离轨帆装置及卫星的制作方法

1.本发明涉及卫星技术领域，尤其涉及一种离轨帆装置及卫星。


背景技术：

2.立方体卫星(简称立方星)为体积和形状标准化的微纳卫星，其具有成本较低、研制周期短和功能密度大等优点。立方星一般在低地球轨道上飞行，在完成任务后如果不对其进行离轨处理将成为空间碎片，影响在轨飞行器的安全。
3.目前，立方星的主要离轨方式包括推进技术、充气球技术以及电动力系绳等。推进技术需要消耗立方星上的推进剂，增加了立方星的整体质量，并在离轨过程中需要持续的推力矢量控制，整体技术难度较大。充气球技术存在气球内部高压气体泄漏的风险，降低了立方星离轨过程的可靠性。而电动力系绳中的绳体展开后可达到数十米甚至数公里，容易影响立方星的安全运行，同样降低了立方星离轨过程的可靠性。
4.因此，亟需一种离轨帆装置及卫星来解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种离轨帆装置及卫星，以实现近地轨道的卫星安全、可靠地脱离轨道，避免卫星成为空间碎片。
6.为达此目的，本发明所采用的技术方案是：
7.一种离轨帆装置，包括：
8.箱体，所述箱体包括顶板、底板和多个侧板，多个所述侧板活动地围设于所述顶板与所述底板之间；
9.转轴和锁紧组件，所述转轴可转动地设置于所述顶板与所述底板之间，所述锁紧组件能够锁定或解锁所述转轴；
10.离轨帆，所述离轨帆的中心固定于所述箱体内，多个所述侧板分别与所述离轨帆的外缘相连；以及
11.多个记忆合金杆，多个所述记忆合金杆的一端分别与对应的所述侧板相连，另一端均固定设置于所述转轴上；多个所述记忆合金杆卷绕于所述转轴上，以使多个所述侧板拼接相连且所述离轨帆折叠收拢于所述箱体内；或者，多个所述记忆合金杆在所述转轴解锁后向外伸展复位并带动多个所述侧板远离所述转轴移动，以展开所述离轨帆。
12.作为优选方案，所述离轨帆由多个分体帆拼接组成；相邻两个所述记忆合金杆之间设置有一个所述分体帆，所述分体帆的中心角部位固定设置于所述箱体内且两个边角部位分别与相邻的两个所述侧板相连。
13.作为优选方案，所述侧板包括：
14.主体板，多个所述主体板活动地围设于所述顶板与所述底板之间；以及
15.转接块，固定设置于所述主体板的内侧，所述转接块与对应的所述记忆合金杆的一端相连，并分别与两个相邻的所述分体帆的边角部位相连。
16.作为优选方案，所述侧板还包括两个弹性件，两个所述弹性件的一端均与所述转接块相连，另一端分别与两个相邻的所述分体帆的边角部位相连。
17.作为优选方案，所述离轨帆装置还包括存储罩，相邻两个所述记忆合金杆之间均设置有一个所述存储罩，所述存储罩具有朝向外侧的开口；所述分体帆的中心角部位固定设置于对应的所述存储罩内且其两个边角部位分别伸出所述存储罩的开口后与相邻的两个所述侧板对应相连。
18.作为优选方案，所述离轨帆装置还包括导柱，所述导柱可转动地设置于所述顶板与所述底板之间；每个所述记忆合金杆垂直于伸展方向的两侧均设置有所述导柱。
19.作为优选方案，每个所述记忆合金杆垂直于伸展方向的两侧均设置有一组所述导柱，每组具有多个间隔布置的所述导柱，两组所述导柱之间形成所述记忆合金杆的伸缩通道。
20.作为优选方案，所述顶板的上端面的边角位置均设置有凸块，所述凸块能够抵接于卫星的星体外表面，以在所述顶板的上端面与所述星体的外表面之间形成有避让空间。
21.作为优选方案，所述离轨帆为双面镀铝的聚酰亚胺薄膜。
22.一种卫星，包括星体和上述的离轨帆装置，所述离轨帆装置的顶板设置于所述星体上。
23.本发明的有益效果为：
