CN111605741A - 基于标准立方体模块的微小型空间实验装置 - Google Patents

基于标准立方体模块的微小型空间实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于标准立方体模块的微小型空间实验装置，其包括在轨支持装置和多个空间实验模块，所述在轨支持装置用于支持和控制所述空间实验模块，对多个空间实验模块进行供电和数据读取，所述在轨支持装置还作为空间实验模块与空间站之间机、点、热接口支持载体，实现整个空间试验装置与空间站之间的能量、信息交换；所述空间实验模块用于装载微小型实验装置进行在轨实验。本发明通过建立一套简单、模块化、标准化的空间实验装置，进行以立方体为基本形式的空间实(试)验，能够实现空间微重力科学、空间生命科学等方面载荷在空间站的搭载应用，具有风险小、成本低廉、实效性好、在轨环境好、实验机会多、实施简单等特点。

Description

基于标准立方体模块的微小型空间实验装置
技术领域
本发明属于航天技术领域，涉及一种基于标准立方体模块的微小型空间实验装置。
背景技术
空间实验一般需要投入大量资金用于实验装置研究，因此在许多高校、研究所、公司企业均采用小型的空间实验装置进行实验研究。而目前的空间实验装置完成以下技术协调，才具备进行在轨试验的条件：
1、与空间站(或其他在轨飞行器)之间的机、电、热等装载接口协调；
2、与运输飞船(货运飞船、载人飞船)之间的机、电、热等运输接口协调；
3、在地面与飞行器、运输器之间的接口认证、总装测试、大型试验等工作；
4、与飞行器、航天员之间的实验装置操作需求、时机、培训等在轨运行工作。
以上技术协调工作及对应的管理工作均需要耗费空间实验装置研制方、飞行器系统实施方、协调方等大量的人力、物力，接口及过程复杂，容易造成工作反复和进度迟滞。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种基于标准立方体模块的微小型空间实验装置，减少、简化目前空间实验装置的技术协调工作。
为实现上述目的，本发明提供一种基于标准立方体模块的微小型空间实验装置，包括在轨支持装置和多个空间实验模块，所述在轨支持装置用于支持和控制所述空间实验模块，对多个空间实验模块进行供电和数据读取，所述在轨支持装置还作为空间实验模块与空间站之间机、点、热接口支持载体，实现整个空间试验装置与空间站之间的能量、信息交换；
所述空间实验模块用于装载微小型实验装置进行在轨实验。
根据本发明的一个方面，所述在轨支持装置为在轨实验支持平台，包括：
端面设置的供电、网络、指令接口和通风入口，通过供电接口与空间站供电系统连接，通过网络、指令接口与空间站信息系统连接，通过通风入口与空间站热控系统连接；
侧面设置多个USB接口和通风出口，USB接口与空间实验模块USB接口插接，并可固定所述空间实验模块，通风出口用于空间实验模块的散热；
内部设置控制计算机，用于对多个空间实验模块进行供电和信息控制，并负责与空间站之间通讯。
根据本发明的一个方面，所述在轨支持装置安装在空间站上。
根据本发明的一个方面，所述空间实验模块包括金属框架和安装在所述金属框架内的微小型实验装置。
根据本发明的一个方面，所述金属框架上设有USB接口安装孔。
根据本发明的一个方面，所述空间实验模块由多个标准模块组成，所述标准模块设置为100mmx100mmx100mm的立方体，所述金属框架上的USB接口安装孔设置为标准化参数。
根据本发明的一个方面，所述在轨支持装置侧面的USB接口设置为：USB接口之间横向间隔为100mm+L1，USB接口之间纵向向间隔为100mm+L2，L1表示多个空间实验模块横向间隔参数，L2表示多个空间实验模块纵向间隔参数。
根据本发明的一个方面，所述在轨支持装置的控制计算机，通过供电、网络、指令接口与空间站电路系统连接，通过USB接口同多个空间实验模块连接，通过供电管理、指令管理、信息管理等软硬件设计实现对微小型空间实验的在轨控制，包括：
