CN112404984B - 基于多空间机器人的超大型空间望远镜在轨组装系统 - Google Patents

Abstract

基于多空间机器人的超大型空间望远镜在轨组装系统，属于航天器在轨服务技术领域，本发明为了解决现有运载火箭的搭载和推进能力较差，无法满足超大口径空间光学载荷运载需求的问题，本发明所述组装系统中三镜模块位于航天器平台的轴线上，且三镜模块与航天器平台的顶部固定连接，两个太阳翼帆板沿周向等距安装在航天器平台的外圆面上，计量环设置在航天器平台的下方，且计量环的一端与航天器平台底部固定连接，货运舱设置在计量环的下部，且货运舱与计量环拆卸连接，可伸缩机械臂设置在计量环上，且可伸缩机械臂通过滑动块与计量环滑动连接，伸缩机械臂可沿计量环的周向滑动，且可伸缩机械臂用于抓取货运舱中的零件。

Description

基于多空间机器人的超大型空间望远镜在轨组装系统

技术领域

本发明属于航天器在轨服务技术领域，具体涉及基于多空间机器人的超大型空间望远镜在轨组装系统。

背景技术

空间目标监视、空间态势感知和高性能天文观测等领域对超大口径光学有效载荷的需求强烈，急需突破超大口径空间光学载荷研制技术，为我国研制下一代空间监视预警系统、空间天文望远镜奠定技术基础。然而，受限于运载火箭的搭载和推进能力，现有的运载火箭无法满足超大口径空间光学载荷的运载需求，导致了我国在下一代空间监视预警系统和空间天文望远镜的研制工作遭遇瓶颈，严重影响了我国空间探索的科学进程，因此，为适应现有运载火箭的搭载和推进能力，同时实现可以发射运载超大口径空间光学载荷的空间望远镜，研发一种基于多空间机器人的超大型空间望远镜在轨组装系统是非常必要的。

发明内容

本发明为了解决现有运载火箭的搭载和推进能力较差，无法满足超大口径空间光学载荷运载需求的问题，进而提供一种基于多空间机器人的超大型空间望远镜在轨组装系统；

基于多空间机器人的超大型空间望远镜在轨组装系统，所述组装系统包括航天器平台、计量环、可伸缩机械臂、货运舱、三镜模块和两个太阳翼帆板，所述三镜模块位于航天器平台的轴线上，且三镜模块与航天器平台的顶部固定连接，两个太阳翼帆板沿周向等距安装在航天器平台的外圆面上，计量环设置在航天器平台的下方，且计量环的一端与航天器平台的底部固定连接，货运舱设置在计量环的下部，且货运舱与计量环拆卸连接，可伸缩机械臂设置在计量环上，且可伸缩机械臂通过滑动块与计量环滑动连接，伸缩机械臂可沿计量环的周向滑动，且可伸缩机械臂用于抓取货运舱中的零件；

进一步地，所述可伸缩机械臂与滑动块通过球铰进行连接；

进一步地，所述货运舱为圆柱形结构，货运舱沿周向依次设有模块化子镜放料舱、次镜模块放料舱、次镜支架放料舱、挡光环结构安装基座放料舱和挡光环结构放料舱，若干个模块化子镜、次镜模块、三个次镜支架、挡光环结构和挡光环结构安装基座对应放入在各个放料舱中；

进一步地，所述货运舱的外壁上沿圆周方向均布设有若干适配器，每个适配器自身携带大容差浮动电连接器；

进一步地，所述货运舱的外壁上还设有多功能灵巧机器人，多功能灵巧机器人自身携带可充电电池，多功能灵巧机器人通过适配器和货运舱实现机械锁紧和电气连接；

进一步地，所述多功能灵巧机器人包括两个固定臂和一个工作臂，两个固定臂用于与适配器进行机械锁紧和电气连接，工作臂用于抓取零件；

进一步地，所述每个模块化子镜上带有机械锁紧和电气连接接口，若干个模块化子镜通过可伸缩机械臂依次抓取拼接形成主镜，主镜呈正六边形，主镜的中心为三镜模块，主镜设置在航天器平台上；

