CN111071482B - 一种标准化模块化的立方星单元及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种标准化模块化的立方星单元及方法，属于微纳卫星技术领域；包含若干立方星标准模块，模块之间通过标准四合一连接装置双向直插式组装，实现相邻模块之间的机械连接、电源传输、数据交互和热能传导。“母—公—母”设计使得立方星模块为母接口，任意两个模块之间均能够进行组装，并且对称设计布局使得组装方向灵活多样。立方星模块机械接安装于结构框架上的通孔内，电源、数据和热传接口安装于模块表面，不占用模块内部空间，兼容标准立方星CSKB板，保留立方星基本属性。定位销+倒刺结构机械接口保证立方星模块可靠连接，弹性接触方式的电源、数据和热传接口保证立方星模块之间可靠导通。

Description

一种标准化模块化的立方星单元及方法

技术领域

本发明属于微纳卫星技术领域，一种包含机械—电源—热传—数据四合一接口的标准立方星模块化组装结构,具体涉及一种标准化模块化的立方星单元及方法。

背景技术

立方星是一种采用国际通用标准的低成本微纳卫星，以“U”(1U＝10cm×10cm×10cm)为基本单元，在此基础上可拓展至更大结构单元，其标准化结构具有研制周期短、研制成本低等优点，是微纳卫星发展的主要方向。近年来随着科学技术的发展，立方星的发射数量和种类越来越多，若仍然采用传统立方星板卡级模块组装思想，根据发射任务和载荷的不同选择零部件定制不同单元的立方星，必然不能满足发射数量日益增长和快速部署的需求。因此将传统立方星按照其子系统功能进行单元模块划分，如能源模块、控制模块、推进模块等，根据不同任务需求，选择有限数量的功能模块进行快速组装进而实现整星要求，标准化模块化组装结构有助于实现批量生产及快速和低成本部署，还可以降低了卫星装配和维护的难度。在具体应用中由宇航员在空间站操作，而宇航员并非专业工程师，而现有技术中的模块需要复杂的安装流程，非专业人士进行操作容易导致安装错误，最终使得卫星功能损坏不能进行工作。

文献《An Intelligent Building Blocks Concept for On-Orbit-SatelliteServcing》公布了德国宇航中心(DLR)开展的IBOSS计划，该计划将卫星按照子系统功能划分为400mm×400mm×400mm的标准立方体模块，并在立方体的每个面上设计了一种完全相同表面嵌入中心的四合一智能连接装置。利用该连接装置可以实现不同模块间的机械连接、电源和数据传输以及热能传导，其中，机械接口采用由电机驱动的可伸缩对称布置异体同构结构，通过旋转耦合保证任意两个模块之间可以可靠连接；电源接口采用轴对称布置的弹簧触点式结构，通过相邻两模块之间触点接触传输电能；数据接口采用“光纤-透镜”的形式，安装在智能连接装置的中心位置；热接口采用的是环形布置添加了碳纳米管的合金材料，实现相邻两模块之间的热能传导。由于立方体模块每个面上的四合一连接装置采用完全相同的结构，因此不同模块的任意两个面都可以进行连接组装，另外其对称布置方式可以实现模块之间连接方向的改变，保证模块组装的零活性，模块之间的组装与更换由机器人完成。然而存在如下不足：结构尺寸过大，标准模块体积为400mm×400mm×400mm，智能连接装置机械接口为φ140mm×40mm；智能连接装置部件多、重量大，占用卫星内部空间，降低了卫星的有效载荷；智能连接装置机械接口采用电机驱动可伸缩旋转耦合运动部件，结构复杂，增加了潜在的故障风险、降低了系统可靠性。

