CN112550760A - 一种适用于空间光通信终端的锁紧及解锁模块 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种适用于空间光通信终端的锁紧及解锁模块，包括俯仰轴锁槽装置、方位轴锁槽装置、以及连接两者的旋转锁杆装置；俯仰轴锁槽装置包括俯仰轴支架，方位轴锁槽装置包括方位轴支架，俯仰轴支架和方位轴支架上均连接有能够伸缩的短行程直线运动机构；旋转锁杆装置包括旋转支撑杆、以及驱动旋转支撑杆转动的旋转电机。锁紧状态时，旋转支撑杆的两端分别卡入俯仰轴支架和方位轴支架的锁槽中并锁紧。本发明能够在火箭发射段以及不可链区牢固锁定光通信终端，具有常规解锁和破坏性解锁两套解锁方案，能够同时锁定两自由度，还可重复使用且可靠性高；并且锁紧之后，旋转电机可处于待机状态，以减小卫星功耗，以及延长旋转电机的寿命。

Description

一种适用于空间光通信终端的锁紧及解锁模块

技术领域

本发明属于航天器技术领域，具体涉及一种适用于空间光通信终端的锁紧及解锁模块。

背景技术

空间光通信链路建立的前提是光束发射端与接收端成功瞄准以及在卫星运动过程中光束仍能保持对准。若需做到上述要求，则空间光通信终端需具有二维转动(俯仰转动和方位转动)的能力，一般通过二维转台转动，进而实现精密的指向。转台的转动自由度是释放的，尽管电机本身具有一定的保持力矩，但该力矩不足以克服卫星航天器发射主动段的力学条件，因此需要额外使用锁紧装置，更为重要的是，空间通信链路并不是在任意时刻都具备建链条件，卫星轨道分为可链区与不可链区，在不可链区二维转台应保持在零位，若无锁紧装置，则保持力矩由电机持续提供，如此一来，卫星入轨道后电机将持续工作，直至卫星报废，这种工作方式将降低电机在轨寿命，增加卫星用电负载。

传统转台轴系锁紧及解锁模块，解锁采用火工拔销器或火工解锁装置，采用火工解锁装置能够有效实现锁紧和解锁，但其缺点也越来越明显，火工装置只能一次性使用，且使用、存储流程均较复杂，解锁时火药产生的爆炸冲击大，爆炸产生的解锁冲击对精密的光学载荷产生潜在的风险。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种能够重复使用的适用于空间光通信终端的锁紧及解锁模块。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种适用于空间光通信终端的锁紧及解锁模块，具有锁紧状态和解锁状态，锁紧及解锁模块包括安装在二维转台的俯仰轴系上的俯仰轴锁槽装置、安装在二维转台的方位轴系上的方位轴锁槽装置、以及一端可与仰轴锁槽装置连接且另一端可与方位轴锁槽装置连接的旋转锁杆装置；俯仰轴锁槽装置包括与俯仰轴系固接的具有锁槽的俯仰轴支架，方位轴锁槽装置包括与方位轴系固接的也具有锁槽的方位轴支架，俯仰轴支架和方位轴支架上均连接有能够伸缩的短行程直线运动机构；旋转锁杆装置包括旋转支撑杆、以及驱动旋转支撑杆转动的带有抱闸的旋转电机，旋转电机安装在方位轴系上；在锁紧状态时，旋转支撑杆的两端分别卡入俯仰轴支架和方位轴支架的锁槽中，短行程直线运动机构伸出对锁槽中的旋转支撑杆限位；在解锁状态时，短行程直线运动机构缩回解除对旋转支撑杆的限位，旋转电机驱动旋转支撑杆转动以离开俯仰轴支架和方位轴支架的锁槽。

本发明的锁紧及解锁模块能够在火箭发射段以及不可链区牢固锁定光通信终端，能够同时锁定两自由度(俯仰轴系和方位轴系的转动)，还可重复使用(多次锁紧和解锁)且可靠性高；并且锁紧之后，旋转电机可处于待机状态，以减小卫星功耗，以及延长旋转电机的寿命。

在本发明的一种优选实施方式中，旋转支撑杆由金属制成，俯仰轴支架和方位轴支架上均设有能够感应旋转支撑杆靠近的金属传感器，金属传感器设在锁槽根部处。

上述技术方案中，锁紧过程中，当两个金属传感器同时探测到金属信号时，说明旋转支撑杆即将到达限位点，作为关闭旋转电机的信号。

在本发明的一种优选实施方式中，旋转支撑杆的两端均设有锁芯装置，锁芯装置包括与旋转支撑杆端部固接的拉绳，拉绳远离旋转支撑杆的一端固接有锁紧螺母，拉绳外套设有锁紧块，锁紧块的一端与锁紧螺母螺纹连接，在拉绳的拉力下，锁紧块的另一端与旋转支撑杆的端部抵紧，锁紧块上还设有能够将所述拉绳切断的切断件；在锁紧状态时，锁紧块卡入锁槽中，两个切断件位于俯仰轴支架和方位轴支架相对设置的内侧。

