锁定螺母11、可调电机底座29三部分组成，如 图10-a和10-b所示，其中预紧螺杆10穿过中心箱体1上面板以及带螺纹孔凸台21， 与其配合，凸台21增长了配合长度，保证预紧螺杆10牢固安装。预紧螺杆10通过 螺纹配合可以上下调节高度，在预紧螺杆10底部钻有销孔，可调电机底座29上端 面带有销轴，可以插入预紧螺杆10底部的销孔中，轴孔间隙配合，如图11-a、11-b 所示。

预紧调节单元4是滑块执行机构的关键机构，其工作原理为：待中心箱体1套 在伸展臂上后，通过旋转预紧螺杆10，从而调节预紧螺杆10伸入中心箱体1的高度， 预紧螺杆10下部的销孔相对可调电机底座29的销轴转动，预紧螺杆10推动可调电 机底座29向下运动，从而使连接在控制电机28上的主动轮单元2包含的第一凸起 滚轮5和第二凸起滚轮6压紧在伸展臂外壁上，达到增大摩擦力以及紧固滑块执行 机构与伸展臂的作用，预紧螺杆10调整好后，将锁定螺母11拧紧于上面板的外壁， 预紧螺杆10被固定。由于销孔与销轴、预紧螺杆10端面与可调电机底座29端面的 配合关系以及预紧力作用，当主动轮单元2转动沿伸展臂运动时，可调电机底座29 以及其它部件可以随主动轮单元2一起沿伸展臂运动，如图10-b所示。

所述驱动电机的具体结构为：

驱动电机分系统由：控制电机28、电机压片30组成，如图11-a所示。控制电 机28能够正转与反转，保证滑块执行机构可以沿伸展臂前后运动，电机压片30将 控制电机28固定于可调电机底座29上，使之可以与预紧调节单元4同步在中心箱 体1的内部上下移动。

所述主动轮单元2的具体结构为：

主动轮单元2包含第一凸起滚轮5、第二凸起滚轮6、连接轴13、调整垫片12 和锁紧螺母14，如图14-a和14-b、14-c所示。第一凸起滚轮5和第二凸起滚轮6通 过连接轴13与控制电机28的机轴相连，从而与预紧调节分单元4同步上下移动， 锁紧螺母14通过调整垫片12将第一凸起滚轮5和第二凸起滚轮6与连接轴13固定， 连接键将第一凸起滚轮5和第二凸起滚轮6与连接轴13径向固定，使第一凸起滚轮 5和第二凸起滚轮6与连接轴13同步转动，通过选择合适厚度的垫片12使第一凸起 滚轮5和第二凸起滚轮6从两侧夹紧伸展臂，与伸展臂外圆周紧密接触，第一凸起 滚轮5和第二凸起滚轮6上的块状凸起可以增大抓着力，起到增大摩擦力以及紧固 滑块执行机构与伸展臂的作用。

所述主从动轮单元3的具体结构为：

主从动轮单元3包含：第三凸起滚轮7、第四凸起滚轮8、支架16、阶梯轴19、 锁紧螺钉17、聚四氟滑环15、垫片20和锁紧螺母18，如图12所示。支架16固定 在箱体底板上，阶梯轴19通过锁紧螺钉17固定在支架16上，凸起滚轮安装于两侧 的两片聚四氟滑环15之间，聚四氟表面光滑，有利于凸起滚轮绕阶梯轴19转动， 锁紧螺母18调整凸起滚轮与聚四氟滑环15之间的压紧力，垫片保护聚四氟滑环15 表面免受锁紧螺母划伤，如图12-a和12-b所示。

