CN108791956A - 一种立方星即插即用簧片式结构模块化组装结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立方星即插即用簧片式结构模块化组装结构及方法，包括至少两个立方星，立方星包括立方星框架，每个立方星框架由十二条棱柱组成长方体框架结构，长方体框架结构的左端面和右端面的上棱柱和下棱柱上分别沿纵向开设有呈矩形分布的母接口，长方体框架结构的左端面和右端面的四个棱柱的中心处分别开设有垂直于左端面和右端面的母接口，长方体框架结构的前端面和后端面的两侧棱柱上分别开设有垂直于前端面和后端面且呈矩形分布的母接口，还包括用于组装相邻两个立方星且与母接口可拆卸连接的公接头；需要进行立方星组装时，从标准库中取出所需数量和规格的公接头，以“母‑公‑母”型连接单元为基础进行组装，结构简单、易操作。

Description

一种立方星即插即用簧片式结构模块化组装结构及方法

技术领域

本发明涉及立方星组装连接与快速响应技术领域，特别是一种立方星即插即用簧片式结构模块化组装结构及方法。

背景技术

立方星以其低成本和标准化的优点已经进入多个实际应用领域。目前国际上的立方星主要以2U、3U为主，但由于其体积小，能够开展的科学研究和应用任务受到较多限制，而完成特定的功能需要定制更大单元的立方星，影响了立方星执行任务的效率并且提高研制成本。

立方星国际标准中以1U立方星(10cm×10cm×10cm立方体)为基本单元，扩展至更大单元构型，并向高度模块化即插即用方向发展，将突破尺寸和功率限制，能有效缩短立方星的研制周期与生产成本，并实现任务功能的灵活组装扩展与快速响应。这种以1U立方星为基本单元的模块化组装方式将在立方星的遥感、通信、空间安全等领域产生积极影响，为下一代航天器的设计、研制与部署方式提供一种新思路。

德国宇航中心(DLR)开展了IBOSS计划(Intelligent Building Blocks for On-Orbit Satellite Servicing and Assembly)，该计划设计了一种嵌入立方体卫星中心的智能连接装置，关键部分由散热结构，电机，电气连接单元，数据连接单元，机械连接单元组成。执行机构动作时，电机根据控制信号将机械连接单元螺旋推出，通过耦合实现两个立方星之间的机械连接；电气连接单元连接相邻智能连接装置并传输电信号；数据连接单元固定在立方星表面的中央区域，可以在20mm的距离内以1GB/s全双工传输数据；散热结构实现相连后卫星组合体间传热。IBOSS计划提出了立方体卫星组合方案，设计多个立方体卫星之间的机械连接接口，但存在以下不足：IBOSS智能连接装置最小截面处的直径约为20cm，尺寸太大，不适用于立方星组装连接；IBOSS智能连接装置部件多，质量大，降低了卫星的有效载荷；雌雄同体的机械连接接口结构复杂，增加了卫星的费用及潜在的故障风险。

中国专利公开号CN 106986050公开了一种多立方星组合结构及其变化方法，参考图1，立方星的每个连接面上设置有两个电磁铁1、2，两个永磁铁3、4以及一个电气连接接口5，电气连接接口5设置在每个连接面的中心处，第一电磁铁1、第二电磁铁2沿所在连接面的一个对角线设置，第一永磁铁3、第二永磁铁4沿另外一个对角线设置。该组合结构通过立方星自身携带的磁铁与电磁铁协同工作，完成立方星间的解锁与锁定。但在立方星壳体内部安置电磁铁和永磁铁，产生的空间磁场会对立方星中精密仪器的运行产生不利影响。

发明内容

本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种立方星即插即用簧片式结构模块化组装结构及方法。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种立方星即插即用簧片式结构模块化组装结构，包括至少两个立方星，立方星包括立方星框架，每个立方星框架由十二条棱柱组成长方体框架结构，所述长方体框架结构的左端面和右端面的上棱柱和下棱柱上分别沿纵向开设有呈矩形分布的母接口，所述长方体框架结构的左端面和右端面的四个棱柱的中心处分别开设有垂直于左端面和右端面的母接口，所述长方体框架结构的前端面和后端面的两侧棱柱上分别开设有垂直于前端面和后端面且呈矩形分布的母接口，还包括用于组装相邻两个立方星且与母接口可拆卸连接的公接头。

进一步，所述母接口由导向孔和配合孔两部分构成，导向孔与配合孔垂直分布；所述公接头包括配合杆、U型簧片及圆柱销，所述配合杆与导向孔相配合，U型簧片为两个分布在配合杆两端内，U型簧片底部与配合杆底部内表面固定连接，圆柱销固定在U型簧片上部，圆柱销顶端伸出配合杆上设置的通孔，所述圆柱销与通孔间隙配合；所述配合杆伸入导向孔后圆柱销与配合孔卡接。

