CN108275289B - 一种可重复连接分离装置及模块化航天器的紧固分离装置 - Google Patents

Abstract

一种可重复连接分离装置，包括壳体、电机、驱动件、锁钩、导向件、销轴；电机安装在壳体上；锁钩、驱动件、壳体依次套装在导向件上；销轴与锁钩固定连接后，销轴的两端凸出锁钩的表面，销轴的一端卡入导向件的第一曲线槽，销轴的另一端卡入驱动件的第二曲线槽；壳体和导向件固定连接；电机带动驱动件水平转动，驱动件水平转动使销轴在驱动件的第二曲线槽内发生相对运动，同时销轴的相对运动受到导向件的第一曲线槽限制；销轴带动锁钩伸出壳体或缩回壳体；锁钩用于锁合或松开外部连接分离装置。一种模块化航天器的紧固分离装置，包括压紧释放装置及可重复连接分离装置。

Description

一种可重复连接分离装置及模块化航天器的紧固分离装置

技术领域

本发明涉及一种可重复连接分离装置及模块化航天器的紧固分离装置，属于航空航天领域。

背景技术

基于模块化的设计理念实现航天器在轨维护是未来航天器发展趋势之一。实现在轨维护对减少或清理太空垃圾、节约成本、资源重复利用、航天器系统升级及延寿、太空攻防等方面具有深远意义。同时，利用仓储的模块化航天器实现军用战术型航天器的快速集成、快速测试，已经成为航天器快速响应的核心技术。而有效载荷与航天器之间的机械连接装置在航天器模块化设计过程中占有重要的地位。

火工装置是航天器上使用最早，应用最广的释放装置，具有体积小重量轻、技术成熟等优点；但是火工装置不能重复使用，无法满足有效载荷在轨更换要求，此外，火工装置爆炸过程产生较大冲击且伴随有害气体产生，严重影响航天器内部有效载荷的正常工作。

在现有的航天器设计中，可重复连接机构主要采用杆-锥式对接机构，这种对接机构容差大、承载能力强；然而杆-锥式对接机构尺寸较大，互换性、可拓展性差，无法满足大量模块化有效载荷的在轨连接与更换需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可重复连接分离装置及模块化航天器的紧固分离装置，能够承受航天器发射过载；同时具有尺寸小、结构简单、在轨可重复使用的特点。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种可重复连接分离装置，包括壳体、电机、驱动件、锁钩、导向件、销轴；

电机安装在壳体上；锁钩、驱动件、壳体依次套装在导向件上；销轴与锁钩固定连接后，销轴的两端凸出锁钩的表面，销轴的一端卡入导向件的第一曲线槽，销轴的另一端卡入驱动件的第二曲线槽；壳体和导向件固定连接；

电机带动驱动件水平转动，驱动件水平转动使销轴在驱动件的第二曲线槽内发生相对运动，同时销轴的相对运动受到导向件的第一曲线槽限制；销轴带动锁钩伸出壳体或缩回壳体；

锁钩用于锁合或松开外部连接分离装置。

上述可重复连接分离装置，所述可重复连接分离装置还包括齿轮，齿轮与电机固定连接，所述驱动件设有凸缘，凸缘上设有齿痕；齿轮与凸缘上的齿痕咬合；电机通过齿轮带动驱动件水平转动。

上述可重复连接分离装置，所述可重复连接分离装置包括至少两个销轴；第一曲线槽的数量和第二曲线槽的数量均与销轴的数量相等。

上述可重复连接分离装置，所述锁钩在锁合过程中，锁钩首先达到伸出壳体的最大值，然后缩回预定尺寸。

上述可重复连接分离装置，所述锁钩的锁合齿为Γ型，沿锁钩的周向设置，锁钩的锁合齿用于锁合或松开外部连接分离装置。

上述可重复连接分离装置，所述锁合齿的端部设有凸肋，凸肋用于卡住外部连接分离装置。

一种模块化航天器的紧固分离装置，所述模块化航天器的紧固分离装置包括压紧释放装置及上述可重复连接分离装置，所述可重复连接分离装置的壳体与模块化航天器的外表面的中心连接，可重复连接分离装置用于与外部装置锁合或分离；压紧释放装置包括压紧杆、胀断器、压紧螺母，压紧杆安装在模块化航天器内，压紧螺母安装在外部装置上，胀断器安装在压紧杆和压紧螺母之间；胀断器用于将压紧杆胀断，使模块化航天器与外部装置分离。

