CN107244427B - 一种主结构变构型卫星平台 - Google Patents

Abstract

一种主结构变构型卫星平台，涉及卫星结构平台领域；包括6个三棱柱桁架模块、面板、太阳翼、停泊对接机构和气液补加对接机构；其中，6个三棱柱桁架模块其中一个棱角指向中心，紧凑对中排列，形成六边形形状；面板固定安装在三棱柱桁架模块指向外侧的表面；n个太阳翼安装在面板的外侧面；m个停泊对接机构安装在面板的外侧面；k个气液补加对接机构安装在面板的外侧面；其中，n为≥1的正整数；m为≥1的正整数；k为≥1的正整数；本发明用重构机构驱动铰链和随动铰链将多个模块的三棱柱连接，入轨后平台可根据任务需求进行变构型和平台扩展，确保平台上无论是平台外侧还是平台内侧都能100％维修可达，充分满足未来卫星在轨维修和服务的需求。

Description

一种主结构变构型卫星平台

技术领域

本发明涉及一种卫星结构平台领域，特别是一种主结构变构型卫星平台。

背景技术

卫星平台又称为卫星主结构，它就像一辆车的车体一样，随着在车体上安装的产品不同而呈现不同的功能，所以卫星平台是卫星的骨骼，为星上设备和星上载荷提供安装和固定接口，同时作为卫星的主传力结构承受卫星发射过程中恶劣的力学环境条件。

现有卫星平台多为固定式结构，按照承力方式的不同分为中心承力筒式、箱板式和桁架式三种，随着分舱概念的发展，一颗卫星的主结构通常又可分为推进舱、服务舱和载荷舱，几个舱体串联构成卫星平台。上述卫星平台(卫星主结构)几乎全部为固定形式，不具备在轨变构型的功能。

所谓卫星的变构型指卫星入轨后根据任务形式的不同可以实现构型的变化以满足不同功能需求，目前国内外常见的变构型多为卫星平台外围变构型，即星体表面的部组件、载荷模块展开或收拢，采用的主要形式包括“抽屉式”、“外挂式”、“可开合舱门式”等方式。抽屉式：模块嵌入卫星结构内部，更换过程中利用机械臂将模块插入或拔除，该形式主要针对个别易故障设备，不能实现星上所有设备的维修和更换，且抽屉式需要对每个设备进行单独的设备封装设计，给卫星构型设计增加了难度，且增加了卫星的重量；外挂式：模块直接外挂在卫星本体结构外部，更换过程中可直接移除或安装在安装面上，外挂式主要针对个别易故障设备，不能实现星上所有设备的维修和更换；可开合舱门式：模块位于卫星舱室内部，更换过程中舱室舱门打开，为服务提供通路，服务完成后舱门关闭，舱门式同样具有设备不能100％维修或更换的缺点，且开合舱门的外围不能布局其他设备，使整星设备布局具有局限性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种主结构变构型的卫星平台，采用重构机构驱动铰链和随动铰链将多个模块的三棱柱连接，发射时多模块处于压紧状态，入轨后平台可根据任务需求进行变构型和平台扩展，充分满足未来卫星在轨维修和服务的需求，确保星上设备100％维修可达。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种主结构变构型卫星平台，包括6个三棱柱桁架模块、面板、太阳翼、停泊对接机构和气液补加对接机构；其中，三棱柱桁架模块为三棱柱形状，截面为等边三角形；6个三棱柱桁架模块其中一个棱角指向中心，紧凑对中排列，形成六边形形状；面板固定安装在三棱柱桁架模块指向外侧的表面；n个太阳翼固定安装在面板的外侧面；m个停泊对接机构固定安装在面板的外侧面；k个气液补加对接机构固定安装在面板的外侧面；其中，n为≥1的正整数；m为≥1的正整数；k为≥1的正整数。

在上述的一种主结构变构型卫星平台，所述的三棱柱桁架模块包括9个接头、桁架横杆、桁架立杆和桁架斜杆；其中，9个接头分为3层水平放置，每层设置有3个接头；各层接头垂直对应放置；桁架横杆固定安装在水平相邻两个接头之间；桁架立杆固定安装在垂直对应的两层接头之间；桁架斜杆固定安装在位于同一平面相对的两个接头之间。

在上述的一种主结构变构型卫星平台，相邻两个三棱柱桁架模块为一组，每组三棱柱桁架模块对中的棱柱之间固定安装有驱动铰链。

在上述的一种主结构变构型卫星平台，所述驱动铰链包括安装板、驱动旋转轴、驱动组件和2个安装座；其中，安装板竖直放置；2个安装座分别固定安装在安装板侧面的上下两端；驱动旋转轴垂直固定安装在2个安装座之间；驱动组件固定套装在驱动旋转轴上。

