CN107128511B - 一种新型可重复使用的用于微小型卫星的连接分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种可重复使用的用于微小型卫星的连接分离装置，属于航空航天技术领域领域，用以对微小型卫星进行可靠的锁紧、解锁和弹射，具有非火工纯机械式设计以及可重复使用的特点。具体包括卫星连接分离装置和发射方位调节装置两大部分，其中卫星连接分离装置由四连杆压钩机构、可重置卡钩机构、弹射装置等组成。本发明能够为微小型卫星和运载器的连接提供足够的锁紧力，能够在接收到释放命令后将微小型卫星解锁并按指定的方向以一定的初速度弹射出去，并能够实现在轨重置功能，完成多次微小型卫星的锁紧、解锁和弹射工作，能够满足未来航天任务中关于微小型卫星的重复连接与分离的技术要求。

Description

一种新型可重复使用的用于微小型卫星的连接分离装置

1.技术领域

本发明属于航空航天技术领域，具体涉及一种新型可重复使用的用于微小型卫星的连接分离装置。

2. 背景技术

在微小型卫星入轨开展科学实验前，如何确保发射段可靠地锁定在运载器上和在轨段可靠地从运载器上分离成为了研究人员重点研究和突破的热点问题。在发射阶段，需要将立方星可靠地连接在有效载荷上，此过程需要抵抗过载、冲击和震动等恶劣力学环境；在在轨阶段，需要可靠地将锁紧的立方星解锁，以及在接收到释放信号后，立方星能够以给定的速度、方向、姿态弹射出去。立方星体积较小质量较轻，内含设备多为科学实验仪器，不乏精密仪器，因此上述过程中保证低冲击是很有必要的。以往的设计，多采用火工式解锁装置，会带来高冲击、强震动等安全问题，且多为一次性不可重复使用的分离装置，已经不能满足现今航天任务的需要。

在卫星发射过程中，足够的预紧力意味着机构需要充分大的加载里将其加载，然而可重复要求则意味着这种很大的加载里须能在轨多次提供。这进而对驱动机构的负载和功率提出了很大的要求。其中卫星连接分离装置的预紧力是为了克服上升段巨大的环境载荷，一旦卫星入轨后环境载荷的量级剧减，因此在轨重置连接分离机构的预紧力并不必要大到能够抵抗上升段环境载荷。

3.发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，设计出了一款非火工式可重复使用的星载微纳卫星弹射装置，包括：卫星连接分离装置和发射方位调节装置，其中卫星连接分离装置由四连杆压钩机构、可重置卡钩机构、弹射装置等组成。

所述卫星连接分离装置能在火箭上升段为微小型卫星与运载器的连接提供足够的锁紧力，以及为微小型卫星提供在轨重置功能，待将前一颗微小型卫星弹射释放之后，能够通过机械手等方式重新装载新的卫星，用于下一次弹射。

本发明提出一种将上升段连接与在轨可重置连接分而治之，是解决这两方面矛盾的有效思路。为了实现这两方面功能，连接分离机构由两部分组成。一是四连杆压钩机构，用于发射时锁紧，在轨时解锁；二是可重置卡钩机构，用于在轨时的锁紧与解锁。

所述四连杆压钩机构采用增力锁紧机构原理，通过压钩扣紧卫星两个对角立柱的内侧，实现连接，利用四连杆死点自锁原理实现以较小的力提供较大的锁紧力，用于锁紧小卫星，其中较小的力由可熔断的绳子提供，需解锁时，绳子熔断，同时扭簧使连杆转动，带动压钩转动实现解锁。锁紧状态下，连杆和曲柄夹角成180°为机构死点，实现增力锁紧功能。

所述可重置卡钩机构可以实现在轨段的锁定和解锁，锁定力由卡钩和基座提供，卡钩的设计一是围绕着使锁紧力过卡钩的转轴来进行的，二是为了实现小卫星下移时能利用与卡钩的接触力来使卡钩转动。从而能利用电磁铁撞击卡钩使其偏离平衡位置而转动解锁，同时能实现重置时的自动锁紧。卡钩的设计利用了自锁原理，在卡钩锁定时，由于小卫星立柱作用于卡钩的力通过卡钩的转轴，因此不会产生转动力矩使得卡钩转动。需要解锁时，利用给撞击型电磁铁通电，使其撞针在行程末端产生较大的撞击力来克服锁紧力矩，使得卡钩转动解锁。

