CN203714185U - 一种抽屉式的卫星可更换模块用柔性插拔机构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种抽屉式的可更换模块用柔性插拔机构，包括外箱体和内箱体，外箱体上设置若干用于容纳所述内箱体的容纳腔，内箱体置于容纳腔内；外箱体与内箱体之间通过滑轨结构进行插拔配合；内箱体用于承载可更换单元，设置有数据输送接口二、定位销、传力销、联动结构、锁定结构，联动结构用于与锁定结构配合实现内箱体在外箱体上的锁定以及解锁过程，该联动结构设置于内箱体壳体对外一侧的壳体表面上，锁定结构设置于内箱体的箱体内，且与传力销一端固定于联动结构上，传力销另一端穿过内箱体上的通孔固定于与锁定结构上。本实用新型具有能够实现可更换模块更换简单、插拔快速、维修方便等目的，灵活性高、机械强度高等优点。
Description
技术领域
本实用新型属于航天器卫星技术领域，具体地说是涉及一种适用于服务航天器使用的在轨可更换模块的柔性插拔机构。
背景技术
随着对空间研究、开发与应用能力的不断提高，各国相继研制并发射了大量面向各种任务要求的航天器，航天器的结构组成日趋复杂，性能的技术要求也越来越高。在这种情况下，如何保证航天器在复杂的空间环境中更加持久、稳定、高质量地在轨运行，已成为目前航天技术领域亟待解决的重要问题。
现有的航天器多采用一次性使用设计，航天器能否在轨正常工作主要取决于其发射前在地面采取的一系列提高可靠性的措施，例如冗余设计、尽可能采用成熟部件及成熟技术。但由于航天器设计、制造等自身因素以及空间环境的影响，航天器各种故障及意外情况都无法避免。因此，要采取一种在轨更换措施来减少资源的浪费。
在轨服务技术是对航天器进行在轨服务的技术，一般采用在轨加注、模块更换、在轨组装等形式对卫星进行空间在轨操作，以增强卫星性能、延长卫星使用寿命，同时降低费用和风险，因此使得在轨服务技术得到越来越多的重视；同时在轨服务技术有极强的军事背景，能为将来的空间军事化提供快速、高效的后勤保障，并可直接对目标实施捕获、攻击，从而大幅度提高空间作战能力。
航天器在轨更换是一种重要的在轨服务操作，其通过人-机结合协同的方式对航天器失效或陈旧模块采取“更换”操作，以使得航天器得到恢复和升级。实施在轨模块更换，可实现航天器的性能增强、寿命延长和降低使用成本等目的，并能够有效增强航天器任务的适应性和操控性，因此，无论是在军事还是民事方面的应用，在轨模块更换技术对当前空间技术都具有重大意义。
航天器在轨维修可以减少不必要的花费和风险，在轨模块更换需要考虑和权衡商业价值、工业需求、市场定位、关键技术、后勤补给等因素，是一项涉及商业、政府、空间和地面基础设施、技术等方面的系统工程。在轨模块更换技术相对当前空间技术在各方面的应用都具有重大意义，尤其对军工方面有极大地收益，是我国必然的发展方向。
在轨服务技术现在的发展主要是针对有人在轨维修和无人在轨维修两种方式：有人在轨维修面临着不可预知的风险并且花费也比较大；而无人在轨维修也需要较为繁琐的操作，为此需要设计一种简单的模块结构，将需要更换模块集成于一体，这样就便于更换和维修。
柔性插拔机构结构就应运而生，柔性插拔机构将可更换模块、电气接口、锁定机构和更换机构集于一体，可以完成模块的快速更换，并且只需要机械手臂和远程控制就可以完成操作，对航天器在轨维修提供快捷方便的服务，对航天领域有着重要的意义。
综上所述，卫星可更换模块柔性插拔机构具有节能、快速、高效等优势，但是也有其发展的难题，只有不断的发展新型材料和新技术，来解决可更换航天器的发展。
发明内容
鉴于已有技术存在的缺陷，本实用新型的目的是要提供一种用于服务航天器的快速有效地更换模块的柔性插拔机构，以保证其与维修航天器快速准确的更换模块，并与航天器主结构配套使用，实现可更换模块更换简单、插拔快速、维修方便等目的。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案：
