CN113879568B - 一种可插拔的卫星热控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可插拔的卫星热控系统，包括操作机器人、隔热组件以及散热组件。其中，操作机器人连接至卫星主体表面，用于夹持及安装隔热组件及散热组件；隔热组件设置于卫星主体的受阳面，通过标准接口连接至卫星主体的表面；以及散热组件，设置于卫星主体的背阳面，通过标准接口连接至卫星主体的表面。

Description

一种可插拔的卫星热控系统及方法

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种可插拔的卫星热控系统及方法。

背景技术

随着卫星技术的不断发展，单颗卫星所能实现的功能越来越多。为了实现更多的功能，卫星中配置的子系统或功能模块数量随之增加。这也使得卫星整体的散发的热量越来越高。此外，在卫星在轨运行过程中，还会受到太阳光照等的外界热量影响。而在实际应用中，卫星的温度一旦过高，则极可能造成各功能模块的损坏，进而影响卫星正常工作。

基于此，如何设计卫星的热控系统至关重要。例如，专利2019107847488中提到一种基于可重复分离热接口的模块化可重构卫星热控制方法，其则针对卫星不同模块的热耗水平及载荷特定，分别采用不同的散热模块，但其安装复杂，难以实现在轨插拔。又例如专利2020224362293中则给出了一种基于焊接胶粘密封技术的卫星热控储能模块，其解决了密封持久性不足的问题，以及专利2016101473622中则是通过在卫星内部加装系统解决微小卫星内的关键单机热控问题，这两种方法均未采用模块化设计，维修及更换较为困难，灵活性较差。

发明内容

针对现有技术中的部分或全部问题，本发明一方面提供一种可插拔的卫星热控系统，包括：

操作机器人，连接至卫星主体表面，用于夹持及安装隔热组件及散热组件；

隔热组件，设置于卫星主体的受阳面，通过标准接口连接至所述卫星主体的表面；以及

散热组件，设置于卫星主体的背阳面，通过标准接口连接至所述卫星主体的表面。

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，用于实现所述卫星热控系统与卫星主体的物理连接。

进一步地，所述隔热组件为板式结构，包括：

标准接口，设置于所述隔热组件的第二面；

隔热层，设置于所述隔热组件的第一面；以及

把手，设置于所述隔热组件的第一面。

进一步地，所述隔热层包括隔热垫片和/或玻璃钢垫块。

进一步地，所述散热组件为板式结构，包括：

标准接口，设置于所述散热组件的第二面；

散热层，设置于所述标准接口的周围及内部；以及

把手，设置于所述散热组件的第一面。

进一步地，所述散热层的材料为石墨烯涂膜。

进一步地，所述散热组件的第一面设置有白漆。

进一步地，所述操作机器人包括至少一个多自由度机械臂，所述多自由度机械臂的底部设置有标准接口以及控制器，所述标准接口用于与卫星主体连接，以及所述控制器用于控制所述多自由度机械臂，所述多自由度机械臂的末端设置有夹持抓手。

本发明另一方面提供一种卫星热控方法，包括：

判断卫星的受阳面、背阳面；

通过操作机器人，在受阳面安装隔热组件，以及在背阳面安装散热组件。

进一步地，所述卫星热控方法还包括：

当卫星的受阳面转换为背阳面后，将所述隔热组件更换为散热组件；以及

当卫星的背阳面转换为受阳面后，将所述散热组件更换为隔热组件。

本发明提供的一种可插拔的卫星热控系统，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。同时，其还可根据卫星是否受到太阳照射，灵活更换隔热及散热组件，提高热控效率。此外，通过定期更换组成模块，能够提高卫星热控系统的在轨寿命。

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3a-3c示出本发明一个实施例的隔热组件的示意图；

图4示出示出本发明一个实施例的隔热组件与细胞单元的连接示意图；以及

图5示出本发明一个实施例的散热组件第一面的示意图。

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。

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。

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，本发明提供一种可插拔的卫星热控系统，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，在本发明中，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。

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。

基于所述可插拔的卫星热控系统，所述细胞卫星的热控采用辐射散热为主的热控方案。由于卫星在轨运行过程中，会有两个受阳面长时间受到太阳照射，两个交替受阳面交替受到太阳照射，一个背阳面以及一个对地面几乎不受到太阳照射，因此，在本发明的实施例中，可针对不同面采用不同的热控方案。例如，对于长时间受到太阳照射的两个受阳面而言，其接收的外部热量较高，因此，不宜作为散热面，而是应该进行隔热，交替受到太阳照射的两个交替受阳面则可根据当前实际受阳情况设置散热面或进行隔热，以及背阳面及对地面则应作为散热面，其中，背阳面外热流最小，可作为主散热面，而对地面的外热流较为稳定，可作为辅助散热面。总体而言，所述细胞卫星通过高效的散热模块，将内部其他模块热量传导到热控模块，再由热控模块辐射到外空间的散热方式，此外，还可在相应面设置隔热组件，减小外热流的影响。在本发明的一个实施例中，对于交替受阳面，可根据其是否受到太阳照射，分时段交替采用散热及隔热方案。

