CN103729507A

CN103729507A - 魔方卫星及其设计方法

Info

Publication number: CN103729507A
Application number: CN201310719458.8A
Authority: CN
Inventors: 崔本杰
Original assignee: Shanghai Institute of Satellite Engineering
Current assignee: Shanghai Institute of Satellite Engineering
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2013-12-23
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2033-12-23
Also published as: CN103729507B

Abstract

本发明给出一种魔方卫星及其设计方法，包括步骤：步骤A：基本构型设计，步骤B，重构方式设计，步骤C，磁悬浮万向机构与无线输电的整合设计，步骤D，各分系统功能设计。本发明的优越性体现在于，将魔方的独特性质，借鉴到卫星设计中，使卫星内外布局，也能像魔方一样千变万化，用于执行各类任务。通过魔方卫星内驱动立方体单元的位置和指向重构，可用于实现多种任务，使卫星的能力具有极强的扩展性和可变性。

Description

魔方卫星及其设计方法

技术领域

本发明涉及航天飞行器总体设计领域，尤其为一种魔方卫星总体方案构想，具体地为一种通过魔方卫星Cube（立方体）单元的位置和指向重构，可用于实现多种任务，使卫星的能力具有极强的扩展性和可变性。

背景技术

魔方（Rubik’s Cube）又叫魔术方块，也称鲁比克方块。是匈牙利布达佩斯建筑学院厄尔诺·鲁比克教授在1974年发明的。魔方系由富于弹性的硬塑料制成的6面正方体。魔方的两个极其重要和神奇的特性：组合状态千变万化：任意角块间的状态无相关性，既可通过有限次转动实现任意状态变换；二阶魔方（Pocket Rubik’sCube或Mini Cube），为2×2×2的立方体结构，六个面，由8个角块构成，总共有3,674,160种变化。任意状态转换仅需较少的转动次数实现：现已证明，任意二阶魔方状态的最少还原步数为11（三阶最少步数20）。有多重算法可在较短时间内求出最优解。

现阶段，大多数卫星就是基于一个方盒子，表面布置着各类载荷、敏感器、太阳阵等外展外延部件。一个卫星设计完成，其表面和内部结构的相对关系，往往就固定了，在轨运行各阶段跟随特定的姿态基准（对日、对地、偏航导引等），完成既定任务。

相信随着人类进步，对卫星功能和任务多样化的需求将进一步增强，携带多种载荷、执行多类任务的一类卫星将是一个发展方向（如气象卫星的各类光学探测器、电子侦察卫星的各频段天线或光学电子SAR一体卫星）。由于整星包络和对地面相对固定等限制，传统的航天设计理念将因此受到持续的挑战，或无法满足要求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明将魔方的独特性质，借鉴到卫星设计中，目的是提供一种魔方卫星，使卫星内外布局，也能像魔方一样千变万化，用于执行各类任务。

根据本发明提供的魔方卫星，包括：平台立方体单元、可变立方体单元、魔方磁悬浮万向转动机构；其中，可变立方体单元通过魔方磁悬浮万向转动机构连接平台立方体单元；平台立方体单元的空间位置相对固定。

优选地，可变立方体单元位于平台立方体单元的三维+X+Y+Z方向组成的包络一侧。

优选地，魔方磁悬浮万向转动机构为球面磁悬浮支撑结构，球面磁悬浮支撑结构使得每个可变立方体单元相对平台立方体单元的球面支承间具有一定范围的相对滑动。

优选地，还包括设置在平台立方体单元上的可控定位销机构，其中，可控定位销机构与球面磁悬浮支撑结构相配合以对平台立方体单元与可变立方体单元之间的位置提供精确定位。

优选地，还包括设置在平台立方体单元与可变立方体单元之间的无线电磁耦合供电系统，魔方磁悬浮万向转动和无线电磁耦合供电系统均为磁芯线圈绕阻结构，且整合成为万向节与无线输电一体化系统。

优选地，还包括设置在可变立方体单元上的通信分系统，其中，通信分系统包括采用无线方式互联的装置：测控装置、数传装置、中继装置、星间链路装置、GPS装置。

优选地，还包括姿轨控系统，其中，姿轨控系统布置在平台立方体单元和/或可变立方体单元上。

根据本发明提供的上述的魔方卫星的设计方法，包括如下步骤：

步骤A，进行基本构型设计；

步骤B，进行重构方式设计；

步骤C，进行魔方磁悬浮万向转动机构与无线输电的整合设计；

步骤D，各分系统功能设计。

优选地，魔方卫星的重构，是指通过内部作用，驱动可变立方体单元的位置和指向的变化。

优选地，在步骤D中，将姿轨控系统星敏、太敏这些空间指向敏感型敏感器，根据任务布置于平台立方体单元和/或可变立方体单元上；在可变立方体单元变换前后，姿态稳定控制，变换过程中不控；在特定变换开始前，提前预置姿态指向，使变换后姿态与所需姿态基准重合，降低姿态捕获时间。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明将魔方的独特性质，借鉴到卫星设计中，使卫星内外布局，也能像魔方一样千变万化，用于执行各类任务。通过魔方卫星内驱动立方体单元的位置和指向重构，可用于实现多种任务，使卫星的能力具有极强的扩展性和可变性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为魔方卫星构型图；

