[发明专利]一种低成本电驱动的电动力绳释放装置及离轨实验装置

说明书

本发明公开的一种低成本电驱动的电动力绳释放装置及离轨实验装置，属于航天器离轨技术领域。所述一种低成本电驱动的电动力绳释放装置，通过控制系统对电机进行位置控制，进而使电机推动推杆，使推杆上的轴承与顶盖齿条交错，解除对弹簧的限位，完成弹簧能量的释放。该释放装置通过电机控制的电子同步与同步杆的机械同步相配合，实现释放的高同步性和高可靠性，同时还具有成本低、可重复使用、重量轻、锁紧力大、不影响其他部件的优点。本发明的一种低成本电驱动的电动力绳离轨实验装置，基于所述一种基于所述低成本电驱动的电动力绳释放装置实现，能够用于地面实验以及离轨原理性实验，验证电动力绳的弹射释放和基于电动力绳的离轨方法的可行性。

技术领域

本发明属于航天器离轨技术领域，特别涉及一种电动力绳释放装置及离轨实验装置。

背景技术

在目前的太空探索技术条件下，人类空间活动愈加频繁，在轨的航天器和空间碎片数量也因此呈现逐年上升的趋势。尤其是近年来，随着商业航天的崛起，大规模星座开始涌现，例如SpaceX公司的Starlink计划，OneWeb公司的低轨卫星系统项目等，都将再给外太空带来巨大数量的空间碎片。大量的空间碎片和失效卫星占据着宝贵的轨道资源，使太空环境日益拥堵。而较大的碎片还可能会与其他碎片或在轨航天器发生碰撞，从而导致空间碎片数量几何级增长，甚至触发凯斯勒现象，给太空安全和人类航天活动带来严重影响。因此空间碎片的数量控制迫在眉睫，而其中最为直接的控制方式就是将空间碎片离轨清除。

空间碎片的清除技术分为被动和主动两种。被动清除是指依靠空间环境的作用，例如大气阻力等，使碎片自然地离开原有轨道。主动清除是指通过人为手段干预碎片的运行轨道，使其在较短时间内离开目标区域。被动清除方法通常所需时间较长且作用轨道范围有限，清除速度无法与人类日益增长的发射需求相匹配，难以阻止碎片数量的不断增长，因此目前研究的主流方法为主动空间碎片清除技术。

采用电动力绳装置进行离轨是近年来兴起的一种新颖的，具有节能且轻便特点的离轨方式。其工作原理为在需降轨航天器上装载小型电动力绳装置，通过弹射使得装置中的系绳展开，通过在系绳的一端施加电压使系绳两端形成电势差，从而使系绳具有吸附空间电子并配合电子发射装置形成电流的能力。当通有电流的导电系绳在轨道上运动时，会切割地球磁感线，进而产生洛伦兹力。若此时洛伦兹力方向与系统运动方向相反，则可对系统实现降轨效果。

为验证电动力绳装置的原理及可行性，目前各国已累计开展了约13次在轨实验，但是其中约半数以失败告终，失败原因多是由于系绳的展开释放出现故障，包括美国的TSS-1项目，日本的T-Rex和KITE项目等。传统基于火工品的释放装置虽然可靠性好，但仅能使用一次，不利用地面实验，其本身需要加热，难以实现较为精准的控制，同时会对部分元件的耐温情况造成限制，此外其释放时产生的冲击还有可能对装置本身的运行产生影响；而新型的记忆合金释放装置虽然较好的弥补了火工品释放装置的缺陷，但仍然存在使用次数限制和价格较高的问题，综合成本较高。因此，急需一种可靠性较高，且成本相对较低的释放装置。

同时国内尚无电动力绳装置的在轨实验，相关的设计成果也较少。上海8院在其空间碎片建议书中给出了一种通过记忆合金拔销器释放的电动力绳降轨装置，已完成地面实验，技术成熟度较高，但需要依附于主星之上运行，不具备独立运行能力；申请号为201811308255.9，题为“航天器离轨电动力绳系”的专利申请中，公布了一种充气的绳系系统，但并不涉及整体电动力绳的结构；申请号为200910217467.0，题为“一种基于电动力绳系的卫星离轨装置及方法”的专利申请中，公布了一种基于电动力绳系的卫星离轨装置的基本组成部分及示意图，并给出了工作的流程图，但并没有指出每个部分具体细节与实现方式。因此，电动力绳装置的详细设计仍存在较多空白。

发明内容