CN113608346B - 超大型太空望远镜模块化子镜拼接方案及标准化接口 - Google Patents

Abstract

超大型太空望远镜模块化子镜拼接方案及标准化接口，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推进能力差无法满足超大型太空望远镜主镜部光学元件运载需求的问题、太空望远镜子镜模块化设计问题以及大型空间设备标准化接口设计问题。本发明通过将超大口径太空望远镜设计成标准的模块化形式，利用运载火箭将模块一次或分多次送入预定位置，利用空间机械臂系统夹持模块进行在轨装配操作，并利用模块上的标准化接口进行最后的锁紧，可以彻底突破运载工具的限制。本发明合理的标准化接口设计可以确保系统具备一定的刚度、强度、可靠性和抗干扰能力，使得大型、超大型空间设备在轨建造成为可能。

Description

超大型太空望远镜模块化子镜拼接方案及标准化接口

技术领域

本发明属于航天器在轨服务技术领域，具体涉及超大型太空望远镜模块化子镜拼接方案及标准化接口设计。

背景技术

大型太空望远镜相比于地面望远镜具备不受地球大气干扰、图像清晰度高等优势，可以被用作未知天体的观测、空间目标监视和地面环境监测，这对提高我国太空探索能力和空间对抗能力起到了关键的作用。太空望远镜的口径越大其分辨能力越高，目前最大的太空望远镜是2.4m的哈勃望远镜，但是其口径已经不能满足需求，所以如何在轨装配大口径的太空望远镜成为热点研究问题。

在传统的一体式发射方式中，航天器受到运载火箭推送能力以及整流罩体积约束限制，现有的运载火箭无法满足大型太空望远镜的运载需求。运载火箭推送能力限制给大型航天器的部署带来较大难度，严重制约我国空间技术的发展，而空间在轨装配技术的出现使得建造大型空间设备成为可能。大型太空望远镜主镜部由六边形的标准化子镜模块组成，随着望远镜口径变大，需要的标准化子镜数量增加，传统的利用空间机械臂将模块化子镜逐一装配的方法耗时长，且多次操作会影响主镜部的配合精度。为了解决在现有运载能力下建造大口径太空望远镜的难题，研发超大型太空望远镜模块化子镜拼接方案及标准化接口结构设计是非常必要的。

此外，大型太空望远镜在轨建造的第一步是需要望远进行模块化设计，其中模块化子镜的连接直接影响大型太空望远镜的镜面精度与机械臂的装配操作难度，需要设计具备机械与电气连接能力的标准化接口，同时标准化接口应具备可靠的解锁能力。而现有的标准化接口体积大，可靠性低，电气连接不可靠，连接形式复杂，这严重影响太空望远镜主镜部镜面拼接精度，给空间机械臂在轨装配带来难度，而且现有标准化接口往往不具备可靠的解锁能力，这给太空望远镜系统后续的维修与升级任务带来困难。

发明内容

本发明为了解决大型太空望远镜模块化子镜之间锁紧与解锁不可靠，拼接方案不成熟的现状，进而提供一种超大型太空望远镜模块化子镜拼接方案及标准化接口结构；

本发明所采取的技术方案是：

超大型太空望远镜模块化子镜拼接方案，包括以下步骤：

S1.通过运载火箭一次或分多次将模块化子镜送入预定轨道；

S2.利用可伸缩空间机械臂夹持模块化子镜进行在轨装配操作；

S3.利用模块化子镜上的标准化接口进行最后的锁紧；

S4.通过可再生多分支超冗余空间机器人可以实现超大口径太空望远镜模块化子镜的在轨更换与维护。

超大型太空望远镜模块化子镜的标准化接口，包括定位锥、定位孔、锁紧锥台、锁紧套筒、锁舌、电磁机构及电连接器；所述锁紧锥台底面安装在子镜单元支撑体上，锁紧锥台和锁紧套筒套装配合，所述锁紧套筒内腔上端向外连通延伸两个插筒，所述锁紧锥台上有环形槽，电磁机构与锁舌组合，所述锁舌、环形槽以及两个插筒位于锁紧套筒的同一径线上，安装在子镜单元支撑体上的大容差的电连接器可以保证模块化子镜与三镜模块、模块化子镜之间的电气连接。

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过将超大口径太空望远镜设计成标准的模块化形式，利用运载火箭将模块一次或分多次送入预定位置，利用空间机械臂系统夹持模块进行在轨装配操作，并利用模块上的标准化接口进行最后的锁紧，可以彻底突破运载工具的限制，使得建造大型空间设备成为可能，同时使模块化的大型空间设备具有传统一体式设备所不具备的可维修性、可拓展性和经济性。