24.本发明提出的离轨帆装置，当近地轨道上的卫星达到使用寿命后，锁紧组件解锁转轴，多个记忆合金杆向外伸展复位并带动多个侧板远离转轴移动，以展开离轨帆，增加了卫星在近地轨道飞行时受到的稀薄的大气阻力，从而降低了卫星的飞行速度，使得卫星脱离轨道并加速坠落至大气层内烧毁，避免卫星成为太空碎片。离轨帆装置的结构简单，通过记忆合金杆的自动恢复特性能够实现离轨帆的可靠性展开，无需额外控制离轨帆的展开过程，降低了离轨帆装置的控制难度，提高了离轨帆展开过程的可靠性，能够实现近地轨道的卫星安全、可靠地脱离轨道并坠入大气层内烧毁，避免卫星成为空间碎片，同时保证了近地轨道上其他航天器的安全。
25.本发明提出的卫星包括上述的离轨帆装置，离轨帆装置的结构简单，通过记忆合金杆的自动恢复特性能够实现离轨帆的可靠性展开，无需额外控制离轨帆的展开过程，降低了离轨帆装置的控制难度，提高了离轨帆展开过程的可靠性，能够实现近地轨道的卫星安全、可靠地脱离轨道并坠入大气层内烧毁，避免卫星成为空间碎片，同时保证了近地轨道上其他航天器的安全。
附图说明
26.图1是本发明实施例提供的离轨帆装置的结构示意图；
27.图2是本发明实施例提供的转轴处于锁定时离轨帆装置的内部结构示意图；
28.图3是本发明实施例提供的转轴处于解锁时离轨帆装置的内部结构示意图；
29.图4是本发明实施例提供的转轴的结构示意图；
30.图5是本发明实施例提供的离轨帆的结构示意图；
31.图6是本发明实施例提供的侧板的结构示意图；
32.图7是本发明实施例提供的去除顶板、侧板、记忆合金杆与离轨帆后的离轨帆装置
的结构示意图。
33.图中部件名称和标号如下：
34.1、顶板；11、通孔；12、凸块；13、观察孔；2、底板；3、侧板；31、主体板；32、转接块；321、立板；322、横板；33、弹性件；4、转轴；41、锁头；42、轴盖；43、分体轴；44、定位件；45、轴套；5、离轨帆；51、分体帆；511、中心角部位；512、边角部位；6、记忆合金杆；7、存储罩；8、导柱。
具体实施方式
35.为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。
36.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
38.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
39.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
40.本实施例提出了一种卫星，主要在近地轨道飞行。具体地，该卫星为体积较小的立方星，当在轨的立方星达到使用寿命后，如果不对其进行离轨处理将成为空间碎片，影响在轨卫星或其他航天器的安全运行。
41.为解决上述问题，如图1～图3所示，本实施例还公开了一种离轨帆装置，该离轨帆装置安装于立方星的星体上。具体地，离轨帆装置包括箱体、转轴4、锁紧组件、离轨帆5和多个记忆合金杆6，箱体包括顶板1、底板2和多个侧板3，多个侧板3活动地围设于顶板1与底板2之间。顶板1设置于星体上，转轴4可转动地设置于顶板1与底板2之间，锁紧组件能够锁定或解锁转轴4。离轨帆5的中心固定于箱体内，多个侧板3分别与离轨帆5的外缘相连。多个记忆合金杆6的一端分别与对应的侧板3相连，另一端均固定设置于转轴4上。多个记忆合金杆6卷绕于转轴4上，以使多个侧板3拼接相连且离轨帆5折叠收拢于箱体内。或者，多个记忆合金杆6在转轴4解锁后向外伸展复位并带动多个侧板3远离转轴4移动，以展开离轨帆5。
42.需要说明的是，正常状态的记忆合金杆6呈自然伸直状态。记忆合金杆6具有良好的弹性，能够在受到外力后发生相应的弯曲或弯折变形。当撤去外力后，记忆合金杆6能够自动恢复成伸直状态。在本实施例中，通过转动转轴4使得多个记忆合金杆6均卷绕于转轴4上，当卷绕到位后，锁定转轴4，即转轴4不能发生转动，以使记忆合金杆6稳定地收卷于转轴4上。当转轴4解锁后，记忆合金杆6带动转轴4转动并恢复成伸直状态。
