CN109229433B - 一种皮卫星星箭固定及分离装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种皮卫星星箭固定及分离装置，包括底板，卫星，连接卫星和底板的固定分离模块以及连接卫星和飞行器的停靠机构，所述固定分离模块包括至少两个固定连接单元和至少两个活动锁定单元，所述固定连接单元带有断开机构，所述固定连接单元和活动锁定单元沿周向间隔分布在所述卫星的四周；本发明的皮卫星星箭固定及分离装置，通过纯机械结构来固定和分离卫星，可以有效在火箭上固定及分离卫星并实现卫星的分离和返回停靠，结构简单，安装方便，工作稳定，研制成本低。
Description
技术领域
本发明涉及航空飞行器固定及分离技术，特别涉及一种皮卫星星箭固定及分离装置。
背景技术
随着微小卫星及航天技术的发展，迫切需要研制体积小、质量轻、低冲击甚至是无冲击的新型连接分离装置，以适应日益发展的微卫星(皮卫星、纳卫星)以及小型运载火箭的应用需求。星箭分离机构是可靠连接卫星与火箭，并在星箭入轨后实现星箭可靠分离的机构装置，在卫星项目中起着重要作用。目前，世界上各主要运载火箭大都采用包带锁紧装置作为星箭连接和分离机构。但随着卫星尺寸、重量越来越小，传统的包带锁紧装置已经不能满足皮纳卫星的发射分离要求。
早在20世纪90年代就有许多学者在研究皮卫星，但发现研制出来后找不到合适的星箭分离机构，大大延缓了其研制进程。为了缩短皮卫星研制周期，减少设计成本，斯坦福大学与加州理工学院联合制订了立方星标准，并设计研制了立方星星箭分离装置P-POD，随后又相继出现了SPL，RAFT等型号的皮卫星星箭分离装置；关于微小卫星在轨分离问题，国内学者也进行了相关研究。陈靖、张翔等对用于微小卫星星箭分离的包带式解锁分离装置主结构进行了设计优化，国内绝大部分已发射的微小卫星均采用该装置实现星箭分离，但该装置并不适用于公斤级卫星。王秋梅等对卫星二次分离过程进行了仿真分析；蒋超、王兆魁等对筒式偏心安装的子卫星在轨分离问题进行了动力学分析建模；沈晓凤、肖余之等针对筒式偏心分离问题，采用多体动力学理论对小卫星分离过程动力学问题进行了仿真研究。
上述分离装置虽然都可以用于固定和分离卫星，但是结构中没有转动机构，卫星分离后重新放置在分离机构上会发生结构干涉而导致卫星无法返回，另外这些结构复杂，研制和验证周期长，制造和安装困难，且工作稳定性也很难保证。
发明内容
本发明提供了一种皮卫星星箭固定及分离装置，结构简单，运行可靠，可以有效在火箭上固定及分离卫星并实现卫星的分离和返回停靠。
一种皮卫星星箭固定及分离装置，包括底板，卫星，连接卫星和底板的固定分离模块以及连接卫星和飞行器的停靠机构，所述固定分离模块包括至少两个固定连接单元和至少两个活动锁定单元，所述固定连接单元带有断开机构，所述固定连接单元和活动锁定单元沿周向间隔分布在所述卫星的四周。
本发明的固定分离模块设有至少两个固定连接单元和至少两个活动锁定单元，通过固定连接单元进行固定，然后配合活动锁定单元进行稳定连接，其中固定连接单元是指通过结构紧固连接，例如螺栓、焊接等方式，然后通过断开机构进行分离，而活动锁定单元则是通过插接等方式进行连接，当底板和卫星之间产生分离力时即可以完成脱离。
为了便于制造和安装，优选的，所述固定连接单元包括：
固定底座，安装在底板上，顶面为安装平台，所述卫星带有与所述安装平台连接的凸耳；
爆炸螺栓，将凸耳和安装平台相连；
爆炸螺栓螺母，安装在凸耳上方锁紧。
爆炸螺栓结构简单，安装方便，通过爆炸螺栓中的火工品进行断开，连接牢固，分离完全彻底。
为了在卫星分离时，爆炸的螺栓可以快速分离，优选的，所述固定连接单元还包括：
