【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明屬于航天技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于航天器上釋放和回收小衛(wèi)星的動能轉(zhuǎn)化儲存裝置。

背景技術(shù)：

隨著計算機、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)性能強的小衛(wèi)星成為各國研究的熱點。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，將小衛(wèi)星作為大型航天器平臺的補充，二者并行發(fā)展，才能充分利用各自的技術(shù)優(yōu)勢。

在大型航天器和小衛(wèi)星的協(xié)同完成任務(wù)過程中，尤其是面向多項任務(wù)的情況下，航天器需要對小衛(wèi)星進行多次的釋放和回收。首先面向所要執(zhí)行的任務(wù)，如在軌跟蹤、觀測等任務(wù)，將載于大型航天器上的小衛(wèi)星進行釋放，在小衛(wèi)星執(zhí)行任務(wù)完成后，對小衛(wèi)星進行回收。釋放過程要求根據(jù)任務(wù)需求，使小衛(wèi)星相對于航天器有一定的相對速度，而在回收過程中需要將小衛(wèi)星和航天器的相對速度減小為零。一般來說，小衛(wèi)星因為技術(shù)特點的限制，不攜帶燃料，沒有很強的機動能力，因此無論是釋放還是回收，都需要航天器提供相對速度或降低相對速度。

現(xiàn)在實際任務(wù)中，對小衛(wèi)星的釋放一般采取設(shè)計釋放裝置進行發(fā)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，釋放速度較大時小衛(wèi)星瞬時過載大，容易造成任務(wù)的失敗。而在回收的方式上，一般都是航天器消耗化學(xué)燃料來消除相對速度。

因此，如果利用航天器所攜帶燃料提供釋放和回收的能量，由于較大的相對動能，致使大型航天器需要將過多的燃料消耗在釋放和回收小衛(wèi)星上，將會影響航天器因為任務(wù)需要、碰撞規(guī)避等因素進行變軌以及維持航天器在太空的飛行。因此為了使航天器維持長時間的在軌服務(wù)能力，需要設(shè)計在釋放和回收小衛(wèi)星過程中，將相對動能進行轉(zhuǎn)化并儲存的裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種用于航天器上釋放和回收小衛(wèi)星的動能轉(zhuǎn)化儲存裝置，使用該裝置可以在大型航天器釋放和回收小衛(wèi)星的過程中，實現(xiàn)相對動能的轉(zhuǎn)化，有效的節(jié)省燃料，并且可以實現(xiàn)對小衛(wèi)星的多次釋放與回收。

為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

一種用于航天器上釋放和回收小衛(wèi)星的動能轉(zhuǎn)化儲存裝置，包括變速系統(tǒng)、儲能飛輪、小衛(wèi)星以及繞繩盤；變速系統(tǒng)與儲能飛輪和繞繩盤的傳動連接裝置相連；傳動連接裝置包括皮帶和減速箱；變速系統(tǒng)通過皮帶傳動與繞繩盤連接，通過減速箱與儲能飛輪相連；繞繩盤上纏繞有用于釋放和回收小衛(wèi)星的細繩。

本發(fā)明進一步的改進在于：

變速系統(tǒng)包括變向離合器和無級變速器，變向離合器通過皮帶連接繞繩盤，使儲能飛輪的旋轉(zhuǎn)方向始終與繞繩盤一致；無級變速器與變向離合器通過齒輪相連，用于控制速度轉(zhuǎn)化比；儲能飛輪與無級變速器通過減速箱相連，用于儲存能量。

儲能飛輪包括兩個轉(zhuǎn)動飛輪、兩個齒輪連接裝置以及控制電機；轉(zhuǎn)動飛輪與齒輪連接裝置同軸連接，且兩個齒輪連接裝置相嚙合；控制電機通過齒輪連接裝置相連，用于提供飛輪的轉(zhuǎn)動能量和將飛輪儲存的轉(zhuǎn)動動能轉(zhuǎn)化為動能。

