專利名稱：模塊化航天器有效載荷連接裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于實現(xiàn)模塊化航天器有效載荷在軌更換的機械連接裝置。
現(xiàn)有技術(shù)模塊化航天器是近年來提出并發(fā)展的一種新型航天器。常用的航天器有效載荷被設(shè)計成標準的模塊單元，通過在軌更換模塊單元，航天器完成在軌燃料補給、組件更換、設(shè)備升級等任務(wù)，極大提高了航天器在軌服務(wù)與空間生存能力。而有效載荷與航天器之間的機械連接裝置在航天器模塊化設(shè)計過程中占有重要的地位。在現(xiàn)有的航天器設(shè)計中，連接機構(gòu)主要采用桿-錐式對接機構(gòu)，釋放裝置則多采用火工裝置。桿-錐式對接機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，重量輕；然而相對于體積較小的模塊化航天器， 桿-錐式對接機構(gòu)的軸向尺寸較大，無法合理有效地利用航天器內(nèi)部空間，因而不適合模塊化航天器有效載荷的連接與更換。火工裝置是航天器上使用最早，應(yīng)用最廣的釋放裝置，具有體積小、重量輕、技術(shù)成熟、性能可靠等優(yōu)點；但是火工裝置在應(yīng)用時控制程序嚴格，具體操作繁瑣，工作時沖擊較大且伴隨有害氣體產(chǎn)生，嚴重影響了航天器內(nèi)部有效載荷的正常工作。另外，火工裝置工作后不能再次使用，無法滿足有效載荷在軌更換要求。

發(fā)明內(nèi)容
在現(xiàn)有的航天器設(shè)計中，連接、釋放裝置存在諸多不足之處，如軸向尺寸較大，工作時存在較大沖擊振動，工作后無法再次使用等問題。這些因素不僅忽略了模塊化航天器具有體積小、可更換等特點，而且極大地阻礙了航天器有效載荷及時有效地完成更換任務(wù)，進而制約了航天器模塊化的發(fā)展。因此，本發(fā)明的目的就是發(fā)明一種軸向尺寸較小，結(jié)構(gòu)簡單，工作平穩(wěn)可靠，能夠重復實現(xiàn)在軌連接和拆卸有效載荷的模塊化機械連接裝置。本發(fā)明的技術(shù)方案是參閱圖I-圖9，模塊化航天器有效載荷連接裝置，主要包括有效載荷組件I、安裝底板2、支撐套筒3、鉸制孔螺栓4、導向銷軸6、傳動組件7、蝸輪蝸桿減速電機組件8、電機安裝板9 ；有效載荷組件I的安裝端面上連接有固定接頭11和導向定位銷軸12，端面中心安裝有觸發(fā)開關(guān)壓頭10 ；安裝底板2固定安裝于航天器本體，安裝底板2的一個端面與有效載荷組件I的一個端面相靠，該端面上分布有一系列貫穿的圓孔和長槽，主要包括轉(zhuǎn)盤軸承組件連接安裝孔、固定接頭插孔、導向定位銷軸插孔、T型槽、鉸制孔螺栓連接孔。有效載荷組件I端面的固定接頭11、導向定位銷軸12和觸發(fā)開關(guān)壓頭10分別通過安裝底板2上的固定接頭插孔、導向定位銷軸插孔和觸發(fā)開關(guān)壓頭通孔穿出；為了便于模塊在裝入時進行調(diào)節(jié)和對中，所述的固定接頭插孔和導向銷軸插孔上可加工倒角。安裝底板2的另一端面上裝有支撐套筒3、鉸制孔螺栓4、導向銷軸6、傳動組件7、蝸輪蝸桿減速電機組件8、電機安裝板9 ；固定在安裝底板2上的鉸制孔螺栓4的外圍套有支撐套筒3，用于支撐電機安裝板9 ；電機安裝板9用于安裝蝸輪蝸桿減速電機組件8，鉸制孔螺栓4除具有連接功能外，還具有定位功能，可用于實現(xiàn)電機安裝板9的連接與定位。