在上述的一种主结构变构型卫星平台，所述安装板实现驱动铰链与两侧的三棱柱桁架模块固定连接；所述驱动组件包括电机和减速器，实现相邻两个三棱柱桁架模块的转动及调速。

在上述的一种主结构变构型卫星平台，相邻两个三棱柱桁架模块为一组，每组三棱柱桁架模块对外的棱柱之间固定安装有随动铰链，随动铰链与驱动铰链交叉分布。

在上述的一种主结构变构型卫星平台，所述桁架横杆长为1.9-2.1m；桁架立杆长为1.9-2.1m。

在上述的一种主结构变构型卫星平台，所述驱动铰链上设置有限位装置，实现对两个三棱柱桁架模块的旋转角度进行控制。

在上述的一种主结构变构型卫星平台，当需要多星组合变构型时，在驱动铰链驱动下，各三棱柱桁架模块绕着驱动铰链和随动铰链打开闭合，排列成所需组合变构型；同时，停泊对接机构作为卫星平台与外部卫星平台的对接接口，实现本卫星平台与其它卫星平台的固定对接；气液补加对接机构作为卫星平台与外部在轨补加机构的对接接口，实现本卫星平台与外部在轨补加机构的固定对接。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明将三棱柱模块作为模块化单元进行设计，多个模块组合构成卫星的主结构，平台结构量产化效率高、互换性好；

(2)本发明中每个三棱柱模块为桁架式开敞布局，便于设备的固定安装以及变构型后维修的开敞性，确保设备100％可维修；

(3)本发明采用了驱动铰链和随动铰链相结合的方式，确保变构型前后多模块间的位置锁定，尤其是确保每个三棱柱都能通过驱动铰链和随动铰链的作动达到平台外侧，利于维修。

附图说明

图1为本发明单三棱柱构型示意图；

图2为本发明三棱柱构型两模块组合构型；

图3为本发明驱动铰链构型示意图；

图4为本发明无面板三棱柱构型发射状态构型示意图；

图5为本发明三棱柱构型发射状态构型示意图；

图6为本发明单星在轨状态构型；

图7为本发明单星入轨后变构型A；

图8为本发明单星入轨后变构型B；

图9为本发明单星入轨后变构型C；

图10为本发明双星入轨后组合体变构型A；

图11为本发明双星入轨后组合体变构型B

图12为本发明双星入轨后组合体变构型C；

图13为本发明双星入轨后组合体变构型D。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明提出了一种主结构变构型卫星平台的设计方法，将模块化卫星结构设计与重构机构铰链结合，采用桁架式开敞布局的设计理念进行主结构变构型卫星平台设计。

本发明设计了一种便于组合的三棱柱式模块化构型结构，用重构机构驱动铰链和随动铰链将多个模块的三棱柱连接，发射时多模块处于压紧状态，入轨后平台可根据任务需求进行变构型和平台扩展，充分满足未来卫星在轨维修和服务的需求，确保星上设备100％维修可达。

如图5所示为三棱柱构型发射状态构型示意图，由图可知，一种主结构变构型卫星平台，包括6个三棱柱桁架模块1、面板12、太阳翼13、停泊对接机构14和气液补加对接机构15；其中，三棱柱桁架模块1为三棱柱形状，截面为等边三角形；6个三棱柱桁架模块1其中一个棱角指向中心，紧凑对中排列，形成六边形形状；面板12固定安装在三棱柱桁架模块1指向外侧的表面；n个太阳翼13固定安装在面板12的外侧面；m个停泊对接机构14固定安装在面板12的外侧面；k个气液补加对接机构15固定安装在面板12的外侧面；其中，n为≥1的正整数；m为≥1的正整数；k为≥1的正整数。

如图1所示为单三棱柱构型示意图，由图可知，三棱柱桁架模块1包括9个接头2、桁架横杆3、桁架立杆4和桁架斜杆5；其中，9个接头2分为3层水平放置，每层设置有3个接头2；各层接头2垂直对应放置；桁架横杆3固定安装在水平相邻两个接头2之间；桁架立杆4固定安装在垂直对应的两层接头2之间；桁架斜杆5固定安装在位于同一平面相对的两个接头2之间。其中，桁架横杆3长为1.9-2.1m；桁架立杆4长为1.9-2.1m。

