CN104477417B - 一种星星在轨对接及锁定装置 - Google Patents

Abstract

一种星星在轨对接及锁定装置，用于服务星与非合作目标星的对接，包括引导结构、锁定装置、定位销。其中，引导结构安装在服务星上，包括锥面，用于消除与非合作目标星在对接姿态轴向摆角上的偏差；还包括具有斜边的分瓣豁口，用于纠正相对非合作目标星对接环的周向转角偏差。锁定装置，安装在服务星上，包括凸轮，凸轮的边上伸出两个卡爪，之间形成卡口，用于约束非合作目标星对接环的内边沿。定位销，设置在引导结构上，配合非合作目标星对接环上的定位销孔，用于精确引导和约束服务星与非合作目标星之间的相对位置。本发明的星星在轨对接与锁定装置适用于所有具有对接环接口的卫星，应用面较广，涵盖大卫星、小卫星、微小卫星等不同规格。

Description

一种星星在轨对接及锁定装置

技术领域

本发明涉及一种航天器轨道设备，特别是一种星星在轨对接及锁定装置。

背景技术

通常来说，卫星在发射上天以后，其硬件是不可维修的，所以以往的卫星设计都要求高可靠性，尽量一次成功。随着航天员上天与空间机器人技术的发展，在轨维修与燃料补给等服务成为可能，卫星可以在轨维护。但卫星本身的可维护性仍较大程度取决于其机械接口的设计，如是否具有抓捕或对接接口，结构开口是否具有高开敞性，操作是否可达，ORU单元(OrbitalReplaceable Units，在轨可更换单元)接口是否采用模块化封装，能否即插即用等等。其中，抓捕或对接接口是卫星在轨服务操作的首要前提。

目前已经上天的绝大多数卫星，在设计时并未考虑到在轨服务的操作需求，没有预留相应的操作接口，如安装在卫星表面的抓捕把手、与服务星的对接装置等。这种没有预留对接接口的卫星被称为“非合作目标星”，以与专门为对接留有对接设备的合作目标星加以区别。当前，如何实现与这类非合作目标星的对接与机械锁定是一件非常关键也比较困难的事情。

目前国际上针对该类非合作目标星的对接机构，主要以卫星的发动机喷嘴为对接接口，如“Space Shuttle With a Device for Docking to a Satellite(US20100301169)”与“一种空间非合作目标卫星的对接捕获机构(CN103303499A)”等，这些技术通过电机驱动伸缩杆伸入到发动机喷嘴内部，敏感器在探测到伸缩杆头部越过喷嘴喉部最狭窄区域后，触发伸缩杆顶端的卡爪膨胀或展开操作，使伸缩杆不能从喷嘴内自由脱出。此时，电机再驱动伸缩杆带动目标星体一起往回拉，直到目标星体上的对接环或星体表面与服务星的支撑托架相接触并压紧，从而实现两颗卫星的锁定连接。

目前这类连接喷嘴的装置存在的问题包括：1、受到体积限制，只能针对大卫星上安装的、体积较大的远地点发动机，不能应用于小卫星、微小卫星以及其他未安装大发动机的目标。2、只能实现单点的锁紧，且要求其他结构的辅助支撑。3、要求灵敏的传感器与精确的喷管姿态识别，增加了成本和重量。

发明内容

本发明要解决现有连接喷嘴的卫星在轨对接装置存在的不适用于小卫星或微小卫星，需要其他结构与传感器辅助支持等问题。

本发明的技术方案为：

一种星星在轨对接及锁定装置，用于服务星与非合作目标星的对接，包括引导结构、锁定装置、定位销三部分。

其中，引导结构，安装在服务星上。引导结构包括锥面，用于消除与非合作目标星在对接姿态轴向摆角上的偏差，还包括，具有斜边的分瓣豁口，设置在锥面上，用于纠正与非合作目标星的对接环的周向转角偏差。引导结构还可以包括对接面，对接面上设置通孔，用于配合定位销伸出。引导结构还可以包括法兰，法兰上设置法兰通孔，用于安装螺钉连接服务星的结构。

