CN110416775B - 一种机电对接接口及基于该接口的在轨可重构飞行器单元 - Google Patents

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Abstract

一种机电对接接口及基于该接口的在轨可重构飞行器单元，包括：自锁定及解锁装置、接口基座、机电连接件固定件和机电连接件；机电连接件固定件安装在接口基座中，机电连接件安装在机电连接件固定件上，自锁定及解锁装置安装在接口基座上，用于两个机电对接接口进行对接时的锁定以及解锁。该接口可实现飞行器的在轨重构，在飞行器单元组装时能同步完成机械与电气互连。

Description

一种机电对接接口及基于该接口的在轨可重构飞行器单元
技术领域
本发明涉及一种机电对接接口及基于该接口的在轨可重构飞行器单元，属于特种机电互连技术领域。
背景技术
受运载条件和发射能力的限制，为解决大尺度飞行器发射和入轨的难题，可将大尺度飞行器按功能分为多个飞行器单元，把飞行器单元发射后在空间完成飞行器的组装和重构，其中飞行器单元及其接口是实现各飞行器组装和重构的关键。
现有飞行器单元的对接接口结构复杂，仅具备沿飞行器单元对接面垂直方向一维组装的能力，难以在轨完成复杂形状大尺度飞行器的组装。现有飞行器单元为了完成在轨组装，要求两飞行器单元在发射时安装不同的对接接口，一个单元装公口，另一个单元装母口。发射时对对接接口的要求降低了飞行器单元在轨重构时的灵活性，不能在轨完成任意两个飞行器单元的组装。
现有飞行器单元在空间完成组装后，对接接口解锁不便，难以实现飞行器单元的更换，无法实现大尺度飞行器的在轨重构。现有飞行器单元在轨组装时，其对接接口仅能完成飞行器单元之间的机械连接，无法同步完成飞行器单元之间的电气互连。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种机电对接接口及基于该接口的在轨可重构飞行器单元，飞行器单元的对接接口为异体同构式结构，对接接口能够方便地解锁，可实现飞行器单元在多个方向上的组装和重构，完成机械与电气互连的同步。
本发明的技术解决方案是：
一种机电对接接口，包括：接口基座、机电连接件固定件和机电连接件、自锁定及解锁装置；
机电连接件固定件安装在接口基座中，机电连接件安装在机电连接件固定件上，自锁定及解锁装置安装在接口基座上，用于两个机电对接接口进行对接时的锁定以及解锁。
所述接口基座为中心对称结构，包括导引瓣、导引槽、固定件限位筋板以及安装支架；
接口基座的中心设置有机电连接件固定件的安装孔，该安装孔四周分布有相同数量的导引槽和导引瓣，固定件限位筋板设置在安装孔内，用于机电连接件固定件的安装及限位，安装支架设置在导引槽外侧，用于安装自锁定及解锁装置。
导引瓣与导引槽均为拔模式结构，导引瓣与导引槽的交界为接口基座的对接面，该对接面为平面，导引瓣的拔模凸起部分位于对接面的上方，导引槽的拔模凹陷部分位于对接面的下方。
导引瓣的拔模凸起部分与导引槽的拔模凹陷部分相互匹配。
导引瓣的拔模凸起部分上设置有沿径向的开槽，导引槽的拔模凹陷部分设置有径向开孔，用于配合自锁定及解锁装置。
所述自锁定及解锁装置包括外壳、电磁装置、锁紧弹簧和顶杆；
锁紧弹簧和电磁装置均安装在外壳内，外壳固定安装在安装支架上，顶杆从外壳端部伸出；
自锁定及解锁装置处于自锁定状态时，在锁紧弹簧提供的弹簧力作用下，穿过所述拔模凹陷部分设置的径向开孔，伸出到拔模凹陷部分中，伸出部分与所述开槽匹配；
自锁定及解锁装置处于解锁状态时，电磁装置提供克服锁紧弹簧弹簧力的电磁力，令顶杆回缩至径向开孔中。
所述顶杆的端部具有斜面，顶杆端部的各棱边进行倒角。
