CN113815904A - 一种可在轨维护与替换的模块化能源系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可在轨维护与替换的模块化能源系统，包括电能转换模块以及储能及分配模块。其中，电能转换模块通过标准接口连接至卫星的主体，用于将太阳能转化为电能。储能及分配模块用于存储电能转换模块转化得到的电能，并分配给卫星的其他功能模块。储能及分配模块包括壳体、设置于所述壳体内部蓄电池组以及电源管理模块，且壳体表面包括至少一个标准接口，储能及分配模块通过标准接口连接至卫星的其他功能模块。

Description

一种可在轨维护与替换的模块化能源系统

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种可在轨维护与替换的模块化能源系统。

背景技术

在卫星中，能源系统用于整星的能源供应，是卫星的核心功能模块之一。所述能源系统一旦出现故障，将直接导致整星无法正常工作，因此，卫星的使用寿命与所述能源系统的稳定性及使用寿命息息相关。

现有的卫星系统中，能源系统通常根据卫星的初始任务需求配置，一旦发射入轨，则难以进行维修或扩展，极大地限制了卫星的在轨维修及延寿能力。

发明内容

针对现有技术中的部分或全部问题，本发明提供一种可在轨维护与替换的模块化能源系统，包括：

电能转换模块，用于将太阳能转化为电能，其通过标准接口连接至卫星的主体；以及

储能及分配模块，用于存储所述电能转换模块转化的电能并分配给卫星的其他功能模块，所述储能及分配模块包括：

壳体，其表面包括至少一个标准接口，所述储能及分配模块通过所述标准接口连接至卫星的其他功能模块；

蓄电池组，设置于所述壳体内部，电连接至所述标准接口，包括至少一个电池；以及

电源管理模块，设置于所述壳体内部，与所述蓄电池组可通信地连接，用于实现供配电管理。

进一步地，所述标准接口包括：

通电接口，用于供电传输；

通信模块，用于数据交互及通信；以及

磁吸模块，用于实现所述电能转换模块、储能及分配模块与卫星其他功能模块的物理连接。

进一步地，所述电源管理模块为板卡形式。

进一步地，所述电能转换模块包括太阳翼。

进一步地，所述太阳翼包括：

标准接口，设置于所述太阳翼的末端；以及

可折叠帆板，连接至所述标准接口。

进一步地，所述电能转换模块包括贴片太阳能模块。

进一步地，所述贴片太阳能模块为板式结构，且包括：

标准接口，设置于所述贴片太阳能模块的第二面；以及

太阳能片，设置于所述贴片太阳能模块的第一面。

本发明提供的一种可在轨维护与替换的模块化能源系统，通过标准接口与卫星的其他功能模块连接，具体而言，是通过电磁吸附的形式实现与卫星其他功能模块的物理连接，安装方便，因此，配合相应的操作机器人，可实现在轨扩展或更换，通过定期更换组成模块，能够提高卫星能源系统的在轨寿命。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1a-1d示出本发明一个实施例的一种可在轨模块化组装与重构的细胞卫星；

