CN106986050A - 一种多立方星组合结构及其变化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多立方星组合结构及其变化方法，主要涉及立方星组合连接技术领域，立方星具有多个面，根据不同组合结构，任意两个面可能需要连接，本发明提出一种使用电磁铁供电电流方向控制的，具有占用空间少，使立方星任意面能够实现连接锁死的方式，目的是解决了提供有限控制单元，有限安装空间的立方星的连接问题。主要通过简单的电流控制系统，同型异构的装置布局，利用电磁铁极性的改变，任意两个立方星能够通过此方式完成连接，避免公母型的设计方案，具有尺寸小、执行器少、功耗低、冗余度高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及立方星组合连接技术领域，具体为一种多立方星组合结构及其变化方法。
背景技术
首先随着科学技术的快速发展，空间系统的数量、水平及能力不断提高，空间操作日益复杂、多样。随着分系统、有效载荷数量和质量的增加，原本巨大的航天器构型日趋复杂多样，多数有效载荷为满足实现预定功能的需要，对总体构形提出了更多的要求如星敏感器、形态测量分系统、机械臂、连接机构、武器载荷等均要求安装于航天器设计方案的面等。而面向具体任务的传统航天器构形单一，有效载荷安装面积有限，空间利用率低，严重制约了航天器在轨执行任务空间的扩展，而变构型航天器能够通过改变自身的构型，改变应用载荷的姿态与位置，实现星载载荷的不同阵列方式。
其次，可将变构型航天器拆分成为多个细胞卫星，由相同的立方星组成复杂的构型，立方星之间不仅能进行相对位置的变化，而且能够自主的完成断开与连接，现有的连接装置有电磁式连接、机械式连接等。
第三，现有的机械连接装置有螺纹旋进式等，螺纹旋进式要求装置的轴向长度比较大，这样会占用立方星内部宝贵的空间，因此设计方案要求要尽量节省空间。
第四，由于太空中能源有限，使用尽量少的驱动单元，配合巧妙地机构设计完成立方星之间的连接，可以节省对能源的使用。
第五，立方星有很多个连接面，在立方星与立方星连接过程中，为了使两个立方星的任意两个面能够实现连接，主动连接单元和被连接单元应设计成相同构型。
发明内容
为解决现有技术存在是问题，本发明提供一种多立方星组合结构及其变化方法，该组合结构可通过立方星自身携带的磁铁与电磁铁协同工作，完成立方星间的物理连接和电信连接的解锁与重新锁定，实现多个立方星组合结构变化的方案。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种多立方星组合结构，包括至少两个结构相同的立方星，所述的立方星包括支撑外壳，支撑外壳的每个连接面上均设置有电磁铁、永磁铁及电信连接接口，立方星的每个棱处均倒圆角，且每个棱处均安装有棱边永磁铁；所述的立方星的每个连接面上设置有N个电磁铁、N个永磁铁以及一个电信连接接口，N个电磁铁和N个永磁铁间隔设置且以连接面中心对称分布，N≥1；相邻两个立方星的连接面接触时，两个连接面上对应位置的一个电磁铁和一个永磁铁相对设置，对应位置的两个电信连接接口相对设置，控制连接面上的电磁铁与永磁铁产生吸力与斥力来实现立方星间的机械连接与解锁，两个立方星连接后通过对接的电信连接接口传递电能与数据。
所述的电信连接接口设置在支撑外壳的每个连接面的中心处。
所述的棱边永磁铁为棒形磁铁，且棱边永磁铁沿支撑外壳的棱设置。
所述的支撑外壳由两个半壳体组成，两个半壳体相对的四个棱上设置有连接孔，棱边永磁铁设置在所述的连接孔中连接固定两个半壳体形成一个整体的支撑外壳。
所述的立方星的每个连接面上设置有两个电磁铁、两个永磁铁以及一个电信连接接口，电信连接接口设置在每个连接面的中心处，第一电磁铁、第二电磁铁沿所在连接面的一个对角线设置，第一永磁铁、第二永磁铁沿另外一个对角线设置。