轉(zhuǎn)動飛輪的最大轉(zhuǎn)速為150rad/s。

兩個轉(zhuǎn)動飛輪的尺寸相同、旋轉(zhuǎn)方向相反。

無級變速器為圓環(huán)曲面變速器，包括三個圓盤以及設(shè)置于三個圓盤之間的四個滾輪。

位于兩端的圓盤通過齒輪與變向離合器相連，中間的圓盤通過減速箱與儲能飛輪相連；中間圓盤與兩端圓盤之間設(shè)置兩組滾輪，并通過液壓壓緊。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明提出的釋放和回收小衛(wèi)星動能轉(zhuǎn)化儲存裝置，在回收的過程中，該系統(tǒng)能夠?qū)⒒厥盏男⌒l(wèi)星的動能儲存在飛輪中。這些能量可以在下次進行在軌釋放的時候?qū)π⌒l(wèi)星進行加速，不需要消耗額外的燃料，這種節(jié)能設(shè)計在燃料彌足珍貴的外太空是十分必要并且有效的。其次，本發(fā)明可以適用釋放和回收小衛(wèi)星的相對速度范圍比較廣。由于無級變速器和變向離合器的存在，只要小衛(wèi)星和航天器的相對速度在最大值以下，都可以利用無級變速器和變向離合器進行動能轉(zhuǎn)化。最后，本發(fā)明可以存儲量比較大的相對動能。由于外太空空氣稀薄，飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時幾乎不受空氣阻力影響，因此能存儲更多的動能，相同質(zhì)量的飛輪系統(tǒng)比蓄電池存儲的能量高得多。

【附圖說明】

圖1為本發(fā)明提出的航天器釋放和回收小衛(wèi)星動能儲存裝置的總體示意簡圖；

圖2為本發(fā)明提出的航天器釋放和回收小衛(wèi)星動能儲存裝置的儲能飛輪；

圖3為本發(fā)明提出的航天器釋放和回收小衛(wèi)星動能儲存裝置的無級變速器。

其中：1-變速系統(tǒng)；2-儲能飛輪；3-傳動連接裝置；4-轉(zhuǎn)動飛輪；5-齒輪連接裝置；6-控制電機；7-圓盤；8-滾輪；9-繞繩盤。

【具體實施方式】

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述：

參見圖1-3，本發(fā)明用于航天器釋放和回收小衛(wèi)星的動能轉(zhuǎn)化儲存裝置，由變速系統(tǒng)1、儲能飛輪2和控制電機6組成，其中，變速系統(tǒng)1包括變向離合器和無級變速器，變向離合器通過皮帶連接外界的繞繩盤9，保證飛輪的旋轉(zhuǎn)方向始終與外界裝置一致；無級變速器與變向離合器通過齒輪相連，用于控制速度轉(zhuǎn)化比；儲能飛輪2與無級變速器通過減速箱相連，用于儲存能量；控制電機6連接在儲能飛輪2，用于提供飛輪的轉(zhuǎn)動能量和將飛輪儲存的轉(zhuǎn)動動能轉(zhuǎn)化為動能。變向離合器位于無級變速器和繞繩盤9之間，無論在釋放過程還是回收過程，飛輪的旋轉(zhuǎn)方向始終與繞繩盤9的方向一致。

實現(xiàn)航天器釋放和回收小衛(wèi)星的動能轉(zhuǎn)化儲存分為兩個大步驟：

對于釋放小衛(wèi)星的任務(wù)，儲能飛輪2處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，通過變速系統(tǒng)1和變向離合器，將飛輪的轉(zhuǎn)動動能轉(zhuǎn)化為小衛(wèi)星的運動動能，隨著小衛(wèi)星的速度不斷增大，飛輪的轉(zhuǎn)動角速度不斷減小，直到小衛(wèi)星到達預(yù)設(shè)的速度，脫離發(fā)射裝置。對于回收小衛(wèi)星的任務(wù)，小衛(wèi)星以一定的速度進入回收裝置后，通過變速系統(tǒng)1和變向離合器，將小衛(wèi)星的運動動能轉(zhuǎn)化為飛輪的轉(zhuǎn)動動能，隨著飛輪的轉(zhuǎn)動角速度不斷增大，小衛(wèi)星的速度不斷減小，直到小衛(wèi)星速度減小為零，即完成回收任務(wù)。

