CN108591196A - 用于微纳卫星的兼具电磁连接、转位及分离功能的机构 - Google Patents

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Abstract

用于微纳卫星的兼具电磁连接、转位及分离功能的机构，涉及微纳卫星领域，为了解决现有卫星连接机构存在羽流污染、冲击力大、灵活性差、无法实现柔性连接的问题。微纳卫星的正立方体框架的每条棱上对称嵌入2个永磁静态单元，处于同1条棱上的2个永磁静态单元关于各自邻近顶点的属性相反，正立方体框架每个顶点邻近的3组永磁静态单元的属性相同；正立方体框架的每个矩形框的4个内角处分别设有1个电磁动态单元，正立方体框架每个顶点邻近的3个电磁动态单元的属性相同；永磁静态单元用于实现微纳卫星之间的连接，电磁动态单元用于实现微纳卫星之间的转位和分离。本发明适用于微纳卫星。

Description

用于微纳卫星的兼具电磁连接、转位及分离功能的机构
技术领域
本发明涉及微纳卫星领域。
背景技术
传统卫星多采用固定载荷、固定能力的设计方式，应用模式相对单一，难以满足日益复杂的空间应用任务需求。微纳卫星采用“模块设计、在轨成形、按需应用”的设计方式，将传统卫星的整体功能通过多个模块化的微纳卫星组合实现，大大缩短了卫星的设计周期和发射成本，而且标准化的结构也便于实现卫星的在轨变构和功能拓展任务。为了顺利完成复杂的空间科学目标，对于微纳卫星而言，合理的连接、转位及分离机构就显得尤为重要。
现有航天器所采用的连接技术大多基于推力器喷射时产生的反作用力，不可避免的存在以下问题：首先，推力器燃料占用了航天器宝贵的有效载荷，限制了航天任务的实现范围；其次，推力器输出的工质会造成羽流污染，对光学仪器和敏感器件造成损害；另外，该种连接技术冲击力大，灵活性差，无法实现柔性连接，甚至会对航天器中精密仪器的正常工作产生不利影响。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有卫星连接机构存在羽流污染、冲击力大、灵活性差、无法实现柔性连接的问题，从而提供用于微纳卫星的兼具电磁连接、转位及分离功能的机构。
本发明所述的用于微纳卫星的兼具电磁连接、转位及分离功能的机构，包括永磁静态单元1和电磁动态单元2；
微纳卫星的正立方体框架3的每条棱上对称嵌入2个永磁静态单元1，处于同1条棱上的2个永磁静态单元1关于各自邻近顶点的属性相反，正立方体框架3每个顶点邻近的3组永磁静态单元1的属性相同；
正立方体框架3的每个矩形框的4个内角处分别设有1个电磁动态单元2，正立方体框架3每个顶点邻近的3个电磁动态单元2的属性相同；
永磁静态单元1用于实现微纳卫星之间的连接，电磁动态单元2用于实现微纳卫星之间的转位和分离。
优选的是，永磁静态单元1采用1块扇形永磁体实现，永磁体的充磁方向为轴向、径向或平行于扇形永磁体2个直角边的平分线。
优选的是，永磁静态单元1采用紧密连接的N块扇形永磁体实现，永磁体轴向充磁，相邻2块扇形永磁体充磁方向相反，N为大于1的整数。
优选的是，电磁动态单元2包括圆环形电磁线圈2-1，正立方体框架3的每个面设置相同的电磁动态单元2。
优选的是，电磁动态单元2还包括铁心2-2；
铁心2-2上开有圆环形槽，圆环形电磁线圈2-1嵌入圆环形槽内。
优选的是，电磁动态单元2还包括环形永磁体2-3；
环形永磁体2-3嵌在铁心2-2的圆环形槽口处。
优选的是，电磁动态单元2采用圆环形电磁线圈2-1或圆形永磁体2-4实现；
正立方体框架3相邻2个顶点邻近的电磁动态单元2属性不同，即1个顶点邻近的3个电磁动态单元2采用圆环形电磁线圈2-1实现，相邻顶点邻近的3个电磁动态单元2采用圆形永磁体2-4实现。
优选的是，圆形永磁体2-4的充磁方向为轴向或径向。
优选的是，圆形永磁体2-4包括内圆永磁体、中环永磁体和外环永磁体；
内圆永磁体外依次嵌套中环永磁体和外环永磁体，内圆永磁体轴向充磁，中环永磁体径向充磁，外环永磁体轴向充磁且与内圆永磁体充磁方向相反。