上述模块化航天器的紧固分离装置，所述模块化航天器的表面设有锥台和锥孔，锥台和锥孔均用于可重复连接分离装置与外部装置锁合前的定位。

上述模块化航天器的紧固分离装置，所述模块化航天器为正立方体。

上述模块化航天器的紧固分离装置，所述模块化航天器安装可重复连接分离装置的壳体的表面设有电接头，电接头用于对可重复连接分离装置的电机供电。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明提供的模块化航天器紧固分离装置采用了非火工装置解锁原理，与传统火工装置相比，具有低冲击的特点，可减小对航天器内部有效载荷正常工作的影响，特别适用于模块化有效载荷的在轨连接与更换；

(2)本发明提供的可重复连接装置具有体积小(直径97mm)、高度小(31.5mm)的特点，安装到模块化航天器后，占用模块化航天器内部空间较小，因此特别适用于中小型模块化航天器的连接与分离；

(3)本发明提供的可重复连接分离装置通过驱动件、导向件、销轴的联合作用，实现了锁钩沿预定空间轨迹的运动，保证了连接分离的可重复性和连接力的稳定可控；

(4)本发明的可重复连接分离装置锁钩初始状态下位于壳体外包络轮廓内部，待实施连接动作时再伸出壳体外表面，从而确保模块化航天器外表面为规则正立方体，无局部凸起特征，有利于模块化航天器的空间拓展布局；

(5)本发明的可重复连接分离装置锁钩上的锁合齿可采用平面贴合型、凹凸互嵌型等多种构型设计，满足不同使用工况下的锁合力及连接刚度要求；

(6)本发明的可重复连接分离装置采用了较大减速比的齿轮传动，保证了电机通电、断电等各情况下连接的可靠性。

附图说明

图1为模块化航天器的紧固分离装置工作原理，图1a为发射阶段模块化航天器的连接状态示意图，图1b为在轨阶段模块化航天器与航天器主结构连接示意图；

图2为本发明可重复连接分离装置的组成示意图；

图3为本发明锁合齿的第一实施例；

图4为本发明锁合齿的第二实施例；

图5为本发明压紧释放装置与可重复连接分离装置的布局图；

图6为本发明压紧释放装置的组成示意图；

图7为本发明可重复连接分离装置在模块化航天器上的布局；

图8为模块化航天器的拼接和扩展示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

本发明的一种可重复连接分离装置300，安装在模块化航天器的侧壁上，具备雌雄同构的特点，使用时靠小型电机302提供动力，电机302带动驱动件304绕自身轴线回转，通过内部的齿轮303传动机构最终带动锁钩305与相邻的模块化航天器的侧壁上的可重复连接分离装置300完成锁紧或松开。两个可重复连接分离装置300分别固定在模块化航天器100和航天器主结构200上，两个可重复连接分离装置300可完成重复连接分离动作，用于模块化航天器的在轨组装与重构，如图1中的图1a和图1b所示。其中压紧释放装置400用于发射阶段将相邻2个模块化航天器100的紧固，或将模块化航天器100与适配器紧固，入轨后断开，解除模块化航天器100之间或模块化航天器100与适配器之间的连接。

具体的，一种可重复连接分离装置300，包括壳体301、电机302、齿轮303、驱动件304、锁钩305、导向件306、销轴307；本实施例中，壳体301、驱动件304、锁钩305、导向件306均为圆筒状，如图2所示。

电机302安装在壳体301上；齿轮303与电机302固定连接；锁钩305、驱动件304、壳体301依次套装在导向件306上，即锁钩305和驱动件304位于导向件306和壳体301之间，锁钩305靠近导向件306，驱动件304靠近壳体301；同时驱动件304受到壳体301和导向件306的限制，仅能进行轴向旋转；销轴307与锁钩305固定连接后，销轴307的两端凸出锁钩305的表面，销轴307的一端卡入导向件306的第一曲线槽3061，销轴307的另一端卡入驱动件304的第二曲线槽3041；壳体301和导向件306固定连接。