垫片，通过爆炸螺栓固定在安装平台的背面，且朝向安装平台背面的一侧开设有安装槽；
弹簧，压缩放置在安装槽和安装平台背面之间。
所述弹簧安装在垫片中，体积小，安装方便，有效分离螺栓的同时，不产生大的振动，对机体影响小。所述安装槽的设置可以将弹簧准确、方便地安装。
为了防止断开的螺栓脱落损伤机体，优选的，所述爆炸螺栓的两头都安装有爆炸螺栓保护罩。
为了使活动锁定单元可以快速有效地分离，优选的，所述活动锁定单元包括：
转动底座，安装在底板上；
转动插销，通过转轴转动安装在所述转动底座上，带有朝上且与所述卫星底部插销孔配合的锁舌；
拉簧，两端分别连接所述转动插销和底板，提供所述转动插销向外翻转的拉力。
通过锁舌与插销孔可以实现对卫星进行定位，配合固定连接单元对卫星进行稳定地连接。当固定连接单元通过断开机构完成分离后，卫星通过机械手臂脱离飞行器，然后锁舌与插销孔脱离配合，拉簧提供所述转动插销向外翻转的拉力使转动插销外翻，对卫星的分离不会产生干涉。
本发明中以卫星的中性线为最内侧，描述的内外为相对而言。
为了方便制造和安装，优选的，所述拉簧布置在所述转动底座的外侧。
为了使锁舌可以有效地分离，优选的，所述锁舌上表面为内高外低倾斜的弧形表面。外翻的动作配合内高外低倾斜的弧形表面可以有效脱出插销孔。
为了在卫星分离时进一步有效分离锁舌和插销孔，优选的，所述弧形表面的中心为所述转轴的中心。
本发明的工作过程如下：
卫星分离时，爆炸螺栓爆炸切断螺栓，卫星通过停靠机构与飞行器相连，然后停靠机构与飞行器脱离，卫星通过机械手臂脱离飞行器，此时转动底座在拉簧的作用下发生转动，爆炸螺栓再弹簧的作用下向下运动，最后卫星通过机械手臂放回飞行器上并通过停靠机构固定。
卫星的停靠机构分为主动端和被动端，主动端与飞行器相连，被动端与卫星下地面相连。卫星安装在飞行器上时，停靠机构被动端与主动端相连，但不提供卫星入轨过程中的力学保证，卫星是通过爆炸螺栓固定在分离机构上。当卫星分离时，爆炸螺栓切断，此时的卫星通过停靠机构固定在飞行器上，安装在飞行器上的机械臂抓住卫星，停靠机构主动端和被动端解锁，机械臂再将卫星抓离飞行器，卫星分离。卫星停靠时，机械臂抓住卫星，将卫星放回飞行器，此时停靠机构主动端抓住被动端，卫星停靠。
本发明的有益效果：
本发明的皮卫星星箭固定及分离装置，通过纯机械结构来固定和分离卫星，可以有效在火箭上固定及分离卫星并实现卫星的分离和返回停靠，结构简单，安装方便，工作稳定，研制成本低。
附图说明
图1为本发明的皮卫星星箭固定及分离装置在锁紧状态的结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为本发明的皮卫星星箭固定及分离装置在锁紧状态的立体结构示意图。
图4为本发明的皮卫星星箭固定及分离装置在分离状态的结构示意图。
图5为本发明的皮卫星星箭固定及分离装置在分离状态的立体结构示意图。
图6为本发明的固定连接单元的结构示意图。
图7为本发明的固定连接单元另一个角度的结构示意图。
图8为图7中A部分的放大图。
图9为本发明的固定连接单元的结构示意图。
图10为本发明的固定连接单元另一个角度的结构示意图。
图11为图10中B部分的放大图。
图12为本发明的卫星分以后的固定连接单元的结构示意图。
具体实施方式
图1～6所示，本实施例的皮卫星星箭固定及分离装置，包括底板1，卫星2，连接卫星2和底板1的固定分离模块以及连接卫星和飞行器的停靠机构3，固定分离模块包括两个固定连接单元4和两个活动锁定单元5，固定连接单元4带有断开机构，固定连接单元4和活动锁定单元5沿周向间隔分布在卫星2的四周，即分布在卫星2的四个角。