锁定装置，安装在服务星上。锁定装置包括一个凸轮，凸轮的边上伸出两个卡爪，两个卡爪之间形成一个卡口，卡口与非合作目标星的对接环配合，用于约束非合作目标星的对接环的内翻边。锁定装置凸轮的圆边上设置凹口。锁定装置还包括与凹口配合的顶块、驱动顶块的弹簧以及回复绳。锁定装置还包括，偏置弹簧，一端连接凸轮，另一端连接锁定装置的安装支架。引导结构的锥面及锁定装置的卡爪接触非合作目标星的对接环的内翻边。

定位销，设置在服务星上，配合非合作目标星上的定位销孔，用于精确引导和约束服务星与非合作目标星之间的相对位置。定位销包括设置在定位销顶端的尖端、尖端周围的锥面、与锥面连接的圆柱段和与圆柱段连接的安装螺纹。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的一种星星在轨对接与锁定装置，适用于所有具有对接环接口的卫星，目标星上不需要安装专门的接口装置，应用面较广，涵盖大卫星、小卫星、微小卫星等不同规格。

(2)本发明中的对接装置通过逐步引导、精确定位的方式，有效地引导了对接过程中两颗卫星的相对姿态与位置，实现两者的精确对接。

(3)本发明中的锁定机构随着两颗卫星的接近逐渐进入锁定位置，顶块在弹簧驱动下自动触发锁定操作，不需要传感器辅助。

(4)本发明中双星对接与分离状态的检测不需要再增设专门的传感器，直接使用目标星对接环上已有的压点开关即可。

(5)本发明中的对接与锁定装置满足多次重复使用的要求。

附图说明

图1示出了本发明的星星在轨对接及锁定装置与基于对接环接口的非合作目标卫星对接的示意图；

图2示出了本发明的星星在轨对接及锁定装置的示意图；

图3示出了本发明的星星在轨对接及锁定装置中的引导结构的侧视图；

图4示出了本发明的星星在轨对接及锁定装置中的引导结构的俯视图；

图5示出了本发明的星星在轨对接及锁定装置中的锁定装置的示意图；

图6示出了本发明的星星在轨对接及锁定装置中的锁定装置的示意图；

图7示出了本发明的星星在轨对接及锁定装置中的锁定装置的示意图；

图8示出了本发明的星星在轨对接及锁定装置中的定位销的示意图；

图9示出了本发明的星星在轨对接及锁定装置中的对接环接口的侧视图；

图10示出了本发明的星星在轨对接及锁定装置中的对接环接口的俯视图；

图11示出了本发明中的星星在轨对接及锁定装置与对接环之间的接口匹配关系的示意图；

图12示出了本发明中的星星在轨对接及锁定装置与对接环之间锁定状态的示意图；

图13示出了本发明中的星星在轨对接及锁定装置锁定后不同部件之间的配合状态的示意图。

具体实施方式

本发明的一种星星在轨对接与锁定装置，包括引导结构、定位销、锁定装置三部分。该装置充分利用星箭对接环与地面工装的安装接口，采用逐步引导、精确定位、自触发锁定的思路，实现两颗卫星的精确对接。

所述的引导结构，采取旋转体构形，包括轴向引导锥面、周向引导分瓣豁口、定位销安装孔、锁定机构开口、与对接环配合面、柱面过渡段、安装法兰等七个部分。其中，轴向引导锥面通过锥面与对接环内翻边的边沿接触，消除两颗卫星在对接姿态轴向摆角上的偏差。周向引导分瓣豁口，通过豁口两侧的斜边，与对接环上分离弹簧支撑凸台边沿相接触，纠正两颗卫星在对接姿态周向转角上的偏差。安装法兰，用于实现对接装置与服务星结构之间的紧固安装。通过该引导结构，能够在两个卫星相互接近过程中，逐渐纠正三个方向上的姿态偏差，实现初步的定姿、定位功能。

所述的定位销，由定位销钉、垫片、螺母组成。其中，定位销钉由尖端、锥面、圆柱段、安装螺纹四部分组成。两星对接时，锥面与对接环的定位销孔相接触，实现两星接近最后阶段的、几毫米误差区间内相对位置的精确引导。定位销共两个，呈轴向对称布置。在不需考虑对接时的精确定位时，也可以不使用该定位销。

