CN104058109A - 一种卫星在轨自主加注用液体传输接口 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卫星在轨自主加注用液体传输接口，属于卫星在轨加注技术领域。该传输接口包括位于服务卫星上的主动端和位于目标卫星上的被动端。当在轨加注接口主动端轴向进给到一定位置时，钢珠部分落入被动端接口锁紧凹槽内，电磁阀通电工作，主动端锁紧装置衔铁将钢珠压入被动端接口锁紧凹槽内，实现在轨加注接口主动端和被动端的锁位。加注完成后，电磁阀再次通电，阀芯反向移动，钢球在弹簧造成的轴向力作用下从凹槽内脱出，实现在轨加注接口主动端和被动端的快速分离。

Description

一种卫星在轨自主加注用液体传输接口

技术领域

本发明涉及一种卫星在轨自主加注用液体传输接口，属于卫星在轨加注技术领域。

背景技术

卫星推进剂在轨加注技术是延长卫星寿命和降低开发利用太空资源成本的关键技术之一。在轨加注技术能够提高大幅卫星载荷携带和轨道机动能力，延长卫星在轨寿命。NASA已经在“轨道快车”计划中完成了自动在轨加注过程的演示试验，验证了其可行性。随着我国卫星事业的不断发展，为了提升卫星的性能，降低卫星的维护费用，未来势必在太空中建立“太空燃料站”，而在轨加注是实现这一构想必不可少的关键技术。

在轨加注流体传输机械接口是制约我国在轨加注技术发展的关键部件。现阶段，国内仍然没有成熟的能够用于空间环境下高压液体传输的主动式接口机械装置。因此，有必要开展在轨自主加注用液体传输接口的详细结构设计。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提出一种卫星在轨自主加注用液体传输接口。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种卫星在轨自主加注用液体传输接口，该传输接口包括位于服务卫星上的主动端和位于目标卫星上的被动端；

位于服务卫星上的主动端包括导向凹槽、电磁线圈、基座、钢珠、磁钢、密封挡板A、衔铁、弹簧A、导磁体、径向偏差位置补偿装置、弹簧E、单向阀芯A和阀体A；

导向凹槽为主动端的一个端面；

径向偏差位置补偿装置包括限位挡环、锥形弹簧、组件和外壳；限位挡环、锥形弹簧、组件都安装在外壳内；限位挡环沿周向均布多个锥形孔，组件位于限位挡环上的锥形孔中，且锥形孔和组件一一对应。如图所示，组件的一端为圆柱段、一端为球头；圆柱段的圆柱面与锥形弹簧配合，组件在锥形弹簧作用下被限制在外壳和阀体A之间，其中组件的球头与阀体A的外表面形成点面接触，且能够在限位挡环锥孔轴线方向上下滑动，在弹簧力作用下使阀体A在限位挡环内部处于浮动状态，在卫星在轨自主加注用液体传输接口对接过程中起到自动对中功能。

电磁线圈缠绕在导磁体的两端，磁钢固定于导磁体的中段，该中段没有缠绕电磁线圈；

导磁体上有供衔铁在其内部滑动的凹槽；衔铁的内侧有径向凹槽；

基座包括位于其前端的空心小圆柱和位于其后端的空心大圆柱；小圆柱上周向均匀分布有一圈通孔用于放置钢珠，钢珠在通孔内可以转动；

电磁线圈、导磁体、磁钢、衔铁、基座、钢珠组成主动端接口锁紧装置；

密封挡板A安装在基座和阀体A之间，密封挡板A可以在阀体A前端的直管段和基座的中心孔之间滑动，密封挡板A一方面用于对接前对钢珠进行限位，另一方面用于对接过程中对对接面的密封；

