CN114002778A - 一种真空环境用光旋转连接器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真空环境用光旋转连接器，包括旋转轴、转子端光纤准直器、转子端光缆、第一轴承、第二轴承、第一轴承挡圈、第二轴承挡圈、外壳体、金属端盖、压盖、定子端光纤准直器、第一金属套、第二金属套、定子端光缆；转子端光纤准直器固定在旋转轴中，定子端光纤准直器固定在金属端盖中，转子端光纤准直器和定子端光纤准直器在转动过程中始终同轴，从而实现光信号传输；所述金属端盖和第一轴承挡圈分别安装在外壳体的两端；第一轴承和第二轴承均安装在旋转轴和外壳体之间；第一轴承和第二轴承均采用深沟球轴承。本发明可以在卫星上使用，尤其是用于中低轨卫星的监控系统，填补了真空环境用光旋转连接器技术领域的空白。

Description

一种真空环境用光旋转连接器

技术领域

本发明涉及连接器技术领域，尤其是一种真空环境用光旋转连接器。

背景技术

光纤通信因其巨大的带宽、抗干扰性和微小损耗等众多优点使其得到广泛应用，在某些应用场合里需要在两个相互转动的设备之间进行光纤通信，这些应用场景都需要旋转连接器，旋转连接器是一种空间光互连器件，内部含有旋转机构，包括静止部分和旋转部分，分别固定于两个相互转动的设备之间，可以实现两个设备之间的光纤通信。

目前尚无在卫星上使用的光旋转连接器，无成熟的相关技术和工艺，产品从原材料选择、结构设计到装配都需重新设计攻关，一旦研制成功，将在卫星中大范围推广应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种真空环境用光旋转连接器，可以在卫星上使用，尤其是用于中低轨卫星的监控系统，本发明填补了真空环境用光旋转连接器领域的空白。

本发明具体是通过以下技术方案来实现的，依据本发明提出的一种真空环境用光旋转连接器，包括旋转轴、转子端光纤准直器、转子端光缆、第一轴承、第二轴承、第一轴承挡圈、第二轴承挡圈、外壳体、金属端盖、压盖、定子端光纤准直器、第一金属套、第二金属套、定子端光缆；所述的转子端光纤准直器固定在旋转轴中，定子端光纤准直器固定在金属端盖中，转子端光纤准直器和定子端光纤准直器在转动过程中始终同轴，从而实现光信号传输；所述的金属端盖和第一轴承挡圈分别安装在外壳体的两端且与外壳体之间固定；第一轴承和第二轴承均安装在旋转轴和外壳体之间起到旋转支撑作用，第一轴承和第二轴承的内圈均与旋转轴连接，外圈均与外壳体的内孔连接，实现转子端和定子端之间的相对旋转；第一轴承和第二轴承均采用深沟球轴承。

进一步地，所述旋转轴的两端分别与第一金属套和压盖之间固定，且压盖安装在金属端盖和旋转轴之间。

进一步地，所述第二轴承挡圈安装在第一轴承和第二轴承之间且与旋转轴外壁之间过盈装配或间隙装配。

进一步地，所述第一轴承和第二轴承的内圈通过旋转轴上的台阶Ⅰ、压盖及第二轴承挡圈进行固定，第一轴承和第二轴承的外圈通过第一轴承挡圈、外壳体上的台阶Ⅱ和金属端盖进行固定。

进一步地，所述第二金属套与金属端盖之间螺纹连接或过盈装配。

进一步地，所述转子端光缆与定子端光缆均采用耐辐射光缆结构，耐辐射光缆包括从内到外依次包括耐辐照光纤、金属螺旋铠甲、强固件和外护套。

进一步地，所述第一轴承和第二轴承均为带双侧防尘盖的深沟球轴承。

进一步地，所述第一轴承和第二轴承均采用二硫化钼固体润滑。

前述的真空环境用光旋转连接器在卫星、尤其是卫星监控系统中的应用。

本发明的有益技术效果：

本发明从原材料选择、结构设计到产品装配，进行了严格的技术设计和攻关，采用两个带双侧防尘盖的深沟球轴承，防止工作过程中灰尘及异物进入工作空间，影响轴承的运转性能。轴承在安装固定时，内圈通过旋转轴上的台阶Ⅰ、压盖及第二轴承挡圈进行固定，外圈通过第一轴承挡圈、外壳体上的台阶Ⅱ和金属端盖进行固定，从而可以补偿由于各零件加工误差造成的累积间隙。轴承采用固体润滑技术，避免了现有脂润滑轴承的润滑脂在太空中挥发污染光学镜头的问题，具有精度高、膜层与底材结合力强、化学稳定性好、摩擦性能优良等优点。采用耐辐射光缆结构，在光纤和外护套之间增加可以自由弯曲的金属螺旋铠甲防护，满足光纤在太空的使用需求。本发明是针对太空使用的光旋转连接器进行的设计，满足太空使用要求，可以用于卫星尤其是中低轨卫星的监控系统，填补了目前太空用光旋转连接器的技术空白，可大范围推广使用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明轴系设计示意图；

