CN106005487B - 一种空间在轨加注对接接口装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞行器加注对接接口装置，包括受注接口和加注接口两部分。导向口瞄准受注接口，受注接口进入锥筒型导向口颈部后，其头部将滚珠挤出至锁芯第一段，但滚珠不会完全滚出锥形孔，直至头部接触加注管口肩托斜面上的密封圈；电机转动，通过主动齿轮和丝杠操作锁芯上行，锁芯内部的斜面将滚珠挤入锥筒型导向口上的锥形孔，滚珠的一部分透过锥形孔进入受注接口上的凹口，实现对受注接口的锁紧，电机反向转动实现解锁。利用滚珠与特型锁芯组成球锁，并通过电机驱动实现对受注接口的锁紧与解锁。作为机械臂的末端执行机构，使推进剂在轨加注方式更加灵活。

Description

一种空间在轨加注对接接口装置

技术领域

本发明属于飞行器加注技术领域，涉及在轨加注对接接口装置的设计。

背景技术

空间飞行器的机动能力很大程度上取决于推进剂的携带量，由于空间系统质量和体积受到运行控制特性以及运载系统单次发射能力的限制，所以目前的各种卫星推进系统的推进剂储量是非常有限的，而仅仅依靠卫星自身携带的推进剂远远无法完成广泛的轨道机动任务；另一方面，航天器寿命受到推进剂质量比值的限制，由于现今发射成本很高，大多数国家都选择发射不需要后勤支持的长寿命卫星，因而只能在发射时就将卫星充满足够的燃料，这样既增加了发射成本，又降低了卫星的有效载荷和寿命，如果通过给航天器加注推进剂来提高寿命，不但减轻了发射重量，还可以把发射系统做得更小，显著降低发射成本，因此发展液体推进剂在轨加注技术是十分必要的。

在轨加注对接接口装置是实现空间飞行器在轨加注的关键组件，需要自主完成服务飞行器与目标飞行器之间推进剂管路的对接、锁紧、密封以及解锁分离等功能。

中国专利申请公开说明书CN104058109A公开了一种卫星在轨自主加注用液体传输接口，该卫星在轨自主加注用液体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。

在上述现有技术中，采用电磁阀驱动完成加注主动端与被动力端的接口的锁紧和解锁，结构复杂，在接口装置中需要安装包括电磁线圈、导磁体、单向阀芯和阀体等相关机构；同时利用弹簧轴向力实现钢球从凹槽内脱出，弹簧的机械运动容易产生卡死和疲劳的问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种空间在轨加注对接接口装置，利用滚珠与特型锁芯组成球锁，实现对受注接口的锁紧与解锁，可靠地进行对接与分离。

为了解决上述技术问题，本发明一种空间在轨加注对接接口装置，包括受注接口和加注接口；受注接口上设有凹口；加注接口包括：导向口、基座、锁紧装置，在导向口的颈部沿圆周方向分布有锥形孔，锥形孔内存放滚珠。所述的锁紧装置包括：锁芯、丝杠、主动齿轮；丝杠安装在基座上，侧面放置主动齿轮，丝杠下部齿轮与主动齿轮啮合；锁芯内部分为三段：锁芯第三段带有内螺纹，与丝杠配合使用，锁芯第二段内径与导向口的颈部外径相同，锁芯第一段内径大于锁芯第二段，两个内径面之间由斜面过渡；受注接口进入加注接口后，导向口颈部的锥形孔内的滚珠与锁芯内径面形成点面接触，并能顺利滑动。

导向口采用锥筒结构，对接过程中，导向口瞄准受注接口，在加注飞行器或机构的驱动下，加注接口逐渐接近并接触受注接口，即使存在一定的瞄准误差，仍然可以利用“杆-锥”的相容性实现两者的准确对接。导向口颈部沿圆周方向设置键，同时在锁芯第二段与斜面上的内径壁上相应位置设置键槽，键在键槽内滑动，方便锁芯轴向运动。