空间电磁连接技术具有不消耗燃料、无连接冲击、无羽流污染等优势，可以大幅提高航天器的使用寿命。而通过将电磁连接技术与微纳卫星相结合，将具有模块化、标准化的微纳卫星进行空间分离和重组，可以实现低成本的在轨重构技术，在空间大口径的可重构太空望远镜和高分辨率的军事侦查成像系统等方面均具有较高的应用价值。
本发明的用于微纳卫星的兼具电磁连接、转位及分离功能的机构与微纳卫星的正立方体框架集成一体，框架内部用于布置微纳卫星的功能器件，框架顶角及框架棱边上布置永磁静态单元和电磁动态单元；本发明能确保两个结构相同的微纳卫星的任意两个面都可以进行电磁连接、转位和分离，具有模块化、无静态连接损耗、变构灵活、柔性连接等优点，极大提升了微纳卫星的在轨变构能力。
附图说明
图1是本发明的用于微纳卫星的兼具电磁连接、转位及分离功能的机构的结构示意图；
图2是2个机构处于静态连接状态的示意图；
图3是2个机构处于分离状态的示意图；
图4是2个机构处于转位状态的示意图；
图5是2组串联机构处于转位状态前期的示意图；
图6是2组串联机构处于转位状态后期的示意图；
图7是2组并联机构处于转位状态的示意图；
图8是1个机构处于转位状态的示意图；
图9是永磁体采用轴向充磁的示意图；
图10是永磁体采用径向充磁的示意图；
图11是永磁体采用平行充磁的示意图；
图12是永磁体分段轴向充磁的示意图；
图13是圆环形电磁线圈的结构示意图；
(a)是立体示意图，(b)是(a)的轴向剖视图；
图14是具体实施方式五的电磁动态单元的结构示意图；
(a)是立体示意图，(b)是(a)的轴向剖视图；
图15是具体实施方式六的电磁动态单元的结构示意图；
(a)是立体示意图，(b)是(a)的轴向剖视图；
图16是具体实施方式七的电磁动态单元的结构示意图；
(a)是立体示意图，(b)是(a)的轴向剖视图；
图17是具体实施方式八的电磁动态单元的结构示意图；
(a)是立体示意图，(b)是(a)的轴向剖视图；
图18是具体实施方式九的电磁动态单元的结构示意图；
(a)是立体示意图，(b)是(a)的轴向剖视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图8具体说明本实施方式，本实施方式所述的用于微纳卫星的兼具电磁连接、转位及分离功能的机构，包括永磁静态单元1和电磁动态单元2；
微纳卫星的正立方体框架3的每条棱上对称嵌入2个永磁静态单元1，处于同1条棱上的2个永磁静态单元1关于各自邻近顶点的属性相反，正立方体框架3每个顶点邻近的3组永磁静态单元1的属性相同；
正立方体框架3的每个矩形框的4个内角处分别设有1个电磁动态单元2，正立方体框架3每个顶点邻近的3个电磁动态单元2的属性相同；
永磁静态单元1用于实现微纳卫星之间的连接，电磁动态单元2用于实现微纳卫星之间的转位和分离。
利用该兼具电磁连接、转位及分离的机构，微纳卫星可以实现电磁连接、转位及分离等多种功能，如图2为2个机构处于静态连接状态，图3为2个机构处于分离状态，图4为2个机构处于转位状态，图5为2组串联机构处于转位状态前期，图6为2组串联机构处于转位状态后期，图7为2组并联机构处于转位状态，图8为1个机构处于转位状态。
用于微纳卫星的兼具电磁连接、转位及分离功能的机构的各个工作状态阐述如下：
(1)静态连接状态：两个或多个具有相同该机构的微纳卫星模块在静态连接时，只有永磁静态单元起作用，两个微纳卫星利用永磁静态单元在一个接触面对应四个棱边上的永磁静态单元相互吸引，此时不存在静态损耗。
(2)动态转位状态：
当需要调整两个已经相互连接的微纳卫星的相对位置姿态时，可以利用电磁动态单元来实现一个模块相对于另一个模块的转位运动。转位运动以接触面上的一条棱为转轴，转位瞬间使该面上距离棱边较远的2个电磁动态单元工作，利用2个微纳卫星的电磁动态单元之间产生的斥力将两对电磁动态单元弹开，在真空环境下，一个微纳卫星将以其棱边为转轴相对于另一个微纳卫星做转位运动，转位过程中，两个卫星依靠转轴棱边上的永磁静态连接单元提供保持相互连接的作用力，当转角接近270度时，两个微纳卫星的另外两个面即将接触，此时通过控制即将接触面上的电磁动态单元，使两个微纳卫星在重新接触的瞬间冲击尽量小，实现柔性连接，完成转位运动。
(3)动态分离状态：
