小型板件式航天器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種小型板件式航天器，包括主體結(jié)構(gòu)板、內(nèi)部功能元件板、內(nèi)部隔板與外部功能元件，所述的主體結(jié)構(gòu)板為正方形板件，相對(duì)的兩組邊框中間分別有凸起結(jié)構(gòu)和凹進(jìn)結(jié)構(gòu)，一側(cè)為封閉平面；所述的凹進(jìn)結(jié)構(gòu)和凸起結(jié)構(gòu)能夠通過圓頭彈簧釘和連接桿連接；所述的內(nèi)部隔板內(nèi)嵌于主體結(jié)構(gòu)板中，固定內(nèi)部功能元件板，并使各內(nèi)部功能元件板之間相互連通；所述的外部功能元件與主體結(jié)構(gòu)板固定。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)航天器內(nèi)部元件的可替換，減小集成擴(kuò)展時(shí)存在的非必要性元件，降低對(duì)機(jī)械臂的控制要求，提高小型航天器空間操作性。
【專利說明】小型板件式航天器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種板件式航天器。
【背景技術(shù)】
[0002]航天器體積和質(zhì)量的大型化、功能的復(fù)雜化，已導(dǎo)致航天器的研制、開發(fā)、生產(chǎn)、發(fā)射、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用迅速膨脹，同時(shí)技術(shù)上的可靠性和管理上的安全性下降，使失效率增大。而小型航天器以適應(yīng)性強(qiáng)、可移動(dòng)、可組合應(yīng)用等特點(diǎn)成為研究熱點(diǎn)，以小衛(wèi)星為基礎(chǔ)，集群實(shí)現(xiàn)多功能平臺(tái)搭建及以小衛(wèi)星為對(duì)象的空間在軌操作都得到了廣泛的關(guān)注。相比于大型航天器小型航天器更注重于多功能性，部件可替換性，及可集成拓展能力。
[0003]現(xiàn)有航天器主要利用螺釘螺母進(jìn)行拼裝固定，進(jìn)行空間操作時(shí)機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)動(dòng)，內(nèi)部功能元件通過穿孔板固定或利用航天器結(jié)構(gòu)隔板將航天器內(nèi)部分成獨(dú)立小空間以放置功能元件。航天器地面組裝完畢之后不能更換內(nèi)部部件，航天器功能確定?？杉?、聚合的小型航天器多采用模塊搭建方式集成，模塊均已經(jīng)封裝，每個(gè)模塊具有獨(dú)立的結(jié)構(gòu)與功能元件，模塊之間通過桿件與螺釘螺母形成物理連接，模塊內(nèi)部元件不能替換，模塊功能固定。多模塊拼接時(shí)存在由非必要重復(fù)性結(jié)構(gòu)引起的連接不緊湊?？臻g操作時(shí)模塊分離與連接困難，對(duì)機(jī)械臂控制能力要求高。
[0004]因此，現(xiàn)有小型航天器具有功能單一，內(nèi)部元件不可替換，集成時(shí)以桿件與螺釘螺母形成物理連接，對(duì)機(jī)械臂操作能力要求高，擴(kuò)展時(shí)以具有完整結(jié)構(gòu)與功能元件的模塊為最小單元，對(duì)空間利用率低等局限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種板件式小型航天器，以實(shí)現(xiàn)航天器內(nèi)部元件的可替換，減小集成擴(kuò)展時(shí)存在的非必要性元件，降低對(duì)機(jī)械臂的控制要求，提高小型航天器空間操作性。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:包括主體結(jié)構(gòu)板、內(nèi)部功能元件板、內(nèi)部隔板與外部功能元件；
