本發(fā)明屬于航天設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用飛輪實(shí)現(xiàn)能量儲存和再利用的小衛(wèi)星在軌釋放和回收裝置。

背景技術(shù)：

20世紀(jì)80年代以來，隨著計(jì)算機(jī)、新材料、新工藝等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，功能密度高，技術(shù)性能強(qiáng)的現(xiàn)代小衛(wèi)星成為各國研究的熱點(diǎn)?，F(xiàn)代小衛(wèi)星不僅具有體積小、重量輕、技術(shù)含量高和研制周期短等一系列優(yōu)點(diǎn)，還可以采用標(biāo)準(zhǔn)化星體及模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，能夠在流水線上批量生產(chǎn)并儲存。另外還可以組成分布式的星座，引入人工智能等新技術(shù)成果，用智能星群完成復(fù)雜的任務(wù)。然而，小衛(wèi)星的應(yīng)用也存在許多問題，比如壽命短、軌道衰減快、輸出功率低、承載荷能力小、資源有限，此外還容易產(chǎn)生空間碎片。所以，將現(xiàn)代小衛(wèi)星作為大衛(wèi)星平臺的補(bǔ)充，二者并行發(fā)展，才能充分利用各自的技術(shù)優(yōu)勢。

利用大衛(wèi)星對小衛(wèi)星實(shí)施在軌釋放和回收便是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一。如果能夠利用大衛(wèi)星對小衛(wèi)星進(jìn)行快速有效的在軌回收和釋放，不僅可以對其維護(hù)，延長其壽命，還可以進(jìn)行燃料的補(bǔ)充，此外能夠再次作為載體將釋放的大量小衛(wèi)星集體運(yùn)載至下一任務(wù)點(diǎn)，再次進(jìn)行釋放，合作完成特定任務(wù)。

實(shí)現(xiàn)小衛(wèi)星的在軌回收本質(zhì)上是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)航天器交會對接的過程。傳統(tǒng)的交會技術(shù)根據(jù)兩航天器的相對距離和控制、制導(dǎo)方式的不同，通常將交會對接飛行過程主要?jiǎng)澐譃檫h(yuǎn)程導(dǎo)引、近程導(dǎo)引、平移靠攏和對接等階段。傳統(tǒng)的交會對接技術(shù)需要在近程導(dǎo)引階段施加一定的脈沖或者連續(xù)推力，來減小相對速度，以完成最終的對接。如果以較大的相對速度進(jìn)行交會對接，可以減小近程導(dǎo)引段的燃料消耗。但是目前的實(shí)際應(yīng)用中并沒有有效的裝置可以實(shí)現(xiàn)相對速度較大的航天器之間直接進(jìn)行交會對接。

另外，小衛(wèi)星的在軌釋放對大型航天器上的分離機(jī)構(gòu)也有很高的要求，其難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)足夠大的最大釋放速度，并對實(shí)際釋放速度進(jìn)行精確的控制。實(shí)現(xiàn)高速小衛(wèi)星的回收和釋放關(guān)鍵是要使小衛(wèi)星平穩(wěn)地減速或加速，避免在回收或釋放過程中由于小衛(wèi)星過載過大造成損壞。小衛(wèi)星在軌釋放的方法之一是采用壓縮彈簧彈射。例如，2000年瑞典發(fā)射了用于極光研究的munin科研衛(wèi)星，衛(wèi)星的分離機(jī)構(gòu)即為壓縮彈簧系統(tǒng)，釋放后衛(wèi)星被彈射出去。這種壓縮彈簧系統(tǒng)將彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)化為小衛(wèi)星的動(dòng)能，轉(zhuǎn)化效率低，最大釋放速度非常有限且難以精確控制，釋放速度較大時(shí)小衛(wèi)星瞬時(shí)過載大，容易造成任務(wù)的失敗。

