一种对接后可旋转的微纳卫星电磁对接装置及对接方法与流程

本发明涉及航天技术领域，具体涉及一种对接后可旋转的微纳卫星电磁对接装置及对接方法。

背景技术：

随着我国航天事业的飞速发展，卫星技术在工业、农业、科研、军事等领域得到了广泛应用，近年来，凭借微纳卫星体积小、成本低、生产周期短等特点，微纳卫星成为了世界各大国的重点研究对象，发射的微纳卫星数量也在逐年上升。大型航天器的空间交会对接技术已经比较成熟，而微纳卫星的空间交会对接技术还处于研究阶段，目前在世界上还没有实现过在太空中进行微纳卫星的对接，美国和欧洲一些国家都在进行微纳卫星的交会对接任务研究，投入了大量的人力、物力、财力。我国也投入了大量的精力解决微纳卫星的空间交会对接技术难题，这将为我国的微纳卫星技术带来飞跃性突破。

但目前用于微纳卫星的微型对接装置很不成熟，关键难点在于如何把对接装置做到微型化、功耗尽量低以及高可靠性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种对接后可旋转的微纳卫星电磁对接装置及对接方法。体积小、质量轻、可靠性高，能普遍运用于各种微纳卫星上，并且能在微纳卫星对接后实现一维旋转，多颗微纳卫星自由对接组合后实现组合体的构型变换，从而完成观测视场的拼接和叠加有利于微纳卫星多角度对地观测。

一种对接后可旋转的微纳卫星电磁对接装置，安装在微纳卫星上，引导两颗微纳卫星精确对接，包含：

主动对接机构，一端为喇叭形，内部设有永磁同步电机和一圈主动对接齿，永磁同步电机带动主动对接齿旋转；

被动对接机构，主体呈圆台形，与所述主动对接机构的喇叭形端口相吻合，内部设有一圈被动对接齿；

所述主动对接机构和被动对接机构对接后，主动对接齿和被动对接齿啮合，当永磁同步电机工作时，主动对接机构和被动对接机构相对旋转。

上述的一种对接后可旋转的微纳卫星电磁对接装置，其中，所述的主动对接机构具体包含：

主动固定底座，圆筒形，开口向上，沿开口一圈内侧设有主动对接齿，底部有凸缘，凸缘上设有安装螺孔；

主动导向筒，喇叭形，小端与主动固定底座开口处刚性连接；

主动固定底座内部由下至上，按中心对齐的原则依次设置主动对接轴、主动控制器、永磁同步电机、主动旋转轴、主动电磁铁。

上述的一种对接后可旋转的微纳卫星电磁对接装置，其中：

主动对接轴，内部中空，中空部分设有主动控制器，主动对接轴的一端刚性连接主动固定底座，另一端连接永磁同步电机；

主动控制器，与永磁同步电机电性连接；

主动电磁铁，底面中心设有圆孔；

主动旋转轴，一端与所述永磁同步电机的另一端连接；另一端嵌入所述主动电磁铁的圆孔中，并以过盈配合的方式保持固定连接。

上述的一种对接后可旋转的微纳卫星电磁对接装置，其中，所述的被动对接机构具体包含：

被动导向筒，圆台形，内部中空，其外形尺寸与所述主动导向筒的喇叭形部分吻合；

被动固定底座，设置于被动导向筒底部，与被动导向筒刚性连接，并设有安装螺孔；

被动导向筒内部由下至上，按中心对齐的原则依次设置被动对接轴、被动控制器、锁紧释放装置、被动旋转轴、被动电磁铁。

上述的一种对接后可旋转的微纳卫星电磁对接装置，其中：

被动对接轴，一端与被动固定底座固定连接，另一端与被动控制器连接；

锁紧释放装置，主体呈圆筒形，沿顶部边缘一圈设有被动对接齿，其形状尺寸与所述主动对接齿吻合，锁紧释放装置顶部边缘内侧设有沿水平方向伸缩的销钉，当销钉伸出时锁紧所述主动对接齿和所述被动对接齿，锁紧释放装置上表面设有行程开关，自由状态为关断状态，压合时导通；

