專利名稱：模塊化航天器組成模塊的在軌更換裝置的制作方法
模塊化航天器組成模塊的在軌更換裝置所屬領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種用于實現(xiàn)模塊化航天器組成模塊在軌更換的機械裝置。
現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)有的傳統(tǒng)航天器存在諸多不足，首先，傳統(tǒng)航天器的設計是面向任務的，由用戶需求驅(qū)動，任務功能專一；第二，傳統(tǒng)航天器一般為多系統(tǒng)耦合集成的整體，結(jié)構(gòu)復雜，風險高，為了提高可靠性，典型的做法是增加子系統(tǒng)冗余，但這又進一步增加了航天器的質(zhì)量和復雜性；第三，這樣的復雜系統(tǒng)在地面制造和裝配時，往往需要在不同的地點進行生產(chǎn)和運輸，這又進一步增加了風險、成本和時間；第四，航天器的發(fā)射對其體積、構(gòu)型和質(zhì)量也提出了嚴格的要求，使設計受到極大限制。
模塊化航天器是近年來提出并發(fā)展的一種新型航天器，其內(nèi)涵就是要求將整個航天器依據(jù)功能合理劃分為多個不同的功能模塊，這些模塊物理獨立、功能獨立，通過特定的規(guī)則組合到一起，可實現(xiàn)航天器的整體功能。同時，各個模塊要求進行標準化設計，即針對同一功能，形成系列，滿足不同需求指標的模塊，且系列模塊具有統(tǒng)一的標準化機械、電源、信號、熱控和流體管路接口，保證同系列模塊之間的可替換性。模塊的組合規(guī)則來源于特定航天器的功能及指標要求，通過對組合規(guī)則的控制及對功能模塊的優(yōu)化與配置，可以形成滿足多種飛行任務的航天器。通過更換功能模塊(如有效載荷模塊)，航天器系統(tǒng)可以實現(xiàn)不同的功能，滿足不同的任務要求，大大提高系統(tǒng)的適應能力，減小不同任務的航天器設計、生產(chǎn)和測試時間。通過更換故障模塊，可極大地提高航天器的空間生存能力，提升航天器的運行可用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有的傳統(tǒng)航天器一般為多系統(tǒng)耦合集成的整體，未進行模塊化設計，結(jié)構(gòu)復雜，風險高，為提高系統(tǒng)可靠性的多冗余度設計又進一步增加了航天器的質(zhì)量和復雜性等諸多不足。本發(fā)明設計了一種適用于航天器模塊化設計的、支持模塊在軌更換功能的機械裝置，以便為航天器可更換模塊的設計提供技術(shù)支持。本發(fā)明的是技術(shù)方案是，一種模塊化航天器組成模塊的在軌更換裝置，包括多個模塊化航天器組成模塊與模塊安裝結(jié)構(gòu)12，所述模塊安裝結(jié)構(gòu)12固定于航天器本體上，所述的多個模塊化航天器組成模塊則安裝于模塊安裝結(jié)構(gòu)12中；多個模塊化航天器組成模塊外部完全一致，均為長方體狀；模塊安裝結(jié)構(gòu)12為剛性桁架結(jié)構(gòu)，并形成多個與長方體狀模塊化航天器組成模塊相配的長方體空腔，使得模塊化航天器組成模塊可以根據(jù)需要裝入相應的長方體空腔中；為了描述，定義所述長方體相鄰三條邊方向分別為x、y、z方向，其中，模塊化航天器組成模塊裝入模塊安裝結(jié)構(gòu)12的長方體空腔的水平運動方向為X方向，模塊化航天器組成模塊的厚度方向為z方向，第三方向為y方向；參閱圖I，單個的模塊化航天器組成模塊主要包括模塊前蓋板I、模塊上蓋板2、模塊殼體3、定位銷軸4、彈簧導向滑桿a5、壓縮彈簧a6、彈簧導向滑孔7、彈簧導向滑桿b8、壓縮彈黃b9、鎖鉤10和導向銷軸11 ；