文献《Cellular Satellites and Precise Assembly by Robots forReconfigurable Space System》公布了日本东京大学开展的CellSat项目，该项目将不同功能组成子系统设计为60mm×60mm×60mm的独立细胞，实现功能分离。细胞主体之间通过独立连接针进行组合连接，该独立连接针类似于旋转燕尾榫结构，将连接针插入两相邻细胞间接口再进行旋转，通过限位完成机械连接，细胞之间的组装通过机器人完成。细胞之间的电源和通信通过分布于表面上的端口进行，当机械连接时，两个细胞通电连接。独特的无方向设计使得不同的细胞可以任意方向进行独立对接。然而存在以下不足：为了实现旋转燕尾榫连接，细胞主体外壳需要设计成特殊的结构形状且占用细胞内部空间；连接针在两个细胞间的插入和旋转锁定需要精确配合，组装精度要求高。

中国专利ZL201821363532.1《通过插拔方式快速连接的立方星单元》公布了一种插销式机械连接接口，通过在立方星模块的六个面上设置母接口孔，利用一个两端带有倒刺结构的定位销分别插入相邻立方星模块对应的母接口孔，完成立方星模块之间的机械连接。然而存在以下不足：未考虑立方星模块之间的电气连接和热能传导问题。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种标准化模块化的立方星单元，提供了一种不包含驱动部件、结构形式简单、可快速连接、组装方式灵活且不占用标准模块内部空间的立方星标准化模块化组装结构及方法，该组装结构包含若干立方星标准化功能模块，不同模块之间通过标准四合一连接装置进行组装，实现相邻模块之间的机械连接、电源传输、数据交互和热能传导。

本发明的技术方案是：一种标准化模块化的立方星单元，其特征在于：包括标准立方星模块框架，标准立方星模块电气与热传接口模块，标准四合一连接装置；所述标准立方星模块框架为正方体框架结构，六个所述标准立方星模块电气与热传接口模块做为正方体的六个面安装于所述标准立方星模块框架上；

所述标准立方星模块电气与热传接口模块包括正方形的第一电路板、热传接口、数据母接口和电源母接口；一个数据母接口和一个电源母接口为一组母接口，四组所述母接口以第一电路板中心为圆心沿周向均布于所述第一电路板上，所述热传接口为从第一电路板中心向其四个边辐射的区域内所铺设的铜材料；

所述标准四合一连接装置用于连接相邻所述立方星单元，包括安装主体、热传导连接块、电气接口模块和机械连接公接头；所述安装主体为与所述标准立方星模块框架边长相同的正方形框架，所述电气接口模块作为安装主体正方形的面安装于所述安装主体的框架内；所述电气接口模块包括正方形的第二电路板、数据弹性公接口和电源弹性公接口，一个数据弹性公接口和一个电源弹性公接口为一组公接口，四组所述公接口以第二电路板中心为圆心沿周向均布于所述第二电路板上，与所述母接口的位置相对；两个安装有所述电气接口模块的安装主体的边框贴合并通过螺钉和所述机械连接公接头固定为一体，所述机械连接公接头穿过所述标准四合一连接装置，两端分别与相邻所述立方星单元连接，所述公接口朝向两侧的所述标准立方星模块电气与热传接口模块设置，与所述母接口插接，两个所述第二电路板上的数据弹性公接口和电源弹性公接口分别通过导线连接；所述热传导连接块为金属圆柱体，同轴穿过两个所述第二电路板中心设置的通孔并固定，其两端分别与相邻的所述立方星单元的热传接口接触，用于相邻立方星单元之间的热能传导。

本发明的进一步技术方案是：所述标准立方星模块框架是由两个正方形主体框架和四个横梁组成的100mm×100mm×100mm的正方体结构，所述主体框架是截面为L型的板，四个所述横梁分别将两个对称设置的主体框架的四个角连接，作为所述正方体结构的四个平行边；所述主体框架和横梁上均开有机械连接母接口通孔，用于所述标准四合一连接装置上的机械连接公接头的插装，使得所述标准立方星模块框架各面均能够与所述标准四合一连接装置连接。

本发明的进一步技术方案是：所述机械连接公接头的中间为圆柱销，两端均为倒刺接头结构，所述倒刺接头的端口处沿周向开有多个U形槽，使得所述倒刺接头安装于所述标准立方星模块框架上的机械连接母接口通孔内时，受压力的作用向中心轴收拢，安装到位后通过倒刺实现轴向限位固定。