进一步地，所述三个次镜支架通过可伸缩机械臂依次抓取设置在主镜的上表面上，且每个次镜支架的一端与主镜中的一个模块化子镜固定连接，且任意两个次镜支架之间的夹角为120°；

进一步地，所述次镜模块通过可伸缩机械臂抓取安装在三个次镜支架的另一端上，次镜模块和三个次镜支架与对应模块化子镜的固接点组成四面体结构；

进一步地，所述挡光环结构安装基座为六边形结构，且挡光环结构安装基座的六角处与主镜六边形顶点的模块化子镜对应固接；

进一步地，所述挡光环结构为中空的六棱柱结构，挡光环结构通过可伸缩机械臂和多功能灵巧机器人配合抓取安装在挡光环结构安装基座上，且三个次镜支架和次镜模块组成的四面体结构设置在挡光环结构中。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明提供的基于多空间机器人的超大型空间望远镜在轨组装系统，通过空间望远镜设计为模块化形式，空间望远镜的组部件模块通过一次或多次发射运载入轨，在运行轨道实施空间望远镜的安装、调整，从而获得具有超大口径、且能够在空间稳定运行的空间望远镜。该技术的出现彻底突破了运载工具的限制，使超大口径空间望远镜成为现实，使系统具备“可扩展”能力，具有传统空间光学载荷不可比拟的可维修性与保障性。

2、本发明提供的基于多空间机器人的超大型空间望远镜在轨组装系统，通过多空间机器人协同实现在轨装配，使大型、超大型空间设施的建设成为可能，可有效提高在轨装配、在轨维护、在轨维修和在轨服务的技术水平。

3、本发明提供的基于多空间机器人的超大型空间望远镜在轨组装系统，通过多空间机器人协同实现在轨装配，使大型、超大型空间望远镜的建设成为可能，大大提高国家对地、对空、对海的探测范围和探测精度，解决受制于运载火箭的能力，导致空间望远镜口径太小的技术问题。

附图说明

图1为本发明中在轨装配系统中太阳翼展开后的示意图；

图2为本发明中在轨装配系统中围绕三镜模块进行第一层模块子镜拼装示意图；

图3为本发明中在轨装配系统中所有模块子镜拼装成主镜后的状态示意图；

图4为本发明中在轨装配系统中次镜系统拼装后的状态示意图；

图5为本发明中在轨装配系统中挡光环结构拼装后的状态示意图；

图中包括1航天器平台、2计量环、3可伸缩机械臂、4货运舱、5适配器、6模块化子镜、7多功能灵巧机器人、8太阳翼帆板、9次镜模块、10次镜支架、11三镜模块、12挡光环结构和13挡光环结构安装基座。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式提供了一种基于多空间机器人的超大型空间望远镜在轨组装系统，所述组装系统包括航天器平台1、计量环2、可伸缩机械臂3、货运舱4、三镜模块11和两个太阳翼帆板8，所述三镜模块11位于航天器平台1的轴线上，且三镜模块11与航天器平台1的顶部固定连接，两个太阳翼帆板8沿周向等距安装在航天器平台1的外圆面上，计量环2设置在航天器平台1的下方，且计量环2的一端与航天器平台1的底部固定连接，货运舱4设置在计量环2的下部，且货运舱4与计量环2拆卸连接，可伸缩机械臂3设置在计量环2上，且可伸缩机械臂3通过滑动块与计量环2滑动连接，伸缩机械臂3可沿计量环2的周向滑动，且可伸缩机械臂3用于抓取货运舱4中的零件。

本实施方式提供的基于多空间机器人的超大型空间望远镜在轨组装系统，通过空间望远镜设计为模块化形式，空间望远镜的组部件模块通过一次或多次发射运载入轨，在运行轨道实施空间望远镜的安装、调整，从而获得具有超大口径、且能够在空间稳定运行的空间望远镜。该技术的出现彻底突破了运载工具的限制，使超大口径空间望远镜成为现实，使系统具备“可扩展”能力，具有传统空间光学载荷不可比拟的可维修性与保障性。

