CN107963242A - 一种质量特性可调的模块组合体小卫星平台 - Google Patents

Abstract

一种质量特性可调的模块组合体小卫星平台，涉及卫星精确姿态和轨道控制领域；包括姿轨控模块、2个太阳帆板模块、椎柱模块、载荷模块、通信模块和n个质心调节模块；椎柱模块为方柱状结构；椎柱模块竖直放置；姿轨控模块固定安装在椎柱模块的上表面；2个太阳帆板模块对称固定安装在椎柱模块顶端的两侧；载荷模块固定安装在椎柱模块的底部；通信模块固定安装在载荷模块的一侧；n个质心调节模块固定安装在椎柱模块的内部或载荷模块的另一侧；n为大于等于1的正整数；本发明改变现有小卫星质量特性设计、测试和配重的设计流程，缩短研制周期，同时可以实现模块组合体小卫星在轨质量特性控制。

Description

一种质量特性可调的模块组合体小卫星平台

技术领域

本发明涉及一种卫星精确姿态和轨道控制领域，特别是一种质量特性可调的模块组合体小卫星平台。

背景技术

卫星质量特性主要包括卫星质心、质量、转动惯量和惯性积，是影响卫星精确姿态和轨道控制的一个重要因素。

为了实现复杂任务中的高精度姿轨控，国外极少量卫星开始采用质量特性调整机构。例如，美国斯坦福大学研制的Gravity Probe B(GP.B)卫星，该星用于验证爱因斯坦广义相对论，星上装有质量特性调整机构，该星通过向调整机构发送指令来实时调整该星的质心和转动惯量，使其姿轨控坐标系与卫星本体坐标系之间的偏差尽量小，以达到提高姿态控制精度和节省推力器燃料消耗的目的。此外，美国宇航局和德国地学研究所联合研制了GRACE卫星，用于确定高精度和高分辨率的地球重力场模型。该星装有六个分立的质量特性调整机构，星体坐标系每个方向布置两台机构互为冗余备份，当一台机构所对应的设备有故障时，调整同一方向的另一台机构继续执行指令。该质量特性调整机构的主要目的是实现加速度计质量块精确位于卫星质心。从国外技术报道来看，国外只有GP.B和GRACE卫星采用了质量特性调节机构，而且采用该机构的主要目的是实现卫星在轨质量调节以实现高精度的姿轨控。

目前，国内小卫星仍然采用箱板式结构，具体方法依照中华人民共和国航天行业标准QJ2258A-2001《航天器质量特性测试方法》。具体来说，卫星的配重完全采用定制化方式，即在卫星设计初期就进行配重设计，然后在总装阶段进行质量特性测试和配重优化。这种配重方式导致卫星设计周期长和流程复杂，不利于小卫星研制生产的快速响应。此外，配重块与卫星结构固定连接，在轨飞行阶段无法实现位置调节。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种质量特性可调的模块组合体小卫星平台，改变现有小卫星质量特性设计、测试和配重的设计流程，缩短研制周期，同时可以实现模块组合体小卫星在轨质量特性控制。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种质量特性可调的模块组合体小卫星平台，包括姿轨控模块、2个太阳帆板模块、椎柱模块、载荷模块、通信模块和n个质心调节模块；椎柱模块为方柱状结构；椎柱模块竖直放置；姿轨控模块固定安装在椎柱模块的上表面；2个太阳帆板模块对称固定安装在椎柱模块顶端的两侧；载荷模块固定安装在椎柱模块的底部；通信模块固定安装在载荷模块的一侧；n个质心调节模块固定安装在椎柱模块的内部或载荷模块的另一侧；n为大于等于1的正整数。

在上述的一种质量特性可调的模块组合体小卫星平台，所述的质心调节模块可设置在椎柱模块内部的任意位置或载荷模块的任一侧，实现对小卫星平台质心位置的调节。

在上述的一种质量特性可调的模块组合体小卫星平台，质心调节模块包括壳体、6个标准连接口、控制器、6个传动机构、质量快和6个定位块；其中，壳体为中空立方体结构；壳体的六个面中心位置均固定安装有标准连接口，实现壳体与椎柱模块或载荷模块的固定连接；壳体内部中心位置设置有控制器；控制器为立方体结构；每个传动机构的一端对应与控制器的一个面连接；另一端分别与一个定位块固定连接；质量快套装在传动机构的外壁，实现质量快沿传动机构的轴向移动。

在上述的一种质量特性可调的模块组合体小卫星平台，所述定位块与标准连接口对接；6个传动机构分别垂直于壳体的6个面。

在上述的一种质量特性可调的模块组合体小卫星平台，所述传动机构包括螺杆和4个滑轨；质量快为方形块状结构；质量快的四个拐角处分别对称设置有通孔；质量快的中心处设置有螺纹孔；4个滑轨分别穿过质量快拐角处的四个通孔；螺杆穿过质量快的中心的螺纹孔；通过旋转螺杆，实现质量快沿滑轨轴向移动。