图2示出本发明一个实施例的一种用于细胞卫星的细胞单元的结构示意图；

图3示出本发明一个实施例的能源单元的结构示意图；

图4示出本发明一个实施例的太阳翼与细胞单元的连接示意图；

图5示出本发明一个实施例的三轴旋转单元的结构示意图；

图6a-6c示出本发明一个实施例的贴片太阳能模块的示意图；

图7示出本发明一个实施例的贴片太阳能模块与细胞单元的连接示意图；以及

图8示出本发明一个实施例中的操作机器人安装细胞单元的示意图。

具体实施方式

以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

为实现卫星的长期在轨维护和持续升级能力，可考虑从卫星各功能模块的在轨维护及持续升级着手。基于此，本发明提供一种可在轨维护与替换的模块化能源系统，其通过标准的细胞单元实现，例如可包括能源单元以及太阳翼等，其可应用于细胞卫星系统中。所述细胞卫星系统包括细胞卫星以及操作机器人，其中，所述细胞卫星由若干个细胞单元及太阳翼装配形成，所述操作机器人可安装于所述细胞单元表面，以进行细胞卫星的装配。所述细胞单元也可称为模块单元。所述细胞单元具备统一的形态及相应标准接口，在其上通过配置不同的器件或模块，使得任一所述细胞单元能够独立执行卫星平台的一个或多个功能，例如任务规划、能源分配、姿控、卫星推进等，不同功能的细胞单元可形成卫星产品库，在设计卫星时，根据任务及需求选择不同的细胞单元进行装配。借助所述操作机器人，所述卫星的装配可在地面进行，也可在太空中进行，同时还可实现在轨进化扩展。具体而言，在卫星装配或在轨过程中，均可根据最新的任务及需求，对所述卫星包含的细胞单元进行增加、删减或替换，并可根据细胞单元的数量及功能，对各细胞单元进行排列，进而装配形成不同的卫星形态，例如，各细胞单元可以排成一列；又例如，各细胞单元可以排成多列，且每列包含的细胞单元数量可以相同或不同；再例如，各细胞单元可以组合为多层结构，且任意一层所包含的细胞单元数量可以相同或不同，图1a-1d分别示出本发明各实施例的细胞卫星的结构示意图，应当理解的是，在实际应用中，所述细胞卫星包含的细胞单元数量，以及装配方式可以与图1a-1d中所示实施例不同。下面结合实施例附图，对本发明的方案做进一步描述。

在本发明中，所述“第一表面”是指细胞单元壳体的外表面，以及所述“第二表面”是指细胞单元壳体的内表面。

图2示出本发明一个实施例的一种用于细胞卫星的细胞单元的结构示意图。如图2所示，所述细胞单元为立方体结构，包括壳体、至少一个标准接口以及管理模块，其中，所述标准接口可设置于所述壳体的任意一侧的第一表面，所述标准接口用于承担机械连接、通信连接、供电等作用，所述管理模块设置于细胞单元内部。如图2所示，所述标准接口包括通电接口311、通信模块312以及磁吸模块，其中：

所述通电接口311，其包括顶针及弹片，其中，所述弹片设置于所述标准接口内部，与所述管理模块302连接，所述顶针对应于所述弹片的位置设置，当两个细胞单元连接后，顶针内缩，与所述弹片接触，进而与所述管理模块连通，以实现模块身份、就位状态的识别以及提供供电传输；

所述通信模块312包括数据接口，在本发明的一个实施例中，所述数据接口包括2个环状数据接口，且其采用LVDS协议实现数据交互及通信；以及

所述磁吸模块包括正磁极以及负磁极，用于各细胞单元之间的机械连接，在本发明的一个实施例中，如图3所示，所述正磁极331与所述负磁极332交替间隔布置，形成圆环形状的磁吸模块，围绕在所述通信模块312的外部。

在本发明的一个实施例中，所述标准接口还可以与电机通过传动装置连接，进而使得所述标准接口可沿壳体轴线转动。

所述管理模块302设置于所述细胞单元的内部，包括：

节点自识别芯片321，与所述通电接口311可通信地连接，用于识别管理协调连接的其他细胞单元；

无线模块322，用于各细胞单元内部的备份数据传输；

锂电模块323，与所述磁吸模块电连接，用于为细胞单元提供基本用电，以保证无外接能源情况下，所述细胞单元内部的基本用电和电磁接口用电需求；

电源管理模块324，用于对所述细胞单元的电源使用进行管理，并且提供5V内电；以及

电磁解锁模块325，与所述磁吸模块可通信地连接，主要用于管理所述细胞单元的各个标准接口的磁吸模块，进而控制细胞单元与其他细胞单元的机械连接。

在本发明的一个实施例中，所述管理模块的各模块及芯片集成于标准板卡上，通过插槽的方式插入在所述细胞单元内部。

应当理解的是，根据不同细胞单元的功能不同，所述管理模块中还可根据需求增加相应的模块或器件，以实现更多的功能。

通过在所述细胞单元内加装蓄电池组，可形成能源单元。所述能源单元用于整星的能源供应，其与太阳翼和/或贴片太阳能模块电连接，能够存储由所述太阳翼和/或贴片太阳能模块转化的电能，并分配至卫星的各细胞单元及模块。图3示出本发明一个实施例的能源单元的结构示意图，如图3所示，在本发明的实施例中，所述能源单元包括蓄电池组501。其中，所述蓄电池组501由若干电池成组配制而成，具体的电池数量可根据卫星实际需求配置，在本发明的一个实施例中，所述电池优先布置于靠近壳体的一侧，随着电池数量的增多，逐渐向中心布置。所述蓄电池组501在在轨运行期间与安全模式期间，释放电能，对星上设备供电。通过细胞单元管理模块中的电源管理模块可实现对一次电源的管理和二次电源供配电，其中，所述一次电源管理是指对所述能源单元的电源管理，以及所述二次电源供配电是指对卫星其他单元或模块的供配电管理。所述电源管理模块包括对蓄电池组充放电的控制、电源分系统所需接口。

