RU221584U1 - Адаптер для размещения модулей полезной нагрузки для организации распределенных учебно-научных экспериментов на борту малых космических аппаратов - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к вспомогательным бортовым устройствам малых космических аппаратов, является универсальным устройством для размещения в различных летных платформах малых космических аппаратов формата CubeSat типовых модулей полезной нагрузки определенного формата, организации управления ими и сбора получаемых такими модулями научных данных. Адаптер для размещения модулей полезной нагрузки для организации распределенных учебно-научных экспериментов на борту малых космических аппаратов включает корпус, представляющий собой несущую конструкцию, состоящую из верхней пластины, нижней пластины и боковых пластин, соединенных между собой крепежными соединениями, и материнскую плату, на которой расположены порты подключения модулей полезной нагрузки, установленную на заднем торце корпуса посредством крепежных соединений, при этом указанные пластины и материнская плата образуют прямоугольный параллелепипед, а боковые пластины снабжены направляющими и крепежными отверстиями для размещения и фиксации модулей полезной нагрузки. 1 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Полезная модель относится к вспомогательным бортовым устройствам малых космических аппаратов (спутников). Заявляемое решение является универсальным устройством для размещения в различных летных платформах малых космических аппаратов формата CubeSat типовых модулей полезной нагрузки определенного формата, организации управления ими и сбора получаемых такими модулями научных данных. Более конкретно полезная модель представляет собой адаптер для размещения модулей полезной нагрузки для организации распределенных учебно-научных экспериментов на борту малых космических аппаратов, который поддерживает размещение как неотделяемых от аппарата-носителя модулей, так и отделяемых, становящихся после отстыковки независимыми сверхмалыми космическими аппаратами.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В уровне техники известны различные спутниковые платформы, такие как EuroStar, SpaceBus, TabletSat и пр.

(https://en.wikipedia.org/wiki/Satellite_bus, https://space.skyrocket.de/directories/sat_bus.htm).

Организация учебно-научных миссий на основе спутниковых платформ требуют разработки и запуска космического аппарата целиком, включая согласование одновременной работы всей бортовой аппаратуры, причем большая часть таких платформ предназначена для проектирования космических аппаратов значительно более высокого класса размеров и энергобаланса, чем Cubesat, не подразумевающих возможности серийных запусков различными командами с возможностью смены платформы.

В отличие от известных спутниковых платформ, заявляемое решение является полезной нагрузкой - адаптером, устанавливаемым на различные спутниковые платформы формата CubeSat и позволяющим разработчикам учебных модулей готовить такие модули к запуску без учета особенностей конкретной платформы, других размещаемых на том же аппарате модулей или иной полезной нагрузки.

Также в уровне техники известен широкий класс контейнеров и пусковых устройств для ракетоносителей, космических станций и более крупных спутников, например, серия CubeSat Deployers (P-POD) от разных производителей, системы отделения ISRO и пр.

(https://www.satnow.com/search/satellite-deployers, https://www.satnow.com/search/separation-systems).

Известные системы такого типа предназначены для отделения полноценных космических аппаратов (включая сами аппараты формата Cubesat), но не предназначены для применения в качестве полезной нагрузки таких аппаратов с обеспечением питания, управления и организации дистрибьюции получаемых научных данных. Также, они подразумевают размещение на борту ракет-носителей или аппаратов значительно более высокого класса размеров и энергопотребления, чем Cubesat.

В отличие от широкого класса контейнеров и пусковых устройств для ракетоносителей, космических станций и более крупных спутников, настоящее решение подлежит установке на борту малых аппаратов формата Cubesat и разработано с учетом конструктивных особенностей существующих летных платформ на рынке аппаратов формата Cubesat, позволяя размещаться в них без использования дополнительных конструктивных элементов.

