一种适用于空间环境的小尺寸高可靠性自动光开关

技术领域

本发明涉及一种适用于空间环境的小尺寸高可靠性自动光开关，属于空间飞行器用光开关领域。

背景技术

航天器用微纳型光学传感器需要长期在轨使用，长时间受到太阳照射会损坏光学传感器，因此需要安装光开关进行保护。同时，航天器用微纳型光学传感器有严格的重量和尺寸限制，对光开关的重量和外形尺寸有着极高的要求。此外，空间环境下光开关的处于真空环境，工作温度范围变化极大，且无法维修和更换，因此对光开关可靠性也有极高的要求。

目前，调节进入镜头的光通量或光开关主要有可变光阑和可变光圈两种形式。现有的自动调节的可变光阑采用电机和齿轮驱动，尺寸大、结构复杂、重量较大。而结构简单、重量较轻的手动调节可变光阑无法满足航天器的使用需求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服已有技术存在的缺陷，设计一种适用于空间环境的小尺寸高可靠性自动光开关，结构简单、外形尺寸小、可靠性高、操作方便，为航天器用微纳型光学传感器在轨使用提供保障。

本发明的技术解决方案是：

一种适用于空间环境的小尺寸轻量化自动光开关，包括：上盖板、主体结构、电机、小齿轮、带槽大齿轮和挡光片组件；

其中挡光片组件中，挡光片上下表面各安装一个小柱以及对应的小柱固定结构；三个挡光片组件下表面的小柱安装在主体结构的安装孔中，带槽大齿轮压在挡光片组件上方，挡光片组件上表面的小柱安装入带槽大齿轮的三个直槽；电机安装在主体结构上，小齿轮安装在电机输出轴上，与带槽大齿轮啮合；上盖板固定在主体结构最上方。

进一步的，挡光片组件使用胶粘接。

进一步的，上盖板、主体结构、带槽大齿轮的尺寸设计保证在厚度方向间隙远小于小柱的高度，使得在整个光开关安装完成后，即使长时间使用后胶层失效，小柱和小柱固定结构也没有空间可以脱离。

进一步的，在上盖板的下表面设计了限位结构，限制带槽大齿轮转动角度，避免小柱撞击带槽大齿轮直槽的两端，导致在长期使用过程中小柱断裂。

进一步的，带槽大齿轮直槽的长度比小柱的行程略长，保证带槽大齿轮上的边缘与上盖板的限位结构相撞，而非小柱发生撞击。

进一步的，挡光片为弯月型，三个挡光片依次叠放，闭合状态不漏光，打开状态不遮挡视场。

进一步的，带槽大齿轮的三个直槽以放射状分布，三个直槽分别与对应挡光片组件上方小柱移动的轨迹重合。

进一步的，电机在开关后会保持通电若干秒。

进一步的，由电机驱动小齿轮转动，小齿轮进而驱动带槽大齿轮；挡光片组件下方小柱与主体结构的小孔配合，带槽大齿轮上的直槽带动三个挡光片组件上方小柱移动，使得挡光片组件以主体结构的小孔为中心转动，实现光开关的打开与闭合。

进一步的，所有零件材料为金属材料，以适应空间高辐射环境，光开关本体厚度方向不含电机的尺寸为52mm×42mm×7.9mm，重量含电机为根据使用的材料不同为20-40g。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明所述一种适用于空间环境的小尺寸高可靠性自动光开关为航天器用微纳型光学传感器的关键部件。与现有技术相比，本发明所述的自动光开外形尺寸小，重量轻，满足航天器用微纳型光学传感器严格的尺寸和重量要求。

(2)本发明所述一种适用于空间环境的小尺寸高可靠性自动光开关，具有高可靠性，适用于空间环境。与现有技术相比，本发明所述光开关可以在真空环境，工作温度范围变化极大、无法维修和更换的情况下保持长时间在轨工作的高可靠性。可靠性验证试验详见具体实施方式。本发明结构简单、操作方便，为航天器用微纳型光学传感器在轨使用提供保障。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的挡光片组件结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