机电连接件固定件上具有开槽，与所述固定件限位筋板匹配，用于限制机电连接件固定件的转动，机电连接件固定件上具有多组连接件安装位，多组连接件安装位之间呈中心对称分布，机电连接件固定件具有端面，机电连接件固定件安装在接口基座中时，端面与接口基座的对接面平齐或低于对接面。
机电连接件包括连接件公头和连接件母头，均安装在机电连接件固定件上的多组连接件安装位中，在相邻的各组连接件安装位中，连接件公头与连接件母头呈互补式安装，使得两个机电对接接口对接组装时，一个机电对接接口上的连接件公头与另一个机电对接接口上的连接件母头匹配接触，实现两个机电对接接口的电气互连。
所述连接件公头为弹簧针结构，包括触头、反力弹簧和外壳，反力弹簧装在外壳中，当触头受压时，反力弹簧提供反向弹性力，所述连接件母头具有接触面，连接件公头的触头与连接件母头的接触面接触后，反力弹簧提供保持力，确保触头与接触面的接触。
飞行器单元主体和机电对接接口，机电对接接口安装在飞行器单元主体上，两个在轨可重构飞行器单元对接时，对接面上的两个机电对接接口为异体同构式结构。
飞行器单元主体为正多面体结构。
所述飞行器单元主体的每个面上均设置有机电对接接口。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)飞行器单元的对接接口为异体同构式机电对接接口，任意两个飞行器单元均可完成组装，并能同步完成机械与电气互连。
(2)机电对接接口具有接口解锁装置，方便完成多个飞行器单元的重构。
(3)飞行器单元可实现多个方向上的组装和重构。
附图说明
图1是本发明的外形图；
图2是框架图；
图3是飞行器单元主体图；
图4是机电对接接口图；
图5是接口基座正面图；
图6是接口基座反面图；
图7是机电连接件固定件图；
图8是机电连接件装配图；
图9是连接件公头剖切图；
图10是连接件母头图；
图11是自锁定及解锁装置图；
图12是自锁定及解锁装置剖切图；
图13是自锁定及解锁装置分解图；
图14是自锁定及解锁装置的外壳图；
图15是自锁定及解锁装置的磁极图；
图16和图17是自锁定及解锁装置的衔铁图；
图18是自锁定及解锁装置的极靴图；
图19是自锁定及解锁装置的轭铁图；
图20是自锁定及解锁装置的顶杆图；
图21、图22和图23是本发明飞行器单元在轨组装模式1；
图24、图25和图26是本发明飞行器单元在轨组装模式2。
具体实施方式
如图4所示，本发明提出的机电对接接口2包括接口基座11、机电连接件固定件12、机电连接件13、自锁定及解锁装置14。机电连接件固定件12安装在接口基座11中，机电连接件13安装在机电连接件固定件12中，自锁定及解锁装置14安装在接口基座11上。
如图5和图6所示，接口基座11为中心对称结构，包括导引瓣21、导引槽22、固定件安装位23、固定件限位筋板24、安装孔25、安装支架26、自锁定及解锁装置安装孔27。其中导引瓣21与导引槽22为拔模式结构，导引瓣21与导引槽22的交界为接口基座11的对接面28，该对接面28为平面，导引瓣21的拔模凸起部分位于对接面28的上方，导引槽22的拔模凹陷部分位于对接面28的下方。导引瓣21与导引槽22为互补式(即导引瓣21的拔模凸出部分正好可放入导引槽22的拔模凹陷部分中)，用来实现飞行器单元组装时的导向。导引瓣21上具有开槽29，导引槽22上具有开孔30。接口基座11上具有安装面31，安装面31上具有安装孔32，安装面31低于接口基座11的对接面28。通过安装孔32和安装板4上的接口安装孔6，将接口基座11装在安装板4上。
在接口基座11背面，导引瓣21和导引槽22对应的位置均有减重槽33，减重槽33为拔模式结构，拔模的角度与方向与接口基座11上导引瓣21及导引槽22的拔模角度与方向相同。