Известны устройства вывода на орбиту роя одноплатных фемтоспутников с борта аппарата формата Cubesat, например, проекты KickSat и AmbaSat, которые позволяют отстытковку с борта кубсата большого числа стандартных одноплатных фемтоспутников размером 3x3 см. (https://space.skyrocket.de/doc_sdat/kicksat-1.htm, https://ambasat.com/)

Данные решения не подразумевают вариации полезной нагрузки на моделях, отделяемых пикосатов, а также подключения более одного возможного формата пикосатов. Функционал полезной нагрузки, расположенной на пикосате, ограничен и несет в себе небольшой научный потенциал. В конструктиве пикосатов упор сделан в большей степени на обучающую составляющую. Помимо этого, данные решения поддерживают только отстыковываемый формат миссии.

В отличие от указанных решений, заявляемая полезная модель:

обеспечивает связь, питание и управление установленными в нее модулями, а также доступ рабочей стороны модуля в открытый космос, что позволяет реализовывать содержательные учебно-научные задачи без необходимости отстыковки и/или разработки собственной системы питания и связи;

позволяет размещать модули, разрабатываемые независимо в различных габаритных и конструктивных стандартах (в один или несколько слоев, отделяемые и неотделяемые).

РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

Задачей настоящей полезной модели является устранение недостатков известного уровня техники, и разработка адаптера, позволяющего организовывать распределенные задачи в космическом пространстве, в том числе командами учащихся, не обладающими изначально квалификацией космических инженеров, а именно:

свести задачу организации учебного, научного и/или технологического эксперимента в космосе к разработке (в том числе одноплатного) модуля согласно заданным требованиям, известного интерфейса подключения и протокола коммуникации;

в случае, если для проведения эксперимента не требуется отстыковка, также исключить задачу обеспечения питания и связи;

размещать несколько типовых модулей полезной нагрузки на одном искусственном спутнике Земли формата Cubesat, значительно снижая трудоемкость участия как для каждой команды разработчиков, так и для команды разработчиков аппарата-носителя;

разрабатывать модули независимо от разработки их аппаратов-носителей, в том числе, не зная заведомо конструкцию и платформу аппарата-носителя;

-реализовать единую конструкцию модуля для учебных, научных и/или технологических задач, требующих размещения экземпляров модуля на нескольких различных, в том числе заранее неизвестных аппаратах-носителях, либо реализовать собственную версию модуля для включения в уже проводящийся учебно-научный эксперимент.

Обеспечиваемый настоящей полезной моделью технический результат заключается в создании унифицированного интерфейса размещения, питания и управления оборудованием полезной нагрузки на аппаратах формата CubeSat, позволяющего, как следствие:

1. снизить потребность во времени, ресурсах и компетенциях участников разработки каждого из модулей полезной нагрузки, а также риски его неполной аппаратно-программной совместимости с платформой аппарата-носителя;

2. обеспечить технологическую совместимость модулей полезной нагрузки, разработанных различными независимыми инженерными командами, в том числе командами, состоящих из учащихся и стажеров.

Указанный технический результат достигается за счет конструкции адаптера для размещения модулей полезной нагрузки для организации распределенных учебно-научных экспериментов на борту малых космических аппаратов, которая включает

корпус, представляющий собой несущую конструкцию, состоящую из верхней пластины, нижней пластины и боковых пластин, соединенных между собой крепежными соединениями и

материнскую плату, на которой расположены порты подключения модулей полезной нагрузки, установленную на заднем торце корпуса посредством крепежных соединений,

при этом указанные пластины и материнская плата образуют прямоугольный параллелепипед, а боковые пластины снабжены направляющими и крепежными отверстиями для размещения и фиксации модулей полезной нагрузки.

В варианте осуществления полезной модели адаптер может содержать среднюю пластину, которая установлена внутри корпуса в соответствующих пазах на верхней и нижней пластинах, разделяет корпус на ячейки, и закреплена посредством крепежных элементов.

Средняя пластина адаптера снабжена направляющими для размещения и фиксации модулей полезной нагрузки.

Дополнительно адаптер может содержать кронштейны с крепежными соединениями, установленные с возможностью фиксации адаптера в летных платформах.