上述技术方案中，当短行程直线运动机构故障造成无法解锁时，启动两个锁芯装置的切断件，切断件切断拉绳，进而完成破坏性解锁，使本发明具有常规解锁和破坏性解锁两种方式，进一步提高可靠性，具有更高的安全性。

在本发明的一种优选实施方式中，切断件为电热刀片、震动刀片或电动伸缩刀片，电热刀片/震动刀片/电动伸缩刀片的刀尖伸入锁紧块内部并靠近拉绳设置。由此当短行程直线运动机构故障造成无法解锁时，启动电热刀片/震动刀片/电动伸缩刀片均可切断拉绳，完成破坏性解锁。

在本发明的一种优选实施方式中，锁紧块包括颈部和位于颈部两端的限位凸出部，锁紧状态时，锁紧块的颈部卡设在锁槽中，锁紧块的两个限位凸出部分别位于俯仰轴支架/方位轴支架的两侧，切割件设在内侧的限位凸出部上。

采用上述技术方案，在切断拉绳后，两个锁芯装置分别卡设在俯仰轴支架和方位轴支架上，避免锁芯装置脱离而碰撞空间光通信终端的零部件。

在本发明的另一种优选实施方式中，俯仰轴支架和方位轴支架均为弧形块结构，限位凸出部为与俯仰轴支架/方位轴支架弧面配合的弧形块结构。由此，在俯仰轴系和方位轴系转动到设定角度情况下，锁紧块可在俯仰轴支架和方位轴之间的锁槽内部自由滑动。

在本发明的另一种优选实施方式中，锁紧块与旋转支撑杆采用花键连接的方式实现周向限位。

在本发明的另一种优选实施方式中，锁紧块具有环向间隔设置的凸起，凸起与凸起之间形成卡槽，旋转支撑杆的端部具有与卡槽卡接配合的凸块。由此通过卡槽与凸块的结构完成锁紧块与旋转支撑杆的定位，结构简单。

在本发明的另一种优选实施方式中，旋转电机输出轴的轴线垂直于旋转支撑杆的轴线设置，旋转支撑杆的中部与旋转电机输出轴固接。由此将旋转电机安装在俯仰轴锁槽装置和方位轴锁槽装置之间，结构更紧凑，而且旋转支撑杆与俯仰轴锁槽装置和方位轴锁槽装置连接的两端受力更均匀。

在本发明的另一种优选实施方式中，俯仰轴支架和方位轴支架均为U字形结构，锁槽为U字形结构的开口槽。

与现有技术相比本发明具有如下有益效果：

1)本发明的锁紧及解锁模块能够在火箭发射段以及不可链区牢固锁定光通信终端，能够同时锁定两自由度。

2)本发明的锁紧及解锁模块的锁紧及解锁主要依靠短行程直线运动机构，短行程直线运动机构具备多次使用的能力，因此本发明的锁紧及解锁模块具备重复使用能力。

3)本发明的锁紧及解锁模块装有电热刀片，以防短行程直线运动机构故障造成无法常规解锁，使本发明具备两解锁方式，具备更高的安全性。

4)本发明的锁紧及解锁模块在轨道非链区域上锁之后，空间光通信终端上的旋转电机可以处于待机状态，以减小卫星功耗，以及延长旋转电机寿命。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是实施例的锁紧及解锁模块安装在空间光通信终端上的示意图，处于锁紧状态。

