CN105197256B - 一种可在轨展开的模块化航天器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种可在轨展开的模块化航天器，包括母模块、至少两个子模块、铰链展开装置、锁定装置和压紧释放装置；所述母模块为整个航天器的基础；航天器处于收拢状态时，所述两个或多个子模块线性堆叠在母模块上方，模块之间通过铰链展开装置连接，通过压紧释放装置固定；航天器在轨展开时，压紧释放装置解锁释放，铰链展开装置驱动两个或多个子模块展开到位，通过锁定装置锁定后，与母模块形成一个平面。本发明航天器支持在轨展开，运载整流罩利用率高，结构配置灵活，特别适用于具有快速响应需求的低轨中小型卫星等航天器应用。

Description

一种可在轨展开的模块化航天器

技术领域

本发明涉及一种可在轨展开的模块化航天器，特别适用于具有快速响应需求的低轨中小型卫星等航天器应用。

背景技术

随着空间科学技术的快速发展，航天器逐渐呈现功能多样化，结构复杂化的趋势。由于运载火箭承载能力和整流罩可用包络空间的约束，航天器设计时需要重点考虑结构尺寸和复杂性程度等因素。传统的航天器结构设计具有以下不足：(1)航天器结构设计一般是满足用户的特定任务需求，结构形式比较单一，灵活性较差；(2)对运载火箭整流罩可用空间的利用率有待提高；(3)航天器结构形式复杂，通用性和扩展性较差，航天器设计、制造、装配和测试需要消耗大量的时间和经济成本。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，基于以上问题，提出一种支持在轨展开的模块化航天器，发射前将若干功能模块采用可靠的连接机构进行堆栈连接，发射入轨后展开至指定构型，以满足任务需要。

本发明的技术方案是：一种可在轨展开的模块化航天器，包括母模块、至少两个子模块、铰链展开装置、锁定装置和压紧释放装置；所述母模块为横截面为正八边形的盒形结构；所述两个子模块的横截面是沿着母模块正八边形相对两条边的中垂线切开的六边形，除最长边外的其余边与母模块重合，均为盒形结构；航天器处于收拢状态时，所述两个子模块并排堆叠在母模块上方，母模块开口向上，两个子模块开口向下，保证两个子模块外轮廓与母模块正八边形外轮廓重合；在母模块外轮廓相对的两条边上，位于模块间分界面处对称安装两对铰链展开装置，将两个子模块与母模块相连；在铰链展开装置安装的同一平面内，位于所述两个子模块与母模块上距模块间分界面相等距离位置安装锁定装置，实现在轨展开后子模块与母模块锁定；在母模块上与上述安装铰链展开装置两条边正交的另外两条边上，位于模块间分界面位置安装压紧释放装置，将所述两个子模块与母模块压紧。

当根据需要再增加两个子模块时，将后续增加的两个子模块开口向上并排堆叠在先前两个子模块的上方，保证后增加的两个子模块的外轮廓与先前两个子模块重合；在前先两个子模块外轮廓长边上，位于模块间的界面位置对称安装两对铰链展开装置，将后增加的一个子模块与先前的一个子模块，后增加的另一个子模块与先前的另一个子模块相连；在铰链展开装置安装的同一平面内，位于后增加的一个子模块与先前的一个子模块，后增加的另一个子模块与先前的另一个子模块上距模块间分界面相等距离位置安装锁定装置，实现在轨展开后，后增加的子模块与先前两个子模块锁定；在先前两个子模块上，与上述安装铰链展开装置两条长边相对的另外两条短边上，位于模块间分界面位置安装压紧释放装置，将后增加的一个子模块与先前一个子模块，后增加的另一个子模块与先前另一个子模块压紧；当需要再增加两个子模块或多个子模块时，将两个子模块作为一层，以所述先前两个子模块作为第一层，后增加的两个子模块作为第二层，如果再增加子模块位于奇数层，增加的部件及连接关系与先前两个子模块相同，如果再增加子模块位于偶数层，增加的部件及连接关系与后增加的两个子模块相同，直至满足多个子模块的设计需要。

