CN105059569B - 一种在轨补加气液接口装置 - Google Patents

Abstract

一种在轨补加气液接口装置，用于实现服务卫星向目标卫星进行在轨补加气液，包括：主动机构和被动机构；主动机构和被动机构通过各自对接面上的导向装置，实现服务卫星和目标卫星的定位并方便二者的分离，通过带轴向限位功能的驱动机构实现服务卫星和目标卫星的相对运动，通过定位锁死结构实现服务卫星和目标卫星的锁定，保证在轨补加气液过程中二者位置的相对固定，本发明通过以上措施，提高了在轨补加气液过程的效率，保证了在轨补加气液过程的安全性。

Description

一种在轨补加气液接口装置

技术领域

本发明涉及一种接口装置，特别是一种在轨补加气液接口装置，属于在轨推进剂补给服务领域。

背景技术

在轨推进剂补加是在轨服务重点需要解决的问题，在轨推进剂补加是在轨服务当前国际研究的热点。根据国外在轨服务进行过的空间试验与开展中的计划研究，超过50％的项目均与在轨推进剂补加有关。在轨推进剂补加能有效延长在轨飞行器寿命，是最能体现在轨服务经济效益的一项内容。国际空间站开展的在轨补加试验项目，为未来的自主在轨补加任务奠定技术基础。在正在论证的科技部重大专项里，在轨推进剂补加是轨道间服务飞行器的重要业务。

推进剂在轨补加气液接口是推进剂在轨补加技术中的关键机构。俄罗斯和美国现阶段都已经研制出了各自的在轨补加气液接口装置，并进行了相应的飞行试验。俄罗斯从1978年就已经实施了在轨补加，到目前为止已经成功的实施了多次在轨补加，但是俄罗斯还没有掌握自主气液在轨补加技术。美国研制的在轨补加气液接口系统设计思路是采取电机驱动方式实现对接，结构较为紧凑；且采取模块化设计，气液接口系统组合方式较为灵活，能够针对任务特点实现多种组合。“轨道快车”项目中的飞行验证试验表明，该在轨补加气液接口系统具备自主加注能力，且性能稳定可靠，NASA将进一步将该在轨补加气液接口系统应用于未来NASA的航天计划中。现阶段，国内仍然没有用于空间环境下卫星在轨气液补加接口装置，能够适应卫星推进系统特点，满足卫星对补加系统低功耗低重量的需求。为了推进我国航天事业的不断发展，开展深层次的太空探索与太空资源的利用，必须首先解决卫星在轨补加气液接口装置中的关键技术，研制出能够满足我国航天未来发展需要的卫星在轨补加气液接口装置。

目前航天器的在轨加注任务大多采取两个航天器利用对接装置完成整星固连后，进行在轨加注接口对接和流体传输通道建立。其中比较著名方案的包括：俄罗斯成功应用在货运飞船和国际空间站间的推进剂补给方案和美国的“轨道快车”在轨加注演示验证项目所采取的方案。我国高轨双组元卫星通常采取承力桶结构，对于这种结构形式的卫星，在其外表面布置一个能够完成双星固连功能的星间对接机构存在一定困难。这是由于星间对接结构要求安装面能够提供足够的空间和强度，而承力桶结构卫星强度最大的两个安装面(对地面和被地面)分别被轨控发动机和各类天线占据，无法向星间对接机构提供足够的安装空间，而其余四个面的结构强度无法承受对接机构将两颗卫星固连产生的冲击和相互作用力。因此，考虑利用安装在服务卫星上的两条灵巧机械臂实现服务卫星对目标卫星的在轨加注操作。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种在轨补加气液接口装置，用于实现服务卫星向目标卫星进行在轨补加气液，包括：主动机构和被动机构；主动机构和被动机构通过各自对接面上的导向装置，实现服务卫星和目标卫星的定位并方便二者的分离，通过带轴向限位功能的驱动机构实现服务卫星和目标卫星的相对运动，通过定位锁死结构实现服务卫星和目标卫星的锁定，保证在轨补加气液过程中二者位置的相对固定，本发明通过以上措施，提高了在轨补加气液过程的效率，保证了在轨补加气液过程的安全性。