2、本发明模块与模块之间、机械臂与模块之间均需要依靠标准化的接口进行连接。而标准化接口设计技术是空间大型设备模块化技术的核心，合理的标准化接口设计可以确保系统具备一定的刚度、强度、可靠性和抗干扰能力，使得大型、超大型空间设备在轨建造成为可能。

附图说明

图1是本发明中超大型太空望远镜主镜系统装配完成后的示意图；

图2是本发明中模块化子镜体装配顺序示意图；

图3是本发明中模块化子镜体结构示意图；

图4是本发明中标准化接口示意图；

图5是本发明中锁紧套筒机械图纸；

图6是本发明中锁紧锥台机械图纸；

图7是本发明中定位孔机械图纸；

图8是本发明中定位锥机械图纸；

其中：1、货运仓；2、可旋转航天器平台；3、太阳翼翻板；4、可伸缩空间机械臂；5、三镜模块；6、适配器；7、可再生多分支超冗余空间机器人；8、模块化子镜；9、子镜单元支撑体；10、标准化接口；11、主动光学调整机构；12、子镜镜体；13、定位锥；14、定位孔；15、锁紧锥台；16、锁紧套筒；17、锁舌；18、电磁机构；19、电连接器；20、目标适配器。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明做进一步详细的描述。

所述模块化子镜8体积大，预拼接后的体积已经超出运载火箭的运载能力限制，无法在地面进行预拼接。通过运载火箭将单个模块化子镜运送到预定轨道，利用多空间机器人系统完成模块化子镜8的预拼接工作；

具体实施方式一：参照图1至图8说明本实施方式，本实施方式提供了超大型太空望远镜模块化子镜拼接方案，包括以下步骤：

S1.通过运载火箭一次或分多次将模块化子镜8送入预定轨道；

S2.利用可伸缩空间机械臂4夹持模块化子镜8进行在轨装配操作；

S3.利用模块化子镜8上的标准化接口10进行最后的锁紧；

S4.通过可再生多分支超冗余空间机器人7可以实现超大口径太空望远镜模块化子镜8的在轨更换与维护。

本实施方式中，组装系统包括货运仓1、可旋转航天器平台2、太阳翼翻板3、可伸缩空间机械臂4、三镜模块5、适配器6、可再生多分支超冗余空间机器人7和模块化子镜8。货运仓1位于最下端，所述可旋转航天器平台2位于货运仓1之上，可旋转航天器平台2主要分为两部分，与货运仓1固连的部分为固定部，另一部分为可旋转部，具备相对于固定部旋转的能力，两个太阳翼翻板3沿径向等距安装在可旋转航天器平台2的固定部上，所述可伸缩空间机械臂4位于可旋转航天器平台2的固定部上，可伸缩空间机械臂4可抓取搬运货运仓1中的模块化子镜8，可以进行模块化子镜8的装配操作，所述三镜模块5位于可旋转航天器平台2的轴线上，并与可旋转航天器平台2的旋转部固连，随着可旋转航天器平台2旋转部的转动而转动，货运仓1、可旋转航天器平台2上分布着适配器6，可再生多分支超冗余空间机器人7通过适配器6与舱体进行机械和电气连接，并可在适配器6之间攀爬以改变自身位置。

本实施方式中，依据将系统的功能集成到各个组成模块中同时减少各个模块之间的耦合性的原则将大口径太空望远镜进行模块划分，设计具有高强度、高可靠性的模块化子镜8。设计具备机械连接与电气连接能力的标准化接口10。通过运载火箭一次或分多次将模块化子镜8送入预定轨道，利用可伸缩空间机械臂4夹持模块进行在轨装配操作，模块化子镜8之间，模块化子镜8与三镜模块5之间通过标准化接口10完成机械与电气连接，并利用模块化子镜8上的标准化接口10进行最后的锁紧。通过可再生多分支超冗余空间机器人7可以实现超大口径太空望远镜模块化子镜8的在轨更换与维护。超大型空间设备在轨组装与维护技术的出现，使得在轨建造与维护超大口径太空望远镜成为可能。

具体实施方式二：参照图1～至图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一的S2作进一步限定，本实施方式中，需要综合考虑太空望远镜主镜部圈数、模块化子镜8形状特点以及机械臂操作难度，依据逐圈装配、便于机械臂操作等原则，设计模块化子镜8预拼接方案以及装配顺序。所述模块化子镜8拼接顺序如图2所示，为提升装配效率提高装配精度，六边形模块化子镜8被预先拼接成三种形式，并采用逐圈装配的顺序进行装配，详细的顺序如图2上标注的序号所示；