如图4、图5和图7所示，机电连接件固定件12安装在接口基座11的安装孔25中。机电连接件固定件12上具有开槽41，接口基座11的固定件限位筋板24设置在安装孔25内，卡入机电连接件固定件12的开槽41中，用于机电连接件固定件12的安装及限位。机电连接件固定件12上具有多组连接件安装位42，多组连接件安装位42之间呈中心对称分布。机电连接件固定件12具有端面43，机电连接件固定件12安装在接口基座11中时，端面43与接口基座11的对接面28平齐或低于对接面28。
如图8所示，机电连接件13分为连接件公头51和连接件母头52，连接件公头51和连接件母头52安装在机电连接件固定件12上的多组连接件安装位42中。在相邻的各组连接件安装位42中，连接件公头51与连接件母头52呈互补式安装。该安装方式保证了不同飞行器单元上机电对接接口2为异体同构结构，可确保本发明的两个可重构飞行器单元组装时，一可重构飞行器单元安装板4上的连接件公头51刚好与另一可重构飞行器单元安装板4上的连接件母头52接触，实现两个飞行器单元的电气互连。
如图9和图10所示，机电连接件13为Pogopin弹簧针式连接件。连接件公头51为弹簧针结构，包括触头53、反力弹簧54和外壳55，反力弹簧54装在外壳55中，当触头53受压时，反力弹簧54提供反向弹性力。所述连接件母头52具有平头接触面56。连接件公头51的触头53与连接件母头52的平头接触面56接触后，反力弹簧54提供保持力，确保触头53与平头接触面56的接触。
如图4所示，自锁定及解锁装置14安装在接口基座11的安装支架26中。
如图11-图20所示，自锁定及解锁装置14包括外壳61、骨架62、线圈63、磁极64、锁紧弹簧65、衔铁66、顶杆67、极靴68、轭铁69。骨架62、线圈63、磁极64、衔铁66、极靴68、轭铁69组成自锁定及解锁装置14的电磁装置。外壳61内腔的底部有磁极安装位70，外壳61外部具有安装脚71。骨架具有绕线槽72和两个端面73。线圈63绕在骨架62的绕线槽72中，用以提供电磁力。磁极64安装在外壳61的内腔底部，磁极64具有凸起74，用于锁紧弹簧65的限位。衔铁66的两端分别具有锁紧弹簧容纳孔75和顶杆安装孔76，衔铁66具有限位肩77，衔铁66具有底端面78。锁紧弹簧65一端安装在磁极64上，另一端安装在衔铁66的锁紧弹簧容纳孔75中。极靴68包括限位端面79和限位肩80。极靴68的限位端面79通过与衔铁66上的限位肩77的配合，对衔铁66进行轴向限位。骨架62安装在外壳61的内腔中，极靴68的限位肩80安装在骨架62的端面73上。轭铁69具有端面82、限位肩83以及顶杆通孔84，端面82用来对骨架62进行轴向限位，限位肩83用来对极靴68进行轴向限位。顶杆67从顶杆通孔84中伸出，顶杆67与顶杆通孔84之间为间隙配合。轭铁69与外壳61为固定连接：轭铁69与外壳61可采用灌封的方式连接，轭铁69与外壳61可采用螺纹连接的方式连接，轭铁69与外壳61可采用外壳翻卯的方式连接。
自锁定及解锁装置14装配后，衔铁66的底端面78与外壳61的内腔底面之间存在磁间隙85。当线圈通电时，衔铁66受电磁力作用克服锁紧弹簧65的弹性力，使衔铁66向下移动，直至衔铁66的底端面78与外壳61的内腔底面贴合。
如图11、图12、图13和图20所示，顶杆67包括安装轴91、定位肩92、圆杆93、方杆94。顶杆67的安装轴91安装在衔铁66的顶杆安装孔76中，并通过定位肩92定位。在顶杆67的端部具有斜面95，顶杆67端部的各棱边进行倒角。
如图4所示，当自锁定及解锁装置14安装在接口基座11上后，顶杆67伸入导引槽22的开槽30中。当线圈63不通电时，在锁紧弹簧65弹性力作用下，顶杆67从开槽30中伸出至槽口外；当线圈63通电时，电磁力克服锁紧弹簧65弹性力，顶杆67缩回至开槽30的槽口中。