具体实施方式二：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的可伸缩机械臂3作进一步限定，本实施方式中，所述可伸缩机械臂3与滑动块通过球铰进行连接。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

本实施方式中，可伸缩机械臂3通过滑动块与计量环2实现滑动连接，使可伸缩机械臂3可沿计量环2的轴线进行360°圆周旋转运动，可伸缩机械臂3本身具有9个自由度，包括7个关节的旋转自由度和2个臂杆的移动自由度，可伸缩机械臂3通过与滑动块铰接，实现可伸缩机械臂3可以相对于计量环2进行摆动。

具体实施方式三：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的货运舱4作进一步限定，本实施方式中，所述货运舱4为圆柱形结构，货运舱4沿周向依次设有模块化子镜放料舱、次镜模块放料舱、次镜支架放料舱、挡光环结构安装基座放料舱和挡光环结构放料舱，若干个模块化子镜6、次镜模块9、三个次镜支架10、挡光环结构12和挡光环结构安装基座13对应放入在各个放料舱中。其它组成及连接方式与具体实施方式二相同。

如此设置，将由原的整体大型航天望远镜进行拆分成各个部分，例如主镜部、次镜部和挡光部，并将各个部分的组件逐一放置在货运舱4中，通过可伸缩机械手3逐一对各部分进行拼接组装，一般的操作顺序为先拼装主镜部，其次拼装次镜部，最后拼装挡光部，根据天文望远镜实际载荷不同，可以选择各个部分单独组建一个货运舱4，或是将每个部分再次拆分组成一个货运舱4，或者将每个部分的部分零件组装在一个货运舱4中，在进行运输时，先将搭载有主镜部的货运舱4随第一次升空的运载火箭输送至轨道上，并利用可伸缩机械手3逐一选取货运舱4中的各个零件进行拼接，待主镜部拼装完毕在依次发送搭载有次镜部的货运舱4和搭载有挡光部的货运舱4，货运舱4可以采用逐一替换的方式(使用后的货运舱4主动与航天器平台1分离，为后续的货运舱4让出连接空间)，也可以采用叠加的方式(使用后的货运舱4还是与航天器平台1保持连接，后续的货运舱4通过自带的计量环2依次与在先的货运舱4连接)，前者有利于减少航天器平台1的载重，后者可以减少货运舱4随意弃置造成太空垃圾。

具体实施方式四：参照图1至图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的货运舱4作进一步限定，本实施方式中，所述货运舱4的外壁上沿圆周方向均布设有若干适配器5，每个适配器5自身携带大容差浮动电连接器。其它组成及连接方式与具体实施方式三相同。

本实施方式中，适配器5可以为多功能灵巧机器人7爬行时提供机械锁紧和电气连接，帮助多功能灵巧机器人7与货运舱4外壁连接。

具体实施方式五：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的货运舱4作进一步限定，本实施方式中，所述货运舱4的外壁上还设有多功能灵巧机器人7，多功能灵巧机器人7自身携带可充电电池，多功能灵巧机器人7通过适配器5和货运舱4实现机械锁紧和电气连接。其它组成及连接方式与具体实施方式四相同。

如此设置，多功能灵巧机器人7主要用于拼接次镜，同时也可以辅助可伸缩机械手3，增大可伸缩机械手3的工作范围，对于一些距离较远的零件抓取，可以通过多功能灵巧机器人7与可伸缩机械手3配合的工作模式进行。

具体实施方式六：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五所述多功能灵巧机器人7作进一步限定，本实施方式中，所述多功能灵巧机器人7包括两个固定臂和一个工作臂，两个固定臂用于与适配器5进行机械锁紧和电气连接，工作臂用于抓取零件。其它组成及连接方式与具体实施方式五相同。