參閱圖3，模塊殼體3用于裝填模塊內(nèi)部的功能零部件，模塊殼體3的外部側(cè)面采用加筋結(jié)構(gòu)，這樣不僅可以提供機械強度和剛度的支持，還能夠提供熱傳導途徑，實現(xiàn)模塊內(nèi)部與外部的熱傳遞；模塊殼體3的外部棱邊加工有相應的倒角平面，以便于對模塊殼體3進行安裝和導向。模塊前蓋板I位于模塊殼體3的前端面，并在其前端面上有上、下兩個凸片，上凸片提供用于更換模塊的空間機械臂或航天員夾持表面，下凸片提供用于導向的導向銷軸孔。模塊上蓋板2位于模塊殼體3的上端面，用于實現(xiàn)模塊的封裝。參閱圖I、圖4，定位銷軸4通過螺紋連接安裝于模塊殼體3的后端面，其軸線平行于X方向，定位銷軸4為由螺紋段和光滑段構(gòu)成的階梯軸，階梯軸的螺紋段用于和模塊殼體3前端面上相應的螺紋孔連接，階梯軸的光滑段伸出模塊殼體3的前端面，用于實現(xiàn)整個模塊化航天器組成模塊在裝入時的精確定位，保證模塊上的電源、數(shù)據(jù)等接口正確與航天器 本體上的相應接口相連。
參閱圖5、圖6，彈簧導向滑孔7為中空結(jié)構(gòu)，連接于模塊殼體3或模塊前蓋板I上；壓縮彈簧a6安裝在彈簧導向滑桿a5和彈簧導向滑孔7之間，彈簧導向滑桿a5和彈簧導向滑孔7配合使用，共同組成X向壓縮彈簧a6的導向機構(gòu)，起到對壓縮彈簧a6的導向作用，彈簧導向滑桿a5的前端加工成光滑圓柱形表面，與模塊殼體3前端面上對應的插孔采用間隙配合的方式連接，彈簧導向滑桿a5前端的圓柱端面在模塊裝入航天器本體后受到擠壓，從而壓縮彈簧a6在預壓縮的基礎上受到再度壓縮，給整個模塊一個X反方向的作用力。參閱圖8，鎖鉤10為一位于模塊前蓋板I下凸片下方的帶鎖鉤平板；參閱圖9，導向銷軸11也為由螺紋段和光滑段組成的階梯軸結(jié)構(gòu)，其軸向與z向平行，其光滑段與模塊前蓋板I下凸片上的導向銷軸孔間隙配合，且光滑段端頭有凸臺與模塊前蓋板I下凸片的上表面止靠，其螺紋段與鎖鉤10平板形成螺紋連接；安裝時，導向銷軸11的端部螺紋穿過模塊前蓋板I下凸片上的導向銷軸孔與鎖鉤10平板上的螺紋孔連接，以便在鎖鉤10上下移動時，導向銷軸11能夠同時在模塊前蓋板I下凸片上的導向銷軸孔中滑動，起到對鎖鉤10的導向作用。壓縮彈簧b9安裝在彈簧導向滑桿b8和另一彈簧導向滑孔7之間，彈簧導向滑桿b8和另一彈簧導向滑孔7配合使用，共同組成z向壓縮彈簧b9的導向機構(gòu)，起到對壓縮彈簧b9的導向作用，彈簧導向滑桿b8的下端與鎖鉤10平板連接，該彈簧導向滑孔7連接于模塊前蓋板I上；這樣，鎖鉤10是在彈簧導向滑桿b8和導向銷軸11構(gòu)成的雙導向軌道內(nèi)滑動，避免了鎖鉤在上下運動過程中的卡死現(xiàn)象。使用過程一模塊化航天器組成模塊的裝入過程。參閱圖10，模塊化航天器組成模塊在裝入模塊安裝結(jié)構(gòu)12中時，空間機械臂或航天員分別夾持著模塊前蓋板I上凸片表面和鎖鉤10平板的下表面，此時，壓縮彈簧b9受到壓縮，鎖鉤10在彈簧導向滑桿b8和導向銷軸11構(gòu)成的雙導向軌道內(nèi)向上滑動。