CN109103677A - 一种以插拔方式快速组装的立方星单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以插拔方式快速组装的立方星单元，其包括：若干立方星框架、立方星盖板和阳性接头，其中：立方星框架由12条长10cm的棱边搭建而成，每个面上都设置有阴性接口，立方星盖板安装于立方星框架的六个面上，阳性接头单独设置，两头的结构与立方星框架的阴性接口的结构相适应，可与阴性接口反复插拔，相邻的立方星框架通过阳性接头连接固定。本发明的有益之处在于：(1)阴性接口尺寸小，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；阳性接头结构简单、尺寸小、重量轻，具有标准化和模块化的特点，插拔操作容易，可快速将多个立方星连接到一起；(2)机械连接，无电磁干扰。

Description

一种以插拔方式快速组装的立方星单元

技术领域

本发明涉及一种立方星单元，具体涉及一种以插拔方式快速组装的立方星单元，属于微纳卫星技术领域。

背景技术

立方星是国际上广泛用于大学开展航天科学研究与教育的一种小卫星，具有成本低、功能密度大、研制周期短、入轨快的特点，可应用于空间成像、通信、大气研究、生物学研究、新技术试验平台等方面，通过组网形成星座，可实现对海洋、大气环境、船舶、航空飞行器等的监测。

在国际标准中，立方星以1U(10cm×10cm×10cm立方体)为基本单元。

目前，国际上的立方星主要以2U、3U为主，但由于这些立方星体积小，能够开展的科学研究和应用任务受到限制较多，而完成特定的功能需要定制更大单元的立方星，所以这些2U、3U的立方星影响了执行任务的效率，并且提高了研制的成本。

所以，将立方星扩展至更大单元构型，并向高度模块化、即插即用方向发展，将突破其尺寸和功率的限制，有效缩短其研制周期，大幅降低其生产成本，同时可实现任务功能的灵活组装扩展与快速响应。

在国外，德国宇航中心(DLR)开展了IBOSS计划(Intelligent Building Blocksfor On-Orbit Satellite Servicing andAssembly)，该计划设计了一种嵌入立方星中心的智能连接装置，该智能连接装置的关键部分由散热结构、电机、电气连接单元、数据连接单元各机械连接单元组成。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的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计划提出了立方星组合方案，设计多个立方星之间的机械连接接口，但存在以下不足：

(1)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；

(2)智能连接装置部件多，重量大，降低了卫星的有效载荷；

(3)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；

(4)智能连接装置相关的硬件及算法开发难度大，费用高，一定程度上不适用于目前国际上大多立方星的研制工作。

在国内，中国专利CN106986050A《一种多立方星组合结构及其变化方法》，其所公开的立方星，参照图1，每个连接面上都设置有两个电磁铁(第一电磁铁1、第二电磁铁2)、两个永磁铁(第一永磁铁3、第二永磁铁4)和一个电信连接接口(电信连接接口5)，其中，电信连接接口5设置在每个连接面的中心处，第一电磁铁1和第二电磁铁2沿所在连接面的一个对角线设置，第一永磁铁3和第二永磁铁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永磁铁和电磁铁协同工作，来完成立方星间的锁定与解锁。但是，在立方星壳体内部安置电磁铁和永磁铁，会产生空间磁场，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，影响立方星相关功能模块正常运行。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种无磁场干扰的、以插拔方式快速组装的立方星单元。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

以插拔方式快速组装的立方星单元，其特征在于，包括：若干立方星框架、立方星盖板和阳性接头，其中：

前述立方星框架由12条长10cm的棱边搭建而成，共有前、后、左、右、上、下六个面，位于前后两个面的棱边上、位于左右两个面的棱边上和位于上下两个面的棱边上分别设置有沿前后方向延伸的阴性接口、沿左右方向延伸的阴性接口和沿上下方向延伸的阴性接口，每个面上的阴性接口的数量≥2个；

前述立方星盖板安装于立方星框架的六个面上，表面设置有若干数据连接接口和电信连接接口；

前述阳性接头单独设置，两头的结构与立方星框架的阴性接口的结构相适应，可与阴性接口反复插拔，相邻的立方星框架通过阳性接头连接固定。

前述的以插拔方式快速组装的立方星单元，其特征在于，前述阳性接头由定位圆管和定位销构成，定位销设置在定位圆管的两端，与定位圆管的内壁同轴，定位销的前端带有倒刺结构，定位销伸出定位圆管的部分储存有弹性势能。