进一步，所述配合杆为空心方管。

另外，本发明还提供一种立方星即插即用簧片式结构模块化组装方法，利用上述的立方星即插即用簧片式结构模块化组装结构进行组装，具体步骤如下：

沿长度方向组装相邻两个立方星时，将其中一个立方星框架的右端面与另一个立方星框架的左端面对齐，然后将四个公接头的两端对应地插入相邻两个立方星框架的四个棱柱的中心处的母接口内，直至公接头的圆柱销达到配合孔的位置后伸出配合孔形成锁定；

沿宽度方向组装相邻两个立方星时，将其中一个立方星框架的前端面与另一个立方星框架的后端面对齐，然后将四个公接头的两端对应地插入相邻两个立方星框架的两侧棱柱上的母接口内，直至公接头的圆柱销达到配合孔的位置后伸出配合孔形成锁定；

沿高度方向组装相邻两个立方星时，将其中一个立方星框架的上端面与另一个立方星框架的下端面对齐，然后将四个公接头的两端对应地插入相邻两个立方星框架的上棱柱和下棱柱上的母接口内，直至公接头的圆柱销达到配合孔的位置后伸出配合孔形成锁定。

与现有技术相比，本发明的母接口尺寸小，且只分布于立方星框架表面，不存在凸出部分，不占用立方星有效载荷及空间，保留了立方星原有的基本属性；公接头可存放于标准库中，具有标准化模块化的特点；需要进行立方星组装时，从标准库中取出所需数量和规格的公接头，以“母-公-母”型连接单元为基础进行组装，结构简单、易操作，解决了消耗卫星有效载荷，机械结构复杂的问题，而且本发明机械式连接方式避免了如现有技术中的磁场干扰内部仪器的问题；母接口的布局方式可以实现沿横截面内任意方向的组装以及沿纵向两个方向的组装，扩展了立方星组装的多样性。

综述，本发明结构简单，组装方便快捷，便于推广使用。

附图说明

图1为现有技术中一种多立方星组合结构及其变化方法的结构示意图。

图2为本发明的公接头的结构示意图。

图3为本发明的公接头的组装图。

图4为本发明的立方星框架上的母接口的结构示意图。

图5为本发明实施例中利用本发明的组装结构组装的2U立方星。

图6为本发明实施例中利用本发明的组装结构组装的6U立方星。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图2-图5所示，本发明的一种立方星即插即用簧片式结构模块化组装结构，包括至少两个立方星，立方星包括立方星框架13，每个立方星框架13由十二条棱柱131组成长方体框架结构，所述长方体框架结构的左端面和右端面的上棱柱和下棱柱上分别沿纵向开设有呈矩形分布的母接口11，所述长方体框架结构的左端面和右端面的四个棱柱的中心处分别开设有垂直于左端面和右端面的母接口11，所述长方体框架结构的前端面和后端面的两侧棱柱上分别开设有垂直于前端面和后端面且呈矩形分布的母接口11，还包括用于组装相邻两个立方星且与母接口11可拆卸连接的公接头12。如图4所示，1U立方星的立方星框架13上共计24个母接口，且只分布于立方星框架13表面，不存在凸出部分，不占用立方星有效载荷及空间，保留了立方星原有的基本结构属性。

如图2、图3、图4所示，母接口在立方星框架上经机械加工而成，只分布于立方星框架表面，不存在凸出部分，不占用立方星有效载荷及空间，保留了立方星原有的基本结构属性，所述母接口11由导向孔9和配合孔10两部分构成，导向孔9与配合孔10垂直分布；所述公接头12包括配合杆6、U型簧片7及圆柱销8，所述配合杆6与导向孔9相配合，配合杆6为空心方管，相应地导向孔9也是方形孔，如此，配合杆6插入导向孔9后避免发生转动，U型簧片7为两个分布在配合杆6两端内，U型簧片7底部与配合杆6底部内表面固定连接，圆柱销8固定在U型簧片7上部，圆柱销8顶端伸出配合杆6上设置的通孔14，所述圆柱销8与通孔14间隙配合；所述配合杆6伸入导向孔9后圆柱销8与配合孔10卡接。

另外，本发明还提供一种立方星即插即用簧片式结构模块化组装方法，利用上述的立方星即插即用簧片式结构模块化组装结构进行组装，具体步骤如下：

沿长度方向组装相邻两个立方星时，将其中一个立方星框架的右端面与另一个立方星框架的左端面对齐，然后将四个公接头12的两端对应地插入相邻两个立方星框架的四个棱柱的中心处的母接口11内，直至公接头12的圆柱销8达到配合孔10的位置后伸出配合孔10形成锁定；