弹簧A安装在阀体A和密封挡板A之间，一方面用于将密封挡板A在对接前与基座压紧，另一方面用于在对接过程中向密封挡板A提供端面密封压紧力；

单向阀芯A包括位于其前端的顶杆、位于其中部的密封阀芯和位于其后端的导向活塞；导向活塞与阀体A之间安装有弹簧E，将密封阀芯压紧在阀体A内部的密封锥面上；

阀体A通过组件上的球头限位在径向偏差位置补偿装置的中心，当组件的圆柱段在限位挡环上上下滑动时，阀体A处于浮动状态；

位于目标卫星上的被动端包括密封挡板B、锁紧基座、弹簧B、导向滑块、弹簧C、单向阀芯B、阀体B、弹簧D和限位环；

导向滑块安装在锁紧基座上，并能沿锁紧基座的轴向移动；前端为锥面用于与导向凹槽进行对接导向；导向滑块的末端有限位凸台，通过弹簧B与限位环压紧；

锁紧基座的末端与阀体B的前端固定连接；锁紧基座的中心有通孔，密封挡板B安装在锁紧基座的中心通孔内且能够在中心通孔内滑动；密封挡板B的末端有限位凸台，密封挡板B和阀体B的前端面之间安装有弹簧C，弹簧C将密封挡板B与锁紧基座压紧；

单向阀芯B包括位于其前端的顶杆、位于其中部的密封阀芯和位于其后端的导向活塞；导向活塞与阀体B之间安装有弹簧D，将密封阀芯压紧在阀体B内部的密封锥面上。

具体工作流程为：本发明的在轨加注用液体传输接口被动端被固定于目标卫星在轨加注被动端支架上；在轨加注主动端被固定于服务卫星上机械传动系统的轴向进给平台上。在轨加注用液体传输接口主动端随轴向进给平台沿轴向移动，主动端导向凹槽和被动端导向滑块相互作用实现轴向对中，使得主动端密封挡板A、阀体A和单向阀芯A的顶杆端面分别与被动端密封挡板B、锁紧基座和单向阀芯B的顶杆端面接触且对齐；在轨加注用液体传输接口主动端进一步轴向进给，主动端密封挡板A和单向阀芯A开始相对阀体轴向滑动，与此同时，被动端密封挡板B和单向阀芯B开始相对锁紧基座轴向滑动。在轴向进给过程中，单向阀芯A和单向阀芯B在前端顶杆端面接触的相互作用下克服弹簧力作用，带动单向阀芯A中部密封阀芯沿轴向移动，解除单向阀芯A的密封阀芯与阀体A锥形密封面之间的密封以及单向阀芯B的密封阀芯与阀体B锥形密封面之间的密封，形成流体通路；与此同时，密封挡板A和密封挡板B被压向各自阀体方向；弹簧A和弹簧C被压缩，压缩产生的弹簧力将密封挡板A前端面与锁紧基座前端面压紧，形成端面密封；压缩产生的弹簧力将密封挡板B前端面与阀体A前端面压紧，形成端面密封；

当在轨加注用液体传输接口主动端沿轴向进给至指定位置时，主动端接口锁紧装置开始工作，通过电磁力推动衔铁将钢珠压至锁紧基座前端的锁紧凹槽内，从而实现在轨加注用液体传输接口主动端和在轨加注用液体传输接口被动端锁死，在轨加注用液体传输接口主动端和被动端完成对接。

加注任务完成后，向主动端锁紧装置电磁线圈通入脉冲电流，主动端锁紧装置衔铁反向移动，主动端接口钢珠在弹簧力作用下由被动端接口锁紧基座前端的锁紧凹槽中弹出，在轨加注接口主动端在弹簧力作用下被弹出。单向阀芯A在弹簧E作用下与腔体形成密封面，单向阀芯B在弹簧D作用下与腔体形成密封面流体通道断开；主动端中圈密封挡板、被动端内圈密封挡板、被动端导向滑块复位，在轨加注接口主动端和被动端实现分离。

在轨自主加注用液体传输接口总体布局：为了实现在轨自主加注用液体传输接口的自动对中，流体传输通道建立，流路密封，加注完成后分离等功能，需合理设计在轨自主加注用液体传输接口的总体布局。

快速锁位装置设计：开始进行流体传输之前，首先要完成在轨加注机械接口主动端和被动端的锁紧。如果在加注过程中出现紧急情况，需要通过快速分离机构尽快将进行空间加注的两个飞行器分开。