当需要将两个已经相互连接的微纳卫星进行分离时，同样是利用电磁动态单元来实现。分离瞬间，两个卫星接触面上的四组电磁动态单元同时工作，四组电磁动态单元相互排斥，从而将两个微纳卫星彼此弹开，实现电磁分离。
具体实施方式二：结合图9至图11具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的用于微纳卫星的兼具电磁连接、转位及分离功能的机构作进一步说明，本实施方式中，永磁静态单元1采用1块扇形永磁体实现，永磁体的充磁方向为轴向、径向或平行于扇形永磁体2个直角边的平分线。
图9为永磁体采用轴向充磁方案，每条棱上的两块永磁体充磁方向关于各自邻近的顶点方向相反，即，指向顶点或远离顶点；图9的2块相互作用的扇形永磁体来自2个机构。
图10为永磁体采用径向充磁方案，每条棱上的两块永磁体充磁方向相反，图10的2块相互作用的扇形永磁体来自2个机构。
图11为永磁体采用平行充磁方案，平行于扇形永磁体2个直角边的平分线，每条棱上的两块永磁体充磁方向相反，图11的2块相互作用的扇形永磁体来自2个机构。
具体实施方式三：结合图12具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的用于微纳卫星的兼具电磁连接、转位及分离功能的机构作进一步说明，本实施方式中，永磁静态单元1采用紧密连接的N块扇形永磁体实现，永磁体轴向充磁，相邻2块扇形永磁体充磁方向相反，N为大于1的整数。
N块扇形永磁体形成1组永磁体，采用分段轴向充磁，每条棱上的两组永磁体充磁方向关于各自邻近的顶点方向相反，图12的2组相互作用的永磁体来自2个机构。
具体实施方式四：结合图13具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的用于微纳卫星的兼具电磁连接、转位及分离功能的机构作进一步说明，本实施方式中，电磁动态单元2包括圆环形电磁线圈2-1，正立方体框架3的每个面设置相同的电磁动态单元2。
图13的2个相互作用的圆环形电磁线圈来自2个机构。
具体实施方式五：结合图14具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的用于微纳卫星的兼具电磁连接、转位及分离功能的机构作进一步说明，本实施方式中，电磁动态单元2包括圆环形电磁线圈2-1和铁心2-2，铁心2-2上开有圆环形槽，圆环形电磁线圈2-1嵌入圆环形槽内，正立方体框架3的每个面设置相同的电磁动态单元2。
图14的2个相互作用的圆环形电磁线圈来自2个机构。
具体实施方式六：结合图15具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的用于微纳卫星的兼具电磁连接、转位及分离功能的机构作进一步说明，本实施方式中，电磁动态单元2包括圆环形电磁线圈2-1、铁心2-2和环形永磁体2-3；
铁心2-2上开有圆环形槽，圆环形电磁线圈2-1嵌入圆环形槽内，环形永磁体2-3嵌在铁心2-2的圆环形槽口处。正立方体框架3的每个面设置相同的电磁动态单元2。
图15的2个相互作用的圆环形电磁线圈来自2个机构。
具体实施方式七：结合图16具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的用于微纳卫星的兼具电磁连接、转位及分离功能的机构作进一步说明，本实施方式中，电磁动态单元2采用圆环形电磁线圈2-1或圆形永磁体2-4实现；
圆形永磁体2-4轴向充磁；
正立方体框架3相邻2个顶点邻近的电磁动态单元2属性不同，即1个顶点邻近的3个电磁动态单元2采用圆环形电磁线圈2-1实现，相邻顶点邻近的3个电磁动态单元2采用圆形永磁体2-4实现。
图16的2个相互作用的圆环形电磁线圈2-1和圆形永磁体2-4来自2个机构。
具体实施方式八：结合图17具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的用于微纳卫星的兼具电磁连接、转位及分离功能的机构作进一步说明，本实施方式中，电磁动态单元2采用圆环形电磁线圈2-1或圆形永磁体2-4实现；
圆形永磁体2-4径向充磁；
