Многофункциональный блок полезной нагрузки наноспутника формата CubeSat 3U

Полезная модель относится к космической технике, а именно к устройствам малых космических аппаратов (МКЛ). Устройство позволяет совмещать проведение научных экспериментов по исследованию электрических свойств фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) с возможностью изменения ориентации и стабилизации МКА в космосе.
Известно устройство но патенту RU 134517 U1 /1/, предназначенное для ориентации малых космических аппаратов в космосе. Данная конструкция на основе маховиков имеет уменьшенные габаритные размеры, позволяет с высокой точностью производить ориентацию аппаратов класса наноспутник. Однако, конструкция данного устройства не предусматривает встраивания в него светофильтров, либо другого научного оборудования для проведения научных исследований в космосе. Следовательно, не позволяет одновременно решать задачи управления положением МКА и проведения научного эксперимента. Отсутствует рациональное использование полезного объема МКА.
Существует патент SU 1658109 A1 /2/ на регулируемый оптический фильтр, а так же патент SU 354776 А1 /3/ на когерентный фильтр, используемые для изучения излучений разных длин волн в космическом пространстве. Предложенные светофильтры вполне возможно использовать в экспериментах по изучению ФЭП, однако, данные приборы не являются частью других приборов, жизненно необходимых для функционирования наноспутников, и будут требовать выделения дополнительного места из ограниченного объема МКА формата CubeSat.
Техническая проблема, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в создании компактного гибридного устройства, позволяющего совмещать возможности проведения научных экспериментов с использованием светофильтров, и ориентации малого космического аппарата в пространстве.
Сущность полезной модели заключается в том, что в многофункциональном блоке полезной нагрузки наноспутника формата CubeSat 3U, включающем устройство ориентации и с табилизации положения малого космического аппарата, дополнительно установлен совмещенный с устройством ориентации и стабилизации оригинальный блок смены фильтров, каждый из которых выполнен в виде маховика, в четырех пазах которого, расположенных равномерно симметрично, установлены светофильтры, а на внутренней стороне, обращенной к двигателю, от центра до края, расположены под углом 90° к поверхности четыре гибкие щетки между светофильтрами и нанесены углубления с наружного края от каждого светофильтра, при этом каждый маховик установлен на валу каждого из четырех электродвигателей, попарно и соосно расположенных друг относительно друга под углом 90°, горизонтально, на раме-держателе, в центре корпуса космического аппарата, при этом каждый из валов сначала проходит через вакуумный подшипник, установленный в центре перпендикулярной валу квадратной пластины, которая, как и рама-держатель, установлена на платформе, прикрепленной к корпусу горизонтально, с расположением на квадратной пластине равномерно симметрично четырех образцов, соответствующих расположению светофильтров, а затем череч центр маховиков, светофильтры которых расположены перед прозрачной стенкой корпуса.
Устройство представлено на следующих чертежах: фиг. 1 - Общий вид наноспутника формата CubeSat с установленным многофункциональным блоком полезной нагрузки, фиг. 2 - Маховик со встроенными светофильтрами и нанесенными иитами, фиг. 3 - Пластина с установленными ФЭП, а так же, расположенными с правой стороны лазерным светодиодом и фотоприемником, фиг. 4 - Платформа для уст ановки гибридной системы, фиг. 5 - Уголок крепления пластины с ФЭП к платформе.
