具有闩锁机构的接管功能原子卫星和化学分子卫星

1.本发明涉及卫星总体设计技术领域，尤其涉及一种具有闩锁机构的接管功能原子卫星和化学分子卫星。


背景技术：

2.人造卫星是遵循轨道力学规律长期环绕地球或其它行星飞行、执行在轨任务的航天器。人造卫星可以实现包括对地监测、天文观测、通信转播以及科学研究在内的多种功能。在长期执行在轨任务的过程中，人造卫星会因为空间环境内的各类威胁与挑战出现故障并终止任务。为恢复故障人造卫星的任务执行能力、延长人造卫星的在轨运行寿命，需要在轨服务航天器对故障人造卫星进行抓捕、对接与修复。这一过程需要借助闩锁机构形成目标卫星与在轨服务航天器的稳定组合体。
3.人造卫星一般需由运载火箭运载入轨，在运载火箭飞行过程中，为使卫星稳定连接于运载火箭上，卫星往往设计安装有星箭对接环。该结构也是在轨服务航天器抓捕、对接、锁定目标卫星并形成组合体的首选目标星星上结构。在轨服务航天器需要借助闩锁机构实现与目标卫星间的稳定对接。常见的闩锁机构均基于电机、导轨、螺旋传动机构等构成，在连接的过程中，电机的旋转运动可以转换为闩锁机构的直线运动，以使得闩锁机构能够连接至星箭对接环。然而，这类闩锁机构虽然强度较高，但是其结构和体积过大，会在控制卫星中占据较大的空间和重量，同时这类结构通常为外露的固定结构，仅适用于常规构型在轨服务航天器，不利于具备模块化、可变形特征的化学分子卫星间的灵活组装与变形。