固定连接单元4中，固定底座401安装在底板1上，固定底座401顶面为安装平台402，卫星2带有与安装平台402连接的凸耳201，爆炸螺栓403将凸耳201和安装平台402相连；爆炸螺栓螺母404安装在凸耳201上方锁紧，垫片405通过爆炸螺栓403固定在安装平台402的背面，垫片405朝向安装平台402背面的一侧开设有安装槽406；弹簧407压缩放置在安装槽406和安装平台402背面之间。爆炸螺栓403的两头都安装有爆炸螺栓保护罩408。
活动锁定单元5中，转动底座501安装在底板1上，转动插销502通过转轴503以及轴承504转动安装在转动底座501上，转动插销502带有朝上且与卫星2底部插销孔202配合的锁舌505；拉簧506连接转动插销502和底板1，提供转动插销502向外翻转的拉力，拉簧506布置在转动底座501的外侧。拉簧506通过拉簧固定座固定。
锁舌505上表面为内高外低倾斜的弧形表面，外翻的动作配合内高外低倾斜的弧形表面可以有效脱出插销孔202，弧形表面的中心为转轴的中心。
本实施例装置安装时，先将轴承504与转轴503相连，然后将轴承504固定到转动底座501上，将固定底座401、转动底座501和拉簧固定座固定在底板1上，然后将拉簧506的一端固定在拉簧固定座上，将卫星2放置在固定底座401上，然后将垫片405和弹簧407穿过爆炸螺栓403，卫星2的凸耳201上的两个孔穿过爆炸螺栓403，用爆炸螺母404拧在爆炸螺栓403上直到将卫星压紧，并盖上爆炸螺栓保护罩408。
本实施例使用过程如下，卫星2分离时，爆炸螺栓403爆炸切断螺栓，卫星2通过停靠机构3与飞行器相连，然后停靠机构3与飞行器脱离，卫星通过机械手臂脱离飞行器，此时转动插销502脱出插销孔202，并在拉簧506的作用下发生转动，爆炸螺栓403再弹簧407的作用下向下运动，最后卫星2通过机械手臂放回飞行器上并通过停靠机构固定。
综上所述，本实施例的皮卫星星箭固定及分离装置，通过纯机械结构来固定和分离卫星，可以有效在火箭上固定及分离卫星并实现卫星的分离和返回停靠，结构简单，安装方便，工作稳定，研制成本低。
Claims (7)
1.一种皮卫星星箭固定及分离装置，包括底板，卫星，连接卫星和底板的固定分离模块以及连接卫星和飞行器的停靠机构，其特征在于，所述固定分离模块包括至少两个固定连接单元和至少两个活动锁定单元，所述固定连接单元带有断开机构，所述固定连接单元和活动锁定单元沿周向间隔分布在所述卫星的四周；
所述活动锁定单元包括：
转动底座，安装在底板上；
转动插销，通过转轴转动安装在所述转动底座上，带有朝上且与所述卫星底部插销孔配合的锁舌；
拉簧，两端分别连接所述转动插销和底板，提供所述转动插销向外翻转的拉力。
2.如权利要求1所述的皮卫星星箭固定及分离装置，其特征在于，所述固定连接单元包括：
固定底座，安装在底板上，顶面为安装平台，所述卫星带有与所述安装平台连接的凸耳；
爆炸螺栓，将凸耳和安装平台相连；
爆炸螺栓螺母，安装在凸耳上方锁紧。
3.如权利要求2所述的皮卫星星箭固定及分离装置，其特征在于，所述固定连接单元还包括：
垫片，通过爆炸螺栓固定在安装平台的背面，且朝向安装平台背面的一侧开设有安装槽；
弹簧，压缩放置在安装槽和安装平台背面之间。
4.如权利要求2所述的皮卫星星箭固定及分离装置，其特征在于，所述爆炸螺栓的两头都安装有爆炸螺栓保护罩。
5.如权利要求1所述的皮卫星星箭固定及分离装置，其特征在于，所述拉簧布置在所述转动底座的外侧。
6.如权利要求1所述的皮卫星星箭固定及分离装置，其特征在于，所述锁舌上表面为内高外低倾斜的弧形表面。
7.如权利要求6所述的皮卫星星箭固定及分离装置，其特征在于，所述弧形表面的中心为所述转轴的中心。
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