所述母模块包括对接环、母底板、8块相同的母侧板、长隔板、两块相同的短隔板；所述母底板为正八边形结构板，其中心与对接环中心重合，安装在对接环上方；所述8块母侧板均为矩形结构板，短边首尾相连围成一个与母底板外轮廓重合的正八边形侧板组，该侧板组与母底板上边沿相连，形成一个开口的正八边形盒形结构；所述长隔板、2块短隔板均为矩形结构板，3块隔板连接形成一个十字形隔板组，该隔板组与母底板上表面及2对相对母侧板的内表面相连，将盒形结构分为4个区域。

所述对接环为圆环形结构，采用高强度铝合金整体机加而成，为整个母模块的安装基础。

所述两个或多个子模块结构完全相同，每个子模块由子底板、2块相同的短侧板、3块相同的中侧板、1块长侧板等结构板组成；所述子底板为沿母底板相对两条边的中垂线切开的六边形结构，为整个子模块的安装基础；所述短侧板、中侧板、长侧板共6块板均为矩形结构板，6块板有一条矩形边长度相同，其首尾相连围成一个与子底板边沿重合的六边形侧板组，该侧板组与子底板的上边沿相连，形成一个开口的六边形盒形结构。

所述的母模块和子模块均采用铝蒙皮蜂窝板构成的板架式结构，可根据需求灵活调整外形尺寸。

本发明与现有技术相比优点在于：

(1)本发明的航天器采用高度模块化设计，结构配置灵活，可根据任务需求配置相应数量的模块；

(2)本发明航天器采用正八边形外形设计，发射前处于收拢状态，对运载整流罩的空间利用率较高，入轨展开完成后可提供相对于传统航天器多几倍的对地面安装面积，从而满足更多或更大型载荷的配置需求；

(3)本发明的模块采用铝蒙皮蜂窝板构成的板架式结构，可根据需求灵活调整外形尺寸，通用性和扩展性好，制造成本低；模块开敞性好，各模块易于并行设计、制造、装配和测试，能够有效缩短研制周期，降低成本。

附图说明

图1为航天器收拢状态示意图a；

图2为航天器收拢状态示意图b(隐藏一边子模块)；

图3为航天器在轨第一次展开完成示意图；

图4为航天器在轨第二次展开完成示意图；

图5为母模块结构示意图a；

图6为母模块结构示意图b；

图7为子模块结构示意图。

具体实施实例

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，本发明的可在轨展开的模块化航天器包括：母模块1、第一子模块2、第二子模块3、第三子模块4、第四子模块5、铰链展开装置6、锁定装置7和压紧释放装置8；母模块1是整个航天器的基础，是横截面为正八边形的盒形结构；所述第一子模块2、第二子模块3、第三子模块4、第四子模块5结构相同，横截面是沿着母模块1正八边形相对两条边的中垂线切开的六边形，除最长边外的其余边可与母模块1重合，均为盒形结构。发射时航天器容纳于运载整流罩内处于收拢状态，进入预定轨道后，航天器实现在轨展开。

航天器处于收拢状态时，第一子模块2、第二子模块3并排堆叠在母模块1上方，母模块1开口向上，第一子模块2、第二子模块3开口向下，保证第一子模块2、第二子模块3外轮廓与母模块1正八边形外轮廓重合；在母模块1外轮廓相对的两条边上，位于模块间分界面处对称安装两对铰链展开装置6，将第一子模块2、第二子模块3与母模块1相连，铰链展开装置6采用比较成熟的扭簧或电机驱动；在铰链展开装置6安装的同一平面内，位于第一子模块2、第二子模块3与母模块1上距模块间分界面相等距离位置安装锁定装置7，实现在轨展开后第一子模块2、第二子模块3与母模块1锁定，锁定装置7设计成销孔和销轴配合形式；在母模块1上与上述安装铰链展开装置6两条边正交的另外两条边上，位于模块间分界面位置安装压紧释放装置8，将第一子模块2、第二子模块3与母模块1压紧，压紧释放装置8采用航天器常用的低冲击火工锁；第三子模块4、第四子模块5开口向上并排堆叠在第一子模块2、第二子模块3上方，保证第三子模块4、第四子模块5外轮廓与第一子模块2、第二子模块3重合；在第一子模块2、第二子模块3外轮廓长边上，位于模块间的界面位置对称安装两对铰链展开装置6，将第三子模块4与第一子模块2、第四子模块5与第二子模块3相连；在铰链展开装置6安装的同一平面内，位于第三子模块4与第一子模块2、第四子模块5与第二子模块3上距模块间分界面相等距离位置安装锁定装置7，实现在轨展开后第三子模块4与第一子模块2、第四子模块5与第二子模块3锁定；在第一子模块2、第二子模块3上与上述安装铰链展开装置6两条长边相对的另外两条短边上，位于模块间分界面位置安装压紧释放装置8，将第三子模块4与第一子模块2、第四子模块5与第二子模块3压紧。由于收拢状态时整个航天器的采用正八边形外形及线性堆栈结构，可以充分利用整流罩径向和轴向的包络空间，根据估算整流罩包络空间利用率可达到70％以上，明显优于传统航天器50％以下空间利用率的指标。另外，由于本发明航天器采用高度的模块化设计，根据航天器设备的多少可以灵活的增加或减少子模块的数量，只需要在上述实施方案的基础上增加或拆除相应数量的子模块即可，而不需要对航天器整体结构作较大修改，从而能够灵活满足不同航天任务的需求。