前述的以插拔方式快速组装的立方星单元，其特征在于，前述定位圆管采用钛合金材料制成。

前述的以插拔方式快速组装的立方星单元，其特征在于，前述定位销采用钛合金材料制成。

前述的以插拔方式快速组装的立方星单元，其特征在于，在前述立方星框架中，前述阴性接口由配作孔和矩形定位槽构成，矩形定位槽设置在配作孔的里端。

前述的以插拔方式快速组装的立方星单元，其特征在于，在前述立方星框架中，六个面每个面上的阴性接口的数量均为4个，其中，前后左右四个面每个面上的阴性接口成矩形分布，上下两个面每个面上的阴性接口分别位于4条棱边的中点处。

本发明的有益之处在于：

(1)在立方星框架的每个表面都设置阴性接口，相邻的立方星框架通过单独设置的阳性接头进行连接，公母异体，阴性接口尺寸小，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，阳性接头结构简单、尺寸小、重量轻，具有标准化和模块化的特点，可轻松插入阴性接口中，也可轻松从阴性接口中拔出，操作容易，这种插拔方式可快速将多个立方星连接到一起；

(2)相邻的立方星框架通过阳性接头和阴性接口进行连接，机械连接，无电磁干扰；

(3)阴性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上下两个方向的组装，扩展了立方星组装的多样性。

附图说明

图1是现有的立方星的结构示意图；

图2是本发明的立方星框架的透视图；

图3是本发明的阳性接头的结构示意图；

图4是本发明的立方星框架的连接示意图；

图5是12U立方星单元的组装结构示意图。

图中附图标记的含义：

1-第一电磁铁、2-第二电磁铁、3-第一永磁铁、4-第二永磁铁、5-电信连接接口；

10-立方星框架；

101-阴性接口；

111-配作孔、112-矩形定位槽；

20-立方星盖板；

30-阳性接头；

301-定位圆管、302-定位销；

321-倒刺结构。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

本发明提供的立方星单元，是通过插拔方式组装而成的，结构具体包括：立方星框架10、立方星盖板20和阳性接头30。

下面，我们分别详细介绍上述结构。

1、立方星框架

参照图2和图4，立方星框架10由12条长10cm的棱边搭建而成，共有前、后、左、右、上、下六个面，其中，位于前后两个面的棱边上设置有沿前后方向延伸的阴性接口11，位于左右两个面的棱边上设置有沿左右方向延伸的阴性接口101，位于上下两个面的棱边上设置有沿上下方向延伸的阴性接口101，每个面上的阴性接口101的数量均≥2个。

作为一种优选的方案，阴性接口101由配作孔111和矩形定位槽112构成。其中，矩形定位槽112设置在配作孔111的里端。

阴性接口101尺寸小，且只分布于立方星框架10的表面，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。

作为一种优选的方案，在该立方星框架10中，六个面每个面上的阴性接口101的数量均为4个，其中，前后左右四个面每个面上的阴性接口101成矩形分布，上下两个面每个面上的阴性接口101分别位于4条棱边的中点处。该布局方式可以实现沿立方星组合体横截面内任意方向的组装以及沿长度方向上下两个方向的组装，扩展了立方星组合的多样性。

2、立方星盖板

参照图5，立方星盖板20安装于立方星框架10的前、后、左、右、上、下六个面上，其表面设置有若干数据连接接口和电信连接接口，可实现相应的数据传输和电气传输功能。

3、阳性接头

参照图3和图4，阳性接头30单独设置，两头的结构与立方星框架10的阴性接口101的结构相适应，可与阴性接口101反复插拔。

作为一种优选的方案，阳性接头30由定位圆管301和定位销302构成。其中，定位销302设置在定位圆管301的两端，与定位圆管301的内壁同轴，提供支撑力。另外，定位销302的前端带有倒刺结构321，倒刺结构321到定位圆管301的两端有一定距离，定位销302伸出定位圆管301的部分储存有弹性势能，通过按压定位销302前端的倒刺结构321，即可将阳性接头30插入立方星框架10的阴性接口101中，具体的，定位圆管301与配作孔111进行定位，定位销302插入配作孔111中并利用倒刺结构321与矩形定位槽112完成锁定，进而实现立方星的锁定；再次按压定位销302前端的倒刺结构321，使倒刺结构321从矩形定位槽112中退出，向外拉阳性接头30，即可将阳性接头30从立方星框架10的阴性接口101中顺利拔出，即实现立方星的解锁。

阳性接头30结构简单、尺寸小、重量轻，具有标准化和模块化的特点，可轻松插入阴性接口101中，也可轻松从阴性接口101中拔出，操作容易，这种插拔方式可快速将多个立方星连接到一起。