被动电磁铁，底面中心设有圆孔；

被动旋转轴，一端与被动控制器连接，另一端嵌入所述被动电磁铁的底面圆孔中，并以过盈配合的方式保持固定连接。

一种对接后可旋转的微纳卫星对接、旋转和释放方法，包含以下部分：

s1、通过一颗卫星上的主动对接机构和另一卫星上的被动对接机构的引导和控制实现对接和锁紧；

s2、主动对接机构中的永磁同步电机工作，驱动两颗卫星相对旋转；

s3、一颗卫星上的主动对接机构和另一卫星上的被动对接机构解锁，两颗卫星分离。

上述的一种对接后可旋转的微纳卫星对接、旋转和释放方法，其中，对接方法包含以下步骤：

s11、在相对导航和控制系统引导下，令两颗微纳卫星逐渐接近，一颗卫星上的主动对接机构和另一卫星上的被动对接机构初步对接；

s12、当主动对接机构上的主动电磁铁与被动对接机构上的被动电磁铁间距离小于5cm时，主动电磁铁和被动电磁铁通电，令两者相互吸引；

s13、在主动导向筒和被动导向筒的引导下，主动对接齿和被动对接齿继续接近直至啮合，锁紧释放装置上表面的行程开关被压合导通，形成到位标志；

s14、被动控制器收到所述到位标志后控制锁紧释放装置执行锁紧动作，销钉伸出，令主动对接机构和被动对接机构锁紧；

s15、主动电磁铁和被动电磁铁断电，完成对接。

上述的一种对接后可旋转的微纳卫星对接、旋转和释放方法，其中，旋转包含以下步骤：

s21、主动控制器向永磁同步电机发出旋转指令；

s22、永磁同步电机产生驱动力，由主动旋转轴、主动对接齿、被动对接齿和被动旋转轴依次传递，驱动两颗卫星相对角度产生变化。

上述的一种对接后可旋转的微纳卫星对接、旋转和释放方法，其中，释放包含以下步骤：

s31、被动控制器发出解锁指令；

s32、锁紧释放装置完成解锁释放动作，销钉退回锁紧释放装置内；

s33、主动控制器和被动控制器分别令主动电磁铁和被动电磁铁通电，使两者互斥，从而令两颗卫星逐渐分离；

s34、锁紧释放装置上表面的行程开关断开，恢复常态；

s35、主动电磁铁和被动电磁铁分别断电，分离完成。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、本发明在对接过程中，通过喇叭形和圆台形的导向筒配合进行导向和定位，对接时能通过对接齿啮合，从而能在一定初始位置和角度偏差下自主校正、精确对接。

二、本发明具有体积小、质量轻、功耗低等优点，符合微纳卫星的需求，相比于大型航天器对接机构而言，成本大大降低。

三、两颗微纳卫星对接后可通过对接机构旋转改变相对角度，有助于改变组合体的构型，具备更强的任务灵活性。

附图说明

图1是主动对接机构的轴侧图；

图2是主动对接机构的俯视图；

图3是主动对接机构的剖视图；

图4是被动对接机构的轴测图；

图5是被动对接机构的俯视图；

图6是被动对接机构的剖视图；

图7是主动对接机构和被动对接机构对接时的示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图7所示，一种对接后可旋转的微纳卫星电磁对接装置，安装在微纳卫星上，用于引导两颗微纳卫星精确对接，主要包含主动对接机构24和被动对接机构25。主动对接机构24一端为喇叭形，内部设有永磁同步电机8和一圈主动对接齿4，永磁同步电机8受主动控制器9的控制，工作时产生旋转力矩，带动主动对接齿4旋转。被动对接机构25主体为圆台形，与所述主动对接机构24的喇叭形端口相吻合，内部设有一圈被动对接齿11。主动对接机构24和被动对接机构25对接后，主动对接齿4和被动对接齿11啮合，当永磁同步电机8工作时，主动对接机构24和被动对接机构25能够相对旋转。

如图1及图2所示，主动对接机构24包含主动固定底座1和主动导向筒3两大部分。主动固定底座1为圆筒形，开口向上，沿开口一圈内侧设有主动对接齿4，底部有凸缘，凸缘上设有安装螺孔；主动导向筒3为喇叭形，小端与主动固定底座1开口处刚性连接，主动固定底座1内部由下至上，按中心对齐的原则依次设置主动对接轴10、主动控制器9、永磁同步电机8、主动旋转轴7、主动电磁铁6。

如图3所示，主动固定底座1内部的零部件连接关系如下：主动对接轴10内部中空，中空部分设有主动控制器9，主动对接轴10的一端刚性连接主动固定底座1，另一端连接永磁同步电机8。主动控制器9，与永磁同步电机8电性连接。主动电磁铁6，底面中心设有圆孔。主动旋转轴7，一端与所述永磁同步电机8的另一端连接；另一端嵌入所述主动电磁铁6的圆孔中，并以过盈配合的方式保持固定连接。

