一种太阳光汇聚及光路控制系统

1.本发明属于用于一种超大型展开式太阳光汇聚及光路控制系统技术领域，具体涉及一种太阳光汇聚及光路控制系统。


背景技术：

2.传统空间攻防技术致力于对空间载荷表面杀伤以及通讯功能干扰研究，空间激光武器技术受到激光器功率以及作用距离的限制，无法对空间载荷核心元器件造成破坏。此外，随着空间技术的发展，空间载荷控制系统及通信系统的抗干扰能力增强，降低通信干扰技术的可靠性。由于太空中不受大气环境的影响，太阳光平均能量可达到1367w/m2。利用超大口径聚光结构汇聚太阳光并控制光束，将高能量光束照射至空间载荷，可以使空间载荷表面温度上升及探测器过热，达到对空间载荷热干扰及热摧毁。
3.空间超大口径聚光及光路控制技术具有功耗低、作用距离远及可靠性高的优点，但目前运载发射条件下，超大口径聚光结构的尺寸包络增加了发射成本及发射难度，降低了发射的可靠性，此外，传统的光学系统对光路控制切换仅限于摆镜镜面二维转动，无法将光束实时照射空间任意目标，达到灵活控制光路目的。因此，目前的运载发射条件以及光路控制技术限制了基于汇聚太阳光的空间攻防技术的发展。


技术实现要素：

4.本发明为了克服上述现有技术中的缺陷，提出了一种太阳光汇聚及光路控制系统，包括：飞行器；指向臂，所述指向臂包括指向臂的第一端和指向臂的第二端，所述指向臂具有多自由度；控制机构，所述控制机构包括反射镜组件、次镜组件及摆镜组件，所述摆镜组件、反射镜组件和所述次镜组件由下而上依次设置，所述摆镜组件与所述反射镜组件连接，所述次镜组件包括n根支撑杆，n为≥1的自然数，所述次镜组件并通过所述支撑杆与所述反射镜组件连接；所述反射镜组件包括若干对反射镜子镜对，所述反射镜子镜对的数量＞n；所述飞行器与所述控制机构通过所述指向臂连接，所述飞行器与所述指向臂的第一端连接，所述控制机构与所述指向臂的第二端连接。所述控制机构可在所述飞行器呈任意姿态时均实现实时对准太阳。发射状态下，反射镜呈收拢构型满足运载尺寸包络要求，入轨之后，反射镜组件通过两级展开机构将一级子镜和二级子镜展开，形成大尺度对日反射镜。摆镜组件通过多自由度机械臂与光路控制系统基座连接，能够将平行光束传至空间任一指定位置。
5.优选地，本发明所公开的太阳光汇聚及光路控制系统还包括适配器，所述飞行器通过适配器与所述指向臂的第一端连接。
6.优选地，所述控制机构包括反射镜组件、次镜组件及摆镜组件，所述摆镜组件、反射镜组件和所述次镜组件由下而上依次设置，所述摆镜组件与所述反射镜组件固定连接，所述次镜组件包括n根次镜支撑杆，n为≥1的自然数，且所述次镜组件并通过所述次镜支撑杆与所述反射镜组件连接。优选地，所述n为≥3的自然数；优选地，所述n为3。所述次镜组件
还包括次镜，所述次镜可以为多边形或圆形或其他形状。所述每根次镜支撑杆的一端连接所述次镜，另一端连接所述反射镜组件。且所述次镜支撑杆间隔连接所述次镜，优选地，所述n跟次镜支撑杆为均匀间隔分布连接所述次镜。优选地，最短的一根次镜支撑杆的长度为最长的一根次镜支撑杆的长度的80％～100％，优选地，每根次镜支撑杆的长度相等。
7.优选地，所述摆镜组件包括摆镜基座、第一摆镜、自由度机械臂及第二摆镜，所述第一摆镜安装在所述摆镜基座上并且所述第一摆镜与所述摆镜基座在法向方向上呈30
°‑
60
°
安装，所述自由度机械臂包括首端和末端，所述自由度机械臂的首端与所述第一摆镜连接，所述自由度机械臂的末端与所述第二摆镜连接，所述自由度机械臂和所述第二摆镜可以随所述第一摆镜绕所述摆镜基座转动，所述第二摆镜相对所述第一摆镜可进行任意位姿切换。进一步优选地，所述第一摆镜安装在所述摆镜基座上并且所述第一摆镜与所述摆镜基座在法向方向上呈45