将空间站100V供电变换为适应USB接插件和微小型空间实验的多路受控的安全电压；
根据USB接插件设计在轨支持装置与空间实验模块之间的电接口，本专利采用USB2.0Type-B接口作为标准电接口，并对其重新定义，同时也具备采用USB3.1TypeC接口等其他通用USB接口的条件；
通过对空间实验模块的加断电实现对微小型空间实验的控制：
对空间实验模块数据采取存储器只读的方式，不对空间实验模块进行数据输入，减少双方信息接口故障；
空间实验模块可选用多个USB接口，通过多路供电和多路数据读取的方式实现对微小型空间实验的复杂化控制。
本发明的基于标准立方体模块的微小型空间实验装置，减少、简化了技术协调工作，对空间实验装置与飞行器系统之间的接口、流程等进行简单化、标准化，即：
简化空间实验装置与空间站之间的机、电、热等装载接口，并对其进行模块化，做到即插即用、自动控制、故障隔离；对空间实验装置与空间站之间的机、电、热等装载接口进行标准化，做到各空间实验装置研制方可根据标准要求即可开展实验装置研制。
标准化空间实验装置与运输飞船之间的机、电、热等运输接口，做到装载固化、运输简单。
通过标准化措施，减少空间实验装置与飞行器、运输器之间的接口认证、总装测试、大型试验等工作。
通过标准化措施，简化空间实验装置与飞行器、航天员之间的实验装置在轨操作工作，航天员可不经培训即可在轨操作。
本发明通过建立一套简单、模块化、标准化的空间实验装置，进行以立方体为基本形式的空间实(试)验，能够实现空间微重力科学、空间生命科学等方面载荷在空间站的搭载应用，具有风险小、成本低廉、实效性好、在轨环境好、实验机会多、实施简单等特点，并能提供在轨操作服务和装置返回服务，具有较高的应用价值，可应用于空间站工程的微小型空间实(试)验。
附图说明
图1示意性表示根据本发明一种实施方式的基于标准立方体模块的微小型空间实验装置的结构图；
图2示意性表示根据本发明一种实施方式的在轨支持装置的示意图；
图3示意性表示根据本发明一种实施方式的空间实验模块的示意图；
图4示意性表示根据本发明一种实施方式的空间实验模块的标准模块示图；
图5示意性表示根据本发明一种实施方式的在轨支持装置标准化接口示意图；
图6示意性表示根据本发明的空间实验模块的标准模块组合示示意图一；
图7示意性表示根据本发明的空间实验模块的标准模块组合示示意图二；
图8示意性表示根据本发明的在轨支持装置转载空间实验模块示意图；
图9示意性表示本发明的空间实验装置电路设计示意图；
图10示意性表示根据本发明空间实验装置热控示图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
如图1所示，本发明的基于标准立方体模块的微小型空间实验装置由在轨支持装置1和空间试验模块2组成。其中在轨支持装置1作用：一是支持和控制空间实验模块，对多个空间实验模块进行供电和数据读取；二是作为空间实验模块与空间站之间的机、电、热等接口支持载体，实现整个空间实验装置与空间站之间的能量、信息交换。空间实验模块作用：装载微小型实验装置，进行在轨实验。
如图2所示，在轨支持装置为一个在轨实验支持平台，安装在空间站上，主要包括三部分：一，端面设置供电、网络、指令接口和通风入口，通过供电接口与空间站供电系统连接，通过网络、指令接口与空间站信息系统连接，通过通风入口与空间站通风散热系统连接；二，侧面设置多个USB接口和通风出口，USB接口与空间实验模块USB接口插接，并可适当固定空间实验模块，通风出口用于空间实验模块散热；三，内部设置一台控制计算机，用于对多个空间实验模块进行供电和信息控制，并负责与空间站之间通讯，具有供电管理、信息管理、故障管理等功能。