如图4及图5所示，被动对接机构25包含被动导向筒12和被动固定底座14两大部分。被动导向筒12为圆台形，内部中空，其外形尺寸与所述主动导向筒3的喇叭形部分吻合。被动固定底座14，设置于被动导向筒12的底部，与被动导向筒12刚性连接，并设有安装螺孔。其中，刚性连接可以采取螺钉连接、焊接等多种方式，以增强其整体性能。本实施例中采用了整体铸造的方式，将被动固定底座14与被动导向筒12连接在一起。

被动导向筒12内部由下至上，按中心对齐的原则依次设置被动对接轴19、被动控制器20、锁紧释放装置16、被动旋转轴21、被动电磁铁17。

如图6所示，被动固定底座14内部的零部件连接关系如下：被动对接轴19一端与被动固定底座14固定连接，另一端与被动控制器20连接。锁紧释放装置16，主体呈圆筒形，沿顶部边缘一圈设有被动对接齿11，其形状尺寸与所述主动对接齿4吻合，两者可紧密啮合。锁紧释放装置16上表面设行程开关22，自由状态时为关断状态，主动对接机构24和被动对接机构25对接到位后行程开关压合导通，用来作为形成到位标志。被动控制器20收到这一标志后执行锁紧动作。锁紧释放装置16顶部边缘内侧设有沿水平方向伸缩的销钉23，销钉23受被动控制器20控制，伸出时锁紧所述主动对接齿4和所述被动对接齿11，缩回时解锁。被动电磁铁17，底面中心设有圆孔。被动旋转轴21，一端与被动控制器20连接，另一端嵌入所述被动电磁铁17的底面圆孔中，并以过盈配合的方式保持固定连接。

一种对接后可旋转的微纳卫星对接、旋转和释放方法，包含以下部分：

s1、通过一颗卫星上的主动对接机构24和另一卫星上的被动对接机构25的引导和控制实现对接和锁紧；

s2、主动对接机构24中的永磁同步电机8工作，驱动两颗卫星相对旋转；

s3、一颗卫星上的主动对接机构24和另一卫星上的被动对接机构25解锁，两颗卫星分离。

两颗微纳卫星相互接近并对接的步骤如下：

s11、在卫星上的相对导航和控制系统的引导下，两颗微纳卫星逐渐接近，一颗卫星上的主动对接机构24和另一卫星上的被动对接机构25初步对接，令被动对接机构25的小端初步进入主动对接机构24的喇叭形一端；

s12、当主动对接机构24上的主动电磁铁6与被动对接机构25上的被动电磁铁17间距离小于5cm时，主动控制器9和被动控制器20分别令主动电磁铁6和被动电磁铁17通电，使得两颗卫星之间产生较大的吸引力，加速两星接近；

s13、在主动导向筒3和被动导向筒12的引导下，主动对接齿4和被动对接齿11继续接近直至啮合，被动导向筒12上的行程开关22压合导通，形成到位标志；

s14、被动控制器20收到所述到位标志后控制锁紧释放装置16执行锁紧动作，销钉23伸出，令主动对接机构24和被动对接机构25锁紧，亦即两颗微纳卫星相对固定；

s15、主动控制器9和被动控制器20分别控制主动电磁铁6和被动电磁铁17断电，完成对接。

旋转两颗卫星，改变卫星及卫星对地相对角度的步骤如下：

s21、主动控制器9向永磁同步电机8发出旋转指令；

s22、永磁同步电机8产生驱动力，驱动主动旋转轴7旋转，由主动旋转轴7、主动对接齿4、被动对接齿11和被动旋转轴21依次传递此旋转力矩，驱动两颗卫星相对角度产生变化。

互锁的两颗微纳卫星释放的步骤如下：

s31、被动控制器20向锁紧释放装置16发出解锁指令；

s32、锁紧释放装置16完成解锁释放动作，销钉23退回锁紧释放装置16内；

s33、主动控制器9和被动控制器20分别令主动电磁铁6和被动电磁铁17通电，使两者互斥，从而令两颗卫星逐渐分离；

s34、两颗卫星分离后，锁紧释放装置16上表面的行程开关22弹起，断开电连接，恢复常开状态；

s35、主动控制器9和被动控制器20分别令主动电磁铁6和被动电磁铁17断电，分离完成。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。