在相應測量系統(tǒng)的監(jiān)測下，模塊與模塊安裝結(jié)構(gòu)12相應的空腔進行對中，然后，空間機械臂或航天員推動模塊沿模塊安裝結(jié)構(gòu)12上的倒角平面滑動進入安裝結(jié)構(gòu)12相應空腔中，安裝到達預定位置后，彈簧導向滑桿a5的光滑圓柱前端面受到航天器本體結(jié)構(gòu)表面的擠壓，使得壓縮彈簧a6在預壓縮的基礎上再度受到壓縮，給整個模塊一個X反方向的作用力，同時，空間機械臂或航天員松開鎖鉤10，鎖構(gòu)10在壓縮彈簧b9的作用下進入鎖定位置，并在壓縮彈簧a6的作用下與安裝結(jié)構(gòu)12有效貼合而不會使模塊沿安裝方向，即X方向發(fā)生松動，實現(xiàn)模塊的可靠安裝。依次裝入所需的所有模塊。使用過程二 模塊化航天器組成模塊的拔出過程。 參閱圖11，模塊化航天器組成模塊在從安裝結(jié)構(gòu)12中拔出時，空間機械臂或航天員分別夾持著相應模塊化航天器組成模塊前蓋板I上凸片表面和鎖鉤10的下表面，此時，壓縮彈簧b9受到壓縮，鎖鉤10在彈簧導向滑桿b8和導向銷軸11構(gòu)成的雙導向軌道內(nèi)向上滑動，空間機械臂或航天員夾持著模塊沿安裝結(jié)構(gòu)12上的倒角平面拔出，在剛拔出時，彈簧導向滑桿a5的光滑圓柱形表面的前端面與航天器本體結(jié)構(gòu)表面分離，壓縮彈簧a6得到釋放并推動彈簧導向滑桿a5恢復至初始狀態(tài)。本發(fā)明的有益效果是上述航天器組成模塊安裝在航天器上便于獲取的位置，在 不影響航天器上其他模塊功能的情況下，僅通過空間機械臂或航天員對更換裝置進行簡單的夾持操作即可完成功能模塊或故障模塊的插拔式更換，使航天器實現(xiàn)系統(tǒng)的重構(gòu)，完成功能上的升級，極大地提高了航天器的空間生存能力，提升了航天器的運行可用性。從整體而言，該航天器組成模塊的在軌更換裝置具有連接可靠，結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，能夠?qū)崿F(xiàn)航天器組成模塊的重復更換等優(yōu)點，適合于模塊化航天器組成模塊的在軌更換操作。


圖I是本發(fā)明提出的模塊化航天器組成模塊的在軌更換裝置軸測圖；圖2是模塊安裝結(jié)構(gòu)12軸測圖；圖3是模塊外殼結(jié)構(gòu)軸測圖；圖4是定位銷軸4軸測圖；圖5是彈簧導向滑桿a5軸測圖；圖6是彈簧導向滑孔7軸測圖；圖7是彈簧導向滑桿b8軸測圖；圖8是鎖鉤10軸測圖；圖9是導向銷軸11測圖；圖10是模塊裝入安裝結(jié)構(gòu)軸測圖；圖11是模塊從安裝結(jié)構(gòu)中拔出軸測圖；其中1.模塊前蓋板；2.模塊上蓋板；3.模塊殼體；4.定位銷軸；5.彈簧導向滑桿a ；6.壓縮彈簧a ；7.彈簧導向滑孔；8.彈簧導向滑桿b ；9.壓縮彈簧b ；10.鎖鉤；11.導向銷軸；12.模塊安裝結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明提出的模塊化航天器組成模塊的在軌更換裝置的具體結(jié)構(gòu)，及模塊的裝入和拔出過程進行詳細介紹。