總之，目前國際上還沒有一種既快速又節(jié)能的在軌釋放和回收小衛(wèi)星的裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種利用飛輪實(shí)現(xiàn)能量儲存和再利用的小衛(wèi)星在軌釋放和回收裝置，能夠高速回收和釋放小衛(wèi)星，且能夠充分彌補(bǔ)外太空燃料不足的缺點(diǎn)。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種利用飛輪儲能和再利用的小衛(wèi)星在軌釋放及回收裝置，包括小衛(wèi)星存儲機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和接收爪，其中，所述運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)置在所述小衛(wèi)星存儲機(jī)構(gòu)內(nèi)，通過滑動(dòng)關(guān)節(jié)與所述小衛(wèi)星存儲機(jī)構(gòu)連接，用于進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)能夠從所述小衛(wèi)星存儲機(jī)構(gòu)中滑出，所述接收爪通過滑動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)置在所述運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌上，能夠沿所述運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌移動(dòng)，用于回收/釋放小衛(wèi)星，所述小衛(wèi)星存儲機(jī)構(gòu)內(nèi)設(shè)置有能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和控制電機(jī)，用于給整個(gè)裝置提供能量供給和存儲利用。

進(jìn)一步的，所述能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)包括儲能飛輪，所述儲能飛輪經(jīng)過離合器、減速器與所述控制電機(jī)連接，用于進(jìn)行能量儲存和轉(zhuǎn)換。

進(jìn)一步的，所述儲能飛輪通過變向離合器與所述接收爪連接，所述變向離合器用于控制所述儲能飛輪與所述接收爪的運(yùn)動(dòng)方向。

進(jìn)一步的，所述儲能飛輪與所述變向離合器之間設(shè)置有皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。

進(jìn)一步的，所述儲能飛輪通過無級變速器與所述皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接。

進(jìn)一步的，所述能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)還包括絞繩盤和定滑輪，所述絞繩盤用于和所述變向離合器連接，所述絞繩盤與所述定滑輪之間設(shè)置有攔阻索，所述攔阻索用于和所述接收爪連接。

進(jìn)一步的，所述攔阻索包括兩組，分別水平設(shè)置在所述絞繩盤上，兩組所述攔阻索分別經(jīng)過一個(gè)所述定滑輪與所述接收爪連接。

進(jìn)一步的，所述儲能飛輪包括兩個(gè)，結(jié)構(gòu)相同，旋轉(zhuǎn)方向相反。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：

本發(fā)明采用機(jī)械方式傳遞和儲存能量，在執(zhí)行小衛(wèi)星回收任務(wù)時(shí)，接收爪抓住小衛(wèi)星并在沖力作用下閉合，沿運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌向左運(yùn)動(dòng)，與接收爪連接的攔阻索帶動(dòng)絞繩盤轉(zhuǎn)動(dòng)，并進(jìn)一步帶動(dòng)儲能飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使小衛(wèi)星的平動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能。在執(zhí)行小衛(wèi)星釋放任務(wù)時(shí)，接收爪與小衛(wèi)星位于運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌后端，變向離合器通過皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制儲能飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與接收爪從左到右的運(yùn)動(dòng)方向相同，接收爪及小衛(wèi)星在儲能飛輪的帶動(dòng)下沿運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌向右運(yùn)動(dòng)，使飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為小衛(wèi)星的平動(dòng)動(dòng)能，這種能量轉(zhuǎn)換方式極大地提高了能量轉(zhuǎn)化效率，且儲能飛輪在太空高速旋轉(zhuǎn)幾乎不受空氣阻力的影響，可以存儲更多的動(dòng)能，為裝置進(jìn)一步工作提供能量儲備。

進(jìn)一步的，設(shè)置兩個(gè)形狀相同但旋轉(zhuǎn)方向相反的飛輪作為儲能器件，避免旋轉(zhuǎn)的反作用力矩給攜帶此裝置的大衛(wèi)星增加額外的控制負(fù)擔(dān)。設(shè)置的飛輪在太空中高速旋轉(zhuǎn)受到的阻力很小且轉(zhuǎn)速的衰減很慢，十分適合作為儲能器件。