三棱柱桁架模块1为开敞性桁架布局，通过上中下三组接头2实现桁架横杆3、桁架立杆4和桁架斜杆5的连接，并在接头2上开有相应的面板12安装孔，用于面板12固定，星上设备与面板12的连接为传统的卫星结构设计连接形式。桁架横杆系的布局为三棱柱的三条边上各有1根桁架立杆4，在三个侧面上每个侧面都有两组交叉的桁架斜杆5，杆的连接通过上中下三种接头2上开有的轴孔进行固定。

如图2所示为三棱柱构型两模块组合构型，由图可知，相邻两个三棱柱桁架模块1为一组，每组三棱柱桁架模块1对中的棱柱之间固定安装有驱动铰链6。相邻三棱柱桁架模块1间靠驱动机构实现两三棱柱间的相对运动及驱动机构上的限位装置控制两三棱柱间的相对位置。

如图3所示为驱动铰链构型示意图，由图可知，驱动铰链6包括安装板7、驱动旋转轴8、驱动组件9和2个安装座10；其中，安装板7竖直放置；2个安装座10分别固定安装在安装板7侧面的上下两端；驱动旋转轴8垂直固定安装在2个安装座10之间；驱动组件9固定套装在驱动旋转轴8上。

其中，安装板7实现驱动铰链6与两侧的三棱柱桁架模块1固定连接；所述驱动组件9包括电机和减速器，实现相邻两个三棱柱桁架模块1的转动及调速。驱动铰链6上设置有限位装置，实现对两个三棱柱桁架模块1的旋转角度进行控制。

如图4所示为无面板三棱柱构型发射状态构型示意图，由图可知，相邻两个三棱柱桁架模块1为一组，每组三棱柱桁架模块1对外的棱柱之间固定安装有随动铰链11，随动铰链11与驱动铰链6交叉分布。

当需要多星组合变构型时，在驱动铰链6驱动下，各三棱柱桁架模块1绕着驱动铰链6和随动铰链11打开闭合，排列成所需组合变构型；同时，停泊对接机构14作为卫星平台与外部卫星平台的对接接口，实现本卫星平台与其它卫星平台的固定对接；气液补加对接机构15作为卫星平台与外部在轨补加机构的对接接口，实现本卫星平台与外部在轨补加机构的固定对接。

在发射状态下卫星主结构由6个相同的三棱柱桁架模块1构成一个大的六棱柱构型，每个三棱柱都采用开敞的桁架结构，在桁架结构上附着面板，用于设备的安装和固定，6个三棱柱桁架模块1间通过3组均布的驱动铰链6和随动铰链11实现连接和固定成一个大的六棱柱整星，整星可通过舱间对接环系统与运载火箭二次压紧和连接，入轨后抛掉舱间对接环系统。

所述的三棱柱桁架模块1负责提供主承载、设备安装及布局的功能。

所述的驱动铰链6提供临近两个三棱柱桁架模块1的连接前后的锁定并提供变构型的驱动力。

所述的随动铰链11，当驱动铰链6工作时，随动铰链11作为转轴被动转动，确保相邻两个三棱柱桁架模块1能够实现变构型。随动铰链11在机械臂辅助下能够重复打开和闭合，满足多星组合变构型的需求。

入轨后，六棱柱构型可以通过3组均布的驱动铰链6变成任意构型，如图4和图5所示的六角星构型，该构型实现了所有设备100％维修可达，且三棱柱的侧面和顶面有停泊对接机构14和气液补加对接机构15，可以实现其在卫星的停靠、扩展和服务。

如图5所示的状态为单星发射状态的变构型卫星平台构型(沿发射方向的截面，下同)，该构型为紧凑构型，单星入轨后可以根据需要进行如图7、图8、图9所示的变构型，故总体设计需在图5所示构型的基础上进行相应设计。

在满足单星任务需求的基础上，图10、图11、图12、图13所示为双星发射和在轨状态的构型，还需兼顾双星和多星的方案。所述的多星(包括双星)方案可以在本发明的设计思想下根据卫星任务需求进行无限扩展。

图5构型是单星状态下的最基本构型，其包络尺寸紧凑，能够满足现有多种火箭圆柱体发射包络的要求，并最大限度的利用了火箭发射包络。

入轨后舱间对接环系统解锁，解除了图5构型的压紧状态，使其具有变构型的能力。图6、图7、图8三种构型为单星在轨变构型状态的典型构型，每种构型针对卫星的在轨的不同特殊功能需求变化，如图6和图7所示构型，可确保单星所有设备外露，保证对相应设备进行维修更换，为机械臂操作时腾出操作空间。图6和图7所示还可以为一些原本内置的特殊功能类有效载荷(如激光武器)展开提供构型，在无攻击要求内，可以变为图5所示构型，当需要攻击目标时，变为构型6，达到隐藏卫星真实功能的效果。