參閱圖4，所述傳動組件7主要包括齒條5、小齒輪13和轉(zhuǎn)盤軸承組件14。小齒輪13與蝸輪蝸桿減速電機組件8的輸出軸通過鍵連接的形式配合，小齒輪13的端面和輸出軸端面之間用軸端擋圈和螺釘實現(xiàn)軸向定位。轉(zhuǎn)盤軸承組件14主要由轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)圈、滾珠和轉(zhuǎn)盤軸承外圈組成，轉(zhuǎn)盤軸承外圈和內(nèi)圈的厚度不相等，轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)圈連接固定在安裝底板2上，小齒輪13和齒條5均位于轉(zhuǎn)盤軸承外圈的外周并均與之嚙合。各齒條5與其上的導向銷軸6連接，導向銷軸6只能在安裝底板2上的相應(yīng)的T型槽中直線運動，使得齒條5也只能沿T型槽直線運動。齒條5中部開有寬度不同的酒瓶狀長槽，較窄部分的寬度與有效載荷組件I中固定接頭11的細頸處寬度相同，固定接頭11無法從長槽中較窄部分穿過，長槽較寬部分的寬度比有效載荷組件I中固定接頭11的頭部 寬度略大，固定接頭11可以從長槽較寬部分中過。蝸輪蝸桿減速電機組件8主要由電機和蝸輪蝸桿減速器組成。蝸桿的螺旋線升角小于嚙合面的當量摩擦角，使得蝸輪蝸桿減速器便具有自鎖性能，該自鎖性能保證了蝸輪蝸桿減速電機在斷電的情況下，其輸出軸不會由于外力的作用而發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)有效載荷組件I的可靠鎖定。使用過程一模塊化航天器有效載荷連接裝置的連接過程如圖10所示，有效載荷組件I在外加載荷，如機械臂等的作用下，從遠處向安裝底板2靠近。此時，在導向定位銷軸12的導向定位作用下，固定接頭11依次經(jīng)安裝底板2上固定接頭插孔、齒條5上酒瓶狀長槽的寬邊處通過；直到有效載荷組件I端面的觸發(fā)開關(guān)壓頭10經(jīng)安裝底板2上的通孔擠壓蝸輪蝸桿減速電機開關(guān)，啟動蝸輪蝸桿減速電機組件8。蝸輪蝸桿減速電機組件8通過鍵連接帶動小齒輪13，動力通過齒輪傳動與齒輪齒條傳動，依次從小齒輪13、轉(zhuǎn)盤軸承組件14的外齒圈傳遞到齒條5，齒條5在導向銷軸6的導向作用下，沿安裝底板2上T形槽產(chǎn)生運動，齒條5上酒瓶狀長槽與有效載荷組件I上的固定接頭11及安裝底板2上的固定接頭插孔發(fā)生相對位移。蝸輪蝸桿減速電機轉(zhuǎn)動一定角度自動停車，此時安裝底板2上的固定接頭插孔與齒條5上酒瓶狀長槽的窄邊相通，有效載荷組件I上的固定接頭11無法從齒條5上酒瓶狀長槽窄邊處通過，有效載荷組件I與安裝底板2相對位置固定，完成了有效載荷的連接。使用過程二 模塊化航天器有效載荷連接裝置的拆卸過程參閱圖11，通過信號控制，蝸輪蝸桿減速電機組件8反轉(zhuǎn)，蝸輪蝸桿減速電機組件8通過鍵連接帶動小齒輪13，動力通過齒輪傳動與齒輪齒條傳動，依次從小齒輪13、轉(zhuǎn)盤軸承外齒圈傳遞到齒條5，齒條5上長槽與固定接頭插孔發(fā)生相對位移。安裝底板2上固定接頭插孔與齒條5上酒瓶狀長槽的相對位置由窄邊相通變?yōu)閷掃呄嗤?，固定接頭11能夠從寬邊處通過。在外加載荷，如機械臂等的作用下，固定接頭11從安裝底板2中抽出，有效載荷組件與安裝底板分離，完成拆卸。