复合式密封结构设计：接口主动端与被动端对接端面的密封是在轨自主加注用液体传输接口研制过程中所要解决的核心技术问题。

接口可靠性设计：服务航天器对目标航天器进行补给过程中，存在加注过程中接口意外断开的可能性，因此，必须充分考虑接口的可靠性，防止由于接口意外断开造成的加注液体对航天器表面的污染。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)在轨自主加注用液体传输接口总体布局。为了实现在轨自主加注用液体传输接口的自动对中，流体传输通道建立，流路密封，加注完成后分离等功能，合理设计了在轨自主加注用液体传输接口的总体布局，确定了接口两端自动对中端面的位置与角度、电磁式快速锁位装置的安装位置、流体传输途径、在轨自主加注用液体传输接口与在轨自主加注驱动装置安装面的位置等关键内容。

(2)电磁式快速锁位装置设计。当在轨加注接口主动端轴向进给到一定位置时，钢珠部分落入被动端接口锁紧凹槽内，电磁阀通电工作，主动端锁紧装置衔铁将钢珠压入被动端接口锁紧凹槽内，实现在轨加注接口主动端和被动端的锁位。加注完成后，电磁阀再次通电，阀芯反向移动，钢球在弹簧造成的轴向力作用下从凹槽内脱出，实现在轨加注接口主动端和被动端的快速分离。

(3)复合式密封结构设计。接口主动端与被动端对接端面的密封是在轨自主加注用液体传输接口研制过程中所要解决的核心技术问题。确定主动端与被动端完成对接后以轴向端面密封为主，径向O型圈密封为辅，并通过接口对接过程中形成的迷宫结构增加液体流阻，进一步提高接口主动端与被动端对接端面的密封性。

(4)本发明所涉及的在轨自主加注用液体传输接口在设计过程中，充分考虑了在空间环境中进行高压液体传输的任务特点，采取了全新的结构形式。其中，该接口的总体布局形式、复合式密封结构，电磁式快速锁位装置结构等方面具有创造性。

(5)本发明所涉及的在轨自主加注用液体传输接口是在轨加注技术的关键部件，适用于未来太空燃料站的轨道加注任务。与此同时，由于该液体传输接口结构紧凑可靠，自动化程度高，因此，还适用于于货运飞船对空间站的自动补给。

(6)现阶段，国内仍然没有成熟的能够用于空间环境下高压流体自主传输的机械装置。本发明所涉及的在轨自主加注用液体传输接口用于普通卫星上可成倍延长卫星的寿命，用于轨道转移飞行器上可实现飞行器的多次轨道转移，用于攻防武器上可以扩大活动范围、延长武器的寿命，对于永久性空间站这种技术更是不可或缺的。

附图说明

图1为本发明主动端结构示意图；

图2为本发明径向偏差位置补偿装置结构示意图；

图3为本发明组件结构示意图；

图4为本发明基座结构示意图；

图5为本发明被动端结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例

一种卫星在轨自主加注用液体传输接口，该传输接口包括位于服务卫星上的主动端和位于目标卫星上的被动端；

如图1所示，位于服务卫星上的主动端包括导向凹槽1、电磁线圈2、基座3、钢珠4、磁钢5、密封挡板A6、衔铁7、弹簧A8、导磁体9、径向偏差位置补偿装置10、单向阀芯A23和阀体A27；

导向凹槽1为主动端的一个端面；

如图2所示，径向偏差位置补偿装置10包括限位挡环24、锥形弹簧25、组件26和外壳11；限位挡环24、锥形弹簧25、组件26都安装在外壳11内；组件26的一端为球头、中间部分为圆柱段、另一端为圆片；

如图3所示，组件26的圆柱段在限位挡环24上可以上下滑动，组件26的球头位于限位挡环24的内侧，组件26的圆片位于限位挡环24的外侧，锥形弹簧25位于组件26的圆片和限位挡环24之间；

限位挡环24上均匀分布有多个锥形弹簧25和组件26；锥形弹簧25和组件26一一对应；

电磁线圈2缠绕在导磁体9的两端，磁钢5固定于导磁体9的中段，该中段没有缠绕电磁线圈2；

导磁体9上有供衔铁7在其上滑动的凹槽；衔铁7的内侧有径向凹槽；

如图4所示，基座3包括位于其前端的空心小圆柱和位于其后端的空心大圆柱；小圆柱上周向均匀分布有一圈通孔用于放置钢珠4，钢珠4在通孔内可以转动；

密封挡板A6安装在基座3和阀体A27之间，密封挡板A6可以在阀体A27前端的直管段和基座3的中心孔之间滑动，密封挡板A6一方面用于对接前对钢珠4进行限位，另一方面用于对接过程中对对接面的密封；