所述的锁定装置，由安装支架、凸轮、顶块、凸轮偏置弹簧、顶块驱动弹簧、回复绳、弹簧盖片、销轴等部件组成。其中，凸轮上设置了一个凹口，伸出了两个卡爪。对接时，随着对接环相对下移，压住伸出的长卡爪顶端，带动凸轮转动，偏置弹簧被拉长，对接环内翻边逐渐进入卡口内。当对接环与引导结构到达配合位置时，对接环内翻边完全被约束在卡口内，顶块恰好正对凸轮的凹口，对接环上压点开关被压紧。此时，顶块在弹簧驱动下，伸入凸轮的凹口内，卡住凸轮，进而锁定对接环，形成其轴向运动的约束。解锁时，拉动回复绳，顶块缩回，解除对凸轮的转动约束。对接环脱离锁定状态，可以在轴向自由移动。凸轮在偏置弹簧回缩驱动下，恢复到原来位置，从而满足对接装置多次重复使用的要求。锁定装置共四个，对称布置在引导结构的开口内。

如图1所示，为本发明中基于对接环接口的卫星对接示意图。目标星100为一颗非合作的目标卫星，安装了对接环200。目标星100发射时，对接环200用于与运载火箭的支承舱对接，并通过外侧包带实现星箭之间连接与解锁。服务星400，在对接面一侧安装了本发明的在轨对接及锁定装置300。对接时，在轨对接与锁定装置300与对接环200地面工装接口面相配合，实现两颗卫星的对接与锁定。

如图2所示，为本发明的星星在轨对接及锁定装置300，由引导结构310、四个锁定装置320、两个定位销330组成。其中，引导结构310用于实现对接环200与在轨对接锁定装置300之间相对位置与姿态的初始定位。两个定位销330，呈轴向对称布置，用于实现对接最后阶段的精确定位。四个锁定装置320对称布置在引导结构310的开口处，用于实现对接到位后两颗卫星之间的锁定连接。

如图3、图4所示，本发明中的引导结构310采取回旋体构形，由锥面311、对接面312、过渡段313、法兰314、安装面315等几部分组成。锥面311用于消除两颗卫星在对接姿态轴向摆角上的偏差，上面设置了4个周向引导的分瓣豁口316。分瓣豁口316具有两个斜边316a、316b，用于引导纠正对接环200的周向转角偏差。对接面312上设置两个通孔317，用于配合定位销330。四个开口318，用于锁定装置320伸出锁定卡爪。法兰314上周向阵列布置法兰通孔319，用于安装螺钉连接服务星400的结构。

图5、图6、图7中示出本发明中的锁定装置320。锁定装置共四个，对称布置在引导机构的开口内。该装置由安装支架321、凸轮偏置弹簧322、凸轮323、顶块324、顶块驱动弹簧325、弹簧盖片326、回复绳327、销轴328、329等部件组成。其中，凸轮323的圆边323c上设置了一个凹口323b，伸出了两个卡爪323a，形成一个卡口323d。

对接时，随着对接环200相对接近，其内翻边230压住卡爪323a下移，凸轮323转动，偏置弹簧322伸长。凸轮323转动一定角度后，对接环内翻边230逐渐进入卡口323d内。当对接环与引导结构到达配合位置时，对接环内翻边230完全被约束在卡口323d内，顶块324恰好正对凸轮323的凹口323b，对接环上压点开关(图中未标示，为服务星提供压紧信号)被压紧。同时，顶块324在弹簧325驱动下，伸入凸轮323的凹口323b内，卡住凸轮323，进而锁定对接环200，形成其轴向运动的约束。

解锁时，拉动回复绳327，顶块324缩回，解除对凸轮323的转动约束，对接环200可以在轴向自由移动，从而脱离锁定状态。凸轮323在偏置弹簧322回缩驱动下，可以恢复到原来位置，从而满足对接装置多次重复使用的要求。

如图8所示，本发明中的定位销330，由定位销钉331、垫片332、螺母333组成。其中，定位销钉331由尖端331a、锥面331b、圆柱段331c、安装螺纹331d四部分组成。通过锥面331b与对接环上定位销孔220相接触，实现两星接近最后阶段、几毫米误差区间内的精确引导。