本發(fā)明的效果是所述模塊化航天器有效載荷連接裝置使用蝸輪蝸桿減速電機作為原動件，由于蝸輪蝸桿減速電機具有技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)緊湊和性能可靠等優(yōu)點，確保了動力源的可靠性與有效性，同時蝸輪蝸桿減速電機在停車時具有反向自鎖性，保證了連接裝置在電機停轉(zhuǎn)時連接的可靠性；使用滾珠轉(zhuǎn)盤軸承，降低了摩擦損耗，提高了傳動效率；使用齒輪齒條傳動，使得整體結(jié)構(gòu)緊湊，傳動效率高，便于精確控制；使用“酒瓶”狀長槽與固定接頭相結(jié)合的方式連接拆卸有效載荷，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。從整體而言，相比與現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有軸向尺寸緊湊，結(jié)構(gòu)簡單，工作平穩(wěn)，能夠重復實現(xiàn)有效載荷的連接拆卸等優(yōu)點，適合于模塊化航天器有效載荷的在軌更換。


圖I是本發(fā)明提出的模塊化航天器有效載荷連接裝置軸測圖；圖2是有效載荷組件軸測圖；圖3是安裝底板軸測圖；
圖4是傳動組件平面圖；圖5是電機安裝板軸測圖；圖6是齒條軸測圖；圖7是導向銷軸軸測圖；圖8是固定接頭軸測圖；圖9是導向定位銷軸軸測圖；圖10是連接裝置連接狀態(tài)軸測圖；圖11是連接裝置拆卸狀態(tài)軸測圖；其中1.有效載荷組件；2.安裝底板；3.支撐套筒；4.鉸制孔螺栓；5.齒條；6.導向銷軸；7.傳動組件；8.蝸輪蝸桿減速電機組件；9.電機安裝板；10.觸發(fā)開關(guān)壓頭；
11.固定接頭；12.導向定位銷軸；13.小齒輪；14轉(zhuǎn)盤軸承組件。實施實例參閱圖I-圖9，本實施例中的模塊化航天器有效載荷連接裝置主要包括有效載荷組件I、安裝底板2、支撐套筒3、鉸制孔螺栓4、導向銷軸6、傳動組件7、蝸輪蝸桿減速電機組件8、電機安裝板9 ；有效載荷組件I的主體為六棱柱結(jié)構(gòu)，在安裝端面上繞六邊形中心圓周均布三個固定接頭11和三個導向定位銷軸12，固定接頭11與導向定位銷軸12通過螺紋連接安裝在六棱柱主體上；在其端面中心安裝有觸發(fā)開關(guān)壓頭10，在外加載荷作用下經(jīng)安裝底板2上通孔擠壓對應(yīng)位置蝸輪蝸桿減速電機組件8的開關(guān)，用于啟動電機。安裝底板2固定安裝于航天器本體，外形為與有效載荷組件I六棱柱結(jié)構(gòu)一致的六棱柱構(gòu)型，其上分布有一系列貫穿的圓孔和長槽，主要包括轉(zhuǎn)盤軸承組件連接安裝孔、固定接頭插孔、導向定位銷軸插孔、T型槽、鉸制孔螺栓連接孔。安裝底板2的一個端面與有效載荷組件I的一個端面相靠，且有效載荷組件I端面的固定接頭11、導向定位銷軸12和觸發(fā)開關(guān)壓頭10分別通過安裝底板2上的固定接頭插孔、導向定位銷軸插孔和觸發(fā)開關(guān)壓頭通孔穿出；所述的固定接頭插孔和導向銷軸插孔上加工有倒角是為了便于模塊在裝入時進行調(diào)節(jié)和對中。安裝底板2的另一端面上裝有支撐套筒3、鉸制孔螺栓4、導向銷軸6、傳動組件7、蝸輪蝸桿減速電機組件8、電機安裝板9 ；