В вариантах осуществления полезной модели адаптер дополнительно может содержать комплект пружин сжатия и/или комплект прижимов модулей полезной нагрузки с листовыми пружинами, для отделяемых модулей полезной нагрузки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Полезная модель поясняется чертежами, на которых

На Фиг. 1 представлен общий вид заявляемой полезной модели в сборе;

На Фиг. 2 представлен вид сбоку заявляемой полезной модели;

На Фиг. 3 представлен вид спереди заявляемой полезной модели;

На Фиг. 4 представлен вид сверху заявляемой полезной модели;

На Фиг. 5 представлена схема сборки заявляемой полезной модели;

На Фиг. 6 представлен пример адаптера с размещенными модулями полезной нагрузки;

На Фиг. 7 представлены варианты размещения адаптера на рельсах летной платформы;

На Фиг. 8 представлена рамка для закрепления модулей полезной нагрузки в адаптере в уменьшенном форм-факторе.

На Фиг. 9 представлена рамка для закрепления модулей полезной нагрузки в адаптере в стандартном форм-факторе.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

Заявляемое решение - адаптер предназначено для интеграции многокомпонентной полезной нагрузки в летные платформы малых космических аппаратов формата CubeSat.

Адаптер для размещения модулей полезной нагрузки для организации распределенных учебно-научных экспериментов на борту малых космических аппаратов, состоит из корпуса, представляющего собой несущую конструкцию, удовлетворяющую массово-габаритным требованиям формата Cubesat (см. Фиг. 1, 2, 3, 4, 5). Корпус (см. Фиг. 1) состоит из верхней (2) пластины, нижней (3) пластины и боковых (4) пластин, соединенных между собой крепежными соединениями и материнской платы (1), на которой расположены порты подключения модулей полезной нагрузки. Материнская плата (1) (см. Фиг. 3, 5) установлена на заднем торце корпуса адаптера посредством крепежных соединений. Упомянутые верхняя (2), нижняя (3) и боковые (4) пластины, а также материнская плата (1) образуют прямоугольный параллелепипед (см. Фиг. 1, 6). Боковые (4) пластины снабжены направляющими и крепежными отверстиями для размещения и фиксации модулей полезной нагрузки (см. Фиг. 1, 5).

Конструкция адаптера выполнена таким образом, что разделяет внутреннее пространство корпуса для размещения модулей на несколько ячеек, благодаря чему появляется возможность устанавливать модули различных форм-факторов с соблюдением общих требований.

Основная функция и задача корпуса - размещение и закрепление модулей полезной нагрузки.

Модули различного типа нескольких различных габаритов, в том числе, ⅙, ⅓ или полной внутренней высоты адаптера размещаются на выступающих горизонтальных направляющих боковых (4) пластин. При этом:

при использовании модулей ⅙ внутренней высоты адаптера, они устанавливаются парами по два между каждыми направляющими;

при использовании модулей ⅓ внутренней высоты адаптера, они устанавливаются между направляющими.

Назначение материнской платы (1) - автоматическое управление питанием и отстыковкой модулей полезной нагрузки, а также сбором, структурированием, хранением и взаимной передачей данных модулей полезной нагрузки и аппарата-носителя, включая преобразование различных параметров питания различных летных платформ к типовым параметрам, поддерживаемых модулями полезной нагрузки, и отключение питания на части модулей при необходимости для экономии энергии аппарата-носителя.

Коммутация модулей и адаптера реализуется за счет восьмиконтактных разъемов, расположенных на материнской плате (1). Через разъемы реализуется информационный обмен между модулями и адаптером, управление питанием модулей, а также управление отстыковкой модулей при реализации соответствующей миссии.

Внутренний информационный обмен между модулями и адаптером реализуется по интерфейсу RS-485. Для облегчения разработки прошивки для учебного модуля разработана документация с описанием API использующегося протокола. Протокол обмена реализует сбор полезной информации с размещенных в нем модулей и ее хранение до момента передачи в подсистему связи аппарата-носителя. Условиями миссии определяется допустимое количество передаваемой каждым модулем полезной информации.