多立方星组合结构的变化方法，包括以下步骤：
第一步，两个立方星之间通过连接面上的电磁铁和永磁铁的吸力完成机械连接，并通过吸力依次完成多立方星组合结构的构建；
第二步，两个立方星相对位置变化开始时，两个需要位置变化的立方星通过改变连界面上的电磁铁供电方向，使电磁铁与其相对的永磁铁之间产生斥力，完成机械连接解锁，并为立方星相对位置改变提供动力；
第三步，通过棱处的棱边永磁铁的吸力使得立方星相对位置变化时两个立方星间绕棱发生旋转；
第四步，在惯性作用下，两个立方星的新连接面上的电信连接接口接通，立方星新连接面上的电磁铁通电，并使得该电磁铁与其对应的永磁铁之间产生吸力，为新的立方星组合结构提供位置限定，并完成立方星间的机械连接，完成两个立方星的相对位置变化。
多立方星组合结构的变化方法，具体包括以下步骤：
第一步：两个立方星通过控制连接面上的电磁铁的电流方向，使其与对应的永磁铁极性相反，产生吸力，实现两个立方星之间的机械连接；同时，连接面上的电信连接机构为处于接通状态；此状态为两个立方星的初始连接状态；进一步完成多立方星组合结构的构建；
第二步：当整体组合体构型进行变化，需要改变两个立方星连接面时，控制系统控制两个立方星上同侧的电磁铁供电电流方向发生改变，使一个立方星上的电磁铁与另一个立方星上的对应的永磁铁之间分别产生斥力；并断开两个立方星另一侧电磁铁的供电电路，使得两个立方星之间的机械连接解锁，将电磁铁与永磁铁的斥力作为立方星之间发生相对位置变化的初始动力，进而使得两个立方星沿着靠近断电一侧的棱旋转；
第三步：在连接面分离后，连接面上的电信连接机构便处于断开状态，不再为立方星上的电磁铁提供电流，电磁铁将不会和永磁铁继续产生斥力；但是由于空间中不受重力影响，电磁铁与永磁铁产生斥力后，在惯性的作用下，立方星会沿着棱做相对旋转，直到另一组连接面相遇并连接为止；
第四步：当新的连接面相遇并连接后，电信连接机构便重新连接，在控制系统的控制下，重新对新连接面上的电磁铁供电，使其与对应的永磁铁产生引力，使两个立方星新连接面进行机械连接，同时对立方星相对位置的对准限定，最终完成两个立方星间的相对位置变化。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的多立方星组合结构实现了本发明机构采用模块化对称分布布局，避免了连接机构的“公母型”设计，使任意连接的立方星间都能实现连接与相对位置变化，可以通过控制自身的电磁铁的通断电来实现空间多立方星组合间自主的连接、断开与结构变换。本发明整个方法过程中，仅控制电磁铁的供电方向，实现了单一驱动装置下立方星间的连接、锁死与相对位置变化，而且机构高度较小，解决了立方星内部空间占用较大的问题。
本发明通过控制安装在立方星表面的电磁铁的供电方向，使电磁铁与永磁铁产生吸力与斥力来完成立方星间的机械连接与解锁功能，并利用在空间中不受重力影响的条件，利用电磁铁与永磁铁产生斥力后的惯性完成多个立方星在空间中自主相对位置变化过程，实现多立方星组合体结构变化的方法。
附图说明
图1为本发明立方星结构第一示意图。
图2为本发明立方星结构第二示意图。
图3为本发明立方星连接图。
图4为本发明立方星相对位置变化过程示意图。
图5为本发明立方星相对位置变化完成示意图。
附图标记说明：1-第一电磁铁，2-第二电磁铁，3-第一永磁铁，4-第二永磁铁，5-电信连接接口，6-棱边永磁铁。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如附图1和附图2示，本发明一种多立方星组合结构，包括至少两个结构相同的立方星，所述的立方星包括支撑外壳，支撑外壳的每个连接面上均设置有电磁铁、永磁铁及电信连接接口5，立方星的每个棱处均倒圆角，且每个棱处均安装有棱边永磁铁6；所述的立方星的每个连接面上设置有N个电磁铁、N个永磁铁以及一个电信连接接口5，N个电磁铁和N个永磁铁间隔设置且以连接面中心对称分布，N≥1；相邻两个立方星的连接面接触时，两个连接面上对应位置的一个电磁铁和一个永磁铁相对设置，对应位置的两个电信连接接口相对设置，控制连接面上的电磁铁与永磁铁产生吸力与斥力来实现立方星间的机械连接与解锁，两个立方星连接后通过对接的电信连接接口5传递电能与数据。