43.当近地轨道上的卫星达到使用寿命后，锁紧组件解锁转轴4，多个记忆合金杆6向外伸展复位并带动多个侧板3远离转轴4移动，以展开离轨帆5，增加了卫星在近地轨道飞行时受到的稀薄的大气阻力，从而降低了卫星的飞行速度，使得卫星脱离轨道并加速坠落至大气层内烧毁，避免卫星成为太空碎片。离轨帆装置的结构简单，通过记忆合金杆6的自动恢复特性能够实现离轨帆5的可靠性展开，无需额外控制离轨帆5的展开过程，降低了离轨帆装置的控制难度，提高了离轨帆5展开过程的可靠性，能够实现近地轨道的卫星安全、可靠地脱离轨道并坠入大气层内烧毁，避免卫星成为空间碎片，同时保证了近地轨道上其他航天器的安全。
44.本实施例的离轨帆5为双面镀铝的聚酰亚胺薄膜，其厚度薄，结构强度较高且便于折叠压缩，具有较高的反射率，能够有效抵抗空间环境中太阳光辐射。
45.如图2所示，箱体为矩形箱体，具有四个侧板3和四个记忆合金杆6，转轴4可转动地设置于顶板1和底板2的中心位置，四个记忆合金杆6的一端固定于转轴4上。当四个记忆合金杆6卷绕于转轴4时能够拉动四个侧板3拼接相连，并组装成箱体的方形侧壁。如图3所示，当转轴4解锁后，转轴4处于自由状态，四个记忆合金杆6同时伸展复位，即恢复成伸直状态。此时，记忆合金杆6带动与其相连的侧板3分离，以使侧板3带动离轨帆5的边缘移动，从而展开离轨帆5。
46.如图4所示，本实施例的转轴4包括锁头41、轴盖42、分体轴43和定位件44，其中分体轴43具有四个，四个分体轴43的轴心呈方形布置并使四个分体轴43围设形成转轴主体，转轴主体的上下两端分别设置有轴盖42，每个分体轴43的上下两端分别与对应的轴盖42通过螺栓固定连接。两个轴盖42上均凸设有锁头41，顶板1与底板2的中心位置均开设有通孔11，两个锁头41分别转动地穿设于顶板1与底板2的通孔11内。进一步地，转轴4还包括轴套45，通孔11内活动地安装有轴套45，锁头41穿设于对应的轴套45内并在轴套45内顺畅转动。
47.进一步地，四个分体轴43上均安装有定位件44，定位件44可以为螺栓，以使记忆合金杆6的一端与对应的分体轴43通过螺栓连接，提高了记忆合金杆6在分体轴43上安装的稳定性。相邻的两个分体轴43之间具有容纳空间，定位件44安装于对应的容纳空间内。每个记忆合金杆6的一端分别伸入四个容纳空间内并与其中一个分体轴43通过定位件44固定连接。如图3所示，当四个分体帆51展开时，四个伸直状态的记忆合金杆6沿箱体的对角线分布，且每个记忆合金杆6的伸展方向均通过转轴4的轴心，以避免记忆合金杆6的端部出现环绕分体轴43外周弯曲导致不能伸展到位的情况，以保证分体帆51充分展开。
48.进一步地，锁头41的顶端内凹形成有凹槽，凹槽呈一字形，以便于锁紧组件通过凹槽锁定转轴4。具体地，锁紧组件为热刀组件，热刀组件包括熔断模块和与熔断模块抵接的锁止线，当立方星的星体向熔断模块通电后，熔断模块产生热量并熔断锁止线。具体地，熔断模块可以为电阻或电阻丝等，锁止线由聚乙烯材料制成，受热后能够发生熔断。
49.如图1所示，顶板1的上端面的边角位置均设置有凸块12，凸块12能够抵接于卫星
的星体外表面，以在顶板1的上端面与星体的外表面之间形成有避让空间，以便于锁紧组件的安装。此外，顶板1上还开设有观察孔13，以便于通过观察孔13查看箱体内部的情况。
50.需要说明的是，可以通过螺丝刀等工具卡接于其中一个锁头41的凹槽内，通过转动转轴4，使得四个记忆合金杆6逐渐卷绕于转轴4上，四个侧板3在对应的记忆合金杆6的拉动下相互靠近直至拼接为一体。此时，锁止线的两端固定于底板2上，且锁止线的中间部分穿过凹槽，以避免转轴4转动，实现了转轴4的锁定。当需要解锁时，只需向熔断模块通电，锁止线受热后熔断同时实现转轴4的解锁。通过热刀组件进行烧线解锁的方式实现转轴4的解锁，结构简单，无需使用电机等驱动件，提高了转轴4解锁过程的可靠性。