如图1、图2和图3所示，基于上述机电对接接口2，本发明还提出了一种可重构飞行器单元，包括飞行器单元主体1和机电对接接口2，飞行器单元主体1为正多面体结构，飞行器单元主体1的一个或多个面上装有机电对接接口2。本实施例中的飞行器单元主体1为正方体结构，相邻安装板4上的机电对接接口2为异体同构式结构。
如图2、图3所示，飞行器单元主体1由框架3和安装板4组成，安装板4上具有接口安装位5，接口安装位5上具有接口安装孔6和连接件布线孔7。其中相邻安装板4之间的接口安装位5为互补式分布。如图1所示，相邻安装板间的机电对接接口2为互补式安装(如一块安装板上机电对接接口2的位置为横放的“＝O＝”形，则相邻安装板上机电对接接口2的位置为“＝O＝”形旋转90度)
实施例：
以正方体的飞行器单元为例，当飞行器单元在轨组装与重构时，可分为2种组装模式：
(a)飞行器单元对接面前方的上下左右方向均没有已组装的其他飞行器单元，则每次组装或重构仅需完成2个飞行器单元之间的1对机电对接接口的对接或分离；
(b)飞行器单元对接面前方的上下左右方向有一个或多个方向已组装有其他飞行器单元，则每次组装或重构需完成多个飞行器单元之间的多对机电对接接口的对接或分离。
在立方体飞行器单元的每个面的中心位置，设置有机电对接接口，导引瓣21与导引槽22各有两个，交叉分布。每个机电对接接口上有两个安装支架26，每个机电对接接口上的两个安装支架26可以连成直线，相邻两个面上的机电对接接口上安装支架形成的连线相互垂直。
两种组装模式的工作过程具体如下：
(1)飞行器单元对接面前方的上下左右方向没有已组装的其他飞行器单元
如图21、图22和图23所示：飞行器单元a可沿与对接面28垂直的方向相向(图21、图22及图23中的虚线方向)与另一飞行器单元b进行组装。由于本发明的机电对接接口2为异体同构结构，故只需将两个飞行器单元上各自机电对接接口2的导引瓣21对准对方机电对接接口2的导引槽22即可，同时用各自的导引槽22容纳对方的导引瓣21。随着导引瓣21伸入导引槽22，导引瓣21与导引槽22上开槽30中伸出的顶杆67的斜面95相接触，在接触压力作用下，顶杆67克服自锁定及解锁装置14中反力弹簧64的弹性力，缩回到导引槽22上开槽30的槽口内。导引瓣21完全容纳到导引瓣22中后，导引瓣21上开槽29的槽口与导引槽22上开槽30的槽口重合，此时顶杆67不再受到导引瓣21的压力，则在反力弹簧64的弹性力作用下，顶杆67从导引槽22上开槽30的槽口中弹出，伸入到导引瓣21上开槽29的槽口中，实现导引瓣21与导引槽22的锁紧。在飞行器单元a与飞行器单元b之间的一对机电对接接口上，从四个位置(每对机电对接接口共包括四个导引瓣21和四个导引槽22)实现了两飞行器单元的机械锁紧。
在上述一对机电对接接口机械锁紧的过程中，由于各自机电对接接口2上的机电连接件13为异体同构结构，连接件公头51与连接件母头52呈互补式安装。故在上述一组机电对接接口机械锁紧时，飞行器单元a上连接件公头51的触头53及连接件母头52的平头接触面56刚好分别与飞行器单元b上的连接件母头52的平头接触面56及连接件公头51的触头53相接触。因此，在两个飞行器单元完成机械锁紧的过程中，同步实现了两个飞行器单元的电气互连。
当可重构飞行器单元a与可重构飞行器单元b分离时，先给两个飞行器单元的自锁定及解锁装置14中的线圈63通电。由于衔铁66与外壳61之间存在磁间隙85，在电磁力作用下，衔铁66克服锁紧弹簧65的弹性力，使衔铁66向下移动，直至底端面78与外壳61的内腔底面贴合，从而带动顶杆67从导引瓣21的开槽29中缩回至导引槽22开槽30的槽口中，实现导引瓣21与导引槽22的解锁。此时，将两飞行器单元沿与对接面28垂直的方向反向移动，即可实现两飞行器单元的机械解锁以及电气连接的断开。