本发明的进一步技术方案是：所述机械连接公接头采用钛合金材料。

本发明的进一步技术方案是：四组所述母接口分别焊接于所述第一电路板的对角线上，使得所述立方星单元旋转90°/180°/270°后数据母接口和电源母接口都相同。

本发明的进一步技术方案是：所述热传导连接块的材质为铜。

本发明的进一步技术方案是：所述热传导连接块与所述标准立方星模块框架上的热传接口之间铺设弹性导热垫。

一个3U标准立方星的组装方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤一：确定3U标准立方星的结构形式，由一个2U标准立方星单元和一个1U标准立方星单元沿一字型布局而成，所述2U标准立方星单元是由两个1U标准立方星单元组成；

步骤二：选择待组装部件，一个2U标准立方星单元、一个1U标准立方星单元和一个标准四合一连接装置；

步骤三：将标准四合一连接装置一端的机械连接公接头与2U标准立方星单元的上表面的机械连接母接口对齐，手动用力直接对插，待标准四合一连接装置上的四个所述机械连接公接头完全插入2U标准立方星单元上表面的机械连接母接口，通过倒刺接口锁定进而完成标准四合一连接装置与2U标准立方星单元之间机械连接，同时电源、热传与数据接口靠弹性接触完成导通；

步骤四：将标准四合一连接装置另一端面的机械连接公接头与1U标准立方星单元的下表面的机械连接母接口对齐，手动用力直接对插，待标准四合一连接装置上的四个所述机械连接公接头完全插入1U标准立方星单元下表面的机械连接母接口，通过倒刺接口锁定进而完成标准四合一连接装置与1U标准立方星单元之间机械连接，同时电源、热传与数据接口靠弹性接触完成导通，完成3U标准立方星的组装。

有益效果

本发明的有益效果在于：

(1)“母—公—母”组装方式使得每个标准立方星模块的对接接口均为母接口，因此任意两个立方星模块之间均能够进行组装。其中机械连接接口采用直插式结构，不包含电机等驱动部件，组装形式简单、可快速连接、可靠性高；电源、数据和热传接口为弹性接触方式，保证可靠导通。

(2)四合一连接装置中机械接口安装于立方星标准化模块主体框架和横梁上布置的通孔内，电源、数据和热传接口以标准电路板的形式连接于立方星标准化模块的六个表面上，因此不占用立方星标准化模块内部空间，兼容基于PC104插槽的标准立方星CSKB板，保留立方星原有的基本属性。

(3)组装接口对称式结构布局使得立方星模块组装方式灵活，其中电源和数据接口均为轴对称布局，可实现模块的对接方向90°转动。热传接口布置在四合一接口中间，可实现模块的任意方向对接。前、后、左、右四个方向机械接口成矩形分布，可以实现前、后、左、右四个方向任意两个面的对接和上下翻转；上、下两个方向的母接口成正方形分布，可实现上、下两个方向任意两个面的对接和90°转动。

本发明采用标准化模块设计，结构简单实现了任意性和标准化，在应用中无需进行专业训练也能够做到无失误操作，降低了由于装配失误导致的立方星损坏，同时装配时达到效率高和精准的目的。