51.如图3所示，当转轴4解锁后，转轴4处于自由状态。四个记忆合金杆6同时伸展复位，即恢复成伸直状态。此时，记忆合金杆6带动与其相连的侧板3分离并远离转轴4移动，同时侧板3带动离轨帆5的边缘移动，以展开离轨帆5。
52.如图3和图5所示，离轨帆5由多个分体帆51拼接组成。本实施例的离轨帆5包括四个呈三角形的分体帆51，每个分体帆51具有三个角。分体帆51的一个角固定安装于箱体内，为中心角部位511。另外两个角分别安装相邻两个侧板3上，为边角部位512。相邻两个记忆合金杆6之间设置有一个分体帆51，分体帆51的中心角部位511固定设置于箱体内且两个边角部位512分别与相邻的两个侧板3相连。离轨帆5采用分体式设置方式，能够降低离轨帆5的展开难度，使得每个分体帆51均能够充分展开。
53.如图6所示，本实施例的侧板3呈直角l型，具体包括主体板31和转接块32，多个主体板31活动地围设于顶板1与底板2之间。转接块32固定设置于主体板31的内侧，转接块32与对应的记忆合金杆6的一端相连，并分别与两个相邻的分体帆51的边角部位512相连。具体地，转接块32安装于侧板3的内壁并位于箱体的四个边角位置。转接块32向外凸设有立板321和两个横板322，其中立板321相对的两侧分别设置有两个横板322。每个立板321均通过螺栓与其中一个记忆合金杆6相连，两个横板322分别与不同的分体帆51的边角部位512相连。
54.进一步地，侧板3还包括两个弹性件33，两个弹性件33的一端均与转接块32相连，另一端分别与两个相邻的分体帆51的边角部位512相连。本实施例的弹性件33为拉簧，每个横板322上均固定安装有一个拉簧，并通过拉簧与对应的分体帆51的边角部位512弹性连接。通过拉簧拉紧分体帆51，以使展开的离轨帆5始终处于张紧状态，进一步实现了离轨帆5地充分展开。
55.如图2、图3和图7所示，离轨帆装置还包括存储罩7，相邻两个记忆合金杆6之间均设置有一个存储罩7，存储罩7具有朝向外侧的开口。分体帆51的中心角部位511固定设置于对应的存储罩7内且其两个边角部位512分别伸出存储罩7的开口后与相邻的两个侧板3对应相连。本实施例的存储罩7具有四个，每个分体帆51折叠收拢于其中一个存储罩7内，实现了各个分体帆51的分区布置，避免分体帆51在展开和折叠过程中发生干涉。
56.如图3和图7所示，离轨帆装置还包括导柱8，导柱8可转动地设置于顶板1与底板2之间。每个记忆合金杆6垂直于伸展方向的两侧均设置有导柱8。导柱8能够对记忆合金杆6的卷绕和伸展复位过程起到导向限位作用，避免记忆合金杆6与存储罩7发生碰撞，以保证记忆合金杆6能够快速伸展到位。
57.进一步地，每个记忆合金杆6垂直于伸展方向的两侧均设置有一组导柱8，每组具
有多个间隔布置的导柱8，两组导柱8之间形成记忆合金杆6的伸缩通道。每个记忆合金杆6能够在伸缩通道往复移动，以卷绕于转轴4或向外伸展复位。
58.本实施例的卫星包括上述的离轨帆装置，通过记忆合金杆6的自动恢复特性能够实现离轨帆5的可靠性展开，以使卫星安全、可靠地脱离轨道并坠入大气层内烧毁，避免卫星成为空间碎片。
59.以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施方式限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.