如圖1所示，本發(fā)明航天器釋放和回收小衛(wèi)星動能儲存裝置，包括變速系統(tǒng)1、儲能飛輪2、傳動連接裝置3以及小衛(wèi)星5；變速系統(tǒng)1包括變向離合器和無級變速器，變速系統(tǒng)1通過皮帶傳動與繞繩盤9連接，變速系統(tǒng)1通過減速箱與儲能飛輪2相連；繞繩盤9上纏繞有用于釋放和回收小衛(wèi)星5的細繩。

當釋放小衛(wèi)星時，儲能飛輪2處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，通過變速系統(tǒng)1和變向離合器，將飛輪的轉(zhuǎn)動動能轉(zhuǎn)化為小衛(wèi)星的運動動能，隨著小衛(wèi)星的速度不斷增大，飛輪的轉(zhuǎn)動角速度不斷減小，直到小衛(wèi)星到達預(yù)設(shè)的速度，脫離發(fā)射裝置，即完成釋放任務(wù)。

當回收小衛(wèi)星時，小衛(wèi)星以一定的速度進入回收裝置后，通過變速系統(tǒng)1和變向離合器，將小衛(wèi)星的運動動能轉(zhuǎn)化為飛輪的轉(zhuǎn)動動能，隨著飛輪的轉(zhuǎn)動角速度不斷增大，小衛(wèi)星的速度不斷減小，直到小衛(wèi)星速度減小為零，即完成回收任務(wù)。

如圖2所示，儲能飛輪2的結(jié)構(gòu)示意圖，儲能飛輪2包括轉(zhuǎn)動飛輪4、齒輪連接裝置5以及控制電機6；轉(zhuǎn)動飛輪4通過其高速轉(zhuǎn)動儲存轉(zhuǎn)動動能。轉(zhuǎn)動飛輪4與齒輪連接裝置5同軸連接，且兩個齒輪連接裝置5相嚙合；控制電機6通過齒輪連接裝置5相連

為了避免旋轉(zhuǎn)的反作用力矩給飛船增加額外的控制負擔，設(shè)計了兩個形狀相同但旋轉(zhuǎn)方向相反的兩個飛輪作為儲能器件。飛輪的最大轉(zhuǎn)速設(shè)計為150rad/s，由于太空中的真空環(huán)境，飛輪在高速旋轉(zhuǎn)下受到的阻力很小，飛輪轉(zhuǎn)速的衰減很慢，因此十分適合作為儲能器件。

如圖3所示，無級變速器使用的圓環(huán)曲面變速器由三個圓盤7與中間的四個滾輪8組成。

兩端的圓盤7通過齒輪與變向離合器相連，中間的圓盤7通過減速箱與儲能飛輪2相連。中間圓盤7與兩端圓盤7之間是兩組滾輪8，并通過液壓壓緊。當中間盤轉(zhuǎn)動時，會帶動滾輪8轉(zhuǎn)動，從而帶動兩端的盤轉(zhuǎn)動；反之兩端的盤受力轉(zhuǎn)動時，也可以通過滾輪8帶動中間盤轉(zhuǎn)動。由此可見，力是通過盤和滾輪8之間的摩擦力傳遞的。滾輪8的軸線是可以擺動的，以實現(xiàn)傳動比的連續(xù)變化，具有兩個狀態(tài)：(a)狀態(tài)中鍵盤轉(zhuǎn)速大于兩端盤的轉(zhuǎn)速，(b)狀態(tài)兩端盤的轉(zhuǎn)速大于中間盤的轉(zhuǎn)速。

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，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書的保護范圍之內(nèi)。