附图说明

图1是1U标准立方星模块框架示意图；

图2是标准立方星模块电气与热传接口模块示意图；

图3是1U标准立方星单元示意图；

图4a是四合一上下连接装置示意图；

图4b是四合一前后左右连接装置示意图；

图5是四合一上下连接装置分解视图示意图；

图6是四合一连接装置电气接口模块示意图；

图7a是3U立方星组装示意图；

图7b是3U立方星爆炸图；

附图标记说明：1-第一横梁、2-1U模块第一主体框架、3-立方星标准CSKB板卡、4-1U模块第二主体框架、5-第二横梁、6-第三横梁、7-第四横梁、8-电源母接口(四个90°均布)、9-数据母接口(四个90°均布)、10-热传接口、11-第一电路板、12-四合一连接装置第一安装主体、13-四合一连接装置第二安装主体、14-机械连接公接头、15-四合一连接装置第一电气接口模块、16-热传导连接块、17-四合一连接装置第二电气接口模块、18-电源弹性公接口(四个90°均布)、19-数据弹性公接口(四个90°均布)、20-第二电路板、21-2U立方星标准化模块、22-四合一上下连接装置、23-1U立方星标准化模块、24-组装后3U立方星。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提供的标准立方星模块，是通过直接插拔方式进行组装，结构具体包括：标准立方星模块结构框架、标准立方星模块电气与热传接口和标准四合一连接装置。

下面分别详细介绍上述结构及组装方法。

(1)标准立方星模块结构框架

标准立方星模块包含三种不同的结构单元，分别为1U、2U、3U标准立方星模块，用于放置不同结构尺寸的子系统功能模块，其中1U标准立方星模块是基本单元模块，2U、3U模块均由1U模块进行结构拓展得来。下述以1U标准立方星模块进行说明。

参照图1，完全相同的正方形的1U模块第一主体框架2与1U模块第二主体框架4镜像对称放置，采用螺钉连接方式从右下角按逆时针顺序将第一横梁1、第二横梁5、第三横梁6和第四横梁7分别连接至1U模块第一主体框架2与1U模块第二主体框架4，构成1U标准立方星模块结构外部正方体框架，外形包络为100mm×100mm×100mm的标准立方体，作为优选的结构尺寸。在第一横梁1和第二横梁5之间安装两根通丝螺杆，在第三横梁6和第四横梁7之间安装两根通丝螺杆，四根通丝螺杆可以支撑基于PC104插槽的立方星标准CSKB板卡3，兼容原有标准立方星板卡级部组件，保留立方星原有的基本属性。

参照图1，在两个主体框架和四个横梁上分别设置朝向立方星模块外部的通孔，作为立方星标准化模块机械连接的母接口孔，使得前、后、左、右四个面的每个表面均含有四个矩形分布的母接口孔，上、下两个面上的四个母接口孔分布于各个棱边的中点处。该布局方式可以实现立方星标准化模块前、后、左、右四个方向任意两个面的机械对接和上下翻转，以及上、下两个方向任意两个面的机械对接和90°间隔转动。由于机械接口孔为分布在棱边上的母接口通孔，因此不占用立方星模块内部空间。

参照图1，在每个横梁上设置有6个螺纹孔，使得组成立方星标准化模块前、后、左、右四个面的每个表面上包含四个正方形分布的螺纹孔，上、下两个面的每个表面上包含四个矩形分布的螺纹孔，用于标准立方星模块电气与热传接口的安装。

(2)标准立方星模块电气与热传接口

参照图2，电气和热传母接口安装电路板11采用正方形结构，在其45°、135°、225°和315°象限上分别安装一组电源母接口8和数据母接口9，电源母接口8和数据母接口9在径向方向分布位置可以互换，电源母接口8和数据母接口9采用焊接的方式固定在电气和热传母接口安装电路板11。安装电路板11中心辐射区域铺设铜材料作为热传接口10，用于立方星模块内部与表面之间热量传导。安装电路板11的四个角上分别分布3个通孔，分别用来与立方星模块结构框架的表面连接固定，该分布方式使得标准立方星模块电气和热传接口适应于标准立方星模块结构框架的每个面，组装后的1U标准立方星模块如图3所示，不占用立方星模块内部空间，并且每经过90°旋转后电气和热传接口完全相同，使得标准立方星模块组装方式灵活多样。

(3)标准四合一连接装置

参照图4、图5，四合一连接装置第一安装主体12和第二安装主体13结构基本相同，不同之处是安装主体12的四个角为阶梯通孔、安装主体13的四个角对应位置处为螺纹孔，通过四个角的螺钉将安装主体12和安装主体13以镜像对称布局方式连接夹紧。