如图3、4所示，航天器在轨展开分为两步进行；第一步，将第一子模块2、第二子模块3与母模块1之间的压紧释放装置8解锁释放，铰链展开装置6驱动第一子模块2、第二子模块3展开，展开到位后，通过锁定装置7锁定，第一子模块2、第二子模块3与母模块1锁定形成一个平面，完成第一次展开；第二步展开与第一步类似，第三子模块4与第一子模块2、第四子模块5与第二子模块3之间的压紧释放装置8解锁释放，铰链展开装置6驱动第三子模块4、第四子模块5展开，展开到位后，通过锁定装置7锁定，第三子模块4与第一子模块2、第四子模块5与第二子模块3锁定形成一个平面，完成第二次展开。由于目前对于大多数航天器载荷设备如天线、相机等需要安装在对地面，保证在轨工作时载荷设备指向地球，本发明的航天器入轨展开后可以提供几倍于横截面的对地面的安装面积，相对传统航天器可以安装更多或更大型的载荷设备。

如图5、6所示，母模块1由对接环9及母底板10、8块相同的母侧板11、长隔板12、两块相同的短隔板13等结构板组成，母模块1所有结构板均为铝蒙皮蜂窝结构板；母底板10为正八边形结构板，中心与对接环9中心重合，安装在对接环9上方；8块母侧板11均为矩形结构板，短边首尾相连围成一个与母底板10外轮廓重合的正八边形侧板组，该侧板组与母底板10上边沿相连，形成一个开口的正八边形盒形结构；长隔板12、两块短隔板13均为矩形结构板，3块隔板连接形成一个十字形隔板组，该隔板组与母底板10上表面及两对相对母侧板11的内表面相连，将盒形结构分为4个区域。对接环9为圆环形结构，采用高强度铝合金整体机加而成，为整个母模块1的安装基础。