固定在安裝底板2上的鉸制孔螺栓4的外圍套有支撐套筒3，用于支撐電機安裝板9 ；電機安裝板9用于安裝蝸輪蝸桿減速電機組件8，鉸制孔螺栓4除具有連接功能外，還具有定位功能，可用于實現(xiàn)電機安裝板9的連接與定位。參閱圖4，所述傳動組件7主要包括齒條5、小齒輪13和轉(zhuǎn)盤軸承組件14。小齒輪13與蝸輪蝸桿減速電機組件8的輸出軸通過鍵連接的形式配合，小齒輪13的端面和輸出軸端面之間用軸端擋圈和螺釘實現(xiàn)軸向定位。轉(zhuǎn)盤軸承組件14主要由轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)圈、滾珠和轉(zhuǎn)盤軸承外圈組成，轉(zhuǎn)盤軸承外圈和內(nèi)圈的厚度不相等，轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)圈通過螺釘連接固定在安裝底板2上，小齒輪13和三個周向均布的齒條5均位于轉(zhuǎn)盤軸承外圈的外周并均與之嚙合。各齒條5與其上的導向銷軸6通過螺紋連接在一起，導向銷軸6只能在安裝底板2上的相應(yīng)的T型槽中直線運動，使得齒條5也只能沿T型槽直線運動。齒條5中部開有寬度不同的酒瓶狀長槽，較窄部分的寬度與有效載荷組件I中固定接頭11的細頸處寬度相同，固定接頭11無法從長槽中較窄部分穿過，長槽較寬部分的寬度比有效載荷組件I中固定接頭11的頭部寬度略大，固定接頭11可以從長槽較寬部分中過。 蝸輪蝸桿減速電機組件8主要由電機和蝸輪蝸桿減速器組成。蝸桿的螺旋線升角小于嚙合面的當量摩擦角，使得蝸輪蝸桿減速器便具有自鎖性能，該自鎖性能保證了蝸輪蝸桿減速電機在斷電的情況下，其輸出軸不會由于外力的作用而發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)有效載荷組件I的可靠鎖定。使用過程一模塊化航天器有效載荷連接裝置的連接過程如圖10所示，有效載荷組件I在外加載荷，如機械臂等的作用下，從遠處向安裝底板2靠近。此時，在導向定位銷軸12的導向定位作用下，固定接頭11依次經(jīng)安裝底板2上固定接頭插孔、齒條5上酒瓶狀長槽的寬邊處通過；直到有效載荷組件I端面的觸發(fā)開關(guān)壓頭10經(jīng)安裝底板2上的通孔擠壓蝸輪蝸桿減速電機開關(guān)，啟動蝸輪蝸桿減速電機組件8。蝸輪蝸桿減速電機組件8通過鍵連接帶動小齒輪13，動力通過齒輪傳動與齒輪齒條傳動，依次從小齒輪13、轉(zhuǎn)盤軸承組件14的外齒圈傳遞到齒條5，齒條5在導向銷軸6的導向作用下，沿安裝底板2上T形槽產(chǎn)生運動，齒條5上酒瓶狀長槽與有效載荷組件I上的固定接頭11及安裝底板2上的固定接頭插孔發(fā)生相對位移。蝸輪蝸桿減速電機轉(zhuǎn)動一定角度自動停車，此時安裝底板2上的固定接頭插孔與齒條5上酒瓶狀長槽的窄邊相通，有效載荷組件I上的固定接頭11無法從齒條5上酒瓶狀長槽窄邊處通過，有效載荷組件I與安裝底板2相對位置固定，完成了有效載荷的連接。使用過程二模塊化航天器有效載荷連接裝置的拆卸過程參閱圖11，通過信號控制，蝸輪蝸桿減速電機組件8反轉(zhuǎn)，蝸輪蝸桿減速電機組件8通過鍵連接帶動小齒輪13，動力通過齒輪傳動與齒輪齒條傳動，依次從小齒輪13、轉(zhuǎn)盤軸承外齒圈傳遞到齒條5，齒條5上長槽與固定接頭插孔發(fā)生相對位移。安裝底板2上固定接頭插孔與齒條5上酒瓶狀長槽的相對位置由窄邊相通變?yōu)閷掃呄嗤ǎ潭ń宇^11能夠從寬邊處通過。在外加載荷，如機械臂等的作用下，固定接頭11從安裝底板2中抽出，有效載荷組件與安裝底板分離，完成拆卸。
權(quán)利要求