驱动件304设有凸缘3042，凸缘3042上设有齿痕；齿轮303与凸缘3042上的齿痕咬合；电机302通过齿轮303带动驱动件304水平转动，驱动件304水平转动使销轴307在驱动件304的第二曲线槽3041内发生相对运动，同时销轴307的相对运动受到导向件306的第一曲线槽3061限制，即销轴307的移动轨迹为第一曲线槽3061和第二曲线槽3041的交点，驱动件304单向旋转运动，使得上述交点不停变化，形成一条沿圆柱面包络的空间轨迹，销轴沿这条空间轨迹移动，使得销轴307带动锁钩305伸出壳体301或缩回壳体301；本发明中的电机302具备正反两个输出方向。

锁钩305用于锁合或松开相邻的模块化航天器的侧壁上的可重复连接分离装置300的锁钩305，以实现在空间中相邻两个模块化航天器的连接与分离，或，实现在空间中的一个模块化航天器与相邻的外部装置连接与分离。锁钩305在锁合过程中，锁钩305首先达到伸出壳体301的最大值，然后缩回预定尺寸，上述运动过程，使锁钩305与相邻模块化航天器的锁钩305进行相向锁合后，通过缩回预定尺寸，可以增加沿锁钩305轴向的拉力，提高锁合力和锁合效果，缩回的预定尺寸为：2mm～15mm。为便于锁钩305更方便的锁合，当锁钩305达到伸出壳体301的最大值后，也可以保持该状态旋转一定角度，与外部装置实现卡合，然后缩回预定尺寸。本实施例中，缩回的预定尺寸为5mm。反之，当空间中相邻两个模块化航天器分离时，锁钩305首先由缩回预定尺寸状态运动到伸出壳体301最大值状态，使得沿锁钩305轴向的拉力消失，然后在电机302的驱动下，使两个锁钩305背向运动达到锁钩305脱离的目的。

本发明的锁钩305的第一实施例中，锁钩305的锁合齿3051为Γ型，沿锁钩305的周向设置，锁钩305的锁合齿3051用于锁合或松开外部连接分离装置，如图3所示。

本发明的锁钩305的第二实施例中，锁钩305的锁合齿3051为Γ型，其中锁合齿3051锁合或松开的端面为平面或锥面，锁合齿3051的端部设有凸肋和卡槽；当相邻模块化航天器的两个锁钩305进行锁合时，两个锁合齿3051锁合到位后，其中一个锁合齿3051的凸肋能够卡入另一个锁合齿3051的卡槽中；当一个模块化航天器的锁钩305与外部装置进行锁合时，凸肋也进一步增加了锁合力，如图4所示。

本发明的可重复连接分离装置300包括两个销轴307、两个第一曲线槽3061和两个第二曲线槽3041，多套销轴307、第一曲线槽3061和第二曲线槽3041，有利于保证销轴307带动锁钩305转动过程中的稳定。

可重复连接分离装置300承载能力、连接刚度相对较弱，可满足航天器在轨组装与重构的需求，但难以承受发射过载。一种模块化航天器的紧固分离装置，包括单次使用压紧释放装置400、可重复连接分离装置300。其中可重复连接分离装置300位于模块化航天器的侧壁中心，压紧释放装置400采用多点压紧方式，压紧点位于模块化航天器的周边承力梁部位。

具体的，可重复连接分离装置300的壳体301与模块化航天器的外表面的中心连接，可重复连接分离装置300用于与外部装置锁合或分离；压紧释放装置400包括压紧杆401、胀断器402、压紧螺母403，压紧杆401安装在模块化航天器内，压紧螺母403安装在外部装置上，胀断器402安装在压紧杆401和压紧螺母403之间，如图5所示；在轨分离时，对胀断器402通电加热，胀断器402受热膨胀将压紧杆401逐渐拉长，当伸长量超过一定阈值后压紧杆401被拉断，使模块化航天器100与航天器主结构侧板201分离，即模块化航天器100与航天器主结构200之间解锁。

模块化航天器100的表面设有锥台103和锥孔104，锥台103和锥孔104均用于可重复连接分离装置300与外部装置锁合前的定位。模块化航天器100的表面设有电接头102，电接头102用于对可重复连接分离装置300的电机302供电，如图6所示。