Устройство установлено в центре корпуса наноспутника формата CubeSat 3U и расположено симметрично относительно центра устройства в плоскости X, включает в себя расположенные под углом 90° четыре электродвигателя 1 и четыре маховика 2, попарно и соосно установленные друг относительно друга. Маховики 2 закреплены на валах 3 электродвигателя. Каждый вал проходит через квадратную пластину 4 с установленными на ней четырьмя образцами 5 исследуемых ФЭП. Образцы 5 расположены под углом 90° в плоскости Y относительно центра оси. В месте прохождения валов через квадратную пластину установлены вакуумные подшипники 6. Пластины 4 крепятся уголками 7 к платформе 8, закрепленной горизонтально в корпусе. Па маховиках 2, в пазы установлены светофильтры 9, рассчитанные на разную длину волны видимого спектра. Кроме этого, на внутренней стороне каждого маховика (обращенной к двигателю), от центра до края установлены под углом 90° к нему четыре гибкие щетки 10 для предотвращения боковой засветки образцов. Немаловажной задачей в проведении эксперимента является определение того, какой светофильтр находится в текущий момент времени перед исследуемым ФЭП. Это устанавливается с помощью углублений - питов, нанесенных на внутренней стороне маховика, с наружного края светофильтров, как показано на фиг. 2. Определение информации об установленном фильтре, происходит по принципу считывания информации со штампованных CD-дисков, для этого используется лазерный диод и фотоприемник, установленные также на пластине 4, продемонстрированные на фигуре 3. Двигатели 1 кренятся к раме-держателю 11. Форма используемой рамы-держателя зависит от типа двигателей и особенностей их крепежа, а сама рама-держатель крепится на платформе 8. Принцип работы устройства.
При выявлении системой ориентации отклонения положения МКА от заданного значения, происходит запуск блока вращающихся маховиков (включает в себя: электродвигатели 1, валы 3 и маховики 2), работа которого будет продолжаться до тех пор, пока аппарат не займет необходимое в пространстве положение. В зависимости от скорости вращения маховиков 2, научный эксперимент можно проводить либо во время корректировки положения МКА (при низкой скорости вращения маховиков), либо после. В этом случае маховики 2 исполняют роль оригинального устройства смены оптических фильтров 9. После занятия нужного положения светофильтрами, привод маховиков отключается.
Данное решение позволит сократить энергопотребление системы на проведение научного эксперимента и увеличит общую продолжительность функционирования наноспутника формата CubeSat.
При попадании света на ФЭП 5, прошедшего через светофильтр 9, начинается процедура снятия экспериментальных данных (измерение ВАХ). ФЭП разделены между собой гибкими щетками 10, установленными на маховиках 2 для защиты соседних образцов от боковой засветки. После снятия показаний происходит смена положения фильтров 9, путем одновременного, но противоположно направленного попарного вращения маховиков 2 электродвигателями 1, на угол, равный 45°. Информация о находящемся светофильтре устанавливается путем сканирования углублений (питов), показанных на фигуре 2 в виде точек. Считывание происходит с помощью лазерного диода и фотоприемника, установленных в отверстия с краю пластины с ФЭП, как показано на фигуре 3.
Такой тин устройств позволяет высвободить полезный объем спутника формата CubeSat для других полезных целей и задач. Приводит к снижению затрат на изготовление МКЛ в целом за счет производства одного устройства (маховика и блока светофильтров), вместо двух. Способствует повышению качества проводимых научных экспериментов по изучению влияния видимого излучения на фотовольтаические свойства ФЭП, в зависимости от длин волн. В свою очередь, эксперименты с новыми ФЭП способствуют развитию альтернативной энергетики и расширению возможностей по освоению дальнего космоса. Эти исследования позволяют, на основе полученных данных, апробировать новые типы элементов солнечных батарей, с целью выявления путей достижения их наибольшего кпд и срока службы.
Технический результат использования полезной модели состоит в том, что маховики позволят выполнять точную пространственную ориентацию МКА, а совмещенная с ними оригинальная система смены оптических фильтров позволит расширить спектр проводимых научных исследований на борту малых космических аппаратов. Важно, что предложенное устройство смены оптических фильтров, во время его работы, не будет оказывать влияние на изменение положения наноспутника в пространстве. При этом предлагаемая компоновка высвобождает полезное пространство МКА, что позволит в дальнейшем добавлять дополнительные модули полезной нагрузки, увеличивая возможности применения спутников формата CubeSat.
Список использованных источников:
1. Патент №134517
2. Патент №1658109
3. Патент №354776
4. Патент №145978
5. Игнатенко П.М. О системах стабилизации и ориентации космических аппаратов.