为了减少可伸缩空间机械臂4装配次数，提高系统精度与可靠性，在不影响运载工具运载能力与主镜结构性能的前提下，可以预先将模块化子镜8进行拼接，设计单子镜、双子镜、三子镜、五子镜与六子镜模块。并依照从内向外逐层装配的原则，设计如图2所示的装配顺序。其它组成及连接方式与具体实施方式二相同。

具体实施方式三：参照图1～至图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的模块化子镜8作进一步限定，本实施方式中，模块化子镜8由子镜单元支撑体9、标准化接口10、主动光学调整机构11、子镜镜体12以及目标适配器20组成；所述子镜镜体12通过主动光学调整机构11安装在子镜单元支撑体9上，子镜单元支撑体9上设有标准化接口10，所述目标适配器20与子镜单元支撑体9固连，可伸缩空间机械臂4的末端执行器通过抓持目标适配器20与模块化子镜8进行固连。子镜镜体12为大型太空望远镜的主要光学元件，主动光学调整机构11具备六自由度，可以保证子镜镜体12之间的拼接精度。其它组成及连接方式与具体实施方式二相同。

本实施方式中，子镜镜体12的精度由标准化接口10中的定位机构以及主动光学调整机构11共同保证，通过标准化接口10进行粗定位，在太空望远镜系统装配完成后，利用主动光学调整机构11对子镜镜体12进行精确调整。

标准化接口10具备定位机构和锁紧机构，可以实现定位、锁紧以及电气连接；

本实施方式中，可以根据大型太空望远镜的装配方案与机械臂的操作选择适配器的位置。当太空望远镜主镜部口径较小，仅由一圈子镜模块装配而成时，目标适配器20可以安装在子镜单元支撑体9的侧面，与标准化接口10对应，此时，可伸缩空间机械臂4末端适配器的方向与装配方向相同，便于可伸缩空间机械臂4的操作，使得可伸缩空间机械臂4末端柔顺控制难度降低。当太空望远镜的主镜部口径较大，需要采用多圈模块化子镜8拼接时，目标适配器20安装在子镜单元支撑体9的底部，此时需要调整可伸缩空间机械臂4的末端柔顺控制算法；

具体实施方式四：参照图1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再生多分支超冗余空间机器人7作进一步限定，可再生多分支超冗余空间机器人7由具有标准化模块接口的关节和被动伸缩臂杆组合多个分支，构成所需要的空间机器人构型，多个分支分为固定臂与工作臂，固定臂末端具备与航天器表面连接的适配器，起到移动和固定的目的。

本实施方式中，利用所述可再生多分支超冗余空间机器人7的工作臂分别抓取货运仓1内的模块化子镜8，并将利用两个工作臂将模块化子镜8进行预组装，重复该动作直至模块化子镜8按照模块化设计结果拼接成双子镜、三子镜、五子镜或六子镜模块；

具体实施方式五：参照图3至图8说明本实施方式，本实施方式是提供了超大型太空望远镜模块化子镜的标准化接口，包括定位锥13、定位孔14、锁紧锥台15、锁紧套筒16、锁舌17、电磁机构18及电连接器19；所述锁紧锥台15底面安装在子镜单元支撑体9上，锁紧锥台15和锁紧套筒16套装配合，所述锁紧套筒16内腔上端向外连通延伸两个插筒，所述锁紧锥台15上有环形槽，电磁机构18与锁舌17组合，所述锁舌17、环形槽以及两个插筒位于锁紧套筒16的同一径线上。

本实施方式中，模块化子镜8的标准化接口10具备定位、锁紧以及电气连接能力。其中标准化接口10的定位功能主要由定位锥13、定位孔14、锁紧锥台15、锁紧套筒16来保证。标准化接口10的机械锁紧能功能主要由锁紧锥台15、锁紧套筒16、锁舌17和电磁机构18实现。且具备大容差的电连接器19，可以保证模块化子镜8与三镜模块5、模块化子镜8之间的电气连接。