在上述的一种质量特性可调的模块组合体小卫星平台，所述质心调节模块的边长为290-310mm；质量快长为38-42mm，宽为38-42mm，厚度为8-12mm；质量快采用铜材料；壳体厚度为13-17mm，采用蜂窝结构复合材料。

在上述的一种质量特性可调的模块组合体小卫星平台，所述滑轨采用不锈钢材料，轴向长度为85-95mm，直径为5.5-6.5mm。

在上述的一种质量特性可调的模块组合体小卫星平台，所述定位块为圆形板状结构；采用铝合金材料，直径为58-62mm；4个滑轨距定位块圆心的距离均为28-32mm。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明中质量特性调节模块，可以通过选择和配置质量块和传动丝杠进行卫星质量特性设计，实现模块化卫星质量特性的快速设计；

(2)本发明质量特性调节模块，可以实现总装阶段时卫星质量特性的快速调节，缩短总装测试时间；

(3)本发明中质量特性调节模块，与现有箱板式结构的小卫星相比，可以实现在轨飞行阶段时卫星质量特性的调节，提高姿轨控精度和减少推进剂消耗。

附图说明

图1为本发明模块组合体小卫星平台示意图；

图2为本发明质心调节模块组合图；

图3为本发明质心调节模块剖视图；

图4为本发明螺杆、质量块和滑轨组合图。

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：

如图1所示为模块组合体小卫星平台示意图，由图可知,一种质量特性可调的模块组合体小卫星平台，包括姿轨控模块1、2个太阳帆板模块2、椎柱模块3、载荷模块4、通信模块5和n个质心调节模块6；椎柱模块3为方柱状结构；椎柱模块3竖直放置；姿轨控模块1固定安装在椎柱模块3的上表面；2个太阳帆板模块2对称固定安装在椎柱模块3顶端的两侧；载荷模块4固定安装在椎柱模块3的底部；通信模块5固定安装在载荷模块4的一侧；n个质心调节模块6固定安装在椎柱模块3的内部或载荷模块4的另一侧；n为大于等于1的正整数。所述椎柱模块3为椎柱式模块化卫星平台架构的机械支撑模块和平台信息流中枢，所述椎柱模块3内部包括信息处理机、高速网络交换机、电源和标准接口；所述姿轨控模块1、通信模块5、太阳帆板模块2以及载荷模块4通过与所述椎柱模块3固定连接和信息交流处理，所述椎柱模块3内的电源向所述姿轨控模块1、通信模块5、太阳帆板模块2和载荷模块4供电。质心调节模块6用于对小卫星模块组合体的质量特性进行调节，质心调节模块6可设置在椎柱模块3内部的任意位置或载荷模块4的任一侧；一个模块组合体小卫星可以包含多个质心调节模块6。

如图2所示为质心调节模块组合图，如图3所示为质心调节模块剖视图，由图可知，质心调节模块6包括壳体6-1、6个标准连接口6-2、控制器6-3、6个传动机构6-4、质量快6-5和6个定位块6-6；其中，壳体6-1为中空立方体结构；壳体6-1的六个面中心位置均固定安装有标准连接口6-2，实现壳体6-1与椎柱模块3或载荷模块4的固定连接；壳体6-1内部中心位置设置有控制器6-3；控制器6-3为立方体结构；每个传动机构6-4的一端对应与控制器6-3的一个面连接；另一端分别与一个定位块6-6固定连接；质量快6-5套装在传动机构6-4的外壁，实现质量快6-5沿传动机构6-4的轴向移动；其中，定位块6-6与标准连接口6-2对接；6个传动机构6-4分别垂直于壳体6-1的6个面。质心调节模块6的边长为290-310mm；质量快6-5长为38-42mm，宽为38-42mm，厚度为8-12mm；质量快6-5采用铜材料；壳体6-1厚度为13-17mm，采用蜂窝结构复合材料。

控制器6-3通过标准接口6-2获得椎柱模块3转发的控制指令。根据控制指令，控制器6-3驱动电机转动。电机的回转式驱动通过传动机构6-4中的螺杆6-4-1转换为质量块6-5的直线移动。通过位置传感器反馈的信号，控制器6-3决定质量块6-5的移动距离。多个质量块6-5位置的改变可以使得整个小卫星的质量特性变化以达到设计要求。