°
安装。优选地，所述自由度机械臂为m自由度机械臂，m为介于6到9的自然数中的一个；进一步优选地，m为7或8；进一步优选地，m为7。当m为7的时候，所述自由度机械臂为7自由度机械臂。
8.优选地，所述的太阳光汇聚及光路控制系统，所述反射镜组件呈发射状或收拢状，或呈介于展开发射状和收拢状二者之间的形状。
9.优选地，所述反射镜组件包括：反射镜组件安装座、一级子镜驱动组件、二级子镜驱动组件、反射镜子镜对，所述反射镜子镜对包括一级子镜和二级子镜；所述一级子镜驱动组件安装于所述反射镜组件安装座上，所述一级子镜安装于所述反射镜组件安装座的顶部，所述一级子镜驱动组件用于驱动所述一级子镜运动；所述二级子镜通过所述二级子镜驱动组件与所述一级子镜连接，从而驱动所述二级子镜运动。
10.在本技术中，术语“发射状”指的是，所述反射镜组件的反射镜子镜对呈展开状态。
11.在本技术中，术语“反射镜子镜对”指的是一对或多对反射镜子镜对，其中，一对反射镜子镜对包括一个一级子镜和一个二级子镜。
12.在本技术中，术语“收拢状”指的是，所述反射镜子镜对收拢靠近所述反射镜组件安装座时的状态。
13.优选地，所述反射镜子镜对的数量为≥4对，进一步优选地，所述反射镜子镜对的数量为≥6对，再进一步优选地，所述反射镜子镜对的数量为6对。
14.优选地，所述次镜支撑杆的数量≤所述反射镜子镜对的数量；进一步优选地，所述次镜支撑杆的数量为所述反射镜子镜对的数量的一半；再进一步优选地，所述次镜支撑杆的数量n＝3，所述反射镜子镜对的数量为6，所述次镜支撑杆间隔分布与所述反射镜子镜对抵接；再进一步优选地，所述次镜支撑杆之间的角度相等，且每根次镜支撑杆的一端均连接在两个反射镜次镜对之间，另一端连接在所述次镜上。
15.优选地，在每一对反射镜子镜对中，所述一级子镜和所述二级子镜的厚度相同、材料相同，且二者呈180
°
。
16.优选地，在每一对反射镜子镜对中，所述一级子镜均位于所述二级子镜的同一侧。
17.优选地，在每一对反射镜子镜对中，所述二级子镜的表面积大小小于所述一级子镜的表面积大小。进一步优选地，所述二级子镜的上表面的面积为所述一级子镜的上表面面积的15％～40％，再进一步优选地，所述二级子镜的上表面的面积为所述一级子镜的上表面面积的25％～35％。
18.优选地，所有所述反射镜子镜对的上表面处于同一平面，所述反射镜组件安装座沿纵向方向的轴线和上述平面的夹角为0～100
°
，当所述夹角为0
°
时，所述反射镜组件处于完全收拢状态；当所述夹角为≥90
°
时，默认所述反射镜组件处于完全发射状，此时所述反射镜子镜对完全展开；当所述夹角从0
°
变大到90
°
时，所述反射镜组件则逐渐展开；当所述夹角从100
°
或90
°
缩小到0
°
时，所述反射镜组件则逐渐收拢。
19.优选地，所述反射镜组件安装座的横截面为多边形。进一步优选地，所述多边形的边长数量和所述反射镜子镜对的数量相等。
20.优选地，所述一级子镜驱动组件的数量为4-8组，进一步优选地，所述一级子镜驱动组件的数量为5-7组。优选地，所述一级子镜驱动组件呈圆周对称安装于所述反射镜组件安装座上。进一步优选地，所述一级子镜驱动组件的数量和所述反射镜子镜对的数量相等，也就是所述一级子镜驱动组件的数量和所述一级子镜或所述二级子镜的数量相等。进一步优选地，所述一级子镜驱动组件的数量为6组。
21.优选地，所述反射镜组件还包括反射镜支架，所述反射镜支架用于连接所述反射镜子镜对和所述一级子镜驱动组件。进一步优选地，所述反射镜支架的数量≤所述反射镜子镜对的数量；再进一步优选地，所述反射镜支架的数量等于所述反射镜子镜对的数量，且每个反射镜子镜对通过一根反射镜支架与所述一级子镜驱动组件连接。