[0007]所述的主體結(jié)構(gòu)板包括頂板、頂板連接板和中間連接板；所述的頂板為正方形板件，相對(duì)的一組邊框中間朝向頂板一側(cè)為凸起結(jié)構(gòu)，另一組相對(duì)的邊框中間朝向頂板一側(cè)為凹進(jìn)結(jié)構(gòu)，所述的凸起結(jié)構(gòu)可與凹進(jìn)結(jié)構(gòu)扣合，頂板的另一側(cè)為封閉平面，所述的邊框內(nèi)置通信與供能接口 ；所述的頂板連接板的三個(gè)邊框及封閉平面與頂板相同，另一邊框中間的凸起結(jié)構(gòu)或凹進(jìn)結(jié)構(gòu)沿頂板連接板的平面方向向外平移一個(gè)邊框的距離；所述的中間連接板的一組相對(duì)邊框及封閉平面與頂板相同，另一組凸起結(jié)構(gòu)或凹進(jìn)結(jié)構(gòu)沿中間連接板的平面方向向外平移一個(gè)邊框的距離；
[0008]所述的凹進(jìn)結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)壁上開有圓頭彈簧釘固定孔和連接桿固定孔，所述的凸起結(jié)構(gòu)上安裝有圓頭彈簧釘、連接桿和控制與驅(qū)動(dòng)元件，圓頭彈簧釘和連接桿能夠伸入圓頭彈簧釘固定孔和連接桿固定孔內(nèi)；所述的控制與驅(qū)動(dòng)元件受到星載計(jì)算機(jī)控制，驅(qū)動(dòng)連接桿伸入或脫出連接桿固定孔；
[0009]所述的內(nèi)部隔板為正方形或長(zhǎng)方形板件，帶有插槽與通信及供能接口，可內(nèi)嵌于主體結(jié)構(gòu)板中，固定內(nèi)部功能元件板，并使各內(nèi)部功能元件板之間相互連通；所述的外部功能元件與主體結(jié)構(gòu)板固定。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:板件式小型航天器可進(jìn)行多種空間操作。進(jìn)行在軌空間操作前要求操作平臺(tái)與目標(biāo)航天器建立通信鏈路。由相同基礎(chǔ)板構(gòu)成的板件式航天器間的集成時(shí)，將現(xiàn)有兩航天器看作航天器模塊，將需要集成兩航天器基中一個(gè)頂板拆離，另一個(gè)底板拆離。由星載計(jì)算機(jī)與平臺(tái)計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)與航天器接近，由平臺(tái)計(jì)算機(jī)控制機(jī)械臂，逐步更換航天器側(cè)板，使兩航天器模塊側(cè)板連接部匹配，由平臺(tái)機(jī)械臂操作，使兩航天器扣合。由星載計(jì)算機(jī)控制形成連接，實(shí)現(xiàn)兩航天器集成。以由同組基礎(chǔ)板構(gòu)成的航天器為基礎(chǔ)進(jìn)行構(gòu)型擴(kuò)展時(shí)，拆除底板，將與底板相連板塊逐步更換為具有水平連接能力的基礎(chǔ)板，扣合完成之后安裝底板進(jìn)行封裝。正方體航天器擴(kuò)展為1:1:2長(zhǎng)方體航天器，拆除底板后將側(cè)板逐一更換為頂板連接板，取與之匹配的頂板連接板將側(cè)面擴(kuò)展為兩塊基礎(chǔ)板。正方體擴(kuò)展為1:1:3及更長(zhǎng)的長(zhǎng)方體時(shí)操作與1:1:2類似，側(cè)板由三塊及三塊以上基礎(chǔ)板構(gòu)成，其中加入中間連接板。航天器內(nèi)部功能板件更換，航天器與操作平臺(tái)靠近后由操作平臺(tái)機(jī)械臂拆除需更換功能板件相連的一塊側(cè)板，將需更換功能板抽出并插入新功能板，將原側(cè)板安裝回航天器，形成穩(wěn)定連接，完成操作。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是連接件示意圖；
[0012]圖2是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)板示意圖；
[0013]圖3是基礎(chǔ)板件連接方式不意圖；
[0014]圖4是航天器主體拼接示意圖；
[0015]圖5是內(nèi)部隔板示意圖；
[0016]圖6是功能板件安裝示意圖；
[0017]圖中，1為頂板,2與3為頂板連接板,4與5為中間連接板。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實(shí)施例。