所述弹射装置通过推板将分离弹簧的力传到卫星本体承力结构上。推板上连有直线轴承，配合导向杆确保推送运动的同步性和直线性。根据分离速度要求可设计分离弹簧的刚度和行程。弹射装置有两种主要的工作状态，一是压簧受压缩直至微小型卫星被锁紧，二是微小型卫星解锁后，压簧力推动立方星弹出直至压簧恢复原长，当推板受压簧作用推至导向杆顶端时，为防止推板飞出导向杆，在导向杆的末端设有一限位块，既能限制弹射板不飞出导向杆，同时不会干涉到微小型卫星的正常弹射。

所述发射方位调节装置由直线电机导轨和连杆滑块机构两部分组成。直线电机转动带动导轨丝杆旋转，进而可以驱动滑块沿轴向滑动。导轨用于约束滑块，保证其只发生平动，不发生转动。电机导轨右端与上下壁板转轴铰接，电机导轨可以独立于上下壁板转动。导轨上的滑块通过连杆与上下壁板连接，连杆与壁板和滑块均为单轴铰接。当滑块沿丝杆滑动时，便会驱动上下壁板张开。当滑块与上下壁板的连杆成180度时，上下壁板张开角度达到最大。通过设计连杆的长度，以及相应调整滑块在丝杆上初始位置，就可以调节发射方位调节机构的最大张开角度。

本发明专利的优点在于：

(1)本发明可重复使用星载微纳卫星弹射装置，能够实现主星携带多颗小卫星在轨发射，是一款高可靠、低冲击、可重复使用、通用化接口的弹射装置。

(2)本发明可重复使用星载微纳卫星弹射装置，解决了主星携带小卫星在轨发射技术中涉及的小星与主星的接口、小星与连接分离装置在主星中的布局、多星之间接口相互影响的解决措施及卫星分离等关键科学问题。

(3)本发明可重复使用星载微纳卫星弹射装置，重点突破了相应的承载结构轻量化设计、连接分离机构高可靠性设计、连接性能与分离性能匹配优化、动力学建模与仿真分析等关键技术。

4.附图说明

图1：可重复使用星载微纳卫星弹射装置组成图；

图2：四连杆压勾机构锁紧状态图；

图3：四连杆压勾机构解锁状态图；

图4：四连杆压勾机构锁紧卫星图；

图5：可重置卡钩机构锁紧状态图；

图6：可重置卡钩机构解锁状态图；

图7：可重置卡钩机构重置状态图；

图8：弹射装置组成示意图；

图9：发射方位调节装置装配示意图。

图中：

1-卫星连接分离装置，2-发射方位调节装置，3-微小型卫星阵列

101-压钩，102-连杆，103-曲柄，104-卡钩，105-卡钩转轴，106-电磁铁撞片，107-微小型卫星立柱，108-导向杆，109-顶板，110-圆法兰直线轴承

201-上转板，202-下转板，203-连杆，204-滑块，205-丝杆

5.具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明可重复使用星载微纳卫星弹射装置，包括卫星连接分离装置和发射方位调节装置两个主要部分，其中卫星连接分离装置由四连杆压钩机构、可重置卡钩机构、弹射装置等组成。图1，卫星连接分离装置1用于连接小卫星，能够实现必要的锁紧力并在释放时提供分离速度。发射方位调节装置2用于实现小卫星按照不同的指定方向弹射。

所述四连杆压钩机构有两个工作状态，一是锁紧状态，二是解锁状态，在锁紧状态下，配合铰链夹紧机构结构简单、增力较大的特点，能够在较小的空间里实现以较小的力产生较大的锁紧力。图2，锁紧时，压钩101对小卫星有向下的锁紧力，连杆102末端穿有绳子对连杆102末端有向下的预紧力，该机构能实现以较小的预紧力来产生较大的锁紧力。在撤去预紧力之后，作用在曲柄103上的扭力将带动压钩101转动完成解锁。图3是解锁状态。图4，四连杆压钩机构的关键在于锁紧状态时，即压钩101完全扣入微小型卫星立柱107的槽中的时候，连接压钩101和曲柄基座之间的连杆102和曲柄103共线，此时机构处于死点自锁位置，能提供较大的锁紧力。