1.模塊化航天器有效載荷連接裝置，其特征在于主要包括有效載荷組件(I)、安裝底板(2)、支撐套筒(3)、鉸制孔螺栓(4)、導向銷軸(6)、傳動組件(7)、蝸輪蝸桿減速電機組件(8)、電機安裝板(9)； 有效載荷組件(I)的安裝端面上連接有固定接頭(11)和導向定位銷軸(12)，端面中心安裝有觸發(fā)開關(guān)壓頭(10)； 安裝底板(2)固定安裝于航天器本體，安裝底板(2)的一個端面與有效載荷組件(I)的一個端面相靠，該端面上分布有一系列貫穿的圓孔和長槽，主要包括轉(zhuǎn)盤軸承組件連接安裝孔、固定接頭插孔、導向定位銷軸插孔、T型槽、鉸制孔螺栓連接孔；有效載荷組件(I)端面的固定接頭(11)、導向定位銷軸(12)和觸發(fā)開關(guān)壓頭(10)分別通過安裝底板(2)上的固定接頭插孔、導向定位銷軸插孔和觸發(fā)開關(guān)壓頭通孔穿出； 安裝底板(2)的另一端面上裝有支撐套筒(3)、鉸制孔螺栓(4)、導向銷軸(6)、傳動組件(7 )、蝸輪蝸桿減速電機組件(8 )、電機安裝板(9 ); 固定在安裝底板(2)上的鉸制孔螺栓(4)外圍套有支撐套筒(3)，用于支撐電機安裝板(9);電機安裝板(9)用于安裝蝸輪蝸桿減速電機組件(8)； 所述傳動組件(7)包括齒條(5)、小齒輪(13)和轉(zhuǎn)盤軸承組件(14);小齒輪(13)與蝸輪蝸桿減速電機組件(8)的輸出軸通過鍵連接的形式配合，小齒輪(13)的端面和輸出軸端面之間用軸端擋圈和螺釘實現(xiàn)軸向定位；轉(zhuǎn)盤軸承組件(14)主要由轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)圈、滾珠和轉(zhuǎn)盤軸承外圈組成，轉(zhuǎn)盤軸承外圈和內(nèi)圈的厚度不相等，轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)圈連接固定在安裝底板(2)上，小齒輪(13)和齒條(5)均位于轉(zhuǎn)盤軸承外圈的外周并均與之嚙合； 各齒條(5)與其上的導向銷軸(6)連接，導向銷軸(6)只在安裝底板(2)上的相應(yīng)的T型槽中直線運動；齒條(5)中部開有寬度不同的酒瓶狀長槽，較窄部分的寬度與有效載荷組件(I)中固定接頭(11)的細頸處寬度相同；長槽較寬部分的寬度比有效載荷組件(I)中固定接頭(11)的頭部覽度略大； 蝸輪蝸桿減速電機組件(8)主要由電機和蝸輪蝸桿減速器組成；蝸桿的螺旋線升角小于嚙合面的當量摩擦角。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種模塊化航天器有效載荷連接裝置。該裝置主要包括有效載荷組件1、安裝底板2、支撐套筒3、鉸制孔螺栓4、導向銷軸6、傳動組件7、蝸輪蝸桿減速電機組件8、電機安裝板9。本發(fā)明使用蝸輪蝸桿減速電機作為原動件，使用齒輪齒條傳動，使得整體結(jié)構(gòu)緊湊，傳動效率高，便于精確控制；使用“酒瓶”狀長槽與固定接頭相結(jié)合的方式連接拆卸有效載荷，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。從整體而言，相比與現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有軸向尺寸緊湊，結(jié)構(gòu)簡單，工作平穩(wěn)，能夠重復實現(xiàn)有效載荷的連接拆卸等優(yōu)點，適合于模塊化航天器有效載荷的在軌更換。
文檔編號B64G1/66GK102837832SQ20121034739
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, 劉振帥, 佟瑞庭, 黨金良, 馬尚君, 劉嵐, 楊小輝, 王海偉 申請人:西北工業(yè)大學