本发明的技术解决方案是：一种在轨补加气液接口装置，用于实现服务卫星向目标卫星进行在轨补加气液，包括：主动机构和被动机构；

所述被动机构包括目标端在轨加注接口、目标端轴向定位锁扣和目标端加注接口前面板；

所述目标端加注接口前面板固定安装在目标卫星上，目标端加注接口前面板朝向目标卫星的端面安装有目标端在轨加注接口和目标端轴向定位锁扣；

所述主动机构包括服务端加注接口前面板、服务端加注接口、轴向导轨、轴向进给平台、服务端定位锁头、传动箱、服务端加注接口后面板和传动轴；

所述轴向导轨的一端通过服务端加注接口前面板与服务卫星连接，另一端与服务端加注接口后面板固定连接；

所述轴向进给平台套装在轴向导轨上，传动箱安装在轴向进给平台朝向服务卫星的端面上，传动轴依次穿过传动箱、轴向进给平台后与服务端定位锁头固定连接，服务端定位锁头在传动箱的驱动下，穿过服务端加注接口前面板，进入目标端轴向定位锁扣并完成定位，实现主动机构和被动机构的连接；

所述服务端加注接口与轴向进给平台固定连接，在主动机构和被动机构的连接后，在传动箱和转动离合机构的驱动下，跟随轴向进给平台沿轴向导轨运动，并穿过服务端加注接口前面板上的通孔与在轨加注接口对接，服务卫星通过服务端加注接口和在轨加注接口向目标卫星补加气液。

所述被动机构还包括目标端防污染物盖板，主动机构包括服务端防污染物盖板，所述目标端防污染物盖板通过转动轴承安装在目标端加注接口前面板朝向服务卫星的端面上，服务端防污染物盖板通过转动轴承安装在服务端加注接口前面板朝向目标卫星的端面上，在进行在轨加注时，目标端防污染物盖板旋转后露出目标端加注接口前面板上与目标端在轨加注接口相对应的通孔，服务端防污染物盖板旋转后露出服务端加注接口前面板上与服务端加注接口相对应的通孔，使得服务端加注接口穿过服务端加注接口前面板上的通孔，完成与目标端在轨加注接口的对接。

所述被动机构包括目标端导向装置，主动机构包括服务端导向装置；

所述目标端导向装置固定安装在目标端加注接口前面板朝向服务卫星的端面上，主动机构包括服务端导向装置固定安装在服务端加注接口前面板朝向目标卫星的端面上，服务端导向装置与目标端导向装置相互配合，实现主动机构和被动机构的初步定位。

所述目标端导向装置为凹槽，数量大于等于3个，均匀分布在目标端加注接口前面板的边缘。

所述凹槽的形状为圆锥形。

所述服务端导向装置为一端带凸球的杆状结构，数量与目标端导向装置的数量一致，且与目标端导向装置的位置相对应。

所述主动机构还包括轴向限位机构，所述轴向限位机构固定安装在轴向导轨上，防止轴向进给平台朝服务卫星方向移动。

所述服务端加注接口前面板与服务卫星的机械臂或者卫星本体固定连接。

所述服务端定位锁头朝向目标卫星的一端带有横截面为矩形的凸台，目标端轴向定位锁扣带环形限位机构的凹槽，环形限位机构通孔的形状与服务端定位锁头凸台横截面形状相对应，服务端定位锁头穿过环形限位机构进入目标端轴向定位锁扣中的凹槽后进行旋转，利用环形限位机构对服务端定位锁头的凸台进行限位，防止服务端定位锁头与目标端轴向定位锁扣脱离。

所述服务端定位锁头朝向服务卫星的一端带有花键，服务端防污染物盖板的中心开有花键孔，花键和花键孔咬合，服务端定位锁头的外径与目标端防污染物盖板的中心通孔咬合，服务端定位锁头在传动轴的驱动下带动服务端防污染物盖板和目标端防污染物盖板旋转。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明中的装置利用灵巧机械臂和一种对接补加一体化装置实现卫星在轨加注流体传输通道的建立，该方法不依赖于整星间的对接机构，在卫星在轨服务与维护任务中具有较好的灵活性，相比于现有技术具有显著先进性，且具有更广泛的适用范围。

(2)本发明中的装置带有防污染物盖板，不进行在轨加注后，防污染物盖板可以对加注口进行遮挡，防止污染物进入加注口，造成加注口的污染，提高了系统的安全性；

(3)本发明将轻量化的导向装置与在轨加注接口装置进行集成，实现了服务卫星与目标卫星对接过程中的初步定位，提高了对接的成功率，且可以在加注过程中保证主动机构和被动机构同轴，方便主动机构和被动机构的分离；