所述可重置卡钩机构有三种工作状态，一是锁紧状态，二是解锁状态，三是重置状态。图5，在锁紧状态下，配合卡钩104自身结构特点以及作用在卡钩104的外力与卡钩转轴105的特殊关系，能够达到自锁功能。图6，在解锁状态，电磁铁通电带动撞片106撞击卡钩104转动完成解锁。图7，重置时，立方星立柱107下端与卡钩104上弧面接触，挤迫卡钩104转动并在扭簧扭力的作用下将卡钩104扣入立柱槽中，完成重置过程。

所述弹射装置有两种主要的工作状态，一是压簧受压缩直至立方星被锁紧，二是立方星解锁，压簧力推动立方星弹出直至压簧恢复原长。锁紧阶段，微纳卫星下移，压缩弹簧至卡钩扣入槽中；释放阶段，卡钩机构解锁，弹簧力作用在推板109上使卫星上移，微纳卫星沿着导向杆108弹出。图9为弹射装置的组成示意图。

所述发射方位调节装置2用以调节微小型卫星的发射角度，设计可调角度为0度到120度，具备无级调节和任意角度无需动力的自锁功能。图9，该装置由上转板201，下转板202，若干凸台，若干连杆203，直线电机滑台模组组成，其中下转板202固支；上转板201为两个1U装配体和一个2U装配体提供固定支承作用；凸台间用轴销连接，用以连接上下两个转板为其提供转动副；连杆203两端分别连接转板和直线电机滑台模组上的滑块204，起到利用滑块204沿导轨即的直线运动控制上下两个转板之间的转动的作用。

Claims (9)

1.一种新型可重复使用的用于微小型卫星的连接分离装置，其特征在于：包括卫星连接分离装置和发射方位调节装置，卫星连接分离装置能够为微小型卫星和运载器的连接提供足够的锁紧力并且能够在接收到释放命令后将微小型卫星解锁随即弹射出去，发射方位调节装置能够指定弹射的方向，所述卫星连接分离装置和发射方位调节装置能够配合以实现在轨重置功能，完成多次微小型卫星的锁紧、解锁和弹射工作；

卫星连接分离装置由四连杆压钩机构、可重置卡钩机构、弹射装置组成；四连杆压钩机构用于卫星发射时锁紧，卫星在轨时解锁；可重置卡钩机构用于在轨时的锁紧与解锁；弹射装置用于在轨时弹射卫星。

2.如权利要求1所述一种新型可重复使用的用于微小型卫星的连接分离装置，其特征在于：四连杆压钩机构采用增力锁紧机构原理，该机构的连杆和曲柄之间的夹角可调，当夹角成180°时，机构处于死点自锁状态，实现增力锁紧功能。

3.如权利要求1所述一种新型可重复使用的用于微小型卫星的连接分离装置，其特征在于：可重置卡钩机构的卡钩工作面上力的方向通过卡钩的转轴，在锁紧状态下，该力不产生转动力矩，因此该机构有一定的自锁效果。

4.如权利要求1所述一种新型可重复使用的用于微小型卫星的连接分离装置，其特征在于：可重置卡钩机构的卡钩上表面为圆弧面，微小型卫星的立柱下端与卡钩解除时能产生转动力矩使得卡钩转动。

5.如权利要求1所述一种新型可重复使用的用于微小型卫星的连接分离装置，其特征在于：可重置卡钩机构的卡钩中部设置有一弧面，用以与电磁铁撞针驱动部件接触，在接触力作用下产生转动力矩可使卡钩转动。

6.如权利要求1所述一种新型可重复使用的用于微小型卫星的连接分离装置，其特征在于：弹射装置由两套对称部件组成，分别有一推板与卫星本体承力结构接触，用以传力。

7.如权利要求1所述一种新型可重复使用的用于微小型卫星的连接分离装置，其特征在于：弹射装置上有一顶部设有限位块的导向杆，约束推板沿着导向杆运动同时保证推板不会脱离弹射装置。

8.如权利要求1所述一种新型可重复使用的用于微小型卫星的连接分离装置，其特征在于：弹射装置上设置有圆法兰直线轴承与推板连接，保证推板传力过程中的同步性与直线性。

9.如权利要求1所述一种新型可重复使用的用于微小型卫星的连接分离装置，其特征在于：发射方位调节装置由直线电机导轨和连杆滑块机构两部分组成；直线电机导轨用以驱动滑块沿丝杆平动，连杆滑块机构中的滑块驱使连杆转动用以调节发射方位调节装置的工作平面的法线方向。

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