如图3所示，空间实验模块2为一个实验平台，由金属框架21和微小型实验装置22两部分组成。金属框架由飞行器系统设计，并提供给空间实验装置研制方。金属框架上设置有USB接口安装孔，其孔位与在轨支持装置对应。微小型实验装置由空间实验装置研制方设计，空间实验装置研制方可选择合适的金属框架(框架大小见下节)和一定数量的USB接口，根据金属框架的内部空间设计微小型实验装置。
如图4所示，空间实验模块2的基础标准模块2a设计为100mm×100mm×100mm的立方体(规格定义为1U)，其中USB接口的安装位置(a,b)为标准化参数(根据USB接插件尺寸选定)，作为空间实验装置机械接口模块化、标准化的基础。
如图5所示，在轨支持装置侧面USB接口布局设计为：USB接口之间横向间隔(相对于在轨支持装置侧面，下同)为100mm+L1(L为多个空间实验模块横向间隔参数，根据安装需求选定，本专利选L1＝20mm)，USB接口之间、纵向间隔为100mm+L2(L2定义类同L1，本专利选L2＝L1)。本专利在图5中示意的在轨支持装置USB接口布局为每行4个、每列2个，单侧面共8个，两侧面共16个。
如图6所示，空间实验模块在1U基础标准模块的基础上，根据在轨支持装置的布局设计，设计出2U、3U、4U三种基础规格，每个规格的截面尺寸同1U，但横向尺寸增加横向间隔参数，即2U横向尺寸为100mm+20mm+100mm＝220mm，3U横向尺寸为340mm(计算方法同2U)，3U横向尺寸为460mm。
同理，如图7所示，空间实验模块纵向尺寸可增加纵向间隔参数，设计出2U-A、4U-A、6U-A、8U-A四种基础规格，每个规格的纵向尺寸为100mm+20mm+100mm＝220mm，横向尺寸同1U、2U、3U、4U。
根据在轨支持装置在空间站的安装空间，空间实验模块垂直尺寸可适当增加。如图8所示，本专利示意了150mm高度的垂直尺寸，即在1U、2U、3U、4U、2U-A、4U-A、6U-A、8U-A等8种基础规格的基础上衍生出1.5U-B、3U-B、4.5U-B、6U-B、3U-C、6U-C、9U-C、12U-C等8种衍生规格，各种规格的垂直尺寸为150mm，横向尺寸和纵向尺寸同基础规格。上述8种基础规格的和8种衍生规格可根据在轨支持装置的空间尺寸进行组合，以适应不同规模的微小型空间实验需求。
本发明空间实验装置电路设计如图9所示，在轨支持装置内置控制计算机，通过供电、网络、指令接口与空间站电路系统连接，通过USB接口同多个空间实验模块连接，通过供电管理、指令管理、信息管理等软硬件设计实现对微小型空间实验的在轨控制。其设计点为：
将空间站100V供电变换为适应USB接插件和微小型空间实验的多路受控的安全电压；
根据USB接插件设计在轨支持装置与空间实验模块之间的电接口，本专利采用目前国际通用的USB2.0Type-B接口作为标准电接口，并对其重新定义，同时也具备采用USB3.1TypeC接口等其他通用USB接口的条件；
通过对空间实验模块的加断电实现对微小型空间实验的控制；
对空间实验模块数据采取存储器只读的方式，不对空间实验模块进行数据输入，减少双方信息接口故障；
空间实验模块可选用多个USB接口，通过多路供电和多路数据读取的方式实现对微小型空间实验的复杂化控制。
如图2和图10所示，空间实验装置通过在轨支持装置的通风入口与空间站通风系统连接，通过在轨支持装置的多个通风出口对空间实验模块进行散热控制。
本发明的基于标准立方体模块的微小型空间实验装置，减少、简化了技术协调工作，对空间实验装置与飞行器系统之间的接口、流程等进行简单化、标准化，即：
简化空间实验装置与空间站之间的机、电、热等装载接口，并对其进行模块化，做到即插即用、自动控制、故障隔离；对空间实验装置与空间站之间的机、电、热等装载接口进行标准化，做到各空间实验装置研制方可根据标准要求即可开展实验装置研制。
标准化空间实验装置与运输飞船之间的机、电、热等运输接口，做到装载固化、运输简单。
通过标准化措施，减少空间实验装置与飞行器、运输器之间的接口认证、总装测试、大型试验等工作。