弹簧A8安装在阀体A27和密封挡板A6之间，一方面用于将密封挡板A6在对接前与基座3压紧，另一方面用于在对接过程中向密封挡板A6提供压紧密封力；

单向阀芯A23包括位于其前端的顶杆、位于其中部的密封阀芯和位于其后端的导向活塞；导向活塞与阀体A27之间安装有弹簧E18，将密封阀芯压紧在阀体A27内部的密封锥面上；

阀体A27通过组件26上的球头限位在径向偏差位置补偿装置10的中心，当组件26的圆柱段在限位挡环24上上下滑动时，阀体A27处于浮动状态；

如图5所示，位于目标卫星上的被动端包括密封挡板B12、锁紧基座13、弹簧B15、导向滑块16、弹簧C17、单向阀芯B19、阀体B20、弹簧D21和限位环22；

导向滑块16安装在锁紧基座13上，并能沿锁紧基座13的轴向移动；前端为锥面用于与导向凹槽1进行对接导向；导向滑块16的末端有限位凸台，通过弹簧B15与限位环22压紧；

锁紧基座13的末端与阀体B20的前端固定连接；锁紧基座13的中心有通孔，密封挡板B12安装在锁紧基座13的中心通孔内且能够在中心通孔内滑动；密封挡板B12的末端有限位凸台，密封挡板B12和阀体B20的前端面之间安装有弹簧C17，弹簧C17将密封挡板B12与锁紧基座13压紧；

单向阀芯B19包括位于其前端的顶杆、位于其中部的密封阀芯和位于其后端的导向活塞；导向活塞与阀体B20之间安装有弹簧D21，将密封阀芯压紧在阀体B20内部的密封锥面上。

具体工作流程为：本发明的在轨加注用液体传输接口被动端被固定于目标卫星在轨加注被动端支架上；在轨加注主动端被固定于服务卫星上机械传动系统的轴向进给平台上。在轨加注用液体传输接口主动端随轴向进给平台沿轴向移动，主动端导向凹槽和被动端导向滑块相互作用实现轴向对中，使得主动端密封挡板A6、阀体A27和单向阀芯A23的顶杆的端面与被动端密封挡板B12、锁紧基座13和单向阀芯B19的端面接触且对齐；在轨加注用液体传输接口主动端进一步轴向进给，主动端密封挡板A6、阀体A27和单向阀芯A23的顶杆的端面与被动端密封挡板B12、锁紧基座13和单向阀芯B19开始工作，单向阀芯A23和单向阀芯B19在顶杆的相互作用下克服弹簧力作用，带动单向阀芯A23中部密封阀芯沿轴向移动，解除单向阀芯A23的密封阀芯与阀体A27锥形密封面之间的密封，形成流体通路；与此同时，密封挡板A6和密封挡板B12被压向各自阀体方向；弹簧A8和弹簧C17被压缩，压缩产生的弹簧力将密封挡板A6前端面与锁紧基座13前端面压紧，形成端面密封；压缩产生的弹簧力将密封挡板B12前端面与阀体A27前端面压紧，形成端面密封；

当在轨加注用液体传输接口主动端沿轴向进给至指定位置时，主动端接口锁紧装置开始工作，通过电磁力推动衔铁7将钢珠4压至锁紧基座13前端的锁紧凹槽内，从而实现在轨加注用液体传输接口主动端和在轨加注用液体传输接口被动端锁死，在轨加注用液体传输接口主动端和被动端完成对接。

加注任务完成后，向主动端锁紧装置电磁线圈通入脉冲电流，主动端锁紧装置衔铁7反向移动，接口主动端钢珠4在弹簧力作用下由接口被动端基座13的锁紧凹槽中弹出，约束解除，在轨加注接口主动端在弹簧力作用下被弹出。单向阀芯在弹簧力作用下与腔体形成密封面，流体通道断开；主动端中圈密封挡板、被动端内圈密封挡板、被动端导向滑块16复位，在轨加注接口主动端和被动端实现分离。