一种离轨帆装置，其特征在于，包括：箱体，所述箱体包括顶板(1)、底板(2)和多个侧板(3)，多个所述侧板(3)活动地围设于所述顶板(1)与所述底板(2)之间；转轴(4)和锁紧组件，所述转轴(4)可转动地设置于所述顶板(1)与所述底板(2)之间，所述锁紧组件能够锁定或解锁所述转轴(4)；离轨帆(5)，所述离轨帆(5)的中心固定于所述箱体内，多个所述侧板(3)分别与所述离轨帆(5)的外缘相连；以及多个记忆合金杆(6)，多个所述记忆合金杆(6)的一端分别与对应的所述侧板(3)相连，另一端均固定设置于所述转轴(4)上；多个所述记忆合金杆(6)卷绕于所述转轴(4)上，以使多个所述侧板(3)拼接相连且所述离轨帆(5)折叠收拢于所述箱体内；或者，多个所述记忆合金杆(6)在所述转轴(4)解锁后向外伸展复位并带动多个所述侧板(3)远离所述转轴(4)移动，以展开所述离轨帆(5)。2.根据权利要求1所述的离轨帆装置，其特征在于，所述离轨帆(5)由多个分体帆(51)拼接组成；相邻两个所述记忆合金杆(6)之间设置有一个所述分体帆(51)，所述分体帆(51)的中心角部位(511)固定设置于所述箱体内且两个边角部位(512)分别与相邻的两个所述侧板(3)相连。3.根据权利要求2所述的离轨帆装置，其特征在于，所述侧板(3)包括：主体板(31)，多个所述主体板(31)活动地围设于所述顶板(1)与所述底板(2)之间；以及转接块(32)，固定设置于所述主体板(31)的内侧，所述转接块(32)与对应的所述记忆合金杆(6)的一端相连，并分别与两个相邻的所述分体帆(51)的边角部位(512)相连。4.根据权利要求3所述的离轨帆装置，其特征在于，所述侧板(3)还包括两个弹性件(33)，两个所述弹性件(33)的一端均与所述转接块(32)相连，另一端分别与两个相邻的所述分体帆(51)的边角部位(512)相连。5.根据权利要求2所述的离轨帆装置，其特征在于，所述离轨帆装置还包括存储罩(7)，相邻两个所述记忆合金杆(6)之间均设置有一个所述存储罩(7)，所述存储罩(7)具有朝向外侧的开口；所述分体帆(51)的中心角部位(511)固定设置于对应的所述存储罩(7)内且其两个边角部位(512)分别伸出所述存储罩(7)的开口后与相邻的两个所述侧板(3)对应相连。6.根据权利要求1所述的离轨帆装置，其特征在于，所述离轨帆装置还包括导柱(8)，所述导柱(8)可转动地设置于所述顶板(1)与所述底板(2)之间；每个所述记忆合金杆(6)垂直于伸展方向的两侧均设置有所述导柱(8)。7.根据权利要求6所述的离轨帆装置，其特征在于，每个所述记忆合金杆(6)垂直于伸展方向的两侧均设置有一组所述导柱(8)，每组具有多个间隔布置的所述导柱(8)，两组所述导柱(8)之间形成所述记忆合金杆(6)的伸缩通道。8.根据权利要求1～7中任一项所述的离轨帆装置，其特征在于，所述顶板(1)的上端面的边角位置均设置有凸块(12)，所述凸块(12)能够抵接于卫星的星体外表面，以在所述顶板(1)的上端面与所述星体的外表面之间形成有避让空间。9.根据权利要求1～7中任一项所述的离轨帆装置，其特征在于，所述离轨帆(5)为双面
镀铝的聚酰亚胺薄膜。10.一种卫星，其特征在于，包括星体和权利要求1～9中任一项所述的离轨帆装置，所述离轨帆装置的顶板设置于所述星体上。

技术总结
本发明涉及卫星技术领域，尤其涉及一种离轨帆装置及卫星。离轨帆装置包括箱体、转轴、锁紧组件、离轨帆和多个记忆合金杆，箱体包括顶板、底板和多个侧板，多个侧板活动地围设于顶板与底板之间。转轴可转动地设置于顶板与底板之间，锁紧组件能够锁定或解锁转轴。离轨帆的中心固定于箱体内，多个侧板分别与离轨帆的外缘相连。多个记忆合金杆的一端分别与对应的侧板相连，另一端均固定设置于转轴上。多个记忆合金杆卷绕于转轴上，以使多个侧板拼接相连且离轨帆折叠收拢于箱体内；或者，多个记忆合金杆在转轴解锁后向外伸展复位并带动多个侧板远离转轴移动，以展开离轨帆。卫星通过离轨帆装置能够脱离轨道并坠入大气层内烧毁，避免其成为空间碎片。成为空间碎片。成为空间碎片。


技术研发人员：金亚方 张闻 倪家伟 马越 彭建业 戴雷 厉国强
受保护的技术使用者：苏州馥昶空间技术有限公司
技术研发日：2022.12.16
技术公布日：2023/4/18