本实施方式中，多功能灵巧机器人7中每个固定臂具有7个关节自由度，工作臂也具有7个关节自由度。

具体实施方式七：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式六所述模块化子镜6作进一步限定，本实施方式中，所述每个模块化子镜6上带有机械锁紧和电气连接接口，若干个模块化子镜6通过可伸缩机械臂3依次抓取拼接形成主镜14，主镜14呈正六边形，主镜14的中心为三镜模块11，主镜14设置在航天器平台1上。其它组成及连接方式与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式七所述次镜支架10作进一步限定，本实施方式中，所述三个次镜支架10通过可伸缩机械臂3依次抓取设置在主镜14的上表面上，且每个次镜支架10的一端与主镜14中的一个模块化子镜6固定连接，且任意两个次镜支架10之间的夹角为120°。其它组成及连接方式与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式七所述次镜模块9作进一步限定，本实施方式中，所述次镜模块9通过可伸缩机械臂3抓取安装在三个次镜支架10的另一端上，次镜模块9和三个次镜支架10与对应模块化子镜6的固接点组成四面体结构。其它组成及连接方式与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式七所述挡光环结构安装基座13作进一步限定，本实施方式中，所述挡光环结构安装基座13为六边形结构，且挡光环结构安装基座13的六角处与主镜14六边形顶点的模块化子镜6对应固接。其它组成及连接方式与具体实施方式八相同。

具体实施方式十一：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式七所述挡光环结构12作进一步限定，本实施方式中，所述挡光环结构12为中空的六棱柱结构，挡光环结构12通过可伸缩机械臂3和多功能灵巧机器人7配合抓取安装在挡光环结构安装基座13上，且三个次镜支架10和次镜模块9组成的四面体结构设置在挡光环结构12中。其它组成及连接方式与具体实施方式八相同。

结合具体实施方式七至具体实施方式十一进行说明，以上实施方式中，模块化子镜6、次镜模块9、次镜支架10、挡光环结构12和挡光环结构安装基座13都是所要发射的天文望远镜的组成部分，上述部分配合航天器平台1和三镜模块11共同组成了空间望远镜。

工作原理

本次工作原理阐述将组成主镜14的若干个模块化子镜6单独放置在第一个货运舱4中，次镜模块9和三个次镜支架10放置在第二个货运舱4中，挡光环结构12和挡光环结构安装基座13放置在第三个货运舱4中，并将第一个货运舱4随航天器平台1在同一个运载火箭输送，随后逐一发射第二个货运舱4和第三个货运舱4中；

当搭载有若干个模块化子镜6的货运舱4随航天器平台1进入到预定轨道后，可伸缩机械手3逐一将货运舱4中模块化子镜6围绕着三镜模块11的周向进行拼接，并将依次将所有模块化子镜6拼接主镜14，待主镜14拼接完成后，第一个货运舱4与航天器平台1脱离，为第二个货运舱4让位；

发射搭载有次镜模块9和三个次镜支架10的第二个货运舱4，使其与航天器平台1配合连接，通过可伸缩机械手3先将三个次镜支架10逐一放置在指定位置，并将每个次镜支架10的一端与所在模块化子镜6通过基座固接，再利用多功能机械手7和可伸缩机械手3配合将次镜模块9安装在三个次镜支架10的顶部，组成次镜部；待次镜部拼接完成后，第二个货运舱4与航天器平台1脱离，为第三个货运舱4让位；

发射搭载有挡光环结构12和挡光环结构安装基座13的第三个货运舱4，使其与航天器平台1配合连接，通过可伸缩机械手3先将挡光环结构安装基座13沿主镜14的轮廓安装在主镜14上，再利用多功能机械手7和可伸缩机械手3配合将挡光环结构12安装在挡光环结构安装基座13上，实现了整体的望远镜拼接。

Claims (6)

1.基于多空间机器人的超大型空间望远镜在轨组装系统，其特征在于：所述组装系统包括航天器平台（1）、计量环（2）、可伸缩机械臂（3）、货运舱（4）、三镜模块（11）和两个太阳翼帆板（8），所述三镜模块（11）位于航天器平台（1）的顶端的中心处，且三镜模块（11）与航天器平台（1）的顶部固定连接，两个太阳翼帆板（8）沿周向等距安转在航天器平台（1）的外圆面上，计量环（2）设置在航天器平台（1）的下方，且计量环（2）的一端与航天器平台（1）的底部固定连接，货运舱（4）设置在计量环（2）的下部，且货运舱（4）与计量环（2）拆卸连接，可伸缩机械臂（3）设置在计量环（2）上，且可伸缩机械臂（3）通过滑动块与计量环（2）滑动连接，伸缩机械臂（3）可沿计量环（2）的周向滑动，且可伸缩机械臂（3）用于抓取货运舱（4）中的零件；