所述太阳翼可通过标准接口连接于细胞单元的表面。图4示出本发明一个实施例的太阳翼与细胞单元的连接示意图，如图4所示，所述太阳翼包括标准接口901以及帆板902。其中，所述标准接口901设置于所述太阳翼的末端，且与细胞单元的标准接口结构相同，可通过磁吸附的方式与所述三轴旋转单元机械连接，进而通过通信模块及通电接口进行通信及供电。所述帆板902连接至所述标准接口，且与所述标准接口中的通电接口电连接，所述帆板902通过硅等金属的光电效应将太阳能转换为电能，进而通过标准接口传输至卫星其他的功能模块，例如能源模块中的蓄电池进行存储。为减小发射时体积，在本发明的一个实施例中，所述帆板902采用可折叠式帆板，其在发射时处于折叠状态，运行时展开，所述可折叠式帆板例如可以包括多个电池板，且任意所述电池板均通过可旋转的方式与相邻的电池板连接。在本发明的一个实施例中，所述太阳翼上还安装有磁强计903，其用于测量地磁场的大小与方向，测定卫星所在地磁场强度矢量在本体系中的分量，所述磁强计903可与卫星的姿控单元可通信地连接。在本发明的又一个实施例中，所述太阳翼上还设置有太阳敏感器904，其可通过接收太阳光照，进而分析太阳翼与太阳的相对姿态，所述相对姿态可传输给卫星的综合电子单元，所述综合电子单元可根据所述相对姿态指定调姿方案以及三轴旋转单元的转动方案。为了保证卫星能够最大程度的接收到太阳光照，所述太阳翼需要实施进行姿态跳帧，因此，在本发明的一个实施例中，所示太阳翼安装于三轴旋转单元的表面，如图5所示，所述三轴旋转单元是通过在细胞单元内部三个正交方向上分别设置一个一维转台形成。具体而言，所述三轴旋转单元包括三个一维转台，所述一维转台设置于所述三轴旋转单元的内部，且分布在三个正交的方向上。任一所述一维转台包括电机8011以及传动机构8012，所述传动机构8012的一端与所述电机8011的转轴连接，另一端则与所述标准接口连接，使得所述标准接口能够在所述电机801的带动下转动。在本发明的一个实施例中，所述能源系统可采用贴片太阳能模块代替太阳翼获取能源。图6a-6c示出本发明一个实施例的贴片太阳能模块的示意图，其中，图6a为所述贴片太阳能模块的整体结构示意图，图6b为所述贴片太阳能模块第一面的结构示意图，以及图6c为所述贴片太阳能模块第二面的结构示意图，如图所示，如图7所示，所述贴片太阳能模块可通过标准接口连接至细胞单元的表面，具体而言，所述贴片太阳能模块为板式结构，所述贴片太阳能模块的第二面设置有标准接口，其可与细胞单元上的标准接口通过磁吸附的方式机械连接，所述贴片太阳能模块的第一面则设置有太阳能片1001，其与所述第二面上的标准接口电连接，用于实现太阳能转化，并通过所述标准接口，将转化得到的电能传输至卫星其他的功能模块，例如能源模块中的蓄电池进行存储。为了便于拆装，在本发明的一个实施例中，所述贴片太阳能模块的第一面还设置有把手，所述把手可有多个，并优选设置于所述贴片太阳能模块的两端。

