CN110104226A - 一种卫星对接、停泊与补给系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种卫星对接、停泊与补给系统，包括系统主动端和系统被动端，系统主动端包括对接模块主动端、气液补加模块主动端、电接口模块主动端及测量模块，系统被动端包括对接模块被动端、气液补加模块被动端和电接口模块被动端，对接模块主动端包括导向槽，对接模块被动端安装在目标星对接面上，对接模块主动端安装在服务星对接面上，对接模块被动端上设置有把手。本发明对接机构主动端采取轻量化分布式对接机构，便于灵活布局，被动端为无源轻量化设计，可推广应用于各种规格卫星，不占用整星资源。
Description
技术领域
本发明涉及一种卫星对接、停泊与补给系统，属于空间控制执行机构领域。
背景技术
在轨服务与维护系统通过前期论证，按照“立足高轨，兼顾中低轨”的思路，规划形成了包括高轨服务补给站、通用服务飞行器、快速服务飞行器等在内的飞行器系统总体构想，标准化对接与停泊接口技术是在轨服务与维护系统的核心关键技术。标准化对接与停泊接口技术是飞行器停泊托管、在轨补加的基础。通过开展关键技术攻关，提出标准化机、电、气、液接口，为实现停泊托管及在轨补加提供可行的技术途径。
高轨服务补给站为主动飞行器，其它在轨服务与维护飞行器(通用服务飞行器、快速服务飞行器等)为被动飞行器。主动飞行器通过标准化对接与停泊接口与被动飞行器对接，并接受被动飞行器长期停泊停靠，对被动飞行器进行长期托管，对被动飞行器进行在轨加注。标准化对接与停泊接口由主动端和被动端两部分组成，其中主动端安装在高轨服务补给站上，被动端安装在其它在轨服务与维护飞行器上。主动端具备控制器，可控制主动端对被动端的捕获锁紧和释放分离，从而实现飞行器在轨停泊和撤离功能，并可控制主动端对被动端的供电、信息交互及推进剂补加功能。标准化对接与停泊接口的具体任务包括对接与分离、停泊托管和推进剂补加。根据任务需求，标准化对接与停泊接口需要具备如下功能：(1)为在轨服务与维护飞行器提供机械安装接口的功能；(2)为在轨服务与维护飞行器提供并网供电和信息交互接口的功能；(3)推进剂补加功能；(4)具备对接多种尺寸规格被动端的能力；(5)可维修更换功能。
现有货运飞船与空间站舱间对接机构面向有人系统，结构重量大，且没有集成化的机电液一体化接口，并不适用于卫星间的对接加注及充电维护。
发明内容
本发明的技术解决问题：为了克服现有技术的不足，提供了一种卫星对接、停泊与补给系统，同时实现卫星间对接停泊和能源补给的一套轻量化机构。
本发明的技术解决方案是：
一种卫星对接、停泊与补给系统，包括系统主动端和系统被动端，系统主动端包括对接模块主动端、气液补加模块主动端、电接口模块主动端及测量模块，系统被动端包括对接模块被动端、气液补加模块被动端和电接口模块被动端，对接模块主动端包括导向槽，
对接模块被动端安装在目标星对接面上，对接模块主动端安装在服务星对接面上，对接模块被动端上设置有把手；
系统主动端位于服务飞行器一侧，系统被动端位于目标飞行器一侧，两个飞行器接近过程中，通过测量模块实时采集两个飞行器位姿信息，并传递给服务飞行器，服务飞行器利用该信息机动至目标飞行器在0.3-0.5m处悬停，服务飞行器调整自身的姿态，使对接模块的手抓和把手对应；
服务飞行器沿对接面方向继续移动，使对接机构的把手进入导向槽范围内，对接机构工作，将把手压入导向槽底部，实现服务和目标飞行器的固连和定位；对接完成后对接面相对位置精度不大于4mm，相对角度不大于1.5°；
气液补加模块包括气液对接阀体、第一驱动单元、第一导向锥杆和第一误差补偿机构，气液对接阀体通过第一误差补偿机构安装在第一驱动单元上，第一导向锥杆安装在第一驱动单元中心的驱动杆上；
电接口模块包括电连接器、第二驱动单元、第二导向锥杆和第二误差补偿机构，电连接器主动端通过第二误差补偿机构安装在第二驱动单元上，第二导向锥杆安装在第二驱动单元中心的驱动杆上。
对接模块主动端还括阻尼器、微动开关、定位座、电机、导轨和卡爪，导向槽呈非对称V型结构，导向槽一端与单一卡爪一端铰接，导向槽另一端与阻尼器连接，导向槽底端与导轨连接，导向槽底端沿导轨运动时，可触及微动开关并启动电机，带动卡爪与导向槽。