其中，电信连接接口5设置在支撑外壳的每个连接面的中心处。棱边永磁铁6为棒形磁铁，且棱边永磁铁6沿支撑外壳的棱设置。支撑外壳由两个半壳体组成，两个半壳体相对的四个棱上设置有连接孔，棱边永磁铁6设置在所述的连接孔中连接固定两个半壳体形成一个整体的支撑外壳。
具体地，本发明提供一种多立方星组合结构，其包括若干结构相同的立方星，立方星包括立方体结构的支撑外壳，支撑外壳的每个面上设置有两个电磁铁(1、2)、两个永磁铁(3、4)以及一个电信连接接口，电磁铁1与电磁铁2、永磁铁3与永磁铁4均以电信连接接口5为中心对称设置。立方星每个棱处都进行了圆角处理，且支撑外壳的每个棱处均安装有永磁铁6。
本发明通过控制安装在立方星表面的电磁铁的供电方向，使电磁铁与永磁铁产生吸力与斥力来完成立方星间的机械连接与解锁功能，并利用在空间中不受重力影响的条件，利用电磁铁与永磁铁产生斥力后的惯性完成多个立方星在空间中自主相对位置变化过程，实现多立方星组合体结构变化的方法。
多立方星组合结构变化方法的过程包括如下步骤。
第一步：参见附图3，两个立方星通过控制连接面上的电磁铁的电流方向，使其与对应的永磁铁3和4极性相反，产生吸力，实现两个立方星之间的机械连接。同时，连接面上的电信连接机构5为处于接通状态，可在立方星之间传递电能与数据。此状态为两个立方星的初始连接状态。由于立方星的每个面都可以用于此连接方式，完成任意两个立方星的连接状态，可通过此方式完成多立方星组合结构的构建。
第二步：参见附图4，当整体组合体构型进行变化，需要改变两个立方星连接面时，控制系统控制立方星A上的第一电磁铁1和立方星B上的第二电磁铁2的供电电流方向发生改变，使立方星A上的第一电磁铁1与立方星B上的对应的第一永磁铁3、立方星B上的第二电磁铁2与立方星A上的对应的第二永磁铁4之间分别产生斥力；并断开立方星A上的第二电磁铁2和立方星B上的第一电磁铁1的供电电路，使得两个立方星之间的机械连接解锁，并将电磁铁与永磁铁的斥力作为立方星之间发生相对位置变化的初始动力。由于立方星连接面上有一侧的电磁铁仅为断电，不与对应的永磁铁产生斥力，故使得立方星A和立方星B沿着靠近断电一侧的棱旋转。
第三步：参见附图4，由于立方星的每个棱处安装有一个永磁铁三6，并且立方星每个棱处都进行了圆角处理，故立方星可沿着棱的圆角进行相对旋转。在连接面分离后，连接面上的电信连接机构便处于断开状态，不再为立方星上的电磁铁提供电流，因此电磁铁将不会和永磁铁继续产生斥力；但是由于空间中不受重力影响，电磁铁与永磁铁产生斥力后，在惯性的作用下，立方星会沿着棱做相对旋转，直到另一组连接面相遇并连接为止。
第四步：参见附图5，当新的连接面相遇并连接后，即插即用的电信连接装置6便重新连接，在控制系统的控制下，重新对新连接面上的第一电磁铁1和第二电磁铁2供电，使其与对应的永磁铁产生引力，使两个立方星新连接面进行机械连接，同时也是对立方星相对位置的对准限定，最终完成两个立方星间的相对位置变化。通过此方法，可以完成对多立方星组合结构的自主重新构建。
以上，仅为本发明的较佳实施例，并非仅限于本发明的实施范围，凡依本发明专利范围的内容所做的等效变化和修饰，都应为本发明的技术范畴。
Claims (7)