一种抽屉式的可更换模块用柔性插拔机构，包括外箱体和内箱体，其特征在于：所述外箱体上设置若干用于容纳所述内箱体的容纳腔，内箱体置于容纳腔内；所述外箱体与内箱体之间通过滑轨结构进行插拔配合，所述的滑轨结构是由设置于所述容纳腔的下壁板两侧边缘处的具有一定倾斜角度的滑轨以及设置于所述内箱体壳体的下表面且与所述滑轨相匹配的滑道组成；所述内箱体用于承载可更换单元，且还设置有数据输送接口二、定位销、传力销、联动结构、锁定结构，所述数据输送接口二、定位销均设置于内箱体与所述外箱体的后壁板相接触的壳体表面上，所述联动结构用于与所述锁定结构配合实现内箱体在外箱体上的锁定以及解锁过程，该联动结构设置于内箱体壳体对外一侧的壳体表面上，所述锁定结构设置于所述内箱体的箱体内，且与所述传力销一端固定于联动结构上，所述传力销另一端穿过内箱体上的通孔固定于与所述锁定结构上。
所述内箱体对外一侧的壳体表面上的还设置两块相互平行的凸台结构，所述联动结构设置于两块凸台结构之间；该联动结构包括导向销、连动板、导向螺栓以及压缩弹簧，所述连动板一端通过导向销固定于靠近所述容纳腔的下壁板的凸台结构上，另一端通过导向螺栓固定于另一凸台结构上，所述压缩弹簧设置于该凸台结构与连动板之间的导向螺栓上。
所述连动板还设置有用于插入传力销的通孔，由螺母将传力销一端固定于所述连动板上。
所述锁定结构上端由导向滑块以及设置于导向滑块之间的压缩弹簧二组成；所述锁定结构下端为带有用于传力销插入的盲孔的锁销。
所述数据输送接口二设置于与所述外箱体的后壁板相接触的壳体表面上的平面中心位置，用于平衡左右晃动。
所述滑轨的倾斜角度为45°。
所述外箱体还设置有与所述内箱体上的数据输送接口二、定位销、锁销相互配合插拔的数据输送接口一、锁销接口、定位销接口；所述数据输送接口一设置于所述外箱体的后壁板上，位置与所述内箱体上的数据输送接口二对应设置；所述定位销接口为位置与所述内箱体上的定位销对应设置的通孔结构；所述锁销接口为设置于所述容纳腔的下壁板对外一侧的板面上的通孔结构。
所述内箱体还包括缓冲结构，该缓冲结构用于缓冲内箱体插入时的作用力，同时与所述定位销配合起到定位作用，该缓冲结构包括缓冲固定块、弹簧导向销、压缩弹簧三以及缓冲滑块，所述弹簧导向销一端连接缓冲滑块，另一端穿过所述内箱体的通孔与设置于所述外箱体的后壁板相接触的壳体表面上的缓冲固定块连接，且所述弹簧导向销位于内箱体内的部分上设置压缩弹簧三。
与现有技术相比，本实用新型的技术效果：
本实用新型采用了主结构-模块集成式构型，与航天器主结构配套使用，具有能够实现可更换模块更换简单、插拔快速、维修方便等目的，灵活性高、操作简单、机械强度高等优点。
附图说明
图1是本实用新型适用的航天器的布置图；
图2是航天器主结构图；
图3是本实用新型结构示意图——内箱体锁定在外箱体里的总成示意图；
图4是本实用新型滑轨结构局部剖视图；
图5是内箱体剖视图；
图6是本实用新型用导向销与锁销在空间的三轴定位状态图；
图7联动结构示意图；
图8锁定结构的结构示意图；
图9锁定结构的剖面图。
图1中：1、载荷舱，2、过渡段，3、陀螺模块，4、电源模块，5、计算机模块，6、动量轮模块，7、缓冲段，8、主结构，9、测量模块，10、太阳翼，11、主承力结构，12、插拔模块，12-1、外箱体，12-1-1、容纳腔，12-1-1-1、下壁板，12-1-1-2、后壁板，12-1-2、数据输送接口一，12-1-3、锁销接口,12-1-4、定位销接口，12-2、内箱体,12-2-1、数据输送接口二，12-2-2、定位销，12-2-3、传力销，12-2-4、联动结构，12-2-4-1、导向销，12-2-4-2、连动板，12-2-4-3、导向螺栓，12-2-4-4、压缩弹簧，12-2-5、锁定结构，12-2-5-1、导向滑块，12-2-5-2、压缩弹簧二，12-2-5-3、锁销，12-2-5-4、盲孔，12-2-6、凸台结构，12-2-7、缓冲结构，12-2-7-1、缓冲固定块，12-2-7-2、弹簧导向销，12-2-7-3、压缩弹簧三，12-2-7-4、缓冲滑块，12-2-8、隔热板，12-3、滑轨结构，12-3-1、滑轨，12-3-2、滑道。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进行进一步详细说明。