本实施方式中，电连接器19本身具备一定的容差，且其在标准化接口10定位机构完成粗定位后进行连接，可以保证电连接器19的顺利连接。

具体实施方式六：参照图3至图8说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五所述的标准化接口10作进一步限定，本实施方式中，所述定位孔14和锁紧套筒16具有导向锥面，该定位锥面的容差大小可以根据机械臂的定位精度进行调整，保证机械臂末端定位存在误差以及由于机械柔性带来的末端残余振动时，定位锥13与锁紧锥台15可以顺利插入定位孔和锁紧套筒中，进而保证装配任务的顺利完成。其它组成及连接方式与具体实施方式六相同。

具体实施方式七：参照图3至图8说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式六所述的标准化接口10的定位机构作进一步限定，本实施方式中，标准化接口10的定位锥13与锁紧锥台15为锥杆式的设计，其长度相同，可以限制模块化子镜8的三个旋转方向和两个移动自由度，且具备足够的容差能力，可以保证空间机器人系统在存在误差以及因为机械臂关节、臂杆柔性带来的末端振动时的顺利装配。其它组成及连接方式与具体实施方式七相同。

具体实施方式八：参照图3至图8说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式七所述的标准化接口10的锁紧机构作进一步限定，本实施方式中，标准化接口10的锁紧机构由锁紧锥台15、锁紧套筒16、锁舌17和电磁机构18组成，锁紧锥台15与锁紧套筒16通过锥面配合，锁紧锥台15上有环形槽，电磁机构18与锁舌17组合，可以实现电磁机构18断电时锁舌17弹出，通电时锁舌17收回。在模块化子镜8装配过程中，电磁机构18通电，锁舌17收回，装置处于解锁状态，在标准化接口10的定位机构完全配合后，电磁机构18断电，锁舌17弹出进入锁紧锥台15的环形槽中，装置处于锁紧状态。其它组成及连接方式与具体实施方式七相同。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (5)

1.一种超大型太空望远镜模块化子镜拼接方案，其特征在于：包括以下步骤：

S1.通过运载火箭一次或分多次将模块化子镜(8)送入预定轨道；

S2.利用可伸缩空间机械臂(4)夹持模块化子镜(8)进行在轨装配操作；

S3.利用模块化子镜(8)上的标准化接口(10)进行最后的锁紧，所述模块化子镜(8)由子镜单元支撑体(9)、标准化接口(10)、主动光学调整机构(11)以及子镜镜体(12)组成；所述子镜镜体(12)通过主动光学调整机构(11)安装在子镜单元支撑体(9)上，子镜单元支撑体(9)上设有标准化接口(10)，所述标准化接口(10)包括定位锥(13)、定位孔(14)、锁紧锥台(15)、锁紧套筒(16)、锁舌(17)、电磁机构(18)及电连接器(19)；所述锁紧锥台(15)底面安装在子镜单元支撑体(9)上，锁紧锥台(15)和锁紧套筒(16)套装配合，所述锁紧套筒(16)内腔上端向外连通延伸两个插筒，所述锁紧锥台(15)上有环形槽，电磁机构(18)与锁舌(17)组合，所述锁舌(17)、环形槽以及两个插筒位于锁紧套筒(16)的同一径线上，安装在子镜单元支撑体(9)上的大容差的电连接器(19)可以保证模块化子镜(8)与三镜模块(5)、模块化子镜(8)之间的电气连接；

S4.通过可再生多分支超冗余空间机器人(7)可以实现超大口径太空望远镜模块化子镜(8)的在轨更换与维护。

2.根据权利要求1所述的超大型太空望远镜模块化子镜拼接方案，其特征在于：在S2中，预先将子镜模块(8)进行拼接，设计单子镜、双子镜、三子镜、五子镜与六子镜模块，并依照从内向外逐层装配的原则装配。

3.根据权利要求1所述的超大型太空望远镜模块化子镜拼接方案，其特征在于：所述可再生多分支超冗余空间机器人(7)由具有标准化模块接口的关节和被动伸缩臂杆组合多个分支，构成所需要的空间机器人构型，多个分支分为固定臂与工作臂，固定臂末端具备与航天器表面连接的适配器，起到移动和固定的目的。

4.根据权利要求1所述的超大型太空望远镜模块化子镜拼接方案，其特征在于：所述定位孔(14)和锁紧套筒(16)具有导向锥面，该定位锥面的容差大小可以根据机械臂的定位精度进行调整，保证机械臂末端定位存在误差以及由于机械柔性带来的末端残余振动时，定位锥(13)与锁紧锥台(15)可以顺利插入定位孔和锁紧孔中，进而保证装配任务的顺利完成。

5.根据权利要求4所述的超大型太空望远镜模块化子镜拼接方案，其特征在于：定位锥(13)与锁紧锥台(15)为锥杆式的设计。

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