Материнская плата (1), представленная на Фиг. 3, содержит, но не ограничивается этим:

управляющий микроконтроллер, обеспечивающий возможность прошивки алгоритмов управления, включая функции включения, выключения, в том числе, экстренного, перезагрузки, опроса модулей, получения с них пакетов научных данных и передачи управляющих команд, включая их перепрошивку, а также передачу платформе космического аппарата накопленных данных при сеансах связи;

преобразователи питания на 3.3, 5 и 12 V, поддерживающие диапазон входного питания от 5.5 до 8.5 V, а также защитные элементы, позволяющие автоматизировать и балансировать питание подключенных модулей;

шину коммутации протокола RS485 с портами подключения модулей полезной нагрузки, реализация интерфейса CAN и порт подключения к платформе формата PC-104,

устройство хранения данных для накопления полученных научных данных между сеансами связи.

Материнская плата (1) содержит сквозные разъемы, соответствующие шине PC-104, являющейся одной из самых распространенных реализаций физической составляющей информационного обмена в спутниках формата CubeSat.

Дополнительно, адаптер может содержать среднюю (5) пластину, которая устанавливается внутри корпуса в соответствующих пазах на верхней (2) и нижней (3) пластинах, с возможностью разделения корпуса на ячейки, и закреплена посредством крепежных элементов, например, винтов.

Средняя (5) пластина снабжена направляющими для размещения и фиксации модулей полезной нагрузки, является необязательным элементом конструкции, и может быть установлена в варианте осуществления полезной модели. В отсутствии средней (5) пластины допускается установка модулей полезной нагрузки увеличенного вдвое по ширине

Благодаря наличию направляющих, расположенных на боковых (4) пластинах и средней пластине (5), появляется возможность размещать модули различной высоты. При минимально возможной высоте и неотделяемом типе модуля адаптер позволяет разместить до 12 модулей, для чего на материнской плате (1) имеется необходимое количество портов подключения для модулей.

Дополнительно, адаптер может содержать кронштейны (6) с крепежными винтами для фиксации адаптера в летных платформах, при этом конструкции адаптера и наличие кронштейнов (6) позволяют размещать адаптер на шпангоутах кубсата без доработки в, по крайней мере, трех различных летных платформах, представленных на рынке. Варианты размещения адаптера на рельсах летной платформы представлены на Фиг. 7.

Верхняя (2), нижняя (3) и боковые пластины (4) соединяются с помощью крепежных соединений, например, винтов, образуя корпус адаптера, см. Фиг. 2. Материнская плата (1) фиксируется посредством крепежных соединений, например, винтов к заднему торцу корпуса адаптера, как представлено на Фиг. 2.

Комплект пружин сжатия с держателями и крепежными соединениями (7) является необязательным элементом конструкции, а дополнительным. Его установка не требуется для размещения модулей, не подлежащих отстыковке от адаптера.

Материнская плата (1) и боковые пластины (4) могут быть изготовлены в уменьшенном по высоте размере (с меньшим количеством портов для модулей) для получения уменьшенного варианта адаптера, в том числе для размещения в половине юнита кубсата.

Комплект пружин сжатия с держателями и крепежными соединениями (7) и комплект прижимов с листовыми пружинами и крепежными соединениями (8) устанавливаются в варианте исполнения адаптера для отделяемых модулей полезной нагрузки.

В качестве варианта конструкции параллельно боковым (4) пластинам в центре корпуса адаптера может быть установлена средняя (5) пластина, также снабженная направляющими для размещения и фиксации модулей полезной нагрузки. Средняя (5) пластина устанавливается в соответствующие пазы на верхней (2) и нижней (3) пластинах и дополнительно закрепляется крепежными соединениями, например, винтами.