本实用新型出于新机构的思想设计和布局在轨维修航天器的整体性能方面进行了合理的、专业的、可发展性设计研究，并且提出了标准化的柔性插拔机构的模型结构，可以保证准确、快速的解锁和模块的插入和拔出，并且考虑外太空环境及热控问题，为在轨可更换航天器服务提供了技术和理论的支持。
如图1所示的卫星结构，主要包括载荷舱1、过渡段2、陀螺模块3、电源模块4、计算机模块5、动量轮模块6、缓冲段7、主结构8、测量模块9、太阳翼10等。
图2所示，六个可更换的具有不同功能插拔模块12布置在服务卫星主承力结构11上，从而使服务卫星变成可携带可更换模块的快速服务卫星。将模块安装在主承力结构上，各个模块按星形均匀分布。如此可以有效实现卫星的稳定性。而传统的卫星设计是一次使用，而不会预留可更换模块的接口，这样的设计经济性比较差，而且软硬件信息无法二次更新，本案设计实现了卫星的快速维修、软硬件的快速升级，从而提高了卫星使用的经济性和星载的稳定性，具有明显技术优势。
本实用新型所述的插拔机构，包括外箱体12-1和内箱体12-2，所述内箱体12-2内装有更换模块，所述内箱体12-2主要用于承载可更换单元，且具有辅助的管理系统和控制系统，如可包括可更换单元、管理系统、热管理系统、控制元件，以实际使用需求为准。
为了方便内箱体12-2在所述外箱体12-1的推进和拉出，本结构在内箱体12-2、外箱体12-1之间设置了滑轨结构12-3，该滑轨结构12-3是由设置于所述外箱体12-1的容纳腔12-1-1的下壁板12-1-1-1沿着插拔方向的两侧边缘处的具有45o倾斜角度的滑轨12-3-1以及设置于所述内箱体12-2壳体的下表面上的且与所述滑轨12-3-1相匹配的滑道12-3-2组成，如图3所示。
图3为内箱体锁止在外箱体12-1里的总成（包括外箱体叫做模块总成，不包括的称之为模块）连接在一起的状态。所述内箱体12-2设置联动结构12-2-4、锁定结构12-2-5（由于设置于箱体内部本图未体现）等，所述联动结构12-2-4用于与所述锁定结构12-2-5配合实现内箱体12-2在外箱体12-1上的锁定以及解锁过程，而传力销12-2-3则是连接两者之间的桥梁，通过控制机械手带动联动结构12-2-4动作，进而实现锁定结构12-2-5的锁定以及解锁过程。
图4为滑轨结构局部剖视图，斜滑轨结构的设计主要是为了减少插拔过程的摩擦阻力和发生卡死现象的几率，方便插入和拔出，并且在机构的设计加工上也可以方便完成。在内箱体12-2壳体的下表面（该下表面的定义是以箱体的立体空间位置关系定义的，下述的其他表述同样均依据上述方式来定义的）的下棱和外箱体12-1的容纳腔12-1-1的下壁板12-1-1-1两侧边棱之间设置的滑轨结构12-3使其全贴合，并且设计成45°角的斜面。
对于输送电力及数据的标准接口（即数据输送接口一12-1-2、数据输送接口二12-2-1，图3中未具体示出）则设置在本机构的最里边即与所述内箱体12-2相接触的外箱体12-1后壁板12-1-1-2上以及内箱体12-2壳体的内表面上，且鉴于承载单元的模块电压及高速数据通信需求，可设置为集成的接口形式，如实现热插拔接口形式的IEEE1394接口，这样的设计可以减少接口连接的复杂性，同时安装在机构最里面的可以保证准确插入后同时完成接口的连接。