图2是实施例中的俯仰轴锁槽装置的结构示意图。

图3是实施例中的方位轴锁槽装置的结构示意图。

图4是实施例中的俯仰轴支架和方位轴之间的结构示意图。

图5是实施例中的旋转锁杆装置的结构示意图。

图6是与俯仰轴锁槽装置连接的锁芯装置的爆炸示意图。

图7是与方位轴锁槽装置连接的锁芯装置的装配示意图。

图8是实施例中的锁紧块的结构示意图。

说明书附图中的附图标记包括：俯仰轴锁槽装置100、俯仰轴支架110、锁槽111、短行程直线运动机构120、主体121、伸缩轴122、金属传感器130、旋转锁杆装置200、旋转支撑杆210、凸块211、旋转电机220、旋转电机输出轴221、锁芯装置230、锁紧螺母231、锥形凸起2311、拉绳232、锁紧块233、颈部2331、外限位凸出部2332、内限位凸出部2333、凸起2334、卡槽2335、电热刀片234、方位轴锁槽装置300、方位轴支架310。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，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“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供了一种适用于空间光通信终端的锁紧及解锁模块，该锁紧及解锁模块具有锁紧状态和解锁状态。如图1所示，在本发明的一种优选实施方式中，该锁紧及解锁模块包括安装在空间光通信终端的二维转台的俯仰轴系上的俯仰轴锁槽装置100、安装在二维转台的方位轴系上的方位轴锁槽装置300、以及一端可与仰轴锁槽111装置连接且另一端可与方位轴锁槽装置300连接的旋转锁杆装置200。比如俯仰轴系位于方位轴系的上方，在锁紧状态时，旋转锁杆装置200的上端与俯仰轴锁槽装置100连接并锁紧，旋转锁杆装置200的下端与方位轴锁槽装置300连接并锁紧。

如图2和图3所示，其中，俯仰轴锁槽装置100包括与俯仰轴系通过螺栓连接的具有锁槽111的俯仰轴支架110，方位轴锁槽装置300包括与方位轴系固接的也具有锁槽111的方位轴支架310。俯仰轴支架110和方位轴支架310上均连接有能够伸缩的短行程直线运动机构120，短行程直线运动机构120具备多次使用的能力，短行程直线运动机构120包括通过螺栓安装在俯仰轴支架110上的主体121和与主体121连接的伸缩轴122，具体地，短行程直线运动机构120可以但不限于为推拉式电磁铁、电推杆(断电伸出)或其余直线运动机构。

如图1所示，俯仰轴锁槽装置100与方位轴锁槽装置300的结构相同，两者以旋转支撑杆210的旋转中心180°旋转对称设置。如图4所示，俯仰轴支架110和方位轴支架310均为以旋转支撑杆210的旋转中心为中心的弧形块结构，且俯仰轴支架110和方位轴支架310均为U字形结构，锁槽111为U字形结构的开口槽，比如图1中所示的俯仰轴支架110的锁槽111开口位于右侧，方位轴支架310的锁槽111开口位于左侧。优选地，俯仰轴支架110的内侧和外侧均具有缓冲层，方位轴支架310的内侧和外侧也具有缓冲层，缓冲层由弹性材料制成，以减缓锁紧之后俯仰轴系和方位轴系因振动产生的冲击。

如图1和图5所示，其中，旋转锁杆装置200包括旋转支撑杆210、以及驱动旋转支撑杆210转动的带有抱闸的旋转电机220，旋转电机220通过螺栓安装在方位轴系上，比如旋转电机220为抱闸式步进电机，其可正反转。优选地，旋转电机输出轴221横向设置，旋转电机输出轴221的轴线垂直于旋转支撑杆210的轴线设置，旋转支撑杆210的中部与旋转电机输出轴221固接，比如旋转电机输出轴221的侧壁上具有通孔，旋转支撑杆210穿过通孔，焊接或用挡圈轴向限位，由此使旋转支撑杆210与旋转电机输出轴221固接。

在锁紧状态时，旋转支撑杆210的两端分别卡在俯仰轴支架110和方位轴支架310的锁槽111中，短行程直线运动机构120伸出对锁槽111中的旋转支撑杆210限位，防止旋转支撑杆210在锁槽111中滑动。解锁时，短行程直线运动机构120缩回解除对旋转支撑杆210的限位，旋转电机220驱动旋转支撑杆210顺时针转动以离开俯仰轴支架110和方位轴支架310的锁槽111，优选旋转支撑杆210转至水平状态后停止。解锁后，短行程直线运动机构120伸出而恢复初始状态，解锁后，方位轴系与俯仰轴系皆可在行程范围内自由转动。

使用本发明的锁紧及解锁模块在轨道不可链区对二维转台锁紧之后，旋转电机220可处于待机状态，以减小卫星功耗，以及延长旋转电机220的寿命。

如图2和图3所示，在本发明的另一种优选实施方式中，旋转支撑杆210由金属制成，俯仰轴支架110和方位轴支架310均由非金属材料制成，俯仰轴支架110和方位轴支架310上均通过螺栓连接有能够感应旋转支撑杆210靠近的金属传感器130，金属传感器130设在锁槽111根部处，比如两个金属传感器130分别设在俯仰轴支架110的左端和方位轴支架310的右端。