所述可调辅助从动轮单元3的具体结构为：

可调辅助从动轮单元3包含三角支架26、转轴24、凸起滚轮22、聚四氟滑环、 锁紧螺母25和锁定螺钉23，如图13所示。转轴24固定在三角支架26上，凸起滚 轮22安装于两片聚四氟滑环之间，聚四氟滑环位于凸起滚轮22与三角支架26之间， 起到润滑的作用，锁紧螺母25对凸起滚轮22与聚四氟滑环压紧力进行微调并固定， 三角支架26底板上开有十字孔且开孔尺寸大于锁定螺钉23的螺纹直径，手动调整 三角支架26，使得凸起滚轮22适当压紧伸展臂，可以起到获得一定摩擦力以及紧固 滑块与伸展臂的作用，使滑块稳定运动，调整好三角支架26的位置后，用三个锁定 螺钉23将其固定于箱体侧板上，如图13所示。

可选的，上述的第一凸起滚轮5、第二凸起滚轮6、第三凸起滚轮7、第四凸起 滚轮8以及可调辅助从动轮单元9中四个凸起滚轮22上的所有凸起构成的外包络曲 面在伸展臂轴向上的投影圆弧半径尺寸与伸展臂圆截面半径尺寸相等，使滑块执行 机构与伸展臂外表面紧密结合，增大接触面积，从而保证滑块执行机构稳定运动。

四、本发明提供的滑块执行机构的结构优势为：

1)滑块执行机构的凸起滚轮与伸展臂之间的正压力可以连续调节。对于不同材 料的伸展臂，结合伸展臂外壁表面粗糙度，可以通过连续调节凸起滚轮与伸展臂之 间的正压力来获取合适的摩擦力，以及将滑块执行机构与伸展臂适当加紧，满足相 应的电机功率、滑块速度等任务要求；

2)滑块执行机构的可调辅助从动轮与伸展臂的正压力、匹配位置可以进行微调， 从而保证滑块执行机构能够沿伸展臂稳定移动；

3)滑块执行机构的对称设计构型使得被压紧的伸展臂受力均匀，不会出现局部 应力集中而变形破坏；

4)滑块执行机构的对称设计构型使得滑块在运动过程中上侧与下侧运动惯量一 致，不会发生前倾或者后倾而干扰运动；

5)滑块执行机构构型既能适应体贴太阳能电池贴片进行自主无线供电，也能适 应两侧加装小型太阳能帆板进行自主无线供电，其结构具有适应可调性；

6)滑块执行机构可以根据实际任务成本、任务空间环境选用不同的制造材料， 例如：铝合金、钛合金等，其制造材料选用来源范围较广；

7)滑块执行机构整体设计简易，原理简单，功能完整，构型紧凑，可靠性高， 加工方便，技术集成性强，整体设计小巧精炼。

总之，本发明提供一种用于太阳帆航天器姿态控制的滑块执行机构，滑块执行机 构主要包含：中心箱体、预紧调节分系统、控制电机、主动轮、主从动轮、可调辅 助从动轮。中心箱体由8块箱体侧板、太阳能电池贴片组成，起到承力主框架与安 装接口作用，伸展臂可以从前后面的侧板孔中穿过。待中心箱体套在伸展臂上后， 通过旋转预紧螺杆，调节预紧螺杆伸入中心箱体的高度，预紧螺杆推动可调电机底 座向下运动，从而使连接在电机上的主动轮压紧在伸展臂外壁上，达到增大摩擦力 以及紧固滑块与伸展臂的作用，预紧螺杆调整好后，将锁定螺母拧紧于上面板外侧。 可调辅助从动轮的锁紧螺母对凸起滚轮与聚四氟滑环压紧力进行微调并固定，其三 角支架底板上开有十字孔且开孔尺寸大于锁定螺钉直径，调整三角支架，使凸起滚 轮适当压紧伸展臂，获得一定摩擦力以及紧固滑块与伸展臂，使滑块稳定运动。滑 块执行机构从侧板太阳能电池贴片获得电能，通过控制电机正转或者反转带动主动 轮转动，滑块沿伸展臂轴向运动，主从动轮以及辅助从动轮随之转动，太阳帆航天 器的质量分布以及质心随之改变，太阳光压产生对某个轴的转动力矩，从而达到对 太阳帆航天器姿态调整的目的。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管 参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明 的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均 应涵盖在本发明的权利要求范围当中。