可将数据接口设置于该壳体平面的中心位置，利用平衡左右晃动，提高机构稳定性。
图5为内箱体结构示意图，其可更换模块装载有电源模块和计算机模块，电源模块设备为1组镍镉蓄电池组，计算机模块设备为中心计算机、遥控单元、控制单元、大容量存储器、时钟单元等。如图所示，主要包括联动结构12-2-4、锁定结构12-2-5、缓冲结构12-2-7以及定位销12-2-2。
具体的：如图7，所述联动结构12-2-4设置于内箱体壳体对外一侧的壳体表面上的两块相互平行的凸台结构12-2-6上；该联动结构12-2-4包括导向销12-2-4-1、连动板12-2-4-2、导向螺栓12-2-4-3以及压缩弹簧12-2-4-4，所述连动板12-2-4-2一端通过导向销12-2-4-1固定于靠近所述容纳腔12-1-1的下壁板12-1-1-1的凸台结构12-2-6上，另一端通过导向螺栓12-2-4-3固定于另一凸台结构12-2-6上，所述压缩弹簧12-2-4-4设置于该凸台结构12-2-6与连动板12-2-4-2之间的导向螺栓12-2-4-3上；所述连动板12-2-4-2还设置有用于插入传力销12-2-3的通孔，由固定螺母将传力销12-2-3一端固定于所述连动板12-2-4-2上。
同时设置有机械手臂夹持接口，由于这个是常用技术，图中未示出，所述联动结构12-2-4的作用：一是便于机械手臂夹持；二是利用联动结构12-2-4带动锁定结构12-2-5实现解锁。
如图8、图9，所述锁定结构12-2-5竖直安放在内箱体12-2内对外一侧，其上端由导向滑块12-2-5-1以及设置于导向滑块12-2-5-1之间的压缩弹簧二12-2-5-2组成；所述锁定机构12-2-5下端为带有用于传力销12-2-3插入的盲孔12-2-5-4的锁销12-2-5-3。同时外箱体12-1设置有与锁销12-2-5-3配套使用的锁销通孔——锁销接口12-1-3；传力销12-2-3是连接联动结构12-2-4与锁销12-2-5-3的桥梁，一端与锁销12-2-5-3过盈配合，另一端通过螺母将其固定在联动结构12-2-4上，整个机构通过机械手臂就可完成锁止、解锁过程。
下面说明锁定结构的工作过程：本案中的锁定结构12-2采用插销原理。在内箱体12-2受力推进外箱体12-1时，由于机械手臂作用，带动联动结构12-2-4使锁销12-2-5-3抬起，当内箱体12-2前端的定位销12-2-2到达位置后松开联动结构12-2-4，由于压缩弹簧二2-2-5-2的反作用，使锁销12-2-5-3向下压，在缓冲滑块12-2-7-4的压缩弹簧三12-2-7-3的作用下，内箱体12-2到自动回弹达指定位置，然后通过锁定结构12-2-5自动锁止。
开锁过程是：机械手臂带动联动结构12-2-4动作，使得传力销12-2-3向上移动，进而使得锁销12-2-5-3向开锁方向移动，使锁销12-2-5-3脱离销孔（12-1-3）时实现解锁。此方法简单，体积小，便于操作，并且机械强度高。
图6中是可更换模块推进内箱体的状态图，该图为局部视图。为了保证输送电力和数据的连接插头能顺利插进连接器插座内，内箱体12-2的内前面上设计了两个定位销12-2-2，与其对应的外箱体12-1的后壁板12-1-1-2上设置相应的定位销接口12-1-4（图中未示出）。所述定位销12-2-2并排布置于内箱体12-2壳体内表面上端，且与同样并排设置于内箱体12-2壳体内表面下端的两个缓冲结构12-2-7构成四点支撑；该定位销12-2-2与内箱体12-2过渡配合，与外箱体预留的定位销接口12-1-4采用间隙配合，这样的设置可以方便导向和安装。
如图5、6，内箱体12-2上还设有缓冲结构12-2-7,主要安装在内箱体12-2的下端，由缓冲固定块12-2-7-1、弹簧导向销12-2-7-2、压缩弹簧三12-2-7-3、缓冲滑块12-2-7-4组成，这样的设置可是保证缓冲结构12-2-7在插入时首先接触。其主要有两个作用：一是缓冲插入时的作用力，防止过大导致航天器偏离轨道；二是与外箱体12-1设有导向滑块孔配合，实现定位作用。