被动飞行器的导向锥杆平移伸出至气液补加模块被动端的锥孔里，导向锥杆旋转开启主、被动端的污染物防护盖板，气液补加模块主动端的第一驱动单元平移伸出，带动主动端气液对接阀体与被动端气液对接阀体对接，此时双星间的位置及角度误差由第一误差补偿机构调整，位置调整至0.1mm以内，角度调整至0.1°以内，实现主、被动端对接阀体密封通道的建立。
被动飞行器的导向锥杆平移伸出至电接口模块被动端的锥孔里，第二导向锥杆旋转开启主、被动端的污染物防护盖板，电接口模块主动端的第二驱动单元平移伸出，带动电接口主动端与被动端对接，此时双星间的位置及角度误差由第二误差补偿机构调整，位置调整至0.1mm以内，角度调整至0.1°以内，实现主、被动端电接口连接建立。
完成机电液接口连接后，被动飞行器对主动飞行器实施接管控制，被动飞行器通过电接口发送指令至主动飞行器，控制主动飞行器推进系统的阀门通断，将推进剂传送至主动飞行器。
对接机构沿着120°分布，电接口和气液接口在中间，为发动机留出空间。
对接模块主动端沿圆周均匀分布，气液补加模块主动端、电接口模块主动端和测量模块主动端分别布置在对接模块主动端之间。
对接模块主动端、气液补加模块主动端、电接口模块主动端通过支架与对接面连接，对接模块主被动端对接锁紧后，气液补加模块和电接口模块主、被动端间的距离小于3cm。
对接模块、气液补加模块、电接口模块被动端与对接模块主动端的安装高度与相位一一对应。
对接模块、气液补加模块、电接口模块被动端均为无源结构，对接过程中所有动作均通过主动端实现。
对接模块主动端的阻尼器在两个飞行器对接过程中，阻尼器吸能效率不低于50％。
对接模块主动端卡爪的驱动采取四连杆机构，锁紧后四连杆机构的曲柄与摇杆位于同一直线上，作用在摇杆上的压紧力通过连杆传递到定位座(3-4)上，确保锁紧不会脱开。
对接模块主、被动端锁紧后，整体通过三处定位，三个方向位置偏差不大于2mm，各方向角度偏差不大于1°。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明对接机构主动端采取轻量化分布式对接机构，便于灵活布局，被动端为无源轻量化设计，可推广应用于各种规格卫星，不占用整星资源，通过V型导向槽实现较大相对位姿误差条件下的双星对接固连，适用于卫星间的快速对接锁紧；
(2)本发明气液补加模块和电接口模块根据空间任务特点，设计有污染物防护盖板和误差补偿机构，可实现空间环境下的气液密封接口和电接口的自主可靠对接，同时采取模块化设计，采取相同的对接原理和驱动单元设计，可根据任务特点灵活配置；
(3)本发明系统主被动端对接后，服务飞行器可对目标飞行器的推进系统、能源系统和控制系统进行接管控制，提供推进剂在轨补加、能源补充和信息系统维护与升级服务，适用于未来卫星间维修维护、燃料补给等任务，是未来在轨服务体系中的关键部件，可作为空间飞行器间的标准化停泊与对接装置，具有较高的市场竞争力。
附图说明
图1为本发明主动端布局图；
图2为本发明被动端布局图；
图3为本发明对接后状态图；
图4为本发明对接模块主动端结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细地描述：
一种卫星对接、停泊与补给系统，包括系统主动端和系统被动端，如图1、图2所示，系统主动端包括对接模块主动端3、气液补加模块主动端2、电接口模块主动端1及测量模块，系统被动端包括对接模块被动端5、气液补加模块被动端6和电接口模块被动端7，对接模块主动端3包括导向槽3-1，
如图3所示，对接模块被动端5安装在目标星对接面8上，对接模块主动端3安装在服务星对接面9上，对接模块被动端5上设置有把手；
系统主动端位于服务飞行器一侧，系统被动端位于目标飞行器一侧，两个飞行器接近过程中，通过测量模块实时采集两个飞行器位姿信息，并传递给服务飞行器，服务飞行器利用该信息机动至目标飞行器在0.3-0.5m处悬停，服务飞行器调整自身的姿态，使对接模块的手抓和把手对应，通过测量模块，实现了两个飞行器的初始对接精度。
服务飞行器沿对接面方向继续移动，使对接机构的把手进入导向槽范围内，对接机构工作，将把手压入导向槽底部，实现服务和目标飞行器的固连和定位；对接完成后对接面相对位置精度不大于4mm，相对角度不大于1.5°，通过对接机构，实现了两个飞行器的固连与定位。