如图5-图7所示，在本发明的另一种优选实施方式中，旋转支撑杆210的两端均设有锁芯装置230，锁芯装置230包括与旋转支撑杆210端部固接的拉绳232，拉绳232远离旋转支撑杆210的一端固接有锁紧螺母231，拉绳232外套设有由金属制成的锁紧块233，锁紧块233的一端与锁紧螺母231螺纹连接，在拉绳232的拉力作用下，锁紧块233的另一端与旋转支撑杆210的端部抵紧，优选锁紧块233与旋转支撑杆210采用花键连接的方式实现周向限位。当拧紧锁紧螺母231后，拉绳232会被拉紧，同时锁紧螺母231、锁紧块233和旋转支撑杆210三者会被压紧。

锁紧块233上还通过螺栓连接有电热刀片234，电热刀片234的刀尖伸入锁紧块233内部并靠近拉绳232设置。结合图1所示，在锁紧状态时，锁紧块233卡在锁槽111中，两个电热刀片234位于俯仰轴支架110和方位轴支架310相对设置的内侧。

需要说明的是，除了上述采用电热刀片34切断拉绳232的方式，还可采用震动刀片或电动伸缩刀片等切断件来切断拉绳234。采用震动刀片时，震动刀片震动并与拉绳接触以切断拉绳234；采用电动伸缩刀片时，电动伸缩刀片往复直线运动以切断拉绳234。

如图6所示，在另一优选的实施方式中，锁紧螺母231具有套设在拉绳232外的锥形凸起2311，锁紧块233具有与锥形凸起2311锥面配合的锥形孔，当拧紧锁紧螺母231后，锥面配合的方式使得锁紧螺母231与拉绳232索之间的连接会愈加牢固。

如图8所示，在另一优选的实施方式中，锁紧块233包括颈部2331和位于颈部2331两端的限位凸出部，分别为外限位凸出部2332和内限位凸出部2333。在锁紧状态时，锁紧块233的颈部2331卡设在锁槽111中，锁紧块233的外限位凸出部2332和内限位凸出部2333分别位于俯仰轴支架110/方位轴支架310的外侧和内侧，电热刀片234设在内限位凸出部2333上，优选限位凸出部为弧形块结构，其与俯仰轴支架110/方位轴支架310弧面配合。

如图6-图8所示，在另一优选的实施方式中，锁紧块233的内限位凸出部2333上具有环向间隔设置的凸起2334，凸起2334与凸起2334之间形成卡槽2335，旋转支撑杆210的端部具有与卡槽2335卡接配合的凸块211。凸块211的凸出高度较低，仅起定位作用，在拉绳232被切断后，旋转支撑杆210能够与锁紧块233分离。

在未锁定时，方位轴系与俯仰轴系皆可在行程范围内自由转动，旋转支撑杆210处于水平状态,俯仰轴锁槽装置100和方位轴锁槽装置300的短行程直线运动机构120的伸缩轴122处于伸出状态。

锁紧过程如下：将俯仰轴系与方位轴系转动到设定的角度，然后控制旋转电机220缓慢沿逆时针转动，旋转电机220驱动旋转支撑杆210逆时针转动，同时控制两个短行程直线运动机构120的伸缩轴122缩回使其不挡住旋转支撑杆210的运动，当俯仰轴锁槽装置100和方位轴锁槽装置300的两个金属传感器130同时探测到金属信号时，说明旋转支撑杆210端部的锁紧块233即将到达限位点(锁槽111根部)，此时关闭旋转电机220。接下来，控制短行程直线运动机构120的伸缩轴122伸出，限制旋转支撑杆210在俯仰轴支架110和方位轴支架310的锁槽111中的活动空间，完成锁紧。

常规解锁过程为锁紧过程的逆过程，具体过程如下：控制短行程直线运动机构120的伸缩轴122缩回，保证旋转支撑杆210在俯仰轴支架110和方位轴支架310的锁槽111中的运动不受阻拦。接下来控制旋转电机220缓慢沿顺时针方向旋转，旋转电机220使旋转支撑杆210逆时针转动，旋转支撑杆210上的锁芯装置230离开俯仰轴支架110和方位轴支架310，直至旋转支撑杆210运动至水平状态，关闭旋转电机220，然后控制短行程直线运动机构120的伸缩轴122伸出而恢复初始状态，完成解锁。