22.优选地，所述反射镜组件还包括一级子镜安装法兰、一级子镜铰链，所述一级子镜安装法兰安装于所述反射镜组件安装座的顶部，所述一级子镜通过所述一级子镜铰链与所述一级子镜安装法兰连接。
23.优选地，所述一级子镜驱动组件包括第一电机、丝杠和连杆，所述连杆的一端通过铰链连接所述丝杠的丝杠螺母，所述连杆的另一端通过铰链连接所述一级子镜，所述第一电机用于驱动所述丝杠旋转，所述丝杠的丝杠螺母可沿所述丝杠做直线运动，从而驱动所述一级子镜运动。
24.优选地，所述二级子镜驱动组件包括第二电机和齿轮，所述二级驱动组件通过铰链与所述一级子镜连接，所述第二电机用于驱动所述齿轮，从而驱动所述二级子镜转动。
25.本发明能够取得以下技术效果：
26.本发明涉及超大型展开式太阳光汇聚及光路控制系统，通过指向臂连接飞行器及太阳光汇聚及光路控制机构，实现太阳光汇聚及光路控制机构在飞行器任意姿态下实时对准太阳，保证太阳光垂直射入反射镜，使太阳光能量损失最小。
附图说明
27.图1是本发明一个实施例的太阳光汇聚及光路控制系统的结构示意图；
28.图2是本发明一个实施例的控制机构的结构示意图；
29.图3是本发明一个实施例的摆镜组件的结构示意图；
30.图4是本发明一个实施例的反射镜组件展开状态的结构示意图；
31.图5是本发明一个实施例的反射镜组件收拢状态的结构示意图；
32.图6为本发明一个实施例的次镜组件的结构示意图。
33.附图标记：
34.太阳光汇聚及光路控制系统100、飞行器1、指向臂2、控制机构3、摆镜组件31、反射
镜组件32、次镜组件33、次镜331、次镜支撑架332、摆镜基座311、第一摆镜312、自由度机械臂313、第二摆镜314、反射镜组件安装座321、一级子镜驱动组件322、二级子镜驱动组件323、一级子镜324、二级子镜325、一级子镜安装法兰326、一级子镜铰链327、反射镜支架328。
具体实施方式
35.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
36.本发明的目的是提供一种在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
37.根据本发明的图1所示为本发明一个实施例的太阳光汇聚及光路控制系统100的结构示意图，其中，所述太阳光汇聚及光路控制系统100包括：飞行器1；指向臂2，所述指向臂2包括指向臂的第一端和指向臂的第二端，所述指向臂2具有多自由度；控制机构3；所述飞行器1与所述控制机构3通过所述指向臂2连接，所述飞行器1与所述指向臂2的第一端连接，所述控制机构3与所述指向臂2的第二端连接，所述控制机构3可在所述飞行器呈任意姿态时均实现实时对准太阳。
38.在一具体的实施例中，本发明所述的控制机构3通过适配器与所述指向臂3连接，所述飞行器1也通过适配器与所述指向臂2连接。
39.在一具体的实施例中，如图2所示为本发明一个实施例的控制机构3的结构示意图，所述控制机构3包括：摆镜组件31、反射镜组件32及次镜组件33，其中，所述摆镜组件31、所述反射镜组件32及所述次镜组件33由下至上分布，所述摆镜组件31安装座固定于所述反射镜组件安装座321，所述次镜组件33采用三点支撑方式，具体地为，所述次镜组件33通过三根支撑杆与反射镜组件32上的法兰连接。
40.在一具体的实施例中，如图3所示为本发明一个实施例的摆镜组件31的结构示意图，所示摆镜组件31包括摆镜基座311、第一摆镜312、自由度机械臂313及第二摆镜314。其中，所述第一摆镜312与所述摆镜基座311法向方向成45
°
安装，并且在所述第一摆镜312与所述摆镜基座311之间安装驱动组件使其相对于摆镜基座311实现