(4)本发明中的主动机构可以安装在卫星本体或者机械臂上，可以很好的适应机械臂对接任务的需求，大大拓宽了本发明中加注装置的适用范围；

(5)本发明中安装有多重限位和驱动机构，实现了传动轴和轴向进给平台的沿轴向进动和转动，从而实现了对接、锁紧和加注功能，保证了在轨加注过程的密封性和精确性；

(6)本发明中服务端定位锁头与防污染物盖板之间的机械配合，同步实现服务端防污染物盖板和目标端防污染物盖板的开启和关闭，结构简单，可靠性高。

(7)本方法相比于现阶段空间对接及流体传输通道建立在系统重量和任务灵活性方面具有明显优势，且具有较好的工程可实现性，具有巨大的市场竞争力。

附图说明

图1为本发明中接口装置的工作示意图；

图2为本发明中接口装置主动机构的主视图；

图3为本发明中接口装置主动机构的仰视图；

图4为本发明中接口装置被动机构的主视图；

图5为本发明中接口装置被动机构的仰视图。

具体实施方式

图1为本发明中接口装置的工作示意图；从图1可知，本发明提供的一种在轨补加气液接口装置，用于实现服务卫星向目标卫星进行在轨补加气液，其特征在于包括：主动机构和被动机构；

图4为本发明中接口装置被动机构的主视图；图5为本发明中接口装置被动机构的仰视图，从图4和图5可知，本发明中的被动机构包括目标端在轨加注接口1、目标端轴向定位锁扣2和目标端加注接口前面板3；

所述目标端加注接口前面板3固定安装在目标卫星上，目标端加注接口前面板3朝向目标卫星的端面安装有目标端在轨加注接口1和目标端轴向定位锁扣2；

图2为本发明中接口装置主动机构的主视图；图3为本发明中接口装置主动机构的仰视图；从图2和图3可知，本发明中的主动机构包括服务端加注接口前面板8、服务端加注接口9、轴向导轨10、轴向进给平台11、服务端定位锁头12、传动箱13、服务端加注接口后面板14和传动轴15；

所述轴向导轨10的一端通过服务端加注接口前面板8与服务卫星连接，另一端与服务端加注接口后面板14固定连接；

所述轴向进给平台11套装在轴向导轨10上，传动箱13安装在轴向进给平台11朝向服务卫星的端面上，传动轴15依次穿过传动箱13、轴向进给平台11后与服务端定位锁头12固定连接，服务端定位锁头12在传动箱13的驱动下，穿过服务端加注接口前面板8，进入目标端轴向定位锁扣2并完成定位，实现主动机构和被动机构的连接；

所述服务端加注接口9与轴向进给平台11固定连接，在主动机构和被动机构的连接后，在传动箱13和转动离合机构的驱动下，跟随轴向进给平台11沿轴向导轨10运动，并穿过服务端加注接口前面板8上的通孔与在轨加注接口1对接，服务卫星通过服务端加注接口9和在轨加注接口1向目标卫星补加气液。

所述传动箱13包括两个步进电机；导轨10为沿圆周均匀分布的金属柱；传动箱13穿过服务端加注接口后面板14的通孔，从导轨10围成的圆柱形空间穿过后，与轴向进给平台11固定连接；

所述被动机构还包括目标端防污染物盖板4，主动机构包括服务端防污染物盖板7，所述目标端防污染物盖板4通过转动轴承安装在目标端加注接口前面板3朝向服务卫星的端面上，服务端防污染物盖板7通过转动轴承安装在服务端加注接口前面板8朝向目标卫星的端面上，在进行在轨加注时，目标端防污染物盖板4旋转后露出目标端加注接口前面板3上与目标端在轨加注接口1相对应的通孔，服务端防污染物盖板7旋转后露出服务端加注接口前面板8上与服务端加注接口9相对应的通孔，使得服务端加注接口9穿过服务端加注接口前面板8上的通孔，完成与目标端在轨加注接口1的对接。服务端加注接口前面板8与服务卫星的机械臂或者卫星本体固定连接，所述服务端加注接口9的数量和位置均与目标端在轨加注接口1对应，一般来讲，服务端加注接口9的数量为2个，轴对称分布在轴向进给平台11的边缘。

所述被动机构包括目标端导向装置5，主动机构包括服务端导向装置6；

所述目标端导向装置5固定安装在目标端加注接口前面板3朝向服务卫星的端面上，主动机构包括服务端导向装置6固定安装在服务端加注接口前面板8朝向目标卫星的端面上，服务端导向装置6与目标端导向装置5相互配合，实现主动机构和被动机构的初步定位。

目标端导向装置5为凹槽，数量大于等于3个，均匀分布在目标端加注接口前面板3的边缘，凹槽的形状为圆锥形等可以将凸球进行限位的结构。所述服务端导向装置6为一端带凸球的杆状结构，数量与目标端导向装置5的数量一致，且与目标端导向装置5的位置相对应。