本实施例中，模块化航天器为正立方体，更有利于模块化航天器的空间连接与分离，便于空间应用。

如图7所示，对于模块化航天器100，为便于拼接及拓展，可将模块化航天器100做成六面体标准外形。可重复连接分离装置300可根据需要布局在模块任一表面，具体设计中可根据任务需要，在模块化航天器100多个表面安装同型号接口。

如图8中的图8a、图8b和图8c所示，借助可重复连接分离装置300，通过在轨组装的形式可实现多种航天器构型。其中典型拼接方式包括：可重复连接分离装置300以航天器主结构200为中心进行拼接、模块化航天器100模块间积木式拼接、模块化航天器100模块间以任意形式组合拼接。

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 (10)

1.一种可重复连接分离装置，其特征在于：包括壳体(301)、电机(302)、驱动件(304)、锁钩(305)、导向件(306)、销轴(307)；

电机(302)安装在壳体(301)上；锁钩(305)、驱动件(304)、壳体(301)依次套装在导向件(306)上；销轴(307)与锁钩(305)固定连接后，销轴(307)的两端凸出锁钩(305)的表面，销轴(307)的一端卡入导向件(306)的第一曲线槽(3061)，第一曲线槽(3061)为n形，销轴(307)的另一端卡入驱动件(304)的第二曲线槽(3041)；壳体(301)和导向件(306)固定连接；

电机(302)带动驱动件(304)水平转动，驱动件(304)水平转动使销轴(307)在驱动件(304)的第二曲线槽(3041)内发生相对运动，同时销轴(307)的相对运动受到导向件(306)的第一曲线槽(3061)限制；销轴(307)带动锁钩(305)伸出壳体(301)或缩回壳体(301)；

锁钩(305)用于锁合或松开外部连接分离装置。

2.根据权利要求1所述的一种可重复连接分离装置，其特征在于：所述可重复连接分离装置还包括齿轮(303)，齿轮(303)与电机(302)固定连接，所述驱动件(304)设有凸缘(3042)，凸缘(3042)上设有齿痕；齿轮(303)与凸缘(3042)上的齿痕咬合；电机(302)通过齿轮(303)带动驱动件(304)水平转动。

3.根据权利要求1所述的一种可重复连接分离装置，其特征在于：所述可重复连接分离装置包括至少两个销轴(307)；第一曲线槽(3061)的数量和第二曲线槽(3041)的数量均与销轴(307)的数量相等。

4.根据权利要求1所述的一种可重复连接分离装置，其特征在于：所述锁钩(305)在锁合过程中，锁钩(305)首先达到伸出壳体(301)的最大值，然后缩回预定尺寸。

5.根据权利要求4所述的一种可重复连接分离装置，其特征在于：所述锁钩(305)的锁合齿(3051)为Γ型，沿锁钩(305)的周向设置，锁钩(305)的锁合齿(3051)用于锁合或松开外部连接分离装置。

6.根据权利要求5所述的一种可重复连接分离装置，其特征在于：所述锁合齿(3051)的端部设有凸肋，凸肋用于卡住外部连接分离装置。

7.一种模块化航天器的紧固分离装置，其特征在于：所述模块化航天器的紧固分离装置包括压紧释放装置及权利要求1～6之一所述的可重复连接分离装置，所述可重复连接分离装置的壳体(301)与模块化航天器的外表面的中心连接，可重复连接分离装置用于与外部装置锁合或分离；压紧释放装置包括压紧杆(401)、胀断器(402)、压紧螺母(403)，压紧杆(401)安装在模块化航天器内，压紧螺母(403)安装在外部装置上，胀断器(402)安装在压紧杆(401)和压紧螺母(403)之间；胀断器(402)用于将压紧杆(401)胀断，使模块化航天器与外部装置分离。

8.根据权利要求7所述的一种模块化航天器的紧固分离装置，其特征在于：所述模块化航天器(100)的表面设有锥台(103)和锥孔(104)，锥台(103)和锥孔(104)均用于可重复连接分离装置与外部装置锁合前的定位。

9.根据权利要求7所述的一种模块化航天器的紧固分离装置，其特征在于：所述模块化航天器为正立方体。

10.根据权利要求7所述的一种模块化航天器的紧固分离装置，其特征在于：所述模块化航天器安装可重复连接分离装置的壳体(301)的表面设有电接头(102)，电接头(102)用于对可重复连接分离装置的电机(302)供电。

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