如图5、9所示在所述内箱体12-2内部还设置有使锁定机构12-25与箱体内部离隔开的隔热板12-2-8。
在模块外箱体12-1的下壁板12-1-1-1对外一侧的壁板上设置有锁定结构12-2-5的锁销接口12-1-3，与其对应的锁定结构12-3上的锁销12-3-2，在内箱体12-1推进外箱体12-1的过程中，以上所述的部件便相互插进，如图5的插接状态，该方法实现了空间X、Y、Z三轴定位。
为了保证电源模块系统内部各部件工作在所要求的温度范围内，机构设有导热介质循环散热装置、百叶窗式散热装置和电加热装置，本设置中并不做细加说明，具体设计要看航天器的整体构型。并且可在在模块外箱体设有散热孔，方便多余热量的散失。
如上述定位销12-2-2、缓冲结构12-2-7和锁销实现12-2-5-3五销定位，在空间X、Y、Z三轴方向上获得锁止定位。在卫星异常情况下模块不会被甩出星外；同时保证了电气数据插头和插孔的自动连接，其浮动连接可以有效地减少震动，保证安全有效地输送电力与数据。
上述过程是在机载机械手臂和远程数据控制的配合下完成准确安装和卸载。各个模块上均可以安装相关的密封、缓冲、绝缘、防震等零件，这些比较容易实现，为此不再详细论述。
如上述本案解决可更换模块的装载、锁止定位、解锁卸载、隔热、防震、电力数据输送等技术问题，可以提高航天器的稳定性与经济性。
本案实现了更换模块的快速更换，在航天领域维修创造了新的条件。可实现地面远程控制模块的更换，减少因航天飞机携人上天进行维修带来的危险并且可以有效提高经济性。对在轨航天器维修产业具有一定的积极意义和作用。
上述虽然结合附图说明了本发明，但本领域技术人员可以意识上述仅仅是实施方式的示意阐述，具体要考虑航天器的整体情况而定。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种抽屉式的可更换模块用柔性插拔机构，包括外箱体（12-1）和内箱体（12-2），其特征在于：所述外箱体（12-1）上设置若干用于容纳所述内箱体（12-2）的容纳腔（12-1-1），内箱体（12-2）置于容纳腔（12-1-1）内；所述外箱体（12-1）与内箱体（12-2）之间通过滑轨结构（12-3）进行插拔配合，所述的滑轨结构（12-3）是由设置于所述容纳腔（12-1-1）的下壁板（12-1-1-1）两侧边缘处的具有一定倾斜角度的滑轨（12-3-1）以及设置于所述内箱体（12-2）壳体的下表面上且与所述滑轨（12-3-1）相匹配的滑道（12-3-2）组成；所述内箱体（12-2）用于承载可更换单元，且还设置有数据输送接口二（12-2-1）、定位销（12-2-2）、传力销（12-2-3）、联动结构（12-2-4）、锁定结构（12-2-5），所述数据输送接口二（12-2-1）、定位销（12-2-2）均设置于内箱体（12-2）与所述外箱体（12-1）的后壁板（12-1-1-2）相接触的壳体表面上，所述联动结构（12-2-4）用于与所述锁定结构（12-2-5）配合实现内箱体（12-2）在外箱体（12-1）上的锁定以及解锁过程，该联动结构（12-2-4）设置于内箱体（12-2）壳体对外一侧的壳体表面上，所述锁定结构（12-2-5）设置于所述内箱体（12-2）的箱体内，且与所述传力销（12-2-3）一端固定于联动结构（12-2-4）上，所述传力销（12-2-3）另一端穿过内箱体（12-2）上的通孔固定于所述锁定结构（12-2-5）上。