图3为本发明光缆结构示意图；

图4为本发明的准直器的结构示意图。

1-旋转轴，2-转子端光纤准直器，3-转子端光缆，4-第一轴承，5-第二轴承，6-第一轴承挡圈，7-第二轴承挡圈，8-外壳体，9-金属端盖，10-压盖，11-定子端光纤准直器，12-第一金属套，13-第二金属套，14-定子端光缆，15-台阶Ⅰ，16-台阶Ⅱ，17-耐辐照光纤，18-金属螺旋铠甲，19-强固件，20-外护套，21-玻璃毛细管，22-透镜，23-玻璃套管，24-不锈钢套管。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的内容，下面将结合具体实施例和附图来进一步阐述本发明。以下实施例以本发明的技术为基础实施，给出了详细的实施方式和操作步骤，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

本发明的光旋转连接器包括旋转轴1、转子端光纤准直器2、转子端光缆3、第一轴承4、第二轴承5、第一轴承挡圈6、第二轴承挡圈7、外壳体8、金属端盖9、压盖10、定子端光纤准直器11、第一金属套12、第二金属套13、定子端光缆14等。

如图1所示，旋转轴1的右端与第一金属套12螺纹连接或过盈装配，转子端光纤准直器2通过胶液固定在旋转轴1中，压盖10装配在旋转轴左端并与旋转轴之间螺纹连接或过盈装配。第二金属套13与金属端盖9之间螺纹连接或过盈装配，金属端盖9还与外壳体8之间螺纹连接或过盈装配，定子端光纤准直器11通过胶液固定在金属端盖9中。第一轴承4和第二轴承5均安装在旋转轴和外壳体之间起到旋转支撑作用，其中，两个轴承的内圈均与旋转轴连接并可以随旋转轴转动，外圈均与外壳体内孔连接，从而实现转子端和定子端之间的相对旋转。所述的第一轴承挡圈6和金属端盖9分别安装在外壳体的两端且与外壳体之间螺纹连接或过盈装配，第二轴承挡圈7安装在第一轴承和第二轴承之间且与旋转轴外壁之间过盈装配(如图1)或间隙装配(如图2)，第二轴承挡圈的两端与第一轴承和第二轴承的内圈之间轴向固定，第二轴承挡圈可随旋转轴转动。定义第一轴承和第二轴承与第二轴承挡圈接触的一侧为内侧，在图1中，第一轴承外侧与第一轴承挡圈紧密接触，第二轴承外侧与金属端盖紧密接触。第一轴承和第二轴承的内圈通过旋转轴上的台阶Ⅰ15、压盖10及第二轴承挡圈7进行固定，第一轴承和第二轴承的外圈通过第一轴承挡圈6、外壳体上的台阶Ⅱ16和金属端盖9进行固定。

转子端光缆与定子端光缆的结构相同，均采用耐辐射光缆结构，如图3所示，光缆从内到外依次包括耐辐照光纤17、金属螺旋铠甲18、强固件19(起到抗拉作用)和外护套20。由于光纤的材质，光纤在使用过程中会不同程度的弯曲，如果使用抗辐照能力强的金属材质，则会限制连接器出线口的安装使用，所以在光纤和外护套之间增加了可以自由弯曲的金属螺旋铠甲防护。除了各种涂覆层和防护层满足耐辐照要求外，光缆内部的金属螺旋铠甲又大大提高了光缆的抗辐照性能。

准直器的工作原理为在两个对接光纤之间设置光学透镜，图4为准直器的结构示意图，其主要由耐辐照光纤17、玻璃毛细管21、透镜22、玻璃套管23和不锈钢套管24组成。光缆穿过金属套之后，其光纤进入准直器，光缆与准直器的玻璃毛细管交界处填胶处理，准直器内设置有透镜，耐辐照光纤进入准直器后经过透镜将出射光纤的输出光束进行扩束及准直，在接收端准直器中再通过光学透镜将光束进行耦合和再聚焦后注入接收端光纤。经过准直后的光束其光斑直径是出射光纤光斑直径的百倍以上，对耦合偏差的敏感度下降，同时还大幅度提高了其抗污染能力；另外，经过准直后的光束在一定距离内接近于平行光，只要接收端准直器的透镜在合适距离内都能实现较好的光束耦合，从而实现了光纤间的非接触式光传输，提高产品的耐恶劣环境性能及使用寿命。

本发明的光旋转连接器采用一对扩束型准直器进行光信号的传输，如图1所示，转子端光纤准直器和定子端光纤准直器在转动过程中始终同轴，从而实现光信号传输。第一金属套和第二金属套均还与压接套(压接套在图上不显示)螺纹连接或过盈装配，用于固定光缆，可以提高连接器出线口的抗振动冲击性能，防止光缆在出线口90°弯折。