图8所示构型除具体有图6所示构型的功能外，其构型的气动外形更利于卫星在变更轨道、调整卫星姿态时发挥作用。

图9的构型为单星6模块由闭链结构变为开链结构的构型，若该结构两端安装有大型的天线载荷(如SAR天线，一侧一个)，两个天线的相对距离越远，对地侦察或测绘的效果越好。

图10至图13为双星组合后集中典型构型，其变构型的前提是单星构型先达到图9所示的开链构型，然后双星对接组合，形成12模块，其具被的功能可以进一步扩充，最基本的优点是形成了小型的在轨基站(如太空燃料站或太空卫星维修站)。可以通过上面的停泊对接机构14和气液补加对接机构15实现其他卫星在站上的停靠，用于给卫星补充燃料或维修故障设备。

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 (7)

1.一种主结构变构型卫星平台，其特征在于：包括6个三棱柱桁架模块(1)、面板(12)、太阳翼(13)、停泊对接机构(14)和气液补加对接机构(15)；其中，三棱柱桁架模块(1)为三棱柱形状，截面为等边三角形；6个三棱柱桁架模块(1)其中一个棱角指向中心，紧凑对中排列，形成六边形形状；面板(12)固定安装在三棱柱桁架模块(1)指向外侧的表面；n个太阳翼(13)固定安装在面板(12)的外侧面；m个停泊对接机构(14)固定安装在面板(12)的外侧面；k个气液补加对接机构(15)固定安装在面板(12)的外侧面；其中，n为≥1的正整数；m为≥1的正整数；k为≥1的正整数；

相邻两个三棱柱桁架模块(1)为一组，每组三棱柱桁架模块(1)对中的棱柱之间固定安装有驱动铰链(6)；

相邻两个三棱柱桁架模块(1)为一组，每组三棱柱桁架模块(1)对外的棱柱之间固定安装有随动铰链(11)，随动铰链(11)与驱动铰链(6)交叉分布。

2.根据权利要求1所述的一种主结构变构型卫星平台，其特征在于：所述的三棱柱桁架模块(1)包括9个接头(2)、桁架横杆(3)、桁架立杆(4)和桁架斜杆(5)；其中，9个接头(2)分为3层水平放置，每层设置有3个接头(2)；各层接头(2)垂直对应放置；桁架横杆(3)固定安装在水平相邻两个接头(2)之间；桁架立杆(4)固定安装在垂直对应的两层接头(2)之间；桁架斜杆(5)固定安装在位于同一平面相对的两个接头(2)之间。

3.根据权利要求2所述的一种主结构变构型卫星平台，其特征在于：所述驱动铰链(6)包括安装板(7)、驱动旋转轴(8)、驱动组件(9)和2个安装座(10)；其中，安装板(7)竖直放置；2个安装座(10)分别固定安装在安装板(7)侧面的上下两端；驱动旋转轴(8)垂直固定安装在2个安装座(10)之间；驱动组件(9)固定套装在驱动旋转轴(8)上。

4.根据权利要求3所述的一种主结构变构型卫星平台，其特征在于：所述安装板(7)实现驱动铰链(6)与两侧的三棱柱桁架模块(1)固定连接；所述驱动组件(9)包括电机和减速器，实现相邻两个三棱柱桁架模块(1)的转动及调速。

5.根据权利要求4所述的一种主结构变构型卫星平台，其特征在于：所述桁架横杆(3)长为1.9-2.1m；桁架立杆(4)长为1.9-2.1m。

6.根据权利要求5所述的一种主结构变构型卫星平台，其特征在于：所述驱动铰链(6)上设置有限位装置，实现对两个三棱柱桁架模块(1)的旋转角度进行控制。

7.根据权利要求6所述的一种主结构变构型卫星平台，其特征在于：当需要多星组合变构型时，在驱动铰链(6)驱动下，各三棱柱桁架模块(1)绕着驱动铰链(6)和随动铰链(11)打开闭合，排列成所需组合变构型；同时，停泊对接机构(14)作为卫星平台与外部卫星平台的对接接口，实现本卫星平台与其它卫星平台的固定对接；气液补加对接机构(15)作为卫星平台与外部在轨补加机构的对接接口，实现本卫星平台与外部在轨补加机构的固定对接。