在轨自主加注用液体传输接口总体布局：为了实现在轨自主加注用液体传输接口的自动对中，流体传输通道建立，流路密封，加注完成后分离等功能，需合理设计在轨自主加注用液体传输接口的总体布局。

快速锁位装置设计：开始进行流体传输之前，首先要完成在轨加注机械接口主动端和被动端的锁紧。如果在加注过程中出现紧急情况，需要通过快速分离机构尽快将进行空间加注的两个飞行器分开。

复合式密封结构设计：接口主动端与被动端对接端面的密封是在轨自主加注用液体传输接口研制过程中所要解决的核心技术问题。

接口可靠性设计：服务航天器对目标航天器进行补给过程中，存在加注过程中接口意外断开的可能性，因此，必须充分考虑接口的可靠性，防止由于接口意外断开造成的加注液体对航天器表面的污染。

本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种卫星在轨自主加注用液体传输接口，其特征在于：该传输接口包括位于服务卫星上的主动端和位于目标卫星上的被动端；

位于服务卫星上的主动端包括导向凹槽、电磁线圈、基座、钢珠、磁钢、密封挡板A、衔铁、弹簧A、导磁体、径向偏差位置补偿装置、弹簧E、单向阀芯A和阀体A；

导向凹槽为主动端的一个端面；

径向偏差位置补偿装置包括限位挡环、锥形弹簧、组件和外壳；限位挡环、锥形弹簧、组件都安装在外壳内；限位挡环沿周向均布多个锥形孔，组件位于限位挡环上的锥形孔中，且锥形孔和组件一一对应；组件的一端为圆柱段、另一端为球头；圆柱段的圆柱面与锥形弹簧配合，组件在锥形弹簧作用下被限制在外壳和阀体A之间，其中组件的球头与阀体A的外表面形成点面接触，且能够在限位挡环锥孔轴线方向上下滑动，在弹簧力作用下使阀体A在限位挡环内部处于浮动状态，在卫星在轨自主加注用液体传输接口对接过程中起到自动对中功能；

电磁线圈缠绕在导磁体的两端，磁钢固定于导磁体的中段，该中段没有缠绕电磁线圈；

导磁体上有供衔铁在其内部滑动的凹槽；衔铁的内侧有径向凹槽；

基座包括位于其前端的空心小圆柱和位于其后端的空心大圆柱；小圆柱上周向均匀分布有一圈通孔用于放置钢珠，钢珠在通孔内可以转动；

电磁线圈、导磁体、磁钢、衔铁、基座、钢珠组成主动端接口锁紧装置；

密封挡板A安装在基座和阀体A之间，密封挡板A可以在阀体A前端的直管段和基座的中心孔之间滑动；

弹簧A安装在阀体A和密封挡板A之间；

单向阀芯A包括位于其前端的顶杆、位于其中部的密封阀芯和位于其后端的导向活塞；导向活塞与阀体A之间安装有弹簧E，将密封阀芯压紧在阀体A内部的密封锥面上；

阀体A通过组件上的球头限位在径向偏差位置补偿装置的中心，当组件的圆柱段在限位挡环上上下滑动时，阀体A处于浮动状态；

位于目标卫星上的被动端包括密封挡板B、锁紧基座、弹簧B、导向滑块、弹簧C、单向阀芯B、阀体B、弹簧D和限位环；

导向滑块安装在锁紧基座上，并能沿锁紧基座的轴向移动；前端为锥面用于与导向凹槽进行对接导向；导向滑块的末端有限位凸台，通过弹簧B与限位环压紧；

锁紧基座的末端与阀体B的前端固定连接；锁紧基座的中心有通孔，密封挡板B安装在锁紧基座的中心通孔内且能够在中心通孔内滑动；密封挡板B的末端有限位凸台，密封挡板B和阀体B的前端面之间安装有弹簧C，弹簧C将密封挡板B与锁紧基座压紧；

单向阀芯B包括位于其前端的顶杆、位于其中部的密封阀芯和位于其后端的导向活塞；导向活塞与阀体B之间安装有弹簧D，将密封阀芯压紧在阀体B内部的密封锥面上。