图3a-3c示出本发明一个实施例的隔热组件的示意图，其中，图3a为所述隔热组件的整体结构示意图，图3b为所述隔热组件第一面的结构示意图，以及图3c为所述隔热组件第二面的结构示意图，如图4所示，所述隔热组件可通过标准接口连接至细胞单元的表面，优选设置于受阳面及交替受阳面上。所述隔热组件为板式结构，所述隔热组件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，所述隔热组件的第一面则设置有至少一层隔热材料，在本发明的一个实施例中，所述隔热材料例如可以为隔热垫片或玻璃钢垫块。为了便于拆装，在本发明的一个实施例中，所述隔热组件的第一面还设置有把手，所述把手可有多个，并优选设置于所述隔热组件的两端。为了提高卫星各舱壁之间均温性，所述隔热组件为一体式结构。

图5示出本发明一个实施例的散热组件第一面的示意图，所述散热组件的整体结构与所述隔热组件类似，仅第一面的设置略有不同，且其与细胞单元的连接方式也与所述隔热组件相同。所述散热组件可通过标准接口连接至细胞单元的表面，优选设置于背阳面及对地面，还可设置于部分交替受阳面上。所述散热组件为板式结构，所述散热组件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，同时，所述第二面及标准接口的内侧涂覆有高导热率的材料，例如石墨烯涂膜等，为提高散热效果，所述散热组件的第二面在安装时，可填涂导热硅脂，如图5所示，所述散热组件的第一面喷涂白漆，作为辐射散热面。为了便于拆装，在本发明的一个实施例中，所述散热组件的第一面还设置有把手，所述把手可有多个，并优选设置于所述散热组件的两端。为了提高卫星各舱壁之间均温性，所述散热组件为一体式结构，且所述把手及第一面均采用导热安装，如填涂导热硅脂等。

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，其中两条机械臂用于固定及移动，具体而言，其通过两条机械臂交替吸附至不同细胞单元表面的方式移动，所述两条机械臂通过所述标准接口吸附至细胞单元的表面，剩余的一条机械臂用于抓取待安装的隔热组件或散热组件，为便于隔热组件、散热组件等组件或模块的更换或安装，该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。

如前所述的卫星热控系统，由于其包含的隔热组件及散热组件均可在轨进行装配，这就使得其具备在轨维修或扩展的可能，在卫星发射后，卫星可以根据地面任务指令，控制操作机器人，在轨替换替换、增加、删减隔热组件和/或散热组件，灵活调整热控方案。此外，所述隔热组件和/或散热组件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。例如，所述热控系统的安装可以包括：

判断卫星的受阳面、背阳面；以及

通过操作机器人，在受阳面安装隔热组件，以及在背阳面安装散热组件。

在本发明的一个实施例中，还可在轨根据实际受阳状态，调整热控系统，包括：

当卫星的受阳面转换为背阳面后，将所述隔热组件更换为散热组件；以及

当卫星的背阳面转换为受阳面后，将所述散热组件更换为隔热组件。

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)

1.一种可插拔的卫星热控系统，其特征在于，包括：

操作机器人，连接至卫星主体表面，包括至少一个多自由度机械臂，所述多自由度机械臂的底部设置有标准接口以及控制器，所述标准接口被配置为能够与卫星主体连接，以及所述控制器被配置为能够控制所述多自由度机械臂，所述多自由度机械臂的末端设置有夹持抓手以夹持及安装隔热组件及散热组件；

隔热组件，其为板式结构，设置于卫星主体的受阳面，通过标准接口连接至所述卫星主体的表面，且包括：

标准接口，设置于所述隔热组件的第二面；

隔热层，设置于所述隔热组件的第一面；以及

把手，设置于所述隔热组件的第一面；以及

散热组件，其为板式结构，设置于卫星主体的背阳面，通过标准接口连接至所述卫星主体的表面，且包括：

标准接口，设置于所述散热组件的第二面；

散热层，设置于所述标准接口的周围及内部；以及

把手，设置于所述散热组件的第一面。

2.如权利要求1所述的卫星热控系统，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卫星热控系统与卫星主体的物理连接。

3.如权利要求1所述的卫星热控系统，其特征在于，所述隔热层包括隔热垫片和/或玻璃钢垫块。

4.如权利要求1所述的卫星热控系统，其特征在于，所述散热层的材料为石墨烯涂膜。

5.如权利要求1所述的卫星热控系统，其特征在于，所述散热组件的第一面设置有白漆。

6.一种卫星热控方法，其特征在于，应用于如权利要求1至5任一所述的卫星热控系统，且包括步骤：

判断卫星的受阳面、背阳面；

通过操作机器人，在受阳面安装隔热组件，以及在背阳面安装散热组件。

7. 如权利要求6所述的卫星热控方法，其特征在于，还包括：

当卫星的受阳面转换为背阳面后，通过操作机器人将所述隔热组件更换为散热组件；以及

当卫星的背阳面转换为受阳面后，通过操作机器人将所述散热组件更换为隔热组件。

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