安装主体12和安装主体13上分别设置8个阶梯通孔，用于夹紧机械连接公接头14，8个阶梯通孔的分布位置与标准化立方星模块结构框架上机械连接母接口相对应，其中四个孔与立方星标准模块前、后、左、右四个面上机械连接母接口位置相同，另外四个孔与立方星标准模块上、下两个面上机械连接母接口位置相同。安装主体12和安装主体13中心位置分别设置1个阶梯通孔，用于夹紧热传导连接块16，采用铜材料，分别与相邻立方星模块表面的热传接口10接触，进而完成立方星模块间的热能传导，为了降低公差配合影响、保证良好接触，在连接配合处铺设弹性导热垫。四合一连接装置第一电气接口模块15和第二电气接口模块17完全相同，采用螺钉分别连接至安装主体12和安装主体13，连接组合关系可以任意更换，第一电气接口模块15与第二电气接口模块17之间采用导线进行连接导通。参照图6，四合一夹层装置中电气接口模块15和17的安装电路板20采用正方形结构，电源弹性公接口18和数据弹性公接口19采用焊接的方式固定在夹层安装电路板20，其安装位置与立方星标准模块电源母接口8和数据母接口9相对应。

提出的四合一连接装置中机械接口、电源接口、热传接口和数据接口均采用“母—公—母”配合的结构形式，其中机械接口采用直插式倒刺结构进行连接锁定，不包含电机等驱动部件，组装形式简单、可快速连接、可靠性高；电源接口和数据接口采用配对的弹性接触开关，保证可靠接触；热传接口在配合处安装弹性导热垫，亦为弹性接触方式，可以保证良好接触，进而完成立方星模块之间的热量传导。根据机械连接公接头14的分布位置分为四合一上、下面连接装置和前、后、左、右面连接装置两种。

(4)3U标准立方星组装实例

参照图7，以一个2U立方星标准化模块21和一个1U立方星标准化模块23组装成一个3U标准立方星24为例，简要说明组装方法步骤。

步骤一：确定3U标准立方星24的结构形式，由一个2U立方星标准化模块21和一个1U立方星标准化模块23沿标准立方星模块上下方向组装而成。

步骤二：选择待组装部件，2U立方星标准化模块21、1U立方星标准化模块23和四合一上下连接装置22。

步骤三：将四合一上下连接装置22与2U立方星标准化模块21的上表面或下表面机械接口对齐，手动用力直接对插，待四个机械公接头14完全插入2U立方星标准化模块21上表面或下表面的机械对接母接口，倒刺结构锁定进而完成两模块之间机械连接，同时电源、热传与数据接口靠弹性接触完成导通。

步骤四：重复步骤三，将四合一上下连接装置22的另一端与1U立方星标准化模块23的上表面或下表面完成直插式机械连接以及电源、、热传与数据接口的弹性接触导通。

通过以上四个步骤的简单操作，以四合一上下连接装置22为中间连接独立部件，将2U立方星标准化模块21和1U立方星标准化模块23机械连接在一起，组成一个3U标准立方星24，并完成电源传输、数据交互和热能传导。组装后的3U标准立方星24外部仍然具有相同的标准母接口，可进一步进行更大结构尺寸立方星的组装。

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。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种标准化模块化的立方星单元，其特征在于：包括标准立方星模块框架，标准立方星模块电气与热传接口模块，标准四合一连接装置；所述标准立方星模块框架为正方体框架结构，六个所述标准立方星模块电气与热传接口模块做为正方体的六个面安装于所述标准立方星模块框架上；

所述标准立方星模块电气与热传接口模块包括正方形的第一电路板、热传接口、数据母接口和电源母接口；一个数据母接口和一个电源母接口为一组母接口，四组所述母接口以第一电路板中心为圆心沿周向均布于所述第一电路板上，所述热传接口为从第一电路板中心向其四个边辐射的区域内所铺设的铜材料；