图1和图2分别是本发明所提的一种适用于空间环境的小尺寸高可靠性自动光开关结构示意图和光开关中所用挡光片组件结构示意图。如图2所示，本发明提出的一种适用于空间环境的小尺寸高可靠性自动光开关，包括上盖板01、主体结构02、电机03、小齿轮04、带槽大齿轮05和挡光片组件06。挡光片组件06包含小柱固定结构07、挡光片08和小柱09。

其中挡光片组件06中，挡光片08上下表面各安装一个小柱09以及对应的小柱固定结构07；三个挡光片组件06下表面的小柱09安装在主体结构02的安装孔中，带槽大齿轮05压在挡光片组件06上方，挡光片组件06上表面的小柱09安装入带槽大齿轮05的三个直槽；电机03安装在主体结构02上，小齿轮04安装在电机03输出轴上，与带槽大齿轮05啮合；上盖板01固定在主体结构02最上方。

进一步的，为避免小柱09应力过大导致发生开裂，挡光片组件06没有使用此种结构常见的铆接或过盈配合，而是使用航天器可用的胶粘接。同时，对盖板01、主体结构02、带槽大齿轮05的尺寸设计保证在厚度方向间隙远小于小柱09的高度，使得在整个光开关安装完成后，即使长时间使用后胶层失效，小柱09和小柱固定结构07也没有空间可以脱离，保证光开关功能，提升了结构的可靠性。

进一步的，为保证光开关的完全打开和关闭，电机03在开关后会保持通电几秒。为了避免小柱09撞击带槽大齿轮05直槽的两端，导致在长期使用过程中小柱09断裂，在上盖板01的下表面设计了限位结构，限制带槽大齿轮05转动角度。同时带槽大齿轮05直槽的长度比小柱09的行程略长，保证带槽大齿轮05上的边缘与上盖板01的限位结构相撞，而非小柱09发生撞击，提高了结构的可靠性。

优选的，挡光片08为弯月型，三个挡光片08依次叠放，闭合状态不漏光，打开状态不遮挡视场。

优选的，带槽大齿轮05的三个直槽以放射状分布，三个直槽分别与对应挡光片组件06上方小柱09移动的轨迹重合。

优选的，电机03在开关后会保持通电若干秒。

本发明工作时，由电机03驱动小齿轮04转动，小齿轮04进而驱动带槽大齿轮05；挡光片组件06下方小柱09与主体结构02的小孔配合，带槽大齿轮05上的直槽带动三个挡光片组件06上方小柱09移动，使得挡光片组件06以主体结构02的小孔为中心转动，实现光开关的打开与闭合。

本发明中所有零件材料为金属材料，以适应空间高辐射环境，光开关本体厚度方向不含电机的尺寸为52mm×42mm×7.9mm，重量含电机为根据使用的材料不同为20-40g。

实施例：

为验证本发明的可靠性，对其进行长时间跑和、高低温循环、正弦振动、随机振动、冲击试验。

(1)长时间跑合试验

光开关每5秒打开关闭一次，跑合100小时，累计打开关闭7.2万次，跑合过程无异常，远超在轨服役15年所需的打开关闭次数。

(2)高低温循环试验

低温-40℃保持8小时，之后升高到+70℃并保持8小时，共进行2个循环。温度循环期间光开关每5秒打开关闭一次，跑合过程无异常，验证了本发明可以适应温度变化极大的环境工况。

(3)正弦振动、随机振动、冲击试验

试验条件如表1-表3所示。

表1正弦振动试验条件

表2随机振动试验条件

表3冲击试验谱

(4)试验结论

本发明所述一种适用于空间环境的小尺寸高可靠性自动光开关进行长时间跑和、高低温循环、正弦振动、随机振动、冲击试验后均可正常工作，证明本发明所述光开关具有在空间环境下的高可靠性，验证结论如表4所示。

表4光开关试验验证结论

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。