參閱圖I-圖9，本實施實例中的在軌更換裝置，包括多個模塊化航天器組成模塊與模塊安裝結(jié)構(gòu)12，所述模塊安裝結(jié)構(gòu)12固定于航天器本體上，所述的多個模塊化航天器組成模塊則安裝于模塊安裝結(jié)構(gòu)12中；多個模塊化航天器組成模塊外部完全一致，均為長方體狀；模塊安裝結(jié)構(gòu)12為剛性桁架結(jié)構(gòu)，并形成3個與長方體狀模塊化航天器組成模塊相配的長方體空腔，使得模塊化航天器組成模塊可以根據(jù)需要裝入相應的長方體空腔中；為了描述，定義所述長方體相鄰三條邊方向分別為x、y、z方向，其中，模塊化航天器組成模塊裝入模塊安裝結(jié)構(gòu)12的長方體空腔的水平運動方向為X方向，模塊化航天器組成模塊的厚度方向為z方向，第三方向為y方向；參閱圖2，本實施例中，模塊安裝結(jié)構(gòu)12由不同形狀的方形長桿拼接而成，各長桿之間用定位銷釘定位，并用雙頭螺桿和螺母沿各個方向?qū)⑵淅o，搭建成可靠性較高的剛性桁架結(jié)構(gòu)，桁架結(jié)構(gòu)的相應桿件上加工有倒角平面，以便于模塊的裝入和裝入過程中的導向。參閱圖I，單個的模塊化航天器組成模塊主要包括模塊前蓋板I、模塊上蓋板2、模塊殼體3、定位銷軸4、彈簧導向滑桿a5、壓縮彈簧a6、彈簧導向滑孔7、彈簧導向滑桿b8、壓·縮彈黃b9、鎖鉤10和導向銷軸11 ；參閱圖3，模塊殼體3用于裝填模塊內(nèi)部的功能零部件，模塊殼體3的外部側(cè)面采用加筋結(jié)構(gòu)，這樣不僅可以提供機械強度和剛度的支持，還能夠提供熱傳導途徑，實現(xiàn)模塊內(nèi)部與外部的熱傳遞；模塊殼體3的外部棱邊加工有相應的倒角平面，以便于對模塊殼體3進行安裝和導向。模塊前蓋板I位于模塊殼體3的前端面，并在其前端面上有上、下兩個凸片，上凸片提供用于更換模塊的空間機械臂或航天員夾持表面，下凸片提供用于導向的導向銷軸孔。模塊上蓋板2位于模塊殼體3的上端面，用于實現(xiàn)模塊的封裝。參閱圖I、圖4，定位銷軸4通過螺紋連接安裝于模塊殼體3的后端面，其軸線平行于X方向，定位銷軸4為由螺紋段和光滑段構(gòu)成的階梯軸，階梯軸的螺紋段用于和模塊殼體3前端面上相應的螺紋孔連接，階梯軸的光滑段用于實現(xiàn)整個模塊化航天器組成模塊在裝入時的精確定位，保證模塊上的電源、數(shù)據(jù)等接口正確與航天器本體上的相應接口相連。參閱圖5、圖6，彈簧導向滑孔7為中空結(jié)構(gòu)，通過螺紋連接于模塊殼體3或模塊前蓋板I上；壓縮彈簧a6安裝在彈簧導向滑桿a5和彈簧導向滑孔7之間，彈簧導向滑桿a5和彈簧導向滑孔7配合使用，共同組成X向壓縮彈簧a6的導向機構(gòu)，起到對壓縮彈簧a6的導向作用，彈簧導向滑桿a5的前端加工成光滑圓柱形表面，與模塊殼體3前端面上對應的插孔采用間隙配合的方式連接，彈簧導向滑桿a5前端的圓柱端面在模塊裝入航天器本體后受到擠壓，從而壓縮彈簧a6在預壓縮的基礎上受到再度壓縮，給整個模塊一個X反方向的作用力。參閱圖8，鎖鉤10為一位于模塊前蓋板I下凸片下方的帶鎖鉤平板；參閱圖11，導向銷軸11也為由螺紋段和光滑段組成的階梯軸結(jié)構(gòu)，其軸向與z向平行，其光滑段與模塊前蓋板I下凸片上的導向銷軸孔間隙配合，且光滑段端頭有凸臺與模塊前蓋板I下凸片的上表面止靠，其螺紋段與鎖鉤10平板形成螺紋連接；安裝時，導向銷軸11的端部螺紋穿過模塊前蓋板I下凸片上的導向銷軸孔與鎖鉤10平板上的螺紋孔連接，以便在鎖鉤10上下移動時，導向銷軸11能夠同時在模塊前蓋板I下凸片上的導向銷軸孔中滑動，起到對鎖鉤10的導向作用。