所述可伸缩机械臂（3）与滑动块通过球铰进行连接，可伸缩机械臂（3）通过滑动块与计量环（2）实现滑动连接，可伸缩机械臂（3）可沿计量环（2）的轴线进行360°圆周旋转运动，可伸缩机械臂（3）本身具有9个自由度，包括7个关节的旋转自由度和2个臂杆的移动自由度，可伸缩机械臂（3）通过与滑动块铰接，实现可伸缩机械臂（3）相对于计量环（2）进行摆动；

所述货运舱（4）为圆柱形结构，货运舱（4）沿周向依次设有模块化子镜放料舱、次镜模块放料舱、次镜支架放料舱、挡光环结构安装基座放料舱和挡光环结构放料舱，若干个模块化子镜（6）、次镜模块（9）、三个次镜支架（10）、挡光环结构（12）和挡光环结构安装基座（13）对应放入在各个放料舱中，且每个放料舱上设有拉门；

所述货运舱（4）为拼装结构，使用后的货运舱（4）与航天器平台（1）保持连接，后续的货运舱（4）通过自带的计量环（2）依次与在先的货运舱（4）连接；

所述货运舱（4）的外壁上沿圆周方向均布设有若干适配器（5），每个适配器（5）自身携带大容差浮动电连接器；

所述货运舱（4）的外壁上还设有多功能灵巧机器人（7），多功能灵巧机器人（7）自身携带可充电电池，多功能灵巧机器人（7）通过适配器（5）和货运舱（4）实现机械锁紧和电气连接。

2.根据权利要求1中所述的基于多空间机器人的超大型空间望远镜在轨组装系统，其特征在于：所述多功能灵巧机器人（7）包括两个固定臂和一个工作臂，两个固定臂用于与适配器（5）进行机械锁紧和电气连接，工作臂用于抓取零件。

3.根据权利要求1中所述的基于多空间机器人的超大型空间望远镜在轨组装系统，其特征在于：所述每个模块化子镜（6）上带有机械锁紧和电气连接接口，若干个模块化子镜（6）通过可伸缩机械臂（3）依次抓取拼接形成主镜（14），主镜（14）呈正六边形，主镜（14）的中心为三镜模块（11），主镜（14）设置在航天器平台（1）上。

4.根据权利要求1中所述的基于多空间机器人的超大型空间望远镜在轨组装系统，其特征在于：所述三个次镜支架（10）通过可伸缩机械臂（3）依次抓取设置在主镜（14）的上表面上，且每个次镜支架（10）的一端与主镜（14）中的一个模块化子镜（6）固定连接，且任意两个次镜支架（10）之间的夹角为120°。

5.根据权利要求1中所述的基于多空间机器人的超大型空间望远镜在轨组装系统，其特征在于：所述次镜模块（9）通过可伸缩机械臂（3）抓取安装在三个次镜支架（10）的另一端上，次镜模块（9）和三个次镜支架（10）与对应模块化子镜（6）的固接点组成四面体结构。

6.根据权利要求1中所述的基于多空间机器人的超大型空间望远镜在轨组装系统，其特征在于：所述挡光环结构安装基座（13）为六边形结构，且挡光环结构安装基座（13）的六角处与主镜（14）六边形顶点的模块化子镜（6）对应固接；

所述挡光环结构（12）为中空的六棱柱结构，挡光环结构（12）通过可伸缩机械臂（3）和多功能灵巧机器人（7）配合抓取安装在挡光环结构安装基座（13）上，且三个次镜支架（10）和次镜模块（9）组成的四面体结构设置在挡光环结构（12）中。

Images