[0019]以小型航天器應(yīng)用需求為依據(jù)，提出一種以板件式結(jié)構(gòu)為主的小型航天器。板件式小型航天器主要由四部分構(gòu)成:主體結(jié)構(gòu)板、內(nèi)部功能元件板、內(nèi)部隔板與外部功能結(jié)構(gòu)。以固定基礎(chǔ)構(gòu)件，更換個(gè)性化功能性板塊為基本思路，實(shí)現(xiàn)小型航天器的多功能化。利用積木拼裝原理實(shí)現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)板之間的拼裝，并提出一種不使用螺釘螺母的連接件以實(shí)現(xiàn)板件間的固定。利用結(jié)構(gòu)板的外形特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)航天器主體結(jié)構(gòu)的在軌拼接，以使小型航天器具備一定的在軌集成、變形、自主擴(kuò)展能力，從而實(shí)現(xiàn)航天器在軌操作的靈活性與多樣性。同時(shí)考慮空間操作的可行性。
[0020]利用積木拼裝原理進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)拼裝。以五種不同構(gòu)形的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)板:頂板、頂板連接板(兩種)、中間連接板(兩種)為基礎(chǔ)板，可實(shí)現(xiàn)正方體航天器構(gòu)型，以其頂板為底面，高不受限的長(zhǎng)方體航天器的構(gòu)型?；A(chǔ)板為五種時(shí)，頂板可作為頂面與底面，為正方形板件，四邊有凹凸結(jié)構(gòu)，對(duì)邊結(jié)構(gòu)完全相同且與鄰邊不同。一組對(duì)邊中間為凸起結(jié)構(gòu)，另一組對(duì)邊與之對(duì)應(yīng)中間為凹進(jìn)結(jié)構(gòu)，兩相同板件拼裝時(shí)凸起部分可與凹進(jìn)部外形扣合。凹凸結(jié)構(gòu)垂直于板件平面，且位于板件的一面，板件另一面為封閉平面?；A(chǔ)板件邊框內(nèi)置通信與供能接口，使基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)板件之間可實(shí)現(xiàn)連通。頂板連接板由頂板變形得到。頂板四個(gè)邊中三個(gè)邊與頂板結(jié)構(gòu)相同，另一邊分為兩種設(shè)計(jì)以進(jìn)行水平連接。一種為邊框中間有一沿平面方向水平凸起，凸起尺寸與垂直情況相同，保持一組對(duì)邊同為凸起設(shè)計(jì)或凹進(jìn)設(shè)計(jì)。另一種為邊框中間有一沿平面方向的水平凹進(jìn)部，可與沿平面凸起外形扣合。中間連接板將頂板的一組對(duì)邊設(shè)計(jì)保留，另一組對(duì)邊變?yōu)檠仄矫娴乃酵蛊鸹虬歼M(jìn)結(jié)構(gòu)，使中間連接板的對(duì)邊具有相同結(jié)構(gòu)，且與鄰邊結(jié)構(gòu)不同。拼裝時(shí)六塊相同的頂板可構(gòu)成正方體航天器，長(zhǎng)寬高之比為1:1:2時(shí)長(zhǎng)方體側(cè)面由兩塊頂板連接板拼裝得到。當(dāng)長(zhǎng)方體高度之比大于3時(shí)長(zhǎng)方體側(cè)面加入中間連接板。由于板件本身的對(duì)稱性，板件式航天器相互平行的兩個(gè)面板件組成完全相同。
[0021]板件外形扣合之后利用一種無(wú)螺釘螺母的連接件連接。連接件由安裝于板件凸起部分的圓頭彈簧釘，連接桿，控制與驅(qū)動(dòng)元件，位于凹進(jìn)部分的圓頭彈簧釘固定孔，連接桿固定孔組成。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)板上所有凸起部分與凹進(jìn)部分均對(duì)應(yīng)安裝有連接件。非連接狀態(tài)圓頭彈簧釘彈簧自然伸長(zhǎng)，連接桿收回。凸起部分向凹進(jìn)部分運(yùn)動(dòng)，扣合不準(zhǔn)時(shí)，圓頭彈簧釘受力收回，當(dāng)兩部分扣合完成時(shí)圓頭彈簧釘壓縮量減小，伸入固定孔，起暫時(shí)固定作用，方便對(duì)接?；A(chǔ)板件內(nèi)部具有信息鏈路接口，拼裝完成后與星載計(jì)算機(jī)相連，內(nèi)部控制元件與驅(qū)動(dòng)元件均受到星載計(jì)算機(jī)控制。由星載計(jì)算機(jī)控制使連接桿伸入凹進(jìn)部分中的固定孔，形成穩(wěn)定連接。當(dāng)星載計(jì)算機(jī)發(fā)出解除連接信號(hào)，連接桿收回，機(jī)械臂操作使兩板件分離。