气液补加模块包括气液对接阀体、第一驱动单元、第一导向锥杆和第一误差补偿机构，气液对接阀体通过第一误差补偿机构安装在第一驱动单元上，第一导向锥杆安装在第一驱动单元中心的驱动杆上，通过气液补加模块、电接口模块，实现了两个飞行器电连接器或对接阀体的精细连接。
电接口模块包括电连接器、第二驱动单元、第二导向锥杆和第二误差补偿机构，电连接器主动端通过第二误差补偿机构安装在第二驱动单元上，第二导向锥杆安装在第二驱动单元中心的驱动杆上。
如图4所示，对接模块主动端3还括阻尼器3-2、微动开关3-3、定位座3-4、电机3-5、导轨3-7和卡爪3-8，导向槽3-1呈非对称V型结构，导向槽3-1一端与单一卡爪3-8一端铰接，导向槽3-1另一端与阻尼器3-2连接，导向槽3-1底端与导轨3-7连接，导向槽3-1底端沿导轨3-7运动时，可触及微动开关3-3并启动电机3-5，带动卡爪3-8与导向槽。
被动飞行器的导向锥杆平移伸出至气液补加模块被动端的锥孔里，导向锥杆旋转开启主、被动端的污染物防护盖板，气液补加模块主动端的第一驱动单元平移伸出，带动主动端气液对接阀体与被动端气液对接阀体对接，此时双星间的位置及角度误差由第一误差补偿机构调整，位置调整至0.1mm以内，角度调整至0.1°以内，实现主、被动端对接阀体密封通道的建立。
被动飞行器的导向锥杆平移伸出至电接口模块被动端的锥孔里，第二导向锥杆旋转开启主、被动端的污染物防护盖板，电接口模块主动端的第二驱动单元平移伸出，带动电接口主动端与被动端对接，此时双星间的位置及角度误差由第二误差补偿机构调整，位置调整至0.1mm以内，角度调整至0.1°以内，实现主、被动端电接口连接建立。
完成机电液接口连接后，被动飞行器对主动飞行器实施接管控制，被动飞行器通过电接口发送指令至主动飞行器，控制主动飞行器推进系统的阀门通断，将推进剂传送至主动飞行器。
本发明对接机构沿着120°分布，电接口和气液接口在中间，为发动机留出空间，对接模块主动端沿不大于1200mm圆周均匀分布，气液补加模块主动端、电接口模块主动端和测量模块主动端分别布置在对接模块主动端之间，对接模块主动端、气液补加模块主动端、电接口模块主动端通过支架与对接面连接，对接模块主被动端对接锁紧后，气液补加模块和电接口模块主、被动端间的距离小于3cm，支架高度进行针对性设计，保证对接模块主动端、气液补加模块主动端、电接口模块主动端沿对接面轴向的相对安装位置能够满足气液补加模块、电接口模块对接的要求。
对接模块、气液补加模块、电接口模块被动端与对接模块主动端的安装高度与相位一一对应，对接机构被动端三个把手沿1200mm圆周均匀分布，补加接口被动端布置在两个抱抓机构之间，对接机构被动端和补加接口被动端通过设备支架与设备安装面连接，保证对接机构被动端和补加接口被动端沿端面轴向的相对安装位置能够满足后续补加接口对接的要求，对接模块、气液补加模块、电接口模块被动端均为无源结构，对接过程中所有动作均通过主动端实现。
对接模块主动端的阻尼器3-2在两个飞行器对接过程中，阻尼器3-2吸能效率不低于50％，对接模块主动端3卡爪的驱动采取四连杆机构，锁紧后四连杆机构的曲柄与摇杆位于同一直线上，作用在摇杆上的压紧力通过连杆传递到定位座3-4上，确保锁紧不会脱开，对接模块主、被动端锁紧后，整体通过三处定位，三个方向位置偏差不大于2mm，各方向角度偏差不大于1°。
本发明系统主被动端对接后，服务飞行器可对目标飞行器的推进系统、能源系统和控制系统进行接管控制，提供推进剂在轨补加、能源补充和信息系统维护与升级服务，适用于未来卫星间维修维护、燃料补给等任务，是未来在轨服务体系中的关键部件，可作为空间飞行器间的标准化停泊与对接装置，具有较高的市场竞争力。
本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。
Claims (13)
1.一种卫星对接、停泊与补给系统，其特征在于：包括系统主动端和系统被动端，系统主动端包括对接模块主动端(3)、气液补加模块主动端(2)、电接口模块主动端(1)及测量模块，系统被动端包括对接模块被动端(5)、气液补加模块被动端(6)和电接口模块被动端(7)，对接模块主动端(3)包括导向槽(3-1)，
对接模块被动端(5)安装在目标星对接面(8)上，对接模块主动端(3)安装在服务星对接面(9)上，对接模块被动端(5)上设置有把手；