進(jìn)一步的，設(shè)置的無極變速器可實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的連續(xù)變化，保證了攔阻索受力平穩(wěn)，從而使小衛(wèi)星均勻受力。

進(jìn)一步的，設(shè)置的變向離合器位于無級變速器和絞繩盤之間，保證無論在釋放過程還是回收過程，飛輪的旋轉(zhuǎn)方向始終與絞繩盤的方向一致。

下面通過附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明工作狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的工作原理示意圖。

其中：1.小衛(wèi)星存儲機(jī)構(gòu)；2.運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌；3.接收爪；4.小衛(wèi)星；5.定滑輪；6.攔阻索；7.絞繩盤；8.變向離合器；9.皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；10.無級變速器；11.儲能飛輪；12.控制電機(jī)。

具體實(shí)施方式

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“前”、“后”、“左”、“右”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

請參閱圖1和圖2，本發(fā)明公開了一種利用飛輪實(shí)現(xiàn)能量儲存和再利用的小衛(wèi)星在軌釋放及回收裝置，包括小衛(wèi)星存儲機(jī)構(gòu)1、運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌2和接收爪3，其中，運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌2設(shè)置在小衛(wèi)星存儲機(jī)構(gòu)1內(nèi)，通過滑動(dòng)關(guān)節(jié)與所述小衛(wèi)星存儲機(jī)構(gòu)1連接，進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)能夠從所述小衛(wèi)星存儲機(jī)構(gòu)1中滑出，所述接收爪3通過滑動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)置在所述運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌2上，能夠沿所述運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌2移動(dòng)，用于回收/釋放小衛(wèi)星4。

其中，定滑輪是固定在導(dǎo)軌2的末端，導(dǎo)軌2為普通軌道，伸出和收回是通過與小衛(wèi)星4的存儲機(jī)構(gòu)相連的滑動(dòng)關(guān)節(jié)。

請參閱圖3，所述小衛(wèi)星存儲機(jī)構(gòu)1內(nèi)設(shè)置有能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和控制電機(jī)12，其中，所述能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)包括定滑輪5，攔阻索6，絞繩盤7，變向離合器8，皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)9，無極變速器10，兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同但旋轉(zhuǎn)方向相反的儲能飛輪11，控制電機(jī)12通過減速器、離合器與所述儲能飛輪11連接，所述儲能飛輪11通過轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)與所述無級變速器10連接，用于傳遞所述儲能飛輪11的動(dòng)力，所述無級變速器10通過兩路所述皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)9與所述變相離合器8連接，所述變向離合器8通過轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)與所述絞繩盤7連接，所述絞繩盤7上設(shè)置有攔阻索6，所述攔阻索6經(jīng)過定滑輪5與所述接收爪3連接，控制所述接收爪3沿所述運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌2移動(dòng)。

為了避免旋轉(zhuǎn)的反作用力矩給攜帶該裝置的大衛(wèi)星增加額外的控制負(fù)擔(dān)，設(shè)計(jì)了兩個(gè)形狀相同但旋轉(zhuǎn)方向相反的儲能飛輪11作為儲能器件。由于太空中的真空環(huán)境，儲能飛輪11在高速旋轉(zhuǎn)下受到的阻力很小，儲能飛輪11轉(zhuǎn)速的衰減很慢，因此十分適合作為儲能器件。

裝置安裝受力可控的攔阻索，保證小衛(wèi)星在軌道上有較高的加速度，在相同的長度內(nèi)允許小衛(wèi)星有更大的速度變化量；無極變速器能夠保證攔阻索的受力平穩(wěn)，從而使小衛(wèi)星均勻受力。

其中，所述變向離合器8在在軌釋放和回收時(shí)，分別用于控制所述儲能飛輪11的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與所述接收爪3的運(yùn)動(dòng)方向保持一致。