Перед установкой в адаптер неотделяемого учебного модуля, необходимо разместить его в соответствующей рамке, например, в уменьшенном форм-факторе, представленной на Фиг. 8, или в стандартном форм-факторе, представленной на Фиг. 9, или корпусе, включающем такую рамку. Рамка с модулем устанавливается по скользящей посадке на направляющих, расположенных на боковых (4) пластинах. В варианте осуществления полезной модели рамка с модулем может быть установлена на направляющих, расположенных как на боковых пластинах (4), так и на средней пластине (5). Пример адаптера с размещенными модулями полезной нагрузки представлен на Фиг. 6.

Установка средней (5) пластины позволяет размещать модули габаритом в половину внутренней ширины адаптера, в количестве от 2 до 12 модулей, в зависимости от высоты. Без средней (5) пластины могут быть установлены модули в полную внутреннюю ширину адаптера, в количестве от 1 до 6 модулей, в зависимости от высоты.

Установленные модули могут удерживаться внутри корпуса посредством комплектов листовых прижимов модулей полезной нагрузки с крепежными винтами (8).

Противоположная от материнской платы (1) сторона является открытой, благодаря чему, через нее осуществляется установка модулей полезной нагрузки. Открытая сторона также может быть использована для размещения на учебных модулях элементов, обращенных в открытое космическое пространство (например, элементов радиоаппаратуры).

В качестве варианта конструкции, перед установкой модулей дополнительно на материнскую плату (1) может быть установлен комплект пружин сжатия с держателями и крепежными соединениями (7), если в рамках миссии планируется реализация отстыковки модулей. В этом случае для фиксации модулей винты не используются.

Назначение пружин - выталкивание модулей в открытый космос по управляющему сигналу с Земли или по достижении иных автоматически определяемых условий, для чего предусмотрен отдельный контакт на материнской плате. Фиксация модулей до момента отделения происходит за счет зачековки модулей в адаптере пережигаемой нитью.

Заявляемая конструкция адаптера предполагает размещение на платформе CubeSat формата 2U и более. Для размещения адаптера в аппарате-носителе предусмотрены кронштейны (6), которые совместимы с некоторыми платформами формата CubeSat. Занимаемый адаптером объем равен 1U. Дополнительно возможна реализация адаптера в уменьшенном формате для возможности его размещения на платформах формата CubeSat 1U.

Описанные выше элементы конструкции позволяют механическую интеграцию в некоторые существующие платформы формата CubeSat без доработок или с минимальными доработками.

Перечень позиций:

1 - материнская плата,

2 - верхняя пластина,

3 - нижняя пластина,

4 - боковые пластины,

5 - средняя пластина,

6 - кронштейны,

7 - пружины сжатия с держателями и крепежными соединениями,

8 - прижимы с листовыми пружинами и крепежными соединениями

Claims (5)

1. Адаптер для размещения модулей полезной нагрузки для организации распределенных учебно-научных экспериментов на борту малых космических аппаратов, включающий корпус, представляющий собой несущую конструкцию, состоящую из верхней пластины, нижней пластины и боковых пластин, соединенных между собой крепежными соединениями, и материнскую плату, на которой расположены порты подключения модулей полезной нагрузки, установленную на заднем торце корпуса посредством крепежных соединений, при этом указанные пластины и материнская плата образуют прямоугольный параллелепипед, а боковые пластины снабжены направляющими и крепежными отверстиями для размещения и фиксации модулей полезной нагрузки.

2. Адаптер по п. 1, которой дополнительно содержит среднюю пластину, установленную внутри корпуса в соответствующих пазах на верхней и нижней пластинах, с возможностью разделения корпуса на ячейки, и закрепленную посредством крепежных элементов.

3. Адаптер по п. 2, в котором средняя пластина снабжена направляющими для размещения и фиксации модулей полезной нагрузки.

4. Адаптер по п. 1, который дополнительно содержит кронштейны с крепежными соединениями, установленные с возможностью фиксации адаптера в летных платформах.

5. Адаптер по п. 1, который дополнительно содержит комплект пружин сжатия и/или комплект прижимов модулей полезной нагрузки с листовыми пружинами для отделяемых модулей полезной нагрузки.