如图7所示，第一子模块2、第二子模块3、第三子模块4、第四子模块5结构完全相同，每个子模块均由子底板14、两块相同的短侧板15、3块相同的中侧板16、1块长侧板17等结构板组成，子模块所有结构板同样均为铝蒙皮蜂窝夹层板；子底板14为沿母底板10相对两条边的中垂线切开的六边形结构，为整个子模块的安装基础；短侧板15、中侧板16、长侧板17共6块板均为矩形结构板，6块板有一条矩形边长度相同，长度相同边首尾相连围成一个与子底板14外轮廓重合的六边形侧板组，该侧板组与子底板14的上边沿相连，形成一个开口的六边形盒形结构。本发明中母模块1和各子模块均采用铝蒙皮蜂窝板构成的板架式结构，母模块1的正八变形外接圆直径为对接环9采用常用的1194A接口。模块尺寸也可根据航天器需求灵活调整，通用性和扩展性好，制造成本低，易于批量生产；此外，母模块1和各子模块均为开口盒形结构，便于航天器仪器设备总装，具体实施时可将各分系统设备集成在单一模块内，以便于各模块并行设计、制造、装配和测试，最后通过简单的接口连接即可装配成整个航天器，能够有效缩短研制周期，降低成本。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种可在轨展开的模块化航天器，其特征在于：包括母模块、至少两个子模块、铰链展开装置、锁定装置和压紧释放装置；所述母模块为横截面为正八边形的盒形结构；所述两个子模块的横截面是沿着母模块正八边形相对两条边的中垂线切开的六边形，除最长边外的其余边与母模块重合，均为盒形结构；航天器处于收拢状态时，所述两个子模块并排堆叠在母模块上方，母模块开口向上，两个子模块开口向下，保证两个子模块外轮廓与母模块正八边形外轮廓重合；在母模块外轮廓相对的两条边上，位于模块间分界面处对称安装两对铰链展开装置，将两个子模块与母模块相连；在铰链展开装置安装的同一平面内，位于所述两个子模块与母模块上距模块间分界面相等距离位置安装锁定装置，实现在轨展开后子模块与母模块锁定；在母模块上与上述安装铰链展开装置两条边正交的另外两条边上，位于模块间分界面位置安装压紧释放装置，将所述两个子模块与母模块压紧；

当根据需要再增加两个子模块时，将后续增加的两个子模块开口向上并排堆叠在先前两个子模块的上方，保证后增加的两个子模块的外轮廓与先前两个子模块重合；在前先两个子模块外轮廓长边上，位于模块间的界面位置对称安装两对铰链展开装置，将后增加的一个子模块与先前的一个子模块，后增加的另一个子模块与先前的另一个子模块相连；在铰链展开装置安装的同一平面内，位于后增加的一个子模块与先前的一个子模块，后增加的另一个子模块与先前的另一个子模块上距模块间分界面相等距离位置安装锁定装置，实现在轨展开后，后增加的子模块与先前两个子模块锁定；在先前两个子模块上，与上述安装铰链展开装置两条长边相对的另外两条短边上，位于模块间分界面位置安装压紧释放装置，将后增加的一个子模块与先前一个子模块，后增加的另一个子模块与先前另一个子模块压紧；当需要再增加两个子模块或多个子模块时，将两个子模块作为一层，以所述先前两个子模块作为第一层，后增加的两个子模块作为第二层，如果再增加子模块位于奇数层，增加的部件及连接关系与先前两个子模块相同，如果再增加子模块位于偶数层，增加的部件及连接关系与后增加的两个子模块相同，直至满足多个子模块的设计需要。

2.根据权利要求1所述的可在轨展开的模块化航天器，其特征在于：所述母模块包括对接环、母底板、8块相同的母侧板、长隔板、两块相同的短隔板；所述母底板为正八边形结构板，中心与对接环中心重合，安装在对接环上方；所述8块母侧板均为矩形结构板，短边首尾相连围成一个与母底板外轮廓重合的正八边形侧板组，该侧板组与母底板上边沿相连，形成一个开口的正八边形盒形结构；所述长隔板、2块短隔板均为矩形结构板，3块隔板连接形成一个十字形隔板组，该隔板组与母底板上表面及2对相对母侧板的内表面相连，将盒形结构分为4个区域。

3.根据权利要求2所述的可在轨展开的模块化航天器，其特征在于：所述对接环为圆环形结构，采用高强度铝合金整体机加而成，为整个母模块的安装基础。

4.根据权利要求1或2所述的可在轨展开的模块化航天器，其特征在于：所述两个或多个子模块结构完全相同，每个子模块由子底板、2块相同的短侧板、3块相同的中侧板、1块长侧板组成；所述子底板为沿母底板相对两条边的中垂线切开的六边形结构，为整个子模块的安装基础；所述短侧板、中侧板、长侧板共6块板均为矩形结构板，6块板有一条矩形边长度相同，其首尾相连围成一个与子底板边沿重合的六边形侧板组，该侧板组与子底板的上边沿相连，形成一个开口的六边形盒形结构。

5.根据权利要求1或2所述的可在轨展开的模块化航天器，其特征在于：所述的母模块和子模块均采用铝蒙皮蜂窝板构成的板架式结构，可根据需求灵活调整外形尺寸。