(2)飞行器单元对接面前方的上下左右方向有已组装的其他飞行器单元
如图24、图25和图26所示：可重构飞行器单元c已经与可重构飞行器单元d及可重构飞行器单元e组成飞行器单元组，即在可重构飞行器单元c对接面28前方的左方有可重构飞行器单元e，在可重构飞行器单元e对接面28前方的右方有可重构飞行器单元c。图24-图26中，可重构飞行器单元f将沿可重构飞行器单元c与可重构飞行器单元e对接面28夹角的平分线方向(图24-图26中的虚线方向)与飞行器单元组进行组装。将同时完成可重构飞行器单元f与可重构飞行器单元c、以及可重构飞行器单元f与可重构飞行器单元e的组装，同时有两对机电对接接口完成机械锁紧和电气互连。
由于本发明中可重构飞行器单元相邻安装板上的机电对接接口2为互补式安装，故图24-图26中，只要将可重构飞行器单元f的机电对接接口2与可重构飞行器单元c的机电对接接口2互补式对接，则可重构飞行器单元f的另一机电对接接口2与可重构飞行器单元e的机电对接接口2一定也为互补式对接。因此能够同时实现可重构飞行器单元f与可重构飞行器单元c、可重构飞行器单元e的组装。由于本发明中接口基座11的导引瓣21和导引槽22为拔模结构，故可重构飞行器单元f在沿图24-图26中的虚线方向组装时，可重构飞行器单元f与可重构飞行器单元c、可重构飞行器单元e上的导引瓣21和导引槽22不仅容纳，而且会导引和纠正可重构飞行器单元f的运动轨迹，直至所有导引瓣21完全容纳到导引槽22中，完成两对机电对接接口的机械锁紧和电气互连。其中自锁定及解锁装置14及机电连接件13的动作模式与前述第一种组装模式相同，此处不再重复说明。
当可重构飞行器单元f与可重构飞行器单元c、可重构飞行器单元e分离时，先给这3个飞行器单元中将要解锁的机电对接接口2的自锁定及解锁装置14中的线圈63通电。则如前述第一种组装和重构模式所述，可实现所有欲解锁的机电对接接口2上导引瓣21与导引槽22的解锁。此时，将可重构飞行器单元f沿可重构飞行器单元c对接面与可重构飞行器单元e对接面夹角的平分线方向(图24-图26中的虚线方向)反向移动，即可实现3个飞行器单元的机械解锁以及电气连接的断开。
由以上两种组装模式可以看出，本发明的可重构飞行器单元可在轨沿多个方向完成组装与重构，不仅能够完成可重构飞行器单元之间的组装与重构，而且能够完成飞行器单元与飞行器单元组之间的组装与重构。同理可知，本发明的可重构飞行器单元也能完成飞行器单元组之间的组装与重构。因此，本发明的可重构飞行器单元可实现大尺度飞行器的在轨组装与重构。
本发明说明书及说明书附图中未描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (11)

1.一种机电对接接口，其特征在于包括：接口基座(11)、机电连接件固定件(12)机电连接件(13)和自锁定及解锁装置(14)；
机电连接件固定件(12)安装在接口基座(11)中，机电连接件(13)安装在机电连接件固定件(12)上，自锁定及解锁装置(14)安装在接口基座(11)上，用于两个机电对接接口进行对接时的锁定以及解锁；
所述接口基座(11)为中心对称结构，包括导引瓣(21)、导引槽(22)、固定件限位筋板(24)以及安装支架(26)；
接口基座(11)的中心设置有机电连接件固定件(12)的安装孔(25)，该安装孔(25)四周分布有相同数量的导引槽(22)和导引瓣(21)，固定件限位筋板(24)设置在安装孔(25)内，用于机电连接件固定件(12)的安装及限位，安装支架(26)设置在导引槽(22)外侧，用于安装自锁定及解锁装置(14)；