[0022]利用內(nèi)部隔板固定各功能模塊，并使各功能板件之間相互連通。內(nèi)部隔板為正方形或長(zhǎng)方形，帶有插槽與通信及供能接口。內(nèi)部隔板可內(nèi)嵌于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)板中，利用結(jié)構(gòu)板凹凸結(jié)構(gòu)與封閉平面使內(nèi)部隔板只具有一個(gè)自由度，插入功能板件后，內(nèi)部隔板位置受到結(jié)構(gòu)板與功能板限制，形成穩(wěn)定連接。內(nèi)部隔板固定方式不需要螺釘?shù)冗B接件，安裝與分解均只要求水平運(yùn)動(dòng)。隔板兩插槽之間的距離根據(jù)性功能板件的高度，保守估計(jì)得到。天線，太陽(yáng)能電池板等外部功能元件可提前與基本結(jié)構(gòu)板固定，空間操作時(shí)不對(duì)外部功能元件單獨(dú)進(jìn)行操作。功能元件板以平行于頂板的方式安裝，頂板與底板上不安裝內(nèi)部隔板。
[0023]圖1為連接件示意圖。圓頭彈簧釘，固定桿，控制與驅(qū)動(dòng)元件，安裝于凸起部分，圓頭彈簧釘固定孔，連接桿固定孔位于凹進(jìn)部分。連接狀態(tài)彈簧釘彈簧自然伸長(zhǎng)，連接桿收回，位于凸起部?jī)?nèi)。連接時(shí)彈簧釘與連接桿分別伸入對(duì)應(yīng)固定孔，形成穩(wěn)定連接。圖2是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)板示意圖。以正方形為基礎(chǔ)板件基本外形，方案中的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)板件有五種，I為頂板、2和3為頂板連接板、4和5為中間連接板。圖3是基礎(chǔ)板件連接方式示意圖。板件間的連接方式可分為平面連接與重直連接。航天器拼裝中平面內(nèi)擴(kuò)展由平面連接固定，相鄰側(cè)面之間的連接由垂直連接固定。所有板件均可形成垂直連接，中間板與頂板連接板可形成水平連接。對(duì)于正方體航天器，航天器大小為一個(gè)結(jié)構(gòu)板件大小可利用六個(gè)相同的頂板進(jìn)行拼接得到，其它航天器上底面與下底面為頂板，側(cè)面與頂板相連的為頂板連接板，側(cè)面中間部分為中間連接板。圖4是航天器主體拼接示意圖，圖中為長(zhǎng)寬高之比為1:1:3型小型板件式航天器，底面與頂面為頂板，正面與背面由上至下為3號(hào)頂板連接板，5號(hào)中間板，3號(hào)頂板連接板，側(cè)面由上至下為2號(hào)頂板連接板，4號(hào)中間板，2號(hào)頂板連接板，相互平行的兩平面板件組成完全相同。圖5為內(nèi)部隔板示意圖，內(nèi)部隔板為正方形或長(zhǎng)方形，帶有插槽與通信及供能接口，內(nèi)嵌于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)板內(nèi)，利用內(nèi)部隔板中的插槽固定各功能板件。圖6是功能板件安裝示意圖，將不同的功能單元固定在滿足航天器結(jié)構(gòu)要求的板件上，插入內(nèi)部隔板插槽，通過內(nèi)部隔板與結(jié)構(gòu)板件實(shí)現(xiàn)不同元件板之間的連通。功能元件板平行于頂板與航天器側(cè)面垂直。
[0024]以小型板件式航天器在軌操作中的故障功能板更換為例，對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用進(jìn)行說明。由平臺(tái)機(jī)械臂對(duì)板件式航天器進(jìn)行故障功能元件板更換，操作步驟具體如下:
[0025](I)航天器星載計(jì)算機(jī)確定是否有功能板件故障并有更換需要，如有需要?jiǎng)t與服務(wù)平臺(tái)聯(lián)系，并將需要目標(biāo)板件編號(hào)傳給服務(wù)航天器。由服務(wù)航天器確認(rèn)是否可以響應(yīng)要求，若不能響應(yīng)返回請(qǐng)求失敗信號(hào)，可以響應(yīng)則返回接受請(qǐng)求信號(hào)，并進(jìn)行下一步。
[0026](2)星載計(jì)算機(jī)的控制推力器使平臺(tái)與航天器接近，并在滿足服務(wù)平臺(tái)機(jī)械臂操作要求的情況下穩(wěn)定。服務(wù)航天器向目標(biāo)航天器發(fā)送任務(wù)開始信號(hào)。
[0027](3)目標(biāo)航天器收到信號(hào)，控制面向服務(wù)航天器的且與需要更換的功能板件相連的結(jié)構(gòu)板連接部分中的固連接桿收回，并向服務(wù)航天器發(fā)送信號(hào)。
[0028](4)服務(wù)航天器控制機(jī)械臂抓捕目標(biāo)結(jié)構(gòu)板，平移使結(jié)構(gòu)板使其與目標(biāo)航天器分離并將結(jié)構(gòu)板放置于服務(wù)機(jī)置物臺(tái)上。
[0029](5)機(jī)械臂識(shí)別并抓捕目標(biāo)功能板，移出功能板并放置于置物平臺(tái)上。機(jī)械臂識(shí)別并抓捕新功能板，平移使其嵌入內(nèi)隔板。
[0030](6)機(jī)械臂抓取服務(wù)機(jī)置物臺(tái)上的航天器原結(jié)構(gòu)板，使其與現(xiàn)有航天器結(jié)構(gòu)件扣合，目標(biāo)航天器控制鎖式結(jié)構(gòu)連接桿伸出實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連接。
[0031](7)航天器與平臺(tái)進(jìn)行姿態(tài)與軌道機(jī)動(dòng)使其按原軌道運(yùn)行。
【權(quán)利要求】
1.一種小型板件式航天器，包括主體結(jié)構(gòu)板、內(nèi)部功能元件板、內(nèi)部隔板與外部功能元件，其特征在于:所述的主體結(jié)構(gòu)板包括頂板、頂板連接板和中間連接板；所述的頂板為正方形板件，相對(duì)的一組邊框中間朝向頂板一側(cè)為凸起結(jié)構(gòu)，另一組相對(duì)的邊框中間朝向頂板一側(cè)為凹進(jìn)結(jié)構(gòu)，所述的凸起結(jié)構(gòu)可與凹進(jìn)結(jié)構(gòu)扣合，頂板的另一側(cè)為封閉平面，所述的邊框內(nèi)置通信與供能接口 ；所述的頂板連接板的三個(gè)邊框及封閉平面與頂板相同，另一邊框中間的凸起結(jié)構(gòu)或凹進(jìn)結(jié)構(gòu)沿頂板連接板的平面方向向外平移一個(gè)邊框的距離；所述的中間連接板的一組相對(duì)邊框及封閉平面與頂板相同，另一組凸起結(jié)構(gòu)或凹進(jìn)結(jié)構(gòu)沿中間連接板的平面方向向外平移一個(gè)邊框的距離；所述的凹進(jìn)結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)壁上開有圓頭彈簧釘固定孔和連接桿固定孔，所述的凸起結(jié)構(gòu)上安裝有圓頭彈簧釘、連接桿和控制與驅(qū)動(dòng)元件，圓頭彈簧釘和連接桿能夠伸入圓頭彈簧釘固定孔和連接桿固定孔內(nèi)；所述的控制與驅(qū)動(dòng)元件受到星載計(jì)算機(jī)控制，驅(qū)動(dòng)連接桿伸入或脫出連接桿固定孔；所述的內(nèi)部隔板為正方形或長(zhǎng)方形板件，帶有插槽與通信及供能接口，可內(nèi)嵌于主體結(jié)構(gòu)板中，固定內(nèi)部功能元件板，并使各內(nèi)部功能元件板之間相互連通；所述的外部功能元件與主體結(jié)構(gòu)板固定。
【文檔編號(hào)】B64G1/22GK103434660SQ201310390864
【公開日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年8月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月31日
【發(fā)明者】岳曉奎, 王星又, 袁建平, 寧昕 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)