儲能飛輪在太空高速旋轉(zhuǎn)幾乎不受空氣阻力的影響，可以存儲更多的動(dòng)能，為裝置進(jìn)一步工作提供能量儲備。

所述攔阻索6包括兩組，分別水平設(shè)置在所述絞繩盤7上，兩組所述攔阻索6分別經(jīng)過一個(gè)定滑輪5與所述接收爪3連接。

小衛(wèi)星的工作過程包括在軌釋放和回收兩種，其中，在執(zhí)行小衛(wèi)星回收任務(wù)時(shí)，接收爪3位于運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌2的前端，處于張開狀態(tài)，變向離合器8通過皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)9控制儲能飛輪11的初始轉(zhuǎn)動(dòng)方向與接收爪3從右到左的運(yùn)動(dòng)方向相同；當(dāng)小衛(wèi)星4進(jìn)入接收爪3后，接收爪3在沖力作用下收緊(閉合)并沿運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌2向左運(yùn)動(dòng)，與接收爪3連接的攔阻索6帶動(dòng)絞繩盤7轉(zhuǎn)動(dòng)，并進(jìn)一步帶動(dòng)儲能飛輪11轉(zhuǎn)動(dòng)。在此過程中，通過調(diào)節(jié)無極變速器10的傳動(dòng)比控制攔阻索6上的拉力，從而控制接收爪3的加速度，使小衛(wèi)星4在拉力作用下減速，儲能飛輪11轉(zhuǎn)速加快，實(shí)現(xiàn)了小衛(wèi)星4的相對平動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化成為儲能飛輪11的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能；當(dāng)接收爪3接近運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌2后端時(shí)，小衛(wèi)星4速度降低到零，完成對小衛(wèi)星4的回收操作。

在執(zhí)行小衛(wèi)星釋放任務(wù)時(shí)，接收爪3位于運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌2后端，通過機(jī)械臂或其他裝置將待發(fā)射小衛(wèi)星4放入接收爪3內(nèi)，變向離合器8通過皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)9控制儲能飛輪11的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與接收爪3從左到右的運(yùn)動(dòng)方向相同。接收爪3在儲能飛輪11的帶動(dòng)下沿運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌2向右運(yùn)動(dòng)，在此過程中通過調(diào)整無極器變速器10的傳動(dòng)比控制接收爪3的加速度，接收爪3速度逐漸加快，儲能飛輪11轉(zhuǎn)速逐漸降低，儲能飛輪11的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為小衛(wèi)星4的平動(dòng)動(dòng)能，當(dāng)接收爪3運(yùn)動(dòng)到運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌2前端時(shí)，接收爪3自動(dòng)打開，將小衛(wèi)星4以給定的速度釋放出去。

本發(fā)明采用機(jī)械方式傳遞和儲存能量，工作過程中小衛(wèi)星的平動(dòng)動(dòng)能與飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化，提高了能量轉(zhuǎn)化效率，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.能量轉(zhuǎn)化效率高。本裝置使用機(jī)械方式傳遞、存儲能量，回收和釋放過程是小衛(wèi)星平動(dòng)動(dòng)能和飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)移，相對于電磁力、彈性力或摩擦力等途徑，減少能量轉(zhuǎn)化時(shí)的耗散。

2.小衛(wèi)星受力平穩(wěn)。由于無級變速器的傳動(dòng)比可實(shí)時(shí)控制，因此可以保證攔阻索的受力平穩(wěn)。仿真結(jié)果表明小衛(wèi)星的瞬時(shí)過載不會超過標(biāo)稱過載的10％。

3.適用速度更高。由于攔阻索受力可控，因此可以保證小衛(wèi)星在軌道上有較高的加速度，在相同的長度內(nèi)允許小衛(wèi)星有更大的速度變化量。

4.能量存儲量大。由于外太空空氣稀薄，飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)幾乎不受空氣阻力影響，因此能存儲更多的動(dòng)能。相同質(zhì)量的飛輪系統(tǒng)比蓄電池存儲的能量高得多。以上內(nèi)容僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書的保護(hù)范圍之內(nèi)。