沿宽度方向组装相邻两个立方星时，将其中一个立方星框架的前端面与另一个立方星框架的后端面对齐，然后将四个公接头12的两端对应地插入相邻两个立方星框架的两侧棱柱上的母接口11内，直至公接头12的圆柱销8达到配合孔10的位置后伸出配合孔10形成锁定；

沿高度方向组装相邻两个立方星时，将其中一个立方星框架的上端面与另一个立方星框架的下端面对齐，然后将四个公接头的两端对应地插入相邻两个立方星框架的上棱柱和下棱柱上的母接口内，直至公接头的圆柱销达到配合孔的位置后伸出配合孔10形成锁定。

如图5所示为2U立方星的组装，组装连接部分由母接口11和公接头12组成，先从标准库中取出4个公接头12，与装有母接口11的立方星沿长度方向进行组装，公接头12中的圆柱销8插入母接口11中的配合孔10完成“母-公”的对接过程，以同样的方式进行另一边的“母-公”对接，即可实现2U立方星的组装。

如图6所示为6U立方星的组装，其组装过程包括以下步骤：

步骤一：从标准库中取出四个公接头12，沿长度方向将一个公接头12插入立方星框架13上对应的母接口11，母接口11的内壁面与U型簧片7上圆柱销8相互挤压，在外部压力持续作用下，簧片7发生弹性形变，使配合杆6嵌入母接口11直至圆柱销8达到配合孔位置，由于U型簧片7储存的弹性势能，圆柱销8自动沿配合杆6上的配合孔弹出并形成锁定，即“母-公”型连接结单元形成。然后以同样的方式进行另一边的“母-公”对接，即可实现2U立方星的“母-公-母”型组装。

步骤二：重复步骤一，沿长度方向以“母-公-母”型连接结构形式再接入一个1U立方星，即可构成一个3U组合立方星。

步骤三：重复步骤一、步骤二，采用八个公接头12，沿长度方向以“母-公-母”型连接结构形式完成另外一个3U组合立方星。

步骤四：参照步骤一，从标准库中取出十二个公接头12，沿横向将公接头12与3U立方星以“母-公”形式连接，然后以同样的方式进行另一边的“母-公”型对接，即可实现6U立方星的快速组装。

经过详细结构计算，单个“母-公-母”型连接单元可承受最大作用力为920N，最大形变为0.0263mm，满足立方星组装的强度和精度要求。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种立方星即插即用簧片式结构模块化组装结构，包括至少两个立方星，立方星包括立方星框架，每个立方星框架由十二条棱柱组成长方体框架结构，其特征在于：所述长方体框架结构的左端面和右端面的上棱柱和下棱柱上分别沿纵向开设有呈矩形分布的母接口，所述长方体框架结构的左端面和右端面的四个棱柱的中心处分别开设有垂直于左端面和右端面的母接口，所述长方体框架结构的前端面和后端面的两侧棱柱上分别开设有垂直于前端面和后端面且呈矩形分布的母接口，还包括用于组装相邻两个立方星且与母接口可拆卸连接的公接头。

2.根据权利要求1所述的立方星即插即用簧片式结构模块化组装结构，其特征在于：所述母接口由导向孔和配合孔两部分构成，导向孔与配合孔垂直分布；所述公接头包括配合杆、U型簧片及圆柱销，所述配合杆与导向孔相配合，U型簧片为两个分布在配合杆两端内，U型簧片底部与配合杆底部内表面固定连接，圆柱销固定在U型簧片上部，圆柱销顶端伸出配合杆上设置的通孔，所述圆柱销与通孔间隙配合；所述配合杆伸入导向孔后圆柱销与配合孔卡接。

3.根据权利要求1所述的立方星即插即用簧片式结构模块化组装结构，其特征在于：所述配合杆为空心方管。

4.一种立方星即插即用簧片式结构模块化组装方法，其特征在于，利用权利要求1-3任一所述的立方星即插即用簧片式结构模块化组装结构进行组装，具体步骤如下：

沿长度方向组装相邻两个立方星时，将其中一个立方星框架的右端面与另一个立方星框架的左端面对齐，然后将四个公接头的两端对应地插入相邻两个立方星框架的四个棱柱的中心处的母接口内，直至公接头的圆柱销达到配合孔的位置后伸出配合孔形成锁定；

沿宽度方向组装相邻两个立方星时，将其中一个立方星框架的前端面与另一个立方星框架的后端面对齐，然后将四个公接头的两端对应地插入相邻两个立方星框架的两侧棱柱上的母接口内，直至公接头的圆柱销达到配合孔的位置后伸出配合孔形成锁定；

沿高度方向组装相邻两个立方星时，将其中一个立方星框架的上端面与另一个立方星框架的下端面对齐，然后将四个公接头的两端对应地插入相邻两个立方星框架的上棱柱和下棱柱上的母接口内，直至公接头的圆柱销达到配合孔的位置后伸出配合孔形成锁定。