如图9、图10所示，为本发明中使用的对接环接口。对接环200为一回旋体金属结构，上端面201与目标星100配合安装，下端面204与运载工具适配器配合安装。内翻边230用于与地面工装(如整星支架车、力学试验工装等)的安装连接，其上表面231为卡爪323a接触面，下表面232为地面工装连接面。内翻边230有四个凸台210，为星箭分离弹簧的支撑位置。通孔220，为星箭组装时的定位销孔。星箭之间定位销安装在运载适配器上。

如图11所示，为本发明中在轨对接及锁定装置300与对接环200之间接口对应关系。对接环200的凸台210，与在轨对接及锁定装置300的分瓣豁口316相对应。对接环200的通孔220，与在轨对接及锁定装置300的定位销330相对应。对接环200的内翻边230，与在轨对接及锁定装置300的锥面311及锁定装置320的卡爪323相接触。

如图12、图13所示，为对接后的状态图。此时，对接环200的内翻边下表面232，与在轨对接及锁定装置300的对接面312配合接触。四个锁定装置320的凹口323b，恰好限制住对接环200的内翻边230的上下移动。两个定位销330，约束住对接环200在对接平面内的位移。

Claims (9)

1.一种星星在轨对接及锁定装置，用于服务星(400)与非合作目标星(100)的对接，其特征在于，包括：引导结构、锁定装置、定位销；

其中，所述引导结构(310)，安装在所述服务星(400)上；所述引导结构(310)包括锥面(311)，用于消除与所述非合作目标星在对接姿态轴向摆角上的偏差；还包括具有斜边的分瓣豁口(316)，设置在所述锥面(311)上，用于纠正相对所述非合作目标星对接环的周向转角偏差；

所述锁定装置(320)，安装在所述服务星(400)上，所述锁定装置(320)包括凸轮(323)，所述凸轮(323)的边上伸出两个卡爪(323a)，两个所述卡爪(323a)之间形成卡口(323d)，所述卡口(323d)用于约束所述非合作目标星的对接环(200)的内翻边(230)；

所述定位销(330)设置在所述引导结构上，配合所述非合作目标星(100)上的定位销孔(220)，用于精确引导和约束所述服务星(400)与所述非合作目标星(100)之间的相对位置。

2.根据权利要求1所述的星星在轨对接及锁定装置，其特征在于，所述凸轮(323)的圆边(323c)上设置凹口(323b)，所述锁定装置(320)还包括，与所述凹口(323b)配合的顶块(324)。

3.根据权利要求2所述的星星在轨对接及锁定装置，其特征在于，还包括，顶块驱动弹簧(325)，设置在所述顶块(324)下方，驱动所述顶块(324)伸出。

4.根据权利要求2所述的星星在轨对接及锁定装置，其特征在于，还包括，回复绳(327)，与所述顶块(324)连接，用于使所述顶块(324)复位。

5.根据权利要求1所述的星星在轨对接及锁定装置，其特征在于，所述定位销还包括设置在定位销顶端的尖端(331a)、尖端周围的锥面(331b)、与所述锥面连接的圆柱段(331c)和与所述圆柱段(331c)连接的安装螺纹(331d)。

6.根据权利要求2所述的星星在轨对接及锁定装置，其特征在于，所述锁定装置(320)还包括，偏置弹簧(322)，一端连接所述凸轮(323)，另一端连接所述锁定装置(320)的安装支架(321)。

7.根据权利要求1所述的星星在轨对接及锁定装置，其特征在于，所述引导结构(310)包括对接面(312)，所述对接面(312)上设置通孔(317)，用于配合所述定位销(330)伸出。

8.根据权利要求1所述的星星在轨对接及锁定装置，其特征在于，所述引导结构(310)包括法兰(314)，所述法兰(314)上设置法兰通孔(319)，用于安装螺钉连接所述服务星(400)的结构。

9.根据权利要求1所述的星星在轨对接及锁定装置，其特征在于，所述锥面(311)及所述锁定装置(320)的所述卡爪(323a)接触所述非合作目标星(100)的对接环(200)的内翻边(230)。