±
180
°
旋转，自由度机械臂313通过小型适配器连接所述第一摆镜312和所述第二摆镜314，所述自由度机械臂313及所述第二摆镜314可以随所述第一摆镜312绕所述摆镜基座311转动，同时所述第二摆镜314置于所述自由度机械臂313的末端相对于所述第一摆镜312任意切换位姿。
41.在一具体实施例中，如图4所示为本发明一个实施例的反射镜组件32展开状态的结构示意图，图5为本发明一个实施例的反射镜组件32收拢状态的结构示意图。如图4-5所示，所述反射镜组件32具体包括反射镜组件安装座321、一级子镜驱动组件322、二级子镜驱
动组件323、一级子镜324、二级子镜325、一级子镜安装法兰326及一级子镜铰链327。所述一级子镜驱动组件322的数量为6组，且呈圆周对称安装于反射镜组件安装座321，所述一级子镜安装法兰326安装于反射镜组件安装座321顶部，一级子镜通过一级子镜铰链327与所述一级子镜安装法兰326连接。所述一级子镜驱动组件322采用“电机+丝杠+连杆”结构形式，连杆一端通过铰链连接丝杠螺母，另一端通过铰链连接所述一级子镜324，电机驱动丝杠旋转，丝杠螺母会沿丝杠做直线运动，进而推动一级子镜展开。所述二级子镜325通过所述二级子镜驱动组件323与所述一级子镜324连接，所述二级子镜驱动组件323采用“电机+齿轮传动+铰链”结构形式，通过铰链活动铰链与所述一级子镜324连接，电机驱动齿轮使所述二级子镜325使其转动。
42.在本发明的一具体的实施例中，公开了一种超大型展开式太阳光汇聚及光路控制系统100，其系统组成分为飞行器1、指向臂2、太阳光汇聚及光路控制机构3。指向臂2的一端(根部)通过适配器与飞行器1连接，指向臂2具有多自由度及大尺度的特点，能够实现太阳光垂直入射反射镜及太阳光汇聚及光路控制系统100大范围调整的需求。太阳光汇聚及光路控制系统100通过适配器连接指向臂2末端，由反射镜组件32、次镜组件33、第一摆镜3122及第二摆镜314构成，反射镜组件3由六片一级子镜324及六片二级子镜325组成，发射状态下，反射镜呈收拢构型满足运载尺寸包络要求。入轨之后，反射镜组件通过两级展开机构将一级子镜和二级子镜展开，形成大尺度对日反射镜。次镜组件固定于次镜支撑机构，将反射镜光线汇聚成平行光束传至第一摆镜312，第一摆镜312将平行光束传至第二摆镜314，第二摆镜314通过多自由度机械臂与光路控制系统基座连接，能够将平行光束传至空间任一指定位置。
43.本发明与现有技术相比具有以下优点：
44.(1)本发明为超大型展开式太阳光汇聚及光路控制系统，指向臂2连接飞行器1及太阳光汇聚及光路控制机构3，可实现太阳光汇聚及光路控制机构3在飞行器1任意姿态下实时对准太阳，保证太阳光垂直射入反射镜，使太阳光能量损失最小。
45.(2)本发明的太阳光汇聚及光路控制系统采用反射式无焦缩束光学系统，相比于透射式光学系统，该系统太阳能量损失较少，这使获取规定数量值太阳光能量密度所需的反射镜口径越小。同时，反射式无焦缩束光学系统将太阳光汇聚成一定口径的平行太阳光斑传输至空间任意远处目标。
46.(3)本发明的反射镜采用二级子镜展开结构，这保证反射镜在发射状态下收拢构型包络尺寸最小，入轨展开后，镜面接触太阳光的有效尺寸最大。
47.(4)本发明的摆镜组件采用自由度机械臂切换第二摆镜和第一摆镜之间的位姿，在不同轨道工况下保证平行光束折射至任意处空间目标。
48.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
49.以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。