图2为空间坐标系象限；

图3、4、5为磁悬浮动量轮的支撑结构不同方向上的平动原理示意图；

图6为初始状态各单元展开图；

图7为变换后状态各单元展开图。

图中：

101为可变立方体单元；

102为平台立方体单元；

103为二维驱动太阳阵。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提出了一种基于魔方理念的卫星方案设想，魔方卫星（Rubik’s CubeSatellite）的设计充分借鉴了魔方组合状态多变和各状态间有限次转动可达的特性，在携带多种载荷情况下，通过魔方卫星立方体单元（Cube单元）的位置和指向重构，可用于实现多种任务，使卫星的能力具有极强的扩展性和可变性。设计了基于平台立方体单元和可变立方体单元组成的魔方卫星总体方案。

步骤A，基本构型设计

魔方卫星可基于各阶魔方，这里以二阶魔方为例。二阶魔方包括8个立方体单元，每个立方体单元的三个面均可以布置不同类型的设备。用于广泛的空间任务拓展。魔方卫星包含平台立方体单元和可变立方体单元两类模块，主要构型如图1：

在步骤A中，平台立方体单元的空间位置相对固定，空间指向不随魔方构型变化而变化，主要包含卫星平台大部分单机，外部单机包含各类天线（测控、GPS、中继等）、太阳阵、各类姿态敏感器、推力器等。

在步骤A中，可变立方体单元的各单元相互关系可类似魔方而变化，但均位于平台立方体单元的+X+Y+Z组成的包络一侧（VII象限），提供了最多7个Cube空间和21个面用于各类载荷安装和布局，只要立方体单元可容纳，且表面安装后无干涉，均可列为Cube可用载荷。

例如，载荷有如下种类：

对地成像类：各谱段光学成像相机、扫描成像仪、SAR成像等；

电子侦察载荷：各频段侦收天线、天线阵；

通信载荷类：星地通信、数传、测控、中继等天线；

监视与对抗类：监视相机、各类空间攻防载荷；

服务与操作类：机械臂、对接口、加注口、弹射器等；

科学实验类：空间环境探测、特殊实验类等；

实际载荷范围不局限于以上各类，只要立方体单元可容纳，且表面安装后无干涉，均可列为Cube可用载荷。

步骤B，重构方式设计

魔方卫星的重构，指通过内部作用，立方体单元的位置和指向的变化。

步骤B中，各立方体单元位置可用空间坐标系象限描述；

单元的初始编号定义为1-8，分别对应I-VIII象限，三个面初始状态对应关系为X轴对应面1，Y轴对应面2，Z轴对应面3。如图2示出的VII象限的1面可描述为7-1表面。

空间指向可描述为：1位于X轴上为A状态，1位于Y轴上为B状态，1位于Z轴上为C状态。如下图红色立方体单元位置和指向从VII-A状态变换为VI-C状态。

步骤C，磁悬浮万向机构与无线输电的整合设计

采用魔方磁悬浮万向转动和无线电磁耦合供电系统，二者均为磁芯线圈绕阻结构，可整合成为万向节与无线输电一体化系统，将带来极大的便利。

具体的：

a.机构方面

主要用于实现模块单元多样的旋转变化，不同于魔方的外部驱动方式，魔方卫星需能够从内部驱动旋转，这对传统机构设计提出了一定挑战。

但幸运的是，随着磁悬浮轴承的发展，磁悬浮可控球轴承将应运而生，这类似于万向磁悬浮动量轮，采用球面磁悬浮支撑结构，使得每个单元相对平台基准单元的球面支承间可以实现一定范围的相对滑动，保证具有万向结构，但中央球铰两端磁路设计就成为关键，考虑到魔方卫星仅存在特定的旋转角状态，将一定程度降低磁路复杂度。魔方单元间的相对位置精度，可通过可控定位销机构等来实现。

b.供电方面

电能流向方式可有两种，集中供电式：与目前绝大多数卫星相似，讲光能、核能、燃料内能转换汇集后（如从太阳阵到电池或电源母线），供给各模块能源；分布供电式：每个单元可能源自给自足，也可为其他模块供电。