受注接口采用杆式设计，其头部采用曲面过渡，以便于顺利进入导向口锥筒的颈部；中部设有锥形台，锥形台的斜率与导向口锥筒的斜率吻合，有助于提高对接精度；头部和锥形台之间设置凹口，与滚珠配合实现对接后的锁紧；受注接口的内部为接受加注的液体管路。

主动齿轮通过芯轴与电机相连，传递电机的转动，并通过与丝杠下部齿轮的啮合，带动丝杠的转动。为保证液体传输过程中不会发生泄漏，在加注管口的外侧采用两道密封圈，在加注管口的肩托斜面上采用一道密封圈。轴承放置在丝杠与锥筒根部之间，内圈箍紧在锥筒根部，外圈与丝杠过盈配合。

加注管口包括中心管路和受注接口肩托两个部分，中心管路用于伸入受注接口中进行加注，管路外侧加工两道凹痕用于安装密封圈；受注接口肩托的工作面为斜面，用于托住受注接口，为其提供止动位置，斜面上加工一道凹痕用于安装密封圈。

主要部件工作原理如下：

滚珠：当受注接口进入锥筒型导向口内的工作位置后，滚珠在锁芯的作用下滚入受注接口上的凹口，锁紧受注接口；待推进剂在轨加注完成后，滚珠滚出凹口，解锁释放受注接口。

丝杠：用于将主动齿轮的转动转化为锁芯的轴向运动。

轴承：用于实现丝杠的绕轴转动。

基座：为空腔体，底部与执行加注的空间飞行器或机构相连，上部连接导向口和加注管口，内部是液体管路，并为电机提供安装空间。

本发明的优点在于：该装置利用滚珠与特型锁芯组成球锁，并通过电机驱动实现对受注接口的锁紧与解锁；同时该装置集成了对接和加注接口两项功能，作为机械臂的末端执行机构，使推进剂在轨加注方式更加灵活；加注接口与受注接口利用“杆-锥”相容原理实现对接，容许一定范围的瞄准误差存在。

附图说明

图1为空间在轨加注自动对接接口装置组成图；

图2为加注接口与受注接口对接前的状态；

图3为加注接口与受注接口锁紧后的状态；

图4为锁芯结构

1—受注接口、2—导向口、3—滚珠、4—锁芯、5—丝杠6—轴承、7—密封圈、8—加注管口、9—基座、10—主动齿轮11—电机12—加注接口13—锁芯第一段14—锁芯第二段15—锁芯第三段

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明要求保护的范围。

如图1所示，本发明一种空间在轨加注对接接口装置，包括受注接口1和加注接口12，受注接口1上设有凹口；加注接口12包括：导向口2、基座9、锁紧装置，在导向口2的颈部沿圆周均匀分布六个锥形孔，锥形孔内存放滚珠3。所述的锁紧装置包括：锁芯4、丝杠5、主动齿轮10；所述的丝杠5安装在基座上，侧面放置主动齿轮10，丝杠5下部齿轮与主动齿轮10啮合；所述的锁芯4内部分为三段：锁芯第三段15带有内螺纹，与丝杠5配合使用，锁芯第二段14内径与导向口2的颈部外径相同，锁芯第一段13内径大于锁芯第二段14，其内径与导向口外径之差大于零小于2倍数的滚珠直径。

两个内径面之间由斜面过渡；受注接口1进入加注接口12后，导向口2颈部的锥形孔内的滚珠3与锁芯4内径面形成点面接触，并能顺利滑动；在导向口2颈部沿圆周方向均匀设置六个键，锁芯第二段14与斜面上的内径壁上设置六个键槽，键在键槽内滑动。

导向口2采用锥筒结构，对接过程中，导向口2瞄准受注接口，在加注飞行器或机构的驱动下，加注接口逐渐接近并接触受注接口1，即使存在一定的瞄准误差，仍然可以利用“杆-锥”的相容性实现两者的准确对接；受注接口1为杆状，其头部采用曲面过渡，中部设有锥形台，锥形台的斜率与导向口2锥筒结构的斜率吻合。轴承6放置在丝杠与锥筒根部之间，内圈箍紧在锥筒根部，外圈与丝杠过盈配合。