所述标准四合一连接装置用于连接相邻所述立方星单元，包括安装主体、热传导连接块、电气接口模块和机械连接公接头；所述安装主体为与所述标准立方星模块框架边长相同的正方形框架，所述电气接口模块作为安装主体正方形的面安装于所述安装主体的框架内；所述电气接口模块包括正方形的第二电路板、数据弹性公接口和电源弹性公接口，一个数据弹性公接口和一个电源弹性公接口为一组公接口，四组所述公接口以第二电路板中心为圆心沿周向均布于所述第二电路板上，与所述母接口的位置相对；两个安装有所述电气接口模块的安装主体的边框贴合并通过螺钉和所述机械连接公接头固定为一体，所述机械连接公接头穿过所述标准四合一连接装置，两端分别与相邻所述立方星单元连接，所述公接口朝向两侧的所述标准立方星模块电气与热传接口模块设置，与所述母接口插接，两个所述第二电路板上的数据弹性公接口和电源弹性公接口分别通过导线连接；所述热传导连接块为金属圆柱体，同轴穿过两个所述第二电路板中心设置的通孔并固定，其两端分别与相邻的所述立方星单元的热传接口接触，用于相邻立方星单元之间的热能传导。

2.根据权利要求1所述标准化模块化的立方星单元，其特征在于：所述标准立方星模块框架是由两个正方形主体框架和四个横梁组成的100mm×100mm×100mm的正方体结构，所述主体框架是截面为L型的板，四个所述横梁分别将两个对称设置的主体框架的四个角连接，作为所述正方体结构的四个平行边；所述主体框架和横梁上均开有机械连接母接口通孔，用于所述标准四合一连接装置上的机械连接公接头的插装，使得所述标准立方星模块框架各面均能够与所述标准四合一连接装置连接。

3.根据权利要求1所述标准化模块化的立方星单元，其特征在于：所述机械连接公接头的中间为圆柱销，两端均为倒刺接头结构，所述倒刺接头的端口处沿周向开有多个U形槽，使得所述倒刺接头安装于所述标准立方星模块框架上的机械连接母接口通孔内时，受压力的作用向中心轴收拢，安装到位后通过倒刺实现轴向限位固定。

4.根据权利要求1所述标准化模块化的立方星单元，其特征在于：所述机械连接公接头采用钛合金材料。

5.根据权利要求1所述标准化模块化的立方星单元，其特征在于：四组所述母接口分别焊接于所述第一电路板的对角线上，使得所述立方星单元旋转90°/180°/270°后数据母接口和电源母接口都相同。

6.根据权利要求1所述标准化模块化的立方星单元，其特征在于：所述热传导连接块的材质为铜。

7.根据权利要求1所述标准化模块化的立方星单元，其特征在于：所述热传导连接块与所述标准立方星模块框架上的热传接口之间铺设弹性导热垫。

8.一个由权利要求1所述标准化模块化的立方星单元组装3U标准立方星的方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤一：确定3U标准立方星的结构形式，由一个2U标准立方星单元和一个1U标准立方星单元沿一字型布局而成，所述2U标准立方星单元是由两个1U标准立方星单元组成；

步骤二：选择待组装部件，一个2U标准立方星单元、一个1U标准立方星单元和一个标准四合一连接装置；

步骤三：将标准四合一连接装置一端的机械连接公接头与2U标准立方星单元的上表面的机械连接母接口对齐，手动用力直接对插，待标准四合一连接装置上的四个所述机械连接公接头完全插入2U标准立方星单元上表面的机械连接母接口，通过倒刺接口锁定进而完成标准四合一连接装置与2U标准立方星单元之间机械连接，同时电源、热传与数据接口靠弹性接触完成导通；

步骤四：将标准四合一连接装置另一端面的机械连接公接头与1U标准立方星单元的下表面的机械连接母接口对齐，手动用力直接对插，待标准四合一连接装置上的四个所述机械连接公接头完全插入1U标准立方星单元下表面的机械连接母接口，通过倒刺接口锁定进而完成标准四合一连接装置与1U标准立方星单元之间机械连接，同时电源、热传与数据接口靠弹性接触完成导通，完成3U标准立方星的组装。

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