2.根据权利要求1所述的柔性插拔机构，其特征在于：所述内箱体（12-2）对外一侧的壳体表面上的还设置两块相互平行的凸台结构（12-2-6），所述联动结构（12-2-4）设置于两块凸台结构（12-2-6）之间；该联动结构（12-2-4）包括导向销（12-2-4-1）、连动板（12-2-4-2）、导向螺栓（12-2-4-3）以及压缩弹簧（12-2-4-4），所述连动板（12-2-4-2）一端通过导向销（12-2-4-1）固定于靠近所述容纳腔（12-1-1）的下壁板（12-1-1-1）的凸台结构（12-2-6）上，另一端通过导向螺栓（12-2-4-3）固定于另一凸台结构（12-2-6）上，所述压缩弹簧（12-2-4-4）设置于该凸台结构（12-2-6）与连动板（12-2-4-2）之间的导向螺栓（12-2-4-3）上。
3.根据权利要求2所述的柔性插拔机构，其特征在于：所述连动板（12-2-4-2）还设置有用于插入传力销（12-2-3）的通孔，由螺母将传力销（12-2-3）一端固定于所述连动板（12-2-4-2）上。
4.根据权利要求1所述的柔性插拔机构，其特征在于：所述锁定结构（12-2-5）上端由导向滑块（12-2-5-1）以及设置于导向滑块（12-2-5-1）之间的压缩弹簧二（12-2-5-2）组成；所述锁定结构（12-2-5）下端为带有用于传力销（12-2-3）插入的盲孔（12-2-5-4）的锁销（12-2-5-3）。
5.根据权利要求1所述的柔性插拔机构，其特征在于：所述数据输送接口二（12-2-1）设置于与所述容纳腔（12-1-1）的后壁板（12-1-1-2）相接触的壳体表面上的平面中心位置，用于平衡左右晃动。
6.根据权利要求1所述的柔性插拔机构，其特征在于：所述滑轨（12-3-1）的倾斜角度为45°。
7.根据权利要求1所述的柔性插拔机构，其特征在于：所述外箱体（12-1）还设置有与所述内箱体（12-2）上的数据输送接口二（12-2-1）、定位销（12-2-2）、锁销（12-2-5-3）相互配合插拔的数据输送接口一（12-1-2）、锁销接口（12-1-3）、定位销接口（12-1-4）；所述数据输送接口一（12-1-2）设置于所述容纳腔（12-1-1）的后壁板（12-1-1-2）上，位置与所述内箱体（12-2）上的数据输送接口二（12-2-1）对应设置；所述定位销接口（12-1-4）为位置与所述内箱体（12-2）上的定位销（12-2-2）对应设置的通孔结构；所述锁销接口（12-1-3）为设置于所述容纳腔（12-1-1）的下壁板（12-1-1-1）对外一侧的板面上的通孔结构。
8.根据权利要求1所述的柔性插拔机构，其特征在于：所述内箱体（12-2）还包括缓冲结构（12-2-7），该缓冲结构（12-2-7）用于缓冲内箱体（12-2）插入时的作用力，同时与所述定位销（12-2-2）配合起到定位作用，该缓冲结构（12-2-7）包括缓冲固定块（12-2-7-1）、弹簧导向销（12-2-7-2）、压缩弹簧三（12-2-7-3）以及缓冲滑块（12-2-7-4），所述弹簧导向销（12-2-7-2）一端连接缓冲滑块（12-2-7-4），另一端穿过所述内箱体（12-2）的通孔与设置于所述容纳腔（12-1-1）的后壁板（12-1-1-2）相接触的壳体表面上的缓冲固定块（12-2-7-1）连接，且所述弹簧导向销（12-2-7-2）位于内箱体（12-2）内的部分上设置压缩弹簧三（12-2-7-3）。
9.根据权利要求1所述的柔性插拔机构，其特征在于：所述内箱体（12-2）内部还设置有使锁定结构（12-2-5）与内箱体（12-2）内部离隔开的隔热板（12-2-8）。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2014
- 2014-03-03 CN CN201420093535.3U patent/CN203714185U/zh not_active Expired - Lifetime
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