如图4所示为螺杆、质量块和滑轨组合图，由图可知，传动机构6-4包括螺杆6-4-1和4个滑轨6-4-2；质量快6-5为方形块状结构；质量快6-5的四个拐角处分别对称设置有通孔；质量快6-5的中心处设置有螺纹孔；4个滑轨6-4-2分别穿过质量快6-5拐角处的四个通孔；螺杆6-4-1穿过质量快6-5的中心的螺纹孔；通过旋转螺杆6-4-1，实现质量快6-5沿滑轨6-4-2轴向移动。滑轨6-4-2采用不锈钢材料，轴向长度为85-95mm，直径为5.5-6.5mm。定位块6-6为圆形板状结构；采用铝合金材料，直径为58-62mm；4个滑轨6-4-2距定位块6-6圆心的距离均为28-32mm。

控制器6-3可以同时驱动六个电动机转动，也可以只驱动部分电动机转动。控制器6-3位于质心调节模块6的几何中心，六套传动机构6-4分别与控制器6-3的六个面垂直安装。一个传动机构6-4对应一个质量块6-5。六个标准接口6-2位于质心调节模块6的六个面，可以实现模块组合体的扩展。

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 (8)

1.一种质量特性可调的模块组合体小卫星平台，其特征在于：包括姿轨控模块(1)、2个太阳帆板模块(2)、椎柱模块(3)、载荷模块(4)、通信模块(5)和n个质心调节模块(6)；椎柱模块(3)为方柱状结构；椎柱模块(3)竖直放置；姿轨控模块(1)固定安装在椎柱模块(3)的上表面；2个太阳帆板模块(2)对称固定安装在椎柱模块(3)顶端的两侧；载荷模块(4)固定安装在椎柱模块(3)的底部；通信模块(5)固定安装在载荷模块(4)的一侧；n个质心调节模块(6)固定安装在椎柱模块(3)的内部或载荷模块(4)的另一侧；n为大于等于1的正整数。

2.根据权利要求1所述的一种质量特性可调的模块组合体小卫星平台，其特征在于：所述的质心调节模块(6)可设置在椎柱模块(3)内部的任意位置或载荷模块(4)的任一侧，实现对小卫星平台质心位置的调节。

3.根据权利要求2所述的一种质量特性可调的模块组合体小卫星平台，其特征在于：质心调节模块(6)包括壳体(6-1)、6个标准连接口(6-2)、控制器(6-3)、6个传动机构(6-4)、质量快(6-5)和6个定位块(6-6)；其中，壳体(6-1)为中空立方体结构；壳体(6-1)的六个面中心位置均固定安装有标准连接口(6-2)，实现壳体(6-1)与椎柱模块(3)或载荷模块(4)的固定连接；壳体(6-1)内部中心位置设置有控制器(6-3)；控制器(6-3)为立方体结构；每个传动机构(6-4)的一端对应与控制器(6-3)的一个面连接；另一端分别与一个定位块(6-6)固定连接；质量快(6-5)套装在传动机构(6-4)的外壁，实现质量快(6-5)沿传动机构(6-4)的轴向移动。

4.根据权利要求3所述的一种质量特性可调的模块组合体小卫星平台，其特征在于：所述定位块(6-6)与标准连接口(6-2)对接；6个传动机构(6-4)分别垂直于壳体(6-1)的6个面。

5.根据权利要求4所述的一种质量特性可调的模块组合体小卫星平台，其特征在于：所述传动机构(6-4)包括螺杆(6-4-1)和4个滑轨(6-4-2)；质量快(6-5)为方形块状结构；质量快(6-5)的四个拐角处分别对称设置有通孔；质量快(6-5)的中心处设置有螺纹孔；4个滑轨(6-4-2)分别穿过质量快(6-5)拐角处的四个通孔；螺杆(6-4-1)穿过质量快(6-5)的中心的螺纹孔；通过旋转螺杆(6-4-1)，实现质量快(6-5)沿滑轨(6-4-2)轴向移动。

6.根据权利要求3所述的一种质量特性可调的模块组合体小卫星平台，其特征在于：所述质心调节模块(6)的边长为290-310mm；质量快(6-5)长为38-42mm，宽为38-42mm，厚度为8-12mm；质量快(6-5)采用铜材料，每个质量快(6-5)的质量为0.5-2kg；壳体(6-1)厚度为13-17mm，采用蜂窝结构复合材料。

7.根据权利要求5所述的一种质量特性可调的模块组合体小卫星平台，其特征在于：所述滑轨(6-4-2)采用不锈钢材料，轴向长度为85-95mm，直径为5.5-6.5mm。

8.根据权利要求7所述的一种质量特性可调的模块组合体小卫星平台，其特征在于：所述定位块(6-6)为圆形板状结构；采用铝合金材料，直径为58-62mm；4个滑轨(6-4-2)距定位块(6-6)圆心的距离均为28-32mm。