(1)对接

执行对接前，受注接口1与加注接口12的状态如图2所示，滚珠3与锁芯4组成的球锁处于解锁状态。对接过程中，导向口2瞄准受注接口1，在加注飞行器或机构的驱动下，加注接口逐渐接近并接触受注接口1。受注接口1进入锥筒型导向口2颈部后，其头部将滚珠3挤出至锁芯4内部第一段13，但滚珠3不会完全滚出锥形孔。受注接口1继续下行，直至头部接触加注管口8肩托斜面上的密封圈7，对接过程结束。

(2)锁紧与解锁

对接完成后，电机转动，通过主动齿轮10和丝杠5操作锁芯4上行，锁芯4内部的斜面将滚珠3挤入锥筒型导向口2上的锥形孔，滚珠3的一部分透过锥形孔进入受注接口1上的凹口，实现对受注接口1的锁紧。锁紧后的加注接口与受注接口1的状态如图3所示。

解锁释放时，电机反向转动，操作锁芯4下行，在加注飞行器或机构提供分离力的情况下，受注接口1上的凹口将滚珠3挤出，实现解锁释放。

(3)密封

加注过程的密封通过密封圈7实现。在加注管口8上共设有三道密封圈，其中两道密封圈设置在中心管路外侧，为轴向密封，一道密封圈设置在肩托斜面上，为端面密封。

Claims (9)

1.一种空间在轨加注对接接口装置，包括受注接口(1)和加注接口(12)；受注接口(1)上设有凹口；加注接口(12)包括：导向口(2)、基座(9)、锁紧装置，在导向口(2)的颈部沿圆周方向分布有锥形孔，锥形孔内存放滚珠(3)，其特征在于：所述的锁紧装置包括：锁芯(4)、丝杠(5)、主动齿轮(10)；所述的丝杠(5)安装在基座(9)上，侧面安装主动齿轮(10)，丝杠(5)下部齿轮与主动齿轮(10)啮合；所述的锁芯(4)内部分为三段：锁芯第三段(15)带有内螺纹，与丝杠(5)配合使用，锁芯第二段(14)内径与导向口(2)的颈部外径相同，锁芯第一段(13)内径大于锁芯第二段(14)，两个内径面之间由斜面过渡；受注接口(1)进入加注接口(12)后，导向口(2)颈部的锥形孔内的滚珠(3)与锁芯(4)内径面形成点面接触，并能顺利滑动。

2.根据权利要求1所述的空间在轨加注对接接口装置，其特征在于：所述导向口(2)为锥筒结构。

3.根据权利要求2所述的空间在轨加注对接接口装置，其特征在于：所述受注接口(1)为杆状，其头部采用曲面过渡，中部设有锥形台，锥形台的斜率与导向口(2)锥筒结构的斜率吻合。

4.根据权利要求1或2所述的空间在轨加注对接接口装置，其特征在于：在所述的导向口(2)颈部沿圆周方向设置键，所述的锁芯第二段(14)与斜面上的内径壁上设置键槽，键在键槽内滑动。

5.根据权利要求1或2所述的空间在轨加注对接接口装置，其特征在于所述的锁芯第一段(13)内径与导向口外径之差小于2倍数的滚珠直径。

6.根据权利要求1或者2所述的空间在轨加注对接接口装置，其特征在于：所述导向口(2)的颈部沿圆周方向均匀分布六个锥形孔。

7.根据权利要求1或2所述的空间在轨加注对接接口装置，其特征在于：还包括密封圈(7)、加注管口(8)，所述的受注接口(1)头部插入加注接口(2)，直达加注管口(8)，并通过密封圈(7)完成密封。

8.根据权利要求7所述的空间在轨加注对接接口装置，其特征在于：在加注管口(8)上外侧设置两道轴向密封圈，同时在加注管口(8)的肩托斜面上，设置端面密封。

9.根据权利要求4所述的空间在轨加注对接接口装置，其特征在于：在所述的导向口(2)颈部沿圆周方向均匀设置六个键，所述的锁芯第二段(14)与斜面上的内径壁上均匀设置六个键槽。