通过标准化措施，简化空间实验装置与飞行器、航天员之间的实验装置在轨操作工作，航天员可不经培训即可在轨操作。
本发明通过建立一套简单、模块化、标准化的空间实验装置，进行以立方体为基本形式的空间实(试)验，能够实现空间微重力科学、空间生命科学等方面载荷在空间站的搭载应用，具有风险小、成本低廉、实效性好、在轨环境好、实验机会多、实施简单等特点，并能提供在轨操作服务和装置返回服务，具有较高的应用价值，可应用于空间站工程的微小型空间实(试)验。
以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于标准立方体模块的微小型空间实验装置，其特征在于，包括在轨支持装置(1)和多个空间实验模块(2)，所述在轨支持装置(1)用于支持和控制所述空间实验模块(2)，对多个空间实验模块(2)进行供电和数据读取，所述在轨支持装置(1)还作为空间实验模块(2)与空间站之间机、点、热接口支持载体，实现整个空间试验装置与空间站之间的能量、信息交换；
所述空间实验模块(2)用于装载微小型实验装置进行在轨实验。
2.根据权利要求1所述的基于标准立方体模块的微小型空间实验装置，其特征在于，所述在轨支持装置为在轨实验支持平台，包括：
端面设置的供电、网络、指令接口和通风入口，通过供电接口与空间站供电系统连接，通过网络、指令接口与空间站信息系统连接，通过通风入口与空间站热控系统连接；
侧面设置多个USB接口和通风出口，USB接口与空间实验模块USB接口插接，并可固定所述空间实验模块(2)，通风出口用于空间实验模块(2)的散热；
内部设置控制计算机，用于对多个空间实验模块(2)进行供电和信息控制，并负责与空间站之间通讯。
3.根据权利要求2所述的基于标准立方体模块的微小型空间实验装置，其特征在于，所述在轨支持装置安装在空间站上。
4.根据权利要求1或3所述的基于标准立方体模块的微小型空间实验装置，其特征在于，所述空间实验模块(2)包括金属框架(21)和安装在所述金属框架(21)内的微小型实验装置(22)。
5.根据权利要求4所述的基于标准立方体模块的微小型空间实验装置，其特征在于，所述金属框架(21)上设有USB接口安装孔。
6.根据权利要求5所述的基于标准立方体模块的微小型空间实验装置，其特征在于，所述空间实验模块(2)由多个标准模块(2a)组成，所述标准模块(2a)设置为100mmx100mmx100mm的立方体，所述金属框架(21)上的USB接口安装孔设置为标准化参数。
7.根据权利要求6所述的基于标准立方体模块的微小型空间实验装置，其特征在于，所述在轨支持装置侧面的USB接口设置为：USB接口之间横向间隔为100mm+L1，USB接口之间纵向向间隔为100mm+L2，L1表示多个空间实验模块横向间隔参数，L2表示多个空间实验模块纵向间隔参数。
8.根据权利要求2所述的基于标准立方体模块的微小型空间实验装置，其特征在于，所述在轨支持装置(1)的控制计算机，通过供电、网络、指令接口与空间站电路系统连接，通过USB接口同多个空间实验模块(2)连接，通过供电管理、指令管理、信息管理等软硬件设计实现对微小型空间实验的在轨控制，包括：
将空间站100V供电变换为适应USB接插件和微小型空间实验的多路受控的安全电压；
根据USB接插件设计在轨支持装置与空间实验模块之间的电接口，本专利采用USB2.0Type-B接口作为标准电接口，并对其重新定义，同时也具备采用USB3.1TypeC接口等其他通用USB接口的条件；
通过对空间实验模块的加断电实现对微小型空间实验的控制：
对空间实验模块数据采取存储器只读的方式，不对空间实验模块进行数据输入，减少双方信息接口故障；
空间实验模块可选用多个USB接口，通过多路供电和多路数据读取的方式实现对微小型空间实验的复杂化控制。
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