系统主动端位于服务飞行器一侧，系统被动端位于目标飞行器一侧，两个飞行器接近过程中，通过测量模块实时采集两个飞行器位姿信息，并传递给服务飞行器，服务飞行器利用该信息机动至目标飞行器在0.3-0.5m处悬停，服务飞行器调整自身的姿态，使对接模块的手抓和把手对应；
服务飞行器沿对接面方向继续移动，使对接机构的把手进入导向槽范围内，对接机构工作，将把手压入导向槽底部，实现服务和目标飞行器的固连和定位；对接完成后对接面相对位置精度不大于4mm，相对角度不大于1.5°；
气液补加模块包括气液对接阀体、第一驱动单元、第一导向锥杆和第一误差补偿机构，气液对接阀体通过第一误差补偿机构安装在第一驱动单元上，第一导向锥杆安装在第一驱动单元中心的驱动杆上；
电接口模块包括电连接器、第二驱动单元、第二导向锥杆和第二误差补偿机构，电连接器主动端通过第二误差补偿机构安装在第二驱动单元上，第二导向锥杆安装在第二驱动单元中心的驱动杆上。
2.如权利要求1所述的一种卫星对接、停泊与补给系统，其特征在于：对接模块主动端(3)还括阻尼器(3-2)、微动开关(3-3)、定位座(3-4)、电机(3-5)、导轨(3-7)和卡爪(3-8)，导向槽(3-1)呈非对称V型结构，导向槽(3-1)一端与单一卡爪(3-8)一端铰接，导向槽(3-1)另一端与阻尼器(3-2)连接，导向槽(3-1)底端与导轨(3-7)连接，导向槽(3-1)底端沿导轨(3-7)运动时，可触及微动开关(3-3)并启动电机(3-5)，带动卡爪(3-8)与导向槽。
3.如权利要求1述的一种卫星对接、停泊与补给系统，其特征在于：被动飞行器的导向锥杆平移伸出至气液补加模块被动端的锥孔里，导向锥杆旋转开启主、被动端的污染物防护盖板，气液补加模块主动端的第一驱动单元平移伸出，带动主动端气液对接阀体与被动端气液对接阀体对接，此时双星间的位置及角度误差由第一误差补偿机构调整，位置调整至0.1mm以内，角度调整至0.1°以内，实现主、被动端对接阀体密封通道的建立。
4.如权利要求1述的一种卫星对接、停泊与补给系统，其特征在于：被动飞行器的导向锥杆平移伸出至电接口模块被动端的锥孔里，第二导向锥杆旋转开启主、被动端的污染物防护盖板，电接口模块主动端的第二驱动单元平移伸出，带动电接口主动端与被动端对接，此时双星间的位置及角度误差由第二误差补偿机构调整，位置调整至0.1mm以内，角度调整至0.1°以内，实现主、被动端电接口连接建立。
5.如权利要求3所述的一种卫星对接、停泊与补给系统，其特征在于：完成机电液接口连接后，被动飞行器对主动飞行器实施接管控制，被动飞行器通过电接口发送指令至主动飞行器，控制主动飞行器推进系统的阀门通断，将推进剂传送至主动飞行器。
6.根据权利要求1所述的一种卫星对接、停泊与补给系统，其特征在于：对接机构沿着120°分布，电接口和气液接口在中间，为发动机留出空间。
7.根据权利要求1所述的一种卫星对接、停泊与补给系统，其特征在于：对接模块主动端沿圆周均匀分布，气液补加模块主动端、电接口模块主动端和测量模块主动端分别布置在对接模块主动端之间。
8.根据权利要求1所述的一种卫星对接、停泊与补给系统，其特征在于：对接模块主动端、气液补加模块主动端、电接口模块主动端通过支架与对接面连接，对接模块主被动端对接锁紧后，气液补加模块和电接口模块主、被动端间的距离小于3cm。
9.根据权利要求1所述的一种卫星对接、停泊与补给系统，其特征在于：对接模块、气液补加模块、电接口模块被动端与对接模块主动端的安装高度与相位一一对应。
10.根据权利要求1所述的一种卫星对接、停泊与补给系统，其特征在于：对接模块、气液补加模块、电接口模块被动端均为无源结构，对接过程中所有动作均通过主动端实现。
11.根据权利要求2所述的一种卫星对接、停泊与补给系统，其特征在于：对接模块主动端的阻尼器(3-2)在两个飞行器对接过程中，阻尼器(3-2)吸能效率不低于50％。
12.根据权利要求2所述的一种卫星对接、停泊与补给系统，其特征在于：对接模块主动端(3)卡爪的驱动采取四连杆机构，锁紧后四连杆机构的曲柄与摇杆位于同一直线上，作用在摇杆上的压紧力通过连杆传递到定位座(3-4)上，确保锁紧不会脱开。
13.根据权利要求1所述的一种卫星对接、停泊与补给系统，其特征在于：对接模块主、被动端锁紧后，整体通过三处定位，三个方向位置偏差不大于2mm，各方向角度偏差不大于1°。
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