正立方体框架3相邻2个顶点邻近的电磁动态单元2属性不同，即1个顶点邻近的3个电磁动态单元2采用圆环形电磁线圈2-1实现，相邻顶点邻近的3个电磁动态单元2采用圆形永磁体2-4实现。
图17的2个相互作用的圆环形电磁线圈2-1和圆形永磁体2-4来自2个机构。
具体实施方式九：结合图18具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的用于微纳卫星的兼具电磁连接、转位及分离功能的机构作进一步说明，本实施方式中，电磁动态单元2采用圆环形电磁线圈2-1或圆形永磁体2-4实现；
圆形永磁体2-4包括内圆永磁体、中环永磁体和外环永磁体；
内圆永磁体外依次嵌套中环永磁体和外环永磁体，内圆永磁体轴向充磁，中环永磁体径向充磁，外环永磁体轴向充磁且与内圆永磁体充磁方向相反。
正立方体框架3相邻2个顶点邻近的电磁动态单元2属性不同，即1个顶点邻近的3个电磁动态单元2采用圆环形电磁线圈2-1实现，相邻顶点邻近的3个电磁动态单元2采用圆形永磁体2-4实现。从正立方体每个面上观察，一个对角线上的两个角处布置圆环形电磁线圈2-1，另一个对角线上布置电磁动态单元2。
图18的2个相互作用的圆环形电磁线圈2-1和圆形永磁体2-4来自2个机构。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (9)

1.用于微纳卫星的兼具电磁连接、转位及分离功能的机构，其特征在于，包括永磁静态单元(1)和电磁动态单元(2)；
微纳卫星的正立方体框架(3)的每条棱上对称嵌入2个永磁静态单元(1)，处于同1条棱上的2个永磁静态单元(1)关于各自邻近的顶点的属性相反，正立方体框架(3)每个顶点邻近的3组永磁静态单元(1)的属性相同；
正立方体框架(3)的每个矩形框的4个内角处分别设有1个电磁动态单元(2)，正立方体框架(3)每个顶点邻近的3个电磁动态单元(2)的属性相同；
永磁静态单元(1)用于实现微纳卫星之间的连接，电磁动态单元(2)用于实现微纳卫星之间的转位和分离。
2.根据权利要求1所述的用于微纳卫星的兼具电磁连接、转位及分离功能的机构，其特征在于，永磁静态单元(1)采用1块扇形永磁体实现，永磁体的充磁方向为轴向、径向或平行于扇形永磁体2个直角边的平分线。
3.根据权利要求1所述的用于微纳卫星的兼具电磁连接、转位及分离功能的机构，其特征在于，永磁静态单元(1)采用紧密连接的N块扇形永磁体实现，永磁体轴向充磁，相邻2块扇形永磁体充磁方向相反，N为大于1的整数。
4.根据权利要求1所述的用于微纳卫星的兼具电磁连接、转位及分离功能的机构，其特征在于，电磁动态单元(2)包括圆环形电磁线圈(2-1)，正立方体框架(3)的每个面设置相同的电磁动态单元(2)。
5.根据权利要求4所述的用于微纳卫星的兼具电磁连接、转位及分离功能的机构，其特征在于，电磁动态单元(2)还包括铁心(2-2)；
铁心(2-2)上开有圆环形槽，圆环形电磁线圈(2-1)嵌入圆环形槽内。
6.根据权利要求5所述的用于微纳卫星的兼具电磁连接、转位及分离功能的机构，其特征在于，电磁动态单元(2)还包括环形永磁体(2-3)；
环形永磁体(2-3)嵌在铁心(2-2)的圆环形槽口处。
7.根据权利要求1所述的用于微纳卫星的兼具电磁连接、转位及分离功能的机构，其特征在于，电磁动态单元(2)采用圆环形电磁线圈(2-1)或圆形永磁体(2-4)实现；
正立方体框架(3)相邻2个顶点邻近的电磁动态单元(2)属性不同，即1个顶点邻近的3个电磁动态单元(2)采用圆环形电磁线圈(2-1)实现，相邻顶点邻近的3个电磁动态单元(2)采用圆形永磁体(2-4)实现。
8.根据权利要求7所述的用于微纳卫星的兼具电磁连接、转位及分离功能的机构，其特征在于，圆形永磁体(2-4)的充磁方向为轴向或径向。
9.根据权利要求7所述的用于微纳卫星的兼具电磁连接、转位及分离功能的机构，其特征在于，圆形永磁体(2-4)包括内圆永磁体、中环永磁体和外环永磁体；
内圆永磁体外依次嵌套中环永磁体和外环永磁体，内圆永磁体轴向充磁，中环永磁体径向充磁，外环永磁体轴向充磁且与内圆永磁体充磁方向相反。
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