所述主动机构还包括轴向限位机构16，所述轴向限位机构16固定安装在轴向导轨10上，防止轴向进给平台11朝服务卫星方向移动。

所述服务端定位锁头12朝向目标卫星的一端带有横截面为矩形的凸台，目标端轴向定位锁扣2带环形限位机构的凹槽，环形限位机构通孔的形状与服务端定位锁头12凸台横截面形状相对应，服务端定位锁头12穿过环形限位机构进入目标端轴向定位锁扣2中的凹槽后进行旋转，利用环形限位机构对服务端定位锁头12的凸台进行限位，防止服务端定位锁头12与目标端轴向定位锁扣2脱离。本发明的实施例中，服务端定位锁头12凸台的横截面为正方形，目标端轴向定位锁扣2带环形限位机构的通孔形状也为正方形，目标端轴向定位锁扣2凹槽的空间可以容纳服务端定位锁头12凸台，服务端定位锁头12凸台进入凹槽后，进行旋转，旋转后的凸台无法从目标端轴向定位锁扣2带环形限位机构中穿出，从而防止服务端定位锁头12与目标端轴向定位锁扣2脱离，最终使得主动机构和被动机构的相对位置固定。

服务端定位锁头12朝向服务卫星的一端带有花键，服务端防污染物盖板7的中心开有花键孔，花键和花键孔咬合，服务端定位锁头12的外径与目标端防污染物盖板4的中心通孔咬合，服务端定位锁头12在传动轴15的驱动下带动服务端防污染物盖板7和目标端防污染物盖板4旋转。

本发明利用灵巧机械臂和一种对接补加一体化装置实现卫星在轨加注流体传输通道的建立，该方法不依赖于整星间的对接机构，工作原理为：

(1)基于锥杆机构的对接补加一体化装置的精确定位服务端加注接口前面板8对接面垂直布置三根球头导杆型，三根导杆沿一圆周面均匀布置，相对角度120°，目标端加注接口前面板3布置三个导向锥面，锥面与球头导杆的位置一一对应，锥面开口直径取决于灵巧机械臂末端位置与角度误差。

服务卫星通过抓捕机械臂完成对目标卫星的抓捕后，开始利用灵巧机械臂建立流体传输通道。首先，灵巧机械臂利用视觉成像系统规划运动轨迹，带动在轨补加气液接口装置服务端逐渐靠近目标星上的在轨补加气液接口装置目标端，进入对接窗口区域；随后，灵巧机械臂向前水平伸出，球头导杆分别落入各自导向锥面，机械臂通过末端关节的力传感器信息对运动轨迹进行修正，最终三根球头导杆落入导向锥面底部，对接补加一体化装置服务端和目标端对接面相对位置确定。

(2)对接补加一体化装置服务端与目标端的轴向锁紧设计在在轨补加气液接口装置目标端中心位置布置一个轴向锁紧机构，在在轨补加气液接口装置服务端中心位置布置一根轴向锁紧拉杆，对接锁紧拉杆由驱动机构驱动能够实现轴向平移和旋转运动。

当在轨补加气液接口装置服务端和目标端完成定位之后，对接锁紧拉杆在驱动机构作用下平移伸出，直至顶端进入目标端轴向锁紧机构的锥孔中，对接锁紧拉杆顶部到达锥孔底部时，安装在对接锁紧拉杆顶部的微动开关返回信号，驱动机构停止运动；

随后，对接锁紧拉杆在驱动机构作用下旋转一定角度，完成对接锁紧机构与对接锁紧拉杆的轴向锁定。

最后，对接锁紧拉杆沿轴向回收，三根球头导杆前端球头被紧压在导向锥面底部，对在轨补加气液接口装置完成固连。

(3)在轨补加气液接口装置完成固连后，目标端在轨加注接口(1)和服务端加注接口(9)进行连接，并构成气液补加通道，完成在轨气液补加。

Claims (10)

1.一种在轨补加气液接口装置，用于实现服务卫星向目标卫星进行在轨补加气液，其特征在于包括：主动机构和被动机构；

所述被动机构包括目标端在轨加注接口(1)、目标端轴向定位锁扣(2)和目标端加注接口前面板(3)；

所述目标端加注接口前面板(3)固定安装在目标卫星上，目标端加注接口前面板(3)朝向目标卫星的端面安装有目标端在轨加注接口(1)和目标端轴向定位锁扣(2)；

所述主动机构包括服务端加注接口前面板(8)、服务端加注接口(9)、轴向导轨(10)、轴向进给平台(11)、服务端定位锁头(12)、传动箱(13)、服务端加注接口后面板(14)和传动轴(15)；