在本发明的一个实施例中，所述操作机器人包括至少一条机械臂以及控制器。所述机械臂的底部设置有标准接口，所述标准接口可以与细胞单元的标准接口连接，使得所述操作机器人可固定于细胞单元的表面。在本发明的一个实施例中，所述机械臂包括多个自由度。在本发明的一个实施例中，所述操作机器人包括一条机械臂，所述控制器安装于所述机械臂的底部，同时，所述机械臂包括夹持抓手，所述夹持抓手设置于所述机械臂的末端，可用于抓取细胞单元，也可用于抓取隔热组件、散热组件、贴片天线以及贴片太阳能模块的把手，进而实现细胞单元和/或其他模块、组件的替换及安装。在本发明的又一个实施例中所述操作机器人包括三条机械臂以及一个控制器。所述控制器设置于机械臂的末端，一方面实现各机械臂的控制，另一方面实现三条机械臂的机械连接。所述机械臂为多自由度机械臂，且其底部设置有标准接口。在实际操作中，如图7所示，其中两条机械臂分别通过所述标准接口与预设装配位置左右两侧的细胞单元固定连接，剩余的一条机械臂抓取待安装的细胞单元，首先将预设安装位置两侧的细胞单元分开，然后将待安装的细胞单元安装至预设安装位置。此外，所述操作机器人还可通过未抓取细胞单元的至少两条机械臂交替吸附至不同细胞单元表面的方式移动。为便于贴片太阳能模块等组件或模块的更换或安装，其中一条机械臂的底端可以不设置标准接口，而是安装夹持抓手。在本发明的一个实施例中，所述机械臂末端还可设置相机，所述相机用于实现态势感知。

如前所述的能源系统，由于其各模块及单元均可在轨进行装配，这就使得其具备在轨可重构功能，在卫星发射后，卫星可以接收地面任务指令，然后控制操作机器人，在轨替换、增加、删减能源单元和/或太阳翼和/或贴片太阳能模块，实现能源系统的在轨维护及替换。此外，所述模块化能源系统的各单元可以在地面装配至卫星上，作为整体发射，也可单独发射，在太空中完成装配。

细胞卫星整星入轨后，能源单元将对各个细胞单元进行能源分配，各细胞单元上电后，接收到任务即开始启动正常工作。如前所述，在本发明的实施例中，能源及任务分配、以及数据传输过程均通过各细胞单元表面的标准接口完成，所述标准接口既是细胞单元间的关键承力结构，也是细胞单元间用来传输供电、信息、机械、导热、数据的通用接口。

在本发明的一个实施例中，当无新的任务指令，且没有细胞单元毁损时，操作机器人上设置的相机开始工作，执行卫星周围的态势感知任务，检验是否有安全威胁。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (7)

1.一种可在轨维护与替换的模块化能源系统，其特征在于，包括：

电能转换模块，其通过标准接口连接至卫星的主体，且被配置为能够将太阳能转化为电能；以及

储能及分配模块，其被配置为能够存储所述电能转换模块转化的电能，并分配给卫星的其他功能模块，所述储能及分配模块包括：

壳体，其表面包括至少一个标准接口，所述储能及分配模块通过所述标准接口连接至卫星的其他功能模块；

蓄电池组，设置于所述壳体内部，电连接至所述标准接口，包括至少一个电池；以及

电源管理模块，设置于所述壳体内部，与所述蓄电池组可通信地连接，其被配置为能够管理卫星各功能模块的供配电。

2.如权利要求1所述的模块化能源系统，其特征在于，所述标准接口包括：

通电接口，其被配置为能够进行供电传输；

通信模块，其被配置为能够进行数据交互及通信；以及

磁吸模块，其被配置为能够实现所述电能转换模块、储能及分配模块与卫星其他功能模块的物理连接。

3.如权利要求1所述的模块化能源系统，其特征在于，所述电源管理模块为板卡形式。

4.如权利要求1所述的模块化能源系统，其特征在于，所述电能转换模块包括太阳翼。

5.如权利要求4所述的模块化能源系统，其特征在于，所述太阳翼包括：

标准接口，设置于所述太阳翼的末端；以及

可折叠帆板，连接至所述标准接口。

6.如权利要求1所述的模块化能源系统，其特征在于，所述电能转换模块包括贴片太阳能模块。

7.如权利要求6所述的模块化能源系统，其特征在于，所述贴片太阳能模块为板式结构，且包括：

标准接口，设置于所述贴片太阳能模块的第二面；以及

太阳能片，设置于所述贴片太阳能模块的第一面，且与所述标准接口电连接。

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