1.一种多立方星组合结构，其特征在于，包括至少两个结构相同的立方星，所述的立方星包括支撑外壳，支撑外壳的每个连接面上均设置有电磁铁、永磁铁及电信连接接口(5)，立方星的每个棱处均倒圆角，且每个棱处均安装有棱边永磁铁(6)；所述的立方星的每个连接面上设置有N个电磁铁、N个永磁铁以及一个电信连接接口(5)，N个电磁铁和N个永磁铁间隔设置且以连接面中心对称分布，N≥1；相邻两个立方星的连接面接触时，两个连接面上对应位置的一个电磁铁和一个永磁铁相对设置，对应位置的两个电信连接接口相对设置，控制连接面上的电磁铁与永磁铁产生吸力与斥力来实现立方星间的机械连接与解锁，两个立方星连接后通过对接的电信连接接口(5)传递电能与数据。
2.根据权利要求1所述的一种多立方星组合结构，其特征在于，所述的电信连接接口(5)设置在支撑外壳的每个连接面的中心处。
3.根据权利要求1所述的一种多立方星组合结构，其特征在于，所述的棱边永磁铁(6)为棒形磁铁，且棱边永磁铁(6)沿支撑外壳的棱设置。
4.根据权利要求3所述的一种多立方星组合结构，其特征在于，所述的支撑外壳由两个半壳体组成，两个半壳体相对的四个棱上设置有连接孔，棱边永磁铁(6)设置在所述的连接孔中连接固定两个半壳体形成一个整体的支撑外壳。
5.根据权利要求1所述的一种多立方星组合结构，其特征在于，所述的立方星的每个连接面上设置有两个电磁铁(1、2)、两个永磁铁(3、4)以及一个电信连接接口(5)，电信连接接口(5)设置在每个连接面的中心处，第一电磁铁(1)、第二电磁铁(2)沿所在连接面的一个对角线设置，第一永磁铁(3)、第二永磁铁(4)沿另外一个对角线设置。
6.权利要求1所述的多立方星组合结构的变化方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，两个立方星之间通过连接面上的电磁铁和永磁铁的吸力完成机械连接，并通过吸力依次完成多立方星组合结构的构建；
第二步，两个立方星相对位置变化开始时，两个需要位置变化的立方星通过改变连界面上的电磁铁供电方向，使电磁铁与其相对的永磁铁之间产生斥力，完成机械连接解锁，并为立方星相对位置改变提供动力；
第三步，通过棱处的棱边永磁铁(6)的吸力使得立方星相对位置变化时两个立方星间绕棱发生旋转；
第四步，在惯性作用下，两个立方星的新连接面上的电信连接接口接通，立方星新连接面上的电磁铁通电，并使得该电磁铁与其对应的永磁铁之间产生吸力，为新的立方星组合结构提供位置限定，并完成立方星间的机械连接，完成两个立方星的相对位置变化。
7.根据权利要求6所述的多立方星组合结构的变化方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
第一步：两个立方星通过控制连接面上的电磁铁的电流方向，使其与对应的永磁铁极性相反，产生吸力，实现两个立方星之间的机械连接；同时，连接面上的电信连接机构(5)为处于接通状态；此状态为两个立方星的初始连接状态；进一步完成多立方星组合结构的构建；
第二步：当整体组合体构型进行变化，需要改变两个立方星连接面时，控制系统控制两个立方星上同侧的电磁铁供电电流方向发生改变，使一个立方星上的电磁铁与另一个立方星上的对应的永磁铁之间分别产生斥力；并断开两个立方星另一侧电磁铁的供电电路，使得两个立方星之间的机械连接解锁，将电磁铁与永磁铁的斥力作为立方星之间发生相对位置变化的初始动力，进而使得两个立方星沿着靠近断电一侧的棱旋转；
第三步：在连接面分离后，连接面上的电信连接机构便处于断开状态，不再为立方星上的电磁铁提供电流，电磁铁将不会和永磁铁继续产生斥力；但是由于空间中不受重力影响，电磁铁与永磁铁产生斥力后，在惯性的作用下，立方星会沿着棱做相对旋转，直到另一组连接面相遇并连接为止；
第四步：当新的连接面相遇并连接后，电信连接机构(5)便重新连接，在控制系统的控制下，重新对新连接面上的电磁铁供电，使其与对应的永磁铁产生引力，使两个立方星新连接面进行机械连接，同时对立方星相对位置的对准限定，最终完成两个立方星间的相对位置变化。
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