所述轴向导轨(10)的一端通过服务端加注接口前面板(8)与服务卫星连接，另一端与服务端加注接口后面板(14)固定连接；

所述轴向进给平台(11)套装在轴向导轨(10)上，传动箱(13)安装在轴向进给平台(11)朝向服务卫星的端面上，传动轴(15)依次穿过传动箱(13)、轴向进给平台(11)后与服务端定位锁头(12)固定连接，服务端定位锁头(12)在传动箱(13)的驱动下，穿过服务端加注接口前面板(8)，进入目标端轴向定位锁扣(2)并完成定位，实现主动机构和被动机构的连接；

所述服务端加注接口(9)与轴向进给平台(11)固定连接，在主动机构和被动机构的连接后，在传动箱(13)和转动离合机构的驱动下，跟随轴向进给平台(11)沿轴向导轨(10)运动，并穿过服务端加注接口前面板(8)上的通孔与在轨加注接口(1)对接，服务卫星通过服务端加注接口(9)和在轨加注接口(1)向目标卫星补加气液。

2.根据权利要求1所述的一种在轨补加气液接口装置，其特征在于：所述被动机构还包括目标端防污染物盖板(4)，主动机构包括服务端防污染物盖板(7)，所述目标端防污染物盖板(4)通过转动轴承安装在目标端加注接口前面板(3)朝向服务卫星的端面上，服务端防污染物盖板(7)通过转动轴承安装在服务端加注接口前面板(8)朝向目标卫星的端面上，在进行在轨加注时，目标端防污染物盖板(4)旋转后露出目标端加注接口前面板(3)上与目标端在轨加注接口(1)相对应的通孔，服务端防污染物盖板(7)旋转后露出服务端加注接口前面板(8)上与服务端加注接口(9)相对应的通孔，使得服务端加注接口(9)穿过服务端加注接口前面板(8)上的通孔，完成与目标端在轨加注接口(1)的对接。

3.根据权利要求1所述的一种在轨补加气液接口装置，其特征在于：所述被动机构包括目标端导向装置(5)，主动机构包括服务端导向装置(6)；所述目标端导向装置(5)固定安装在目标端加注接口前面板(3)朝向服务卫星的端面上，主动机构包括服务端导向装置(6)固定安装在服务端加注接口前面板(8)朝向目标卫星的端面上，服务端导向装置(6)与目标端导向装置(5)相互配合，实现主动机构和被动机构的初步定位。

4.根据权利要求3所述的一种在轨补加气液接口装置，其特征在于：所述目标端导向装置(5)为凹槽，数量大于等于3个，均匀分布在目标端加注接口前面板(3)的边缘。

5.根据权利要求4所述的一种在轨补加气液接口装置，其特征在于：所述凹槽的形状为圆锥形。

6.根据权利要求3所述的一种在轨补加气液接口装置，其特征在于：所述服务端导向装置(6)为一端带凸球的杆状结构，数量与目标端导向装置(5)的数量一致，且与目标端导向装置(5)的位置相对应。

7.根据权利要求1所述的一种在轨补加气液接口装置，其特征在于：所述主动机构还包括轴向限位机构(16)，所述轴向限位机构(16)固定安装在轴向导轨(10)上，防止轴向进给平台(11)朝服务卫星方向移动。

8.根据权利要求1所述的一种在轨补加气液接口装置，其特征在于：所述服务端加注接口前面板(8)与服务卫星的机械臂或者卫星本体固定连接。

9.根据权利要求1所述的一种在轨补加气液接口装置，其特征在于：所述服务端定位锁头(12)朝向目标卫星的一端带有横截面为矩形的凸台，目标端轴向定位锁扣(2)带环形限位机构的凹槽，环形限位机构通孔的形状与服务端定位锁头(12)凸台横截面形状相对应，服务端定位锁头(12)穿过环形限位机构进入目标端轴向定位锁扣(2)中的凹槽后进行旋转，利用环形限位机构对服务端定位锁头(12)的凸台进行限位，防止服务端定位锁头(12)与目标端轴向定位锁扣(2)脱离。

10.根据权利要求2所述的一种在轨补加气液接口装置，其特征在于：所述服务端定位锁头(12)朝向服务卫星的一端带有花键，服务端防污染物盖板(7)的中心开有花键孔，花键和花键孔咬合，服务端定位锁头(12)的外径与目标端防污染物盖板(4)的中心通孔咬合，服务端定位锁头(12)在传动轴(15)的驱动下带动服务端防污染物盖板(7)和目标端防污染物盖板(4)旋转。