导引瓣(21)与导引槽(22)均为拔模式结构，导引瓣(21)与导引槽(22)的交界为接口基座(11)的对接面(28)，该对接面(28)为平面，导引瓣(21)的拔模凸起部分位于对接面(28)的上方，导引槽(22)的拔模凹陷部分位于对接面(28)的下方。
2.根据权利要求1所述的一种机电对接接口，其特征在于：导引瓣(21)的拔模凸起部分与导引槽(22)的拔模凹陷部分相互匹配。
3.根据权利要求1所述的一种机电对接接口，其特征在于：导引瓣(21)的拔模凸起部分上设置有沿径向的开槽(29)，导引槽(22)的拔模凹陷部分设置有径向开孔(30)，用于配合自锁定及解锁装置(14)。
4.根据权利要求3所述的一种机电对接接口，其特征在于：所述自锁定及解锁装置(14)包括外壳(61)、电磁装置、锁紧弹簧(65)和顶杆(67)；
锁紧弹簧(65)和电磁装置均安装在外壳(61)内，外壳(61)固定安装在安装支架(26)上，顶杆(67)从外壳(61)端部伸出；
自锁定及解锁装置(14)处于自锁定状态时，在锁紧弹簧(65)提供的弹簧力作用下，穿过所述拔模凹陷部分设置的径向开孔(30)，伸出到拔模凹陷部分中，伸出部分与所述开槽(29)匹配；
自锁定及解锁装置(14)处于解锁状态时，电磁装置提供克服锁紧弹簧(65)弹簧力的电磁力，令顶杆(67)回缩至径向开孔(30)中。
5.根据权利要求4所述的一种机电对接接口，其特征在于：所述顶杆(67)的端部具有斜面(95)，顶杆(67)端部的各棱边进行倒角。
6.根据权利要求1所述的一种机电对接接口，其特征在于：机电连接件固定件(12)上具有开槽(41)，与所述固定件限位筋板(24)匹配，用于限制机电连接件固定件(12)的转动，机电连接件固定件(12)上具有多组连接件安装位(42)，多组连接件安装位(42)之间呈中心对称分布，机电连接件固定件(12)具有端面(43)，机电连接件固定件(12)安装在接口基座(11)中时，端面(43)与接口基座(11)的对接面(28)平齐或低于对接面(28)。
7.根据权利要求6所述的一种机电对接接口，其特征在于：机电连接件(13)包括连接件公头(51)和连接件母头(52)，均安装在机电连接件固定件(12)上的多组连接件安装位(42)中，在相邻的各组连接件安装位(42)中，连接件公头(51)与连接件母头(52)呈互补式安装，使得两个机电对接接口(2)对接组装时，一个机电对接接口(2)上的连接件公头(51)与另一个机电对接接口(2)上的连接件母头(52)匹配接触，实现两个机电对接接口(2)的电气互连。
8.根据权利要求7所述的一种机电对接接口，其特征在于：所述连接件公头(51)为弹簧针结构，包括触头(53)、反力弹簧(54)和外壳(55)，反力弹簧(54)装在外壳(55)中，当触头(53)受压时，反力弹簧(54)提供反向弹性力，所述连接件母头(52)具有接触面(56)，连接件公头(51)的触头(53)与连接件母头(52)的接触面(56)接触后，反力弹簧(54)提供保持力，确保触头(53)与接触面(56)的接触。
9.一种基于权利要求1～8中任一项所述机电对接接口实现的在轨可重构飞行器单元，其特征在于包括：飞行器单元主体(1)和机电对接接口(2)，机电对接接口(2)安装在飞行器单元主体(1)上，两个在轨可重构飞行器单元对接时，对接面上的两个机电对接接口(2)为异体同构式结构。
10.根据权利要求9所述的一种在轨可重构飞行器单元，其特征在于：飞行器单元主体(1)为正多面体结构。
11.根据权利要求10所述的一种在轨可重构飞行器单元，其特征在于：所述飞行器单元主体(1)的每个面上均设置有机电对接接口(2)。
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