定位圆管301优选采用钛合金材料制成，可避免定位销302的伸出部分与定位圆管301所在截面上应力过大导致定位销302的倒刺结构321发生塑性变形或断裂破坏。

定位销302优选采用钛合金材料制成，钛合金材料具有高抗拉强度、高弹性极限、高抗蚀性等优良性能，并且能够延长阳性接头的使用寿命。

参照图4，相邻的立方星框架10通过阳性接头30以“阴-阳-阴”的方式连接固定，具体的，以从立方星框架10的上下方向进行组装为例，将阳性接头30的定位销302插入阴性接口101的配作孔111中，并与矩形定位槽112完成锁定，即完成一次“阴-阳”对接过程，以同样的方式进行另一边的“阴-阳”对接，即可实现2U立方星的组装，整个连接属机械连接，无电磁干扰。

图5是12U立方星单元的组装结构示意图。12U立方星单元是由十二个立方星框架基于“阴-阳-阴”的连接方式组装构成的，其组装过程具体包含以下步骤：

Step1：取4个阳性接头30，沿横向将4个阳性接头30插入立方星框架10上对应的阴性接口101中，阴性接口101的内壁面与阳性接头30上的定位销302的前端接触后发生相互挤压，在外力持续作用下，定位销302的前端发生弹性形变，使阳性接头30嵌入阴性接口101的配作孔111中，直至定位销2前端的倒刺结构321到达矩形定位槽112并形成二次定位，由于定位销302储存的弹性势能，定位销302前端的倒刺结构321自动弹出，同时，定位圆管301与立方星框架10上的阴性接口101的配作孔111接触定位，即实现“阴-阳”连接结构的锁定，然后以同样的方式进行另一边的“阴-阳”对接，即可实现2U立方星的“阴-阳-阴”组装连接；

Step2：再取4个阳性接头30，重复Step1，沿横向以“阴-阳-阴”的形式完成另外两个2U立方星的组装连接；

Step3：参照Step1，再取8个阳性接头30，沿纵向将阳性接头30与2U立方星以“阴-阳”的形式连接，然后以同样的方式进行另一边的“阴-阳”连接，即可实现4U立方星的快速组装，重复上述步骤，即可完成6U立方星的快速组装；

Step4：重复Step1至Step3，以“阴-阳-阴”的形式完成另外一个6U立方星的组装连接；

Step5：参照Step1，再取24个阳性接头30，沿横向将阳性接头30与6U立方星以“阴-阳”形式连接，然后以同样的方式进行另一边的连接，即可实现12U立方星的快速组装。

以1U立方星为基本单元，通过插拔方式可快速的将多个1U立方星组装在一起，形成一个规模更大的立方星单元，这种模块化的组装方式，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。

经过详细的结构计算，单个阳性接头30其两端的定位销302可承受水平最大作用力为245N，可承受最大形变为0.272mm，已满足立方星组装的强度和精度要求。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.以插拔方式快速组装的立方星单元，其特征在于，包括：若干立方星框架(10)、立方星盖板(20)和阳性接头(30)，其中：

所述立方星框架(10)由12条长10cm的棱边搭建而成，共有前、后、左、右、上、下六个面，位于前后两个面的棱边上、位于左右两个面的棱边上和位于上下两个面的棱边上分别设置有沿前后方向延伸的阴性接口(101)、沿左右方向延伸的阴性接口(101)和沿上下方向延伸的阴性接口(101)，每个面上的阴性接口(101)的数量≥2个；

所述立方星盖板(20)安装于立方星框架(10)的六个面上，表面设置有若干数据连接接口和电信连接接口；

所述阳性接头(30)单独设置，两头的结构与立方星框架(10)的阴性接口(101)的结构相适应，可与阴性接口(101)反复插拔，相邻的立方星框架(10)通过阳性接头(30)连接固定。

2.根据权利要求1所述的以插拔方式快速组装的立方星单元，其特征在于，所述阳性接头(30)由定位圆管(301)和定位销(302)构成，定位销(302)设置在定位圆管(301)的两端，与定位圆管(301)的内壁同轴，定位销(302)的前端带有倒刺结构(321)，定位销(302)伸出定位圆管(301)的部分储存有弹性势能。

3.根据权利要求2所述的以插拔方式快速组装的立方星单元，其特征在于，所述定位圆管(301)采用钛合金材料制成。

4.根据权利要求2所述的以插拔方式快速组装的立方星单元，其特征在于，所述定位销(302)采用钛合金材料制成。

5.根据权利要求1所述的以插拔方式快速组装的立方星单元，其特征在于，在所述立方星框架(10)中，所述阴性接口(101)由配作孔(111)和矩形定位槽(112)构成，矩形定位槽(112)设置在配作孔(111)的里端。

6.根据权利要求1所述的以插拔方式快速组装的立方星单元，其特征在于，在所述立方星框架(10)中，六个面每个面上的阴性接口(101)的数量均为4个，其中，前后左右四个面每个面上的阴性接口(101)成矩形分布，上下两个面每个面上的阴性接口(101)分别位于4条棱边的中点处。