由于2阶魔方卫星每个模块都可任意角度旋转，各模块的电源供给无法采用传统的电缆输电，随着无线输电技术成熟，必将应用于空间领域。

电磁耦合，类似于把变压器的两个绕组分开，通过电磁感应，实现电能传输，如图4、5、6所示。

魔方磁悬浮万向转动和无线电磁耦合供电系统，均为磁芯线圈绕阻结构，可整合成为万向节与无线输电一体化系统。

步骤D，各分系统功能设计

通信分系统：含测控、数传、中继、星间链路、GPS（或北斗）等，各单元采用Wifi等无线方式互联，较大天线已载荷形式安装于某单元表面，根据需求有限次转动单元重构后，满足特定指向。

姿轨控系统设计：敏感器主要配置星敏、陀螺、太敏、GPS（或北斗）等；其中星敏、太敏等空间指向敏感型敏感器（太阳光、地气光等），可根据任务布置于平台立方体单元或可变立方体单元上。执行机构包括飞轮、推力器、控制力矩陀螺等。在魔方立方体单元变换前后，姿态稳定控制，变换过程中不控。可在特定变换开始前，提前预置姿态指向，使变换后姿态与所需姿态基准重合，降低姿态捕获时间。

执行机构包括飞轮、推力器、控制力矩陀螺等。

在魔方立方体单元变换前后，姿态稳定控制，变换过程中不控。可在特定变换开始前，提前预置姿态指向，使变换后姿态与所需姿态基准重合，降低姿态捕获时间。

其他分系统，如结构、综合电子、热控、总体电路等、类似常规卫星，需考虑一定的技术先进性。

假设魔方卫星表面搭载了设备载荷，各立方体单元的3个表面用正方体展开描述如下：

设魔方卫星初始状态为对地应用电子侦察天线阵1进行电子侦察，在接到任务指令后，切换到以电子侦察天线阵2对地侦收，以对星雷达和对星相机在卫星飞行方向的对星对地侦察对抗模式，经有限次（<11次）魔方变换后，如图7表所示：

立方体单元各面位置变化如下表：

表1 魔方卫星表面设备位置表

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种魔方卫星，其特征在于，包括：平台立方体单元、可变立方体单元、魔方磁悬浮万向转动机构；其中，可变立方体单元通过魔方磁悬浮万向转动机构连接平台立方体单元；平台立方体单元的空间位置相对固定。

2.根据权利要求1所述的魔方卫星，其特征在于，可变立方体单元位于平台立方体单元的三维+X+Y+Z方向组成的包络一侧。

3.根据权利要求1所述的魔方卫星，其特征在于，魔方磁悬浮万向转动机构为球面磁悬浮支撑结构，球面磁悬浮支撑结构使得每个可变立方体单元相对平台立方体单元的球面支承间具有一定范围的相对滑动。

4.根据权利要求3所述的魔方卫星，其特征在于，还包括设置在平台立方体单元上的可控定位销机构，其中，可控定位销机构与球面磁悬浮支撑结构相配合以对平台立方体单元与可变立方体单元之间的位置提供精确定位。

5.根据权利要求1所述的魔方卫星，其特征在于，还包括设置在平台立方体单元与可变立方体单元之间的无线电磁耦合供电系统，魔方磁悬浮万向转动和无线电磁耦合供电系统均为磁芯线圈绕阻结构，且整合成为万向节与无线输电一体化系统。

6.根据权利要求1所述的魔方卫星，其特征在于，还包括设置在可变立方体单元上的通信分系统，其中，通信分系统包括采用无线方式互联的装置：测控装置、数传装置、中继装置、星间链路装置、GPS装置。

7.根据权利要求1所述的魔方卫星，其特征在于，还包括姿轨控系统，其中，姿轨控系统布置在平台立方体单元和/或可变立方体单元上。

8.一种权利要求1至7中任一项所述的魔方卫星的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A，进行基本构型设计；

步骤B，进行重构方式设计；

步骤D，各分系统功能设计。

9.根据权利要求8所述的魔方卫星的设计方法，其特征在于，魔方卫星的重构，是指通过内部作用，驱动可变立方体单元的位置和指向的变化。

10.根据权利要求8所述的魔方卫星的设计方法，其特征在于，在步骤D中，将姿轨控系统星敏、太敏这些空间指向敏感型敏感器，根据任务布置于平台立方体单元和/或可变立方体单元上；在可变立方体单元变换前后，姿态稳定控制，变换过程中不控；在特定变换开始前，提前预置姿态指向，使变换后姿态与所需姿态基准重合，降低姿态捕获时间。