当短行程直线运动机构120发生故障造成无法常规解锁时，则启用破坏性解锁方案，具体过程如下：启动两个锁芯装置230的电热刀片234，电热刀片234加热割断拉绳232，此时旋转支撑杆210与两端的俯仰轴锁芯装置230和方位轴锁芯装置230断开连接，然后控制旋转电机220缓慢沿顺时针方向旋转，旋转电机220驱动旋转支撑杆210旋转至水平状态，完成破坏性解锁。

在本说明书的描述中，参考术语“优选的实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种适用于空间光通信终端的锁紧及解锁模块，具有锁紧状态和解锁状态，其特征在于，所述锁紧及解锁模块包括安装在二维转台的俯仰轴系上的俯仰轴锁槽装置、安装在二维转台的方位轴系上的方位轴锁槽装置、以及一端可与所述仰轴锁槽装置连接且另一端可与所述方位轴锁槽装置连接的旋转锁杆装置；

所述俯仰轴锁槽装置包括与俯仰轴系固接的具有锁槽的俯仰轴支架，所述方位轴锁槽装置包括与方位轴系固接的也具有锁槽的方位轴支架，俯仰轴支架和方位轴支架上均连接有能够伸缩的短行程直线运动机构；

所述旋转锁杆装置包括旋转支撑杆、以及驱动旋转支撑杆转动的带有抱闸的旋转电机，所述旋转电机安装在方位轴系上；

在所述锁紧状态时，旋转支撑杆的两端分别卡在俯仰轴支架和方位轴支架的锁槽中，所述短行程直线运动机构伸出对锁槽中的旋转支撑杆限位；

在所述解锁状态时，所述短行程直线运动机构缩回解除对旋转支撑杆的限位，所述旋转电机驱动所述旋转支撑杆转动以离开所述俯仰轴支架和方位轴支架的锁槽。

2.如权利要求1所述的一种适用于空间光通信终端的锁紧及解锁模块，其特征在于，所述旋转支撑杆由金属制成，所述俯仰轴支架和方位轴支架上均设有能够感应旋转支撑杆靠近的金属传感器，所述金属传感器设在锁槽根部处。

3.如权利要求1所述的一种适用于空间光通信终端的锁紧及解锁模块，其特征在于，所述旋转支撑杆的两端均设有锁芯装置，所述锁芯装置包括与所述旋转支撑杆端部固接的拉绳，拉绳远离旋转支撑杆的一端固接有锁紧螺母，拉绳外套设有锁紧块，锁紧块的一端与锁紧螺母螺纹连接，在拉绳的拉力下，锁紧块的另一端与所述旋转支撑杆的端部抵紧，所述锁紧块上还设有能够将所述拉绳切断的切断件；

在所述锁紧状态时，所述锁紧块卡入所述锁槽中，两个所述切断件位于俯仰轴支架和方位轴支架相对设置的内侧。

4.如权利要求3所述的一种适用于空间光通信终端的锁紧及解锁模块，其特征在于，所述切断件为电热刀片、震动刀片或电动伸缩刀片，电热刀片/震动刀片/电动伸缩刀片的刀尖伸入锁紧块内部并靠近拉绳设置。

5.如权利要求3所述的一种适用于空间光通信终端的锁紧及解锁模块，其特征在于，所述锁紧块包括颈部和位于颈部两端的限位凸出部，所述锁紧状态时，锁紧块的颈部卡设在所述锁槽中，锁紧块的两个限位凸出部分别位于俯仰轴支架/方位轴支架的两侧，所述切断件设在内侧的限位凸出部上。

6.如权利要求5所述的一种适用于空间光通信终端的锁紧及解锁模块，其特征在于，所述俯仰轴支架和方位轴支架均为弧形块结构，所述限位凸出部为与所述俯仰轴支架/方位轴支架弧面配合的弧形块结构。

7.如权利要求3所述的一种适用于空间光通信终端的锁紧及解锁模块，其特征在于，所述锁紧块与旋转支撑杆采用花键连接的方式实现周向限位。

8.如权利要求7所述的一种适用于空间光通信终端的锁紧及解锁模块，其特征在于，所述锁紧块具有环向间隔设置的凸起，凸起与凸起之间形成卡槽，所述旋转支撑杆的端部具有与所述卡槽卡接配合的凸块。

9.如权利要求1-8中任一项所述的一种适用于空间光通信终端的锁紧及解锁模块，其特征在于，所述旋转电机输出轴的轴线垂直于旋转支撑杆的轴线设置，所述旋转支撑杆的中部与旋转电机输出轴固接。

10.如权利要求1-8中任一项所述的一种适用于空间光通信终端的锁紧及解锁模块，其特征在于，所述俯仰轴支架和方位轴支架均为U字形结构，所述锁槽为U字形结构的开口槽。

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