本发明的轴系主要功能为完成旋转支承，具有精度高、摩擦力矩小、运转稳定的优点。本发明的轴系设计主要考虑支承设计、润滑设计、轴系定位设计及防尘设计要求。

(1)支承设计

轴承作为高速轴系最重要和关键的支承部件，需满足力学环境和各项技术要求并具备高可靠性，并且在整个任务工作期间和温度范围内不应有明显变化。本发明的第一轴承和第二轴承均采用深沟球轴承。

(2)润滑设计

现有的脂润滑轴承中润滑脂在太空中会挥发污染光学镜头，而本发明的第一轴承和第二轴承均采用固体润滑技术，具体可以采用二硫化钼固体润滑。固体润滑轴承具有精度高、膜层与底材结合力强、化学稳定性好、摩擦性能优良等优点，可广泛应用于高辐射、高真空、高低温交变的工况环境。

(3)轴向定位设计

本发明的轴承在安装固定时，轴承内圈通过旋转轴上的台阶Ⅰ、压盖及第二轴承挡圈进行固定，轴承外圈通过第一轴承挡圈、外壳体上的台阶Ⅱ和金属端盖进行固定，该方案可以补偿由于各零件加工误差造成的累积间隙。

(4)防尘设计

本发明所采用的第一轴承和第二轴承均为带双侧防尘盖的深沟球轴承，防止工作过程中灰尘及异物进入工作空间，影响轴承的运转性能。轴承在安装前，进行充分跑合与清洗，通过钢球-沟道间的碾压，去除沟道表面易脱落的柱状层及部分过渡层，使轴承提前度过磨合期。轴承采用双侧带防尘盖结构，可有效防止固体润滑磨损物泄漏对系统造成的影响。

本发明通过以上技术方案设计的光旋转连接器满足太空使用要求，可用于卫星尤其是中低轨卫星的监控系统，具有极大的社会效益和推广意义。

以上所述仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，本发明还可以根据以上结构和功能具有其它形式的实施例，不再一一列举。因此，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种真空环境用光旋转连接器，其特征在于包括旋转轴(1)、转子端光纤准直器(2)、转子端光缆(3)、第一轴承(4)、第二轴承(5)、第一轴承挡圈(6)、第二轴承挡圈(7)、外壳体(8)、金属端盖(9)、压盖(10)、定子端光纤准直器(11)、第一金属套(12)、第二金属套(13)、定子端光缆(14)；所述的转子端光纤准直器(2)固定在旋转轴(1)中，定子端光纤准直器(11)固定在金属端盖(9)中，转子端光纤准直器和定子端光纤准直器在转动过程中始终同轴，从而实现光信号传输；所述的金属端盖(9)和第一轴承挡圈(6)分别安装在外壳体(8)的两端且与外壳体(8)之间固定；第一轴承(4)和第二轴承(5)均安装在旋转轴(1)和外壳体(8)之间起到旋转支撑作用，第一轴承(4)和第二轴承(5)的内圈均与旋转轴(1)连接，外圈均与外壳体(8)的内孔连接，实现转子端和定子端之间的相对旋转；第一轴承和第二轴承均采用深沟球轴承。

2.如权利要求1所述的真空环境用光旋转连接器，其特征在于旋转轴(1)的两端分别与第一金属套(12)和压盖(10)固定，且压盖安装在金属端盖(9)和旋转轴之间。

3.如权利要求1或2所述的真空环境用光旋转连接器，其特征在于第二轴承挡圈(7)安装在第一轴承和第二轴承之间且与旋转轴外壁之间过盈装配或间隙装配。

4.如权利要求3所述的真空环境用光旋转连接器，其特征在于第一轴承和第二轴承的内圈通过旋转轴上的台阶Ⅰ(15)、压盖(10)及第二轴承挡圈(7)进行固定，第一轴承和第二轴承的外圈通过第一轴承挡圈(6)、外壳体上的台阶Ⅱ(16)和金属端盖(9)进行固定。

5.如权利要求1所述的真空环境用光旋转连接器，其特征在于第二金属套(13)与金属端盖(9)之间螺纹连接或过盈装配。

6.如权利要求1所述的真空环境用光旋转连接器，其特征在于转子端光缆与定子端光缆均采用耐辐射光缆结构，耐辐射光缆包括从内到外依次包括耐辐照光纤(17)、金属螺旋铠甲(18)、强固件(19)和外护套(20)。

7.如权利要求1所述的真空环境用光旋转连接器，其特征在于第一轴承和第二轴承均为带双侧防尘盖的深沟球轴承。

8.如权利要求1所述的真空环境用光旋转连接器，其特征在于第一轴承和第二轴承均采用二硫化钼固体润滑。

9.如权利要求1或8所述的真空环境用光旋转连接器，其在卫星中的应用。

10.如权利要求1或8所述的真空环境用光旋转连接器，其在卫星监控系统中的应用。

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