壓縮彈簧b9安裝在彈簧導向滑桿b8和另一彈簧導向滑孔7之間，彈簧導向滑桿b8和另一彈簧導向滑孔7配合使用，共同組成z向壓縮彈簧b9的導向機構(gòu)，起到對壓縮彈簧b9的導向作用，彈簧導向滑桿b8的下端與鎖鉤10平板形成螺紋連接，該彈簧導向滑孔7連接于模塊前蓋板I上；這樣，鎖鉤10是在彈簧導向滑桿b8和導向銷軸11構(gòu)成的雙導向軌道內(nèi)滑動，避免了鎖鉤在上下運動過程中的卡死現(xiàn)象。使用過程一模塊化航天器組成模塊的裝入過程。
參閱圖10，本實施實例中模塊化航天器組成模塊在裝入模塊安裝結(jié)構(gòu)12中時，空間機械臂或航天員分別夾持著模塊前蓋板I上凸片表面和鎖鉤10平板的下表面，此時，壓縮彈簧b9受到壓縮，鎖鉤10在彈簧導向滑桿b8和導向銷軸11構(gòu)成的雙導向軌道內(nèi)向上滑動。在相應測量系統(tǒng)的監(jiān)測下，模塊與模塊安裝結(jié)構(gòu)12相應的空腔進行對中，然后，空間機械臂或航天員推動模塊沿模塊安裝結(jié)構(gòu)12上的倒角平面滑動進入安裝結(jié)構(gòu)12相應空腔中，安裝到達預定位置后，彈簧導向滑桿a5的光滑圓柱前端面受到航天器本體結(jié)構(gòu)表面的擠壓，使得壓縮彈簧a6在預壓縮的基礎上再度受到壓縮，給整個模塊一個X反方向的作用力，同時，空間機械臂或航天員松開鎖鉤10，鎖構(gòu)10在壓縮彈簧b9的作用下進入鎖定位置，并在壓縮彈簧a6的作用下與安裝結(jié)構(gòu)12有效貼合而不會使模塊沿安裝方向，即X方向發(fā)生松動，實現(xiàn)模塊的可靠安裝。依次裝入所需的所有模塊。使用過程一模塊化航天器組成模塊的拔出過程。參閱圖11，本實施實例中模塊化航天器組成模塊在從安裝結(jié)構(gòu)12中拔出時，空間機械臂或航天員分別夾持著相應模塊化航天器組成模塊前蓋板I上凸片表面和鎖鉤10的下表面，此時，壓縮彈簧b9受到壓縮，鎖鉤10在彈簧導向滑桿b8和導向銷軸11構(gòu)成的雙導向軌道內(nèi)向上滑動，空間機械臂或航天員夾持著模塊沿安裝結(jié)構(gòu)12上的倒角平面拔出，在剛拔出時，彈簧導向滑桿a5的光滑圓柱形表面的前端面與航天器本體結(jié)構(gòu)表面分離，壓縮彈簧a6得到釋放并推動彈簧導向滑桿a5恢復至初始狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種模塊化航天器組成模塊的在軌更換裝置，其特征在于包括多個模塊化航天器組成模塊與模塊安裝結(jié)構(gòu)(12)，所述模塊安裝結(jié)構(gòu)(12)固定于航天器本體上，所述的多個模塊化航天器組成模塊則安裝于模塊安裝結(jié)構(gòu)(12)中； 多個模塊化航天器組成模塊外部完全一致，均為長方體狀；模塊安裝結(jié)構(gòu)(12)為剛性桁架結(jié)構(gòu)，并形成多個與長方體狀模塊化航天器組成模塊相配的長方體空腔，使得模塊化航天器組成模塊可以根據(jù)需要裝入相應的長方體空腔中；定義所述長方體相鄰三條邊方向分別為X、I、z方向，其中，模塊化航天器組成模塊裝入模塊安裝結(jié)構(gòu)(12)的長方體空腔的水平運動方向為X方向，模塊化航天器組成模塊的厚度方向為z方向，第三方向為y方向；單個的模塊化航天器組成模塊主要包括模塊前蓋板(I)、模塊上蓋板(2)、模塊殼體(3)、定位銷軸(4)、彈簧導向滑桿a (5)、壓縮彈簧a (6)、彈簧導向滑孔(7)、彈簧導向滑桿b (8)、壓縮彈簧b (9)、鎖鉤(10)和導向銷軸(11); 模塊殼體(3)用于裝填模塊內(nèi)部的功能零部件； 模塊前蓋板(I)位于模塊殼體(3)的前端面，并在其前端面上有上、下兩個凸片； 模塊上蓋板(2)位于模塊殼體(3)的上端面； 定位銷軸(4)通過螺紋連接安裝于模塊殼體(3)的后端面,其軸線平行于X方向，定位銷軸(4)為由螺紋段和光滑段構(gòu)成的階梯軸，階梯軸的螺紋段用于和模塊殼體(3)前端面上相應的螺紋孔連接，階梯軸的光滑段伸出模塊殼體(3)的后端面；彈簧導向滑孔(7)為中空結(jié)構(gòu)，連接于模塊殼體(3)或模塊前蓋板(I)上；壓縮彈簧a(6)安裝在彈簧導向滑桿a (5)和彈簧導向滑孔(7)之間，彈簧導向滑桿a (5)和彈簧導向滑孔(7)配合使用，共同組成X向壓縮彈簧a (6)的導向機構(gòu)，彈簧導向滑桿a (5)的前端加工成光滑圓柱形表面，與模塊殼體(3)前端面上對應的插孔采用間隙配合的方式連接；鎖鉤(10)為一位于模塊前蓋板(I)下凸片下方的帶鎖鉤平板； 導向銷軸(11)也為由螺紋段和光滑段組成的階梯軸結(jié)構(gòu)，其軸向與z向平行，其光滑段與模塊前蓋板(I)下凸片上的導向銷軸孔間隙配合，且光滑段端頭有凸臺與模塊前蓋板(I)下凸片的上表面止靠，其螺紋段與鎖鉤(10)平板形成螺紋連接； 壓縮彈簧b (9)安裝在彈簧導向滑桿b (8)和另一彈簧導向滑孔(7)之間，彈簧導向滑桿b (8)和另一彈簧導向滑孔(7)配合使用，共同組成z向壓縮彈簧b (9)的導向機構(gòu)；彈簧導向滑桿b (8)的下端與鎖鉤(10)平板連接，該彈簧導向滑孔(7)連接于模塊前蓋板(I)上。
2.一種如權(quán)利要求I所述的模塊化航天器組成模塊的在軌更換裝置，其特征在于所述模塊殼體(3)的外部側(cè)面采用加筋結(jié)構(gòu)。
3.—種如權(quán)利要求I所述的模塊化航天器組成模塊的在軌更換裝置，其特征在于所述模塊殼體(3)的外部棱邊加工有相應的倒角平面。
全文摘要
本發(fā)明設計了一種用于實現(xiàn)模塊化航天器組成模塊在軌更換的機械裝置，包括多個模塊化航天器組成模塊與模塊安裝結(jié)構(gòu)12，所述的多個模塊化航天器組成模塊則安裝于模塊安裝結(jié)構(gòu)12中。該裝置在不影響航天器上其他模塊功能的情況下，僅通過空間機械臂或航天員對更換裝置進行簡單的夾持操作即可完成功能模塊或故障模塊的插拔式更換，使航天器實現(xiàn)系統(tǒng)的重構(gòu)，完成功能上的升級，極大地提高了航天器的空間生存能力，提升了航天器的運行可用性。從整體而言，該航天器組成模塊的在軌更換裝置具有連接可靠，結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，能夠?qū)崿F(xiàn)航天器組成模塊的重復更換等優(yōu)點，適合于模塊化航天器組成模塊的在軌更換操作。
文檔編號B64G1/66GK102837831SQ20121034680
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者劉更, 黨金良, 佟瑞庭, 劉振帥, 馬尚君, 劉嵐, 吳立言, 楊小輝, 王海偉 申請人:西北工業(yè)大學