技术实现要素：

4.为至少部分地解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种具有闩锁机构的接管功能原子卫星和化学分子卫星。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种具有闩锁机构的接管功能原子卫星，其特征在于，所述闩锁机构能够连接目标星的星箭对接环，所述闩锁机构包括多个闩锁爪，所述接管功能原子卫星构造为截角八面体构型，所述接管功能原子卫星的几何外表面包括八个构造为正六边形的第一区域和六个构造为正方形的第二区域，其中，所述第一区域包括第一主功能区和第一副功能区，所述第一主功能区和所述第一副功能区经由第一邻边相邻接，所述闩锁爪嵌设在所述第一副功能区中，并且，所述闩锁爪能够以平行于所述第一邻边的第一旋转轴旋转并能够旋转至所述第一主功能区所在平面，所述第一主功能区邻接有三个所述第一副功能区，三个所述第一副功能区均设置有所述闩锁爪，三个所述第一副功能区的所述闩锁爪共同构成所述闩锁机构；
7.所述闩锁爪包括：
8.主臂，所述主臂包括第一支撑臂、第二支撑臂和枢转部，所述第一支撑臂和所述第二支撑臂相互平行且并排设置，所述第一支撑臂的端部和所述第二支撑臂的端部通过所述
枢转部固定连接，所述主臂经由所述枢转部连接至所述接管功能原子卫星，所述第一支撑臂和所述第二支撑臂之间形成有容纳空间，所述第一支撑臂和所述第二支撑臂还分别设置有第一滑槽和第二滑槽；
9.铰柱，所述铰柱的两端分别可枢转地连接至所述第一支撑臂远离所述枢转部的一端和所述第二支撑臂远离所述枢转部的一端；以及
10.子臂，所述子臂能够容纳在所述第一支撑臂和所述第二支撑臂之间形成的所述容纳空间中，所述子臂的一端连接至所述铰柱，所述子臂远离所述铰柱的另一端设置有可以连接并锁定目标星的星箭对接环的卡钩；
11.其中，所述子臂能够借助所述铰柱绕平行于所述第一旋转轴的第二旋转轴相对于所述主臂旋转，并能够旋转至与所述主臂成180
°
夹角的位置，并且，当所述子臂旋转至与所述主臂成180
°
夹角的位置后，所述子臂能够沿所述第一滑槽和所述第二滑槽向所述容纳空间中移动以调整对接半径。
12.可选地，所述第一滑槽沿所述第一支撑臂的长度方向延伸设置，所述第二滑槽沿所述第二支撑臂的长度方向延伸设置，并且所述第一滑槽和所述第二滑槽彼此相对设置且均朝向所述容纳空间。
13.可选地，所述铰柱设置有沿所述铰柱的轴向长度方向延伸的连接槽，所述连接槽具有朝向所述铰柱的径向方向的开口，所述子臂的端部设置有连接块，所述连接块能够完全容纳在所述连接槽中，其中，当所述子臂旋转至与所述主臂之间的夹角成180
°
时，所述连接块能够从所述连接槽中移动至所述第一滑槽和所述第二滑槽中。
14.可选地，所述铰柱具有依次连接的第一限位面、抵接面和第二限位面，所述第一限位面和所述第二限位面相互平行且位于所述抵接面的同一侧，所述第一限位面、抵接面和所述第二限位面共同至少部分地形成所述连接槽，其中，所述第一滑槽的槽口宽度与所述第二滑槽的槽口宽度相同，同时所述第一限位面和所述第二限位面之间的距离与所述第一滑槽的槽口宽度相同。
15.可选地，所述铰柱靠近所述第一支撑臂的端部外周设置有第一限位块，所述第一支撑臂远离所述枢转部的一端设置有第一限位槽，所述第一限位块可旋转地容纳在所述第一限位槽中，所述第一限位槽能够限制所述第一限位块以使得所述子臂在初始位置和终止位置之间转动，其中，当所述第一限位块位于所述初始位置时，所述子臂位于所述容纳空间中，当所述第一限位块位于所述终止位置时，所述子臂与所述主臂之间的夹角成180
°
。
16.可选地，所述铰柱靠近所述第二支撑臂的端部外周设置有第二限位块，所述第二支撑臂远离所述枢转部的一端设置有第二限位槽，所述第二限位块可旋转地容纳在所述第二限位槽中，所述第二限位槽能够限制所述第二限位块以使得所述子臂在所述初始位置和所述终止位置之间转动。
17.可选地，所述闩锁机构还包括牵引绳，并且，所述铰柱设置有绳孔，所述绳孔沿所述铰柱的径向方向延伸，所述绳孔的轴向方向平行于所述第一限位面，所述牵引绳的一端穿过所述绳孔连接至所述子臂远离所述连接块的一端，另一端连接至所述接管功能原子卫星中的驱动电机。
18.可选地，所述铰柱还设置有滑轮，所述滑轮套设在所述铰柱的外周，所述滑轮的径向长度大于所述铰柱的径向长度，所述牵引绳在从所述绳孔连接至所述驱动电机之前还环
绕设置在所述滑轮的外周。
19.根据本发明的第二方面，还提供了一种化学分子卫星，所述化学分子卫星包括多个模块化的原子卫星，所述原子卫星构造为截角八面体构型，所述原子卫星之间能够直接连接或者经由外部装置间接连接，所述原子卫星包括根据本发明的第一方面中任一项所述的接管功能原子卫星。
20.本发明技术方案的主要优点如下：
21.本发明的接管功能原子卫星设置有闩锁机构，该闩锁机构能够对接不同直径的目标卫星的星箭对接环，并与目标卫星形成稳定的刚性连接。同时，该闩锁机构能够折叠存放在接管功能原子卫星的内部，确保接管功能原子卫星能够保持截角八面体几何构型，有效提高接管功能原子卫星在存储与运载状态下的空间利用效率，同时便于当前接管功能原子卫星与其他模块化卫星之间的组装和连接。
附图说明
22.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
23.在附图中：
24.图1为根据本发明的一个实施方式中的接管功能原子卫星的结构示意图；
25.图2为图1中所示的接管功能原子卫星又一视角的结构示意图；
26.图3为图1所示接管功能原子卫星中的闩锁爪的结构示意图，其中，子臂位于初始位置；
27.图4为图3所示闩锁爪中的主臂的结构示意图；
28.图5为图3所示闩锁爪中的铰柱的结构示意图；
29.图6为图3所示闩锁爪中的子臂的结构示意图；
30.图7为图3所示闩锁爪中的子臂展开时的结构示意图；
31.图8为图3所示闩锁爪中的子臂展开后的结构示意图，其中，子臂位于终止位置；
32.图9为图3所示闩锁爪的工作示意图；
33.图10为本实施方式中的接管功能原子卫星闩锁目标卫星的星箭对接环时的工作示意图。
34.附图标记说明：
35.100：接管功能原子卫星
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111：第一区域
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112：第二区域
36.113：连接装置
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114：第一主功能区
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115：第一副功能区
37.200：栓锁爪
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210：主臂
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211：第一支撑臂
38.212：第二支撑臂
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213：枢转部
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214：第一滑槽
39.215：第二滑槽
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220：铰柱
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221：连接槽
40.222：第一限位块
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223：第二限位块
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224：绳孔
41.225：滑轮
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230：子臂
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231：卡钩
42.232：连接块
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300：星箭对接环。
具体实施方式
43.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.本发明提供了一种具有闩锁机构的接管功能原子卫星和化学分子卫星。接管功能原子卫星能够借助闩锁机构与其他外部的设备或者目标卫星相互连接，并且闩锁机构能够嵌设在接管功能原子卫星中，以使得该接管功能原子卫星能够保持截角八面体的构型形成为模块化卫星，从而可以方便地与其他具有相似结构的模块化卫星进行连接，以最终组合形成为化学分子卫星。可以理解，化学分子通常是由化学原子和化学键组合而成，基于类似的原理，在本发明中，化学分子卫星是由多种具有不同功能的原子卫星以及类化学键的机械臂组成的、可变形可重构的多功能航天器。
45.以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。
46.具体地，在根据本发明的一个实施方式中提供了一种接管功能原子卫星，该接管功能原子卫星是为了使化学分子卫星实现在轨服务任务功能，抓捕目标卫星所设计的一种特殊的原子卫星。
47.如图1至图10所示，该接管功能原子卫星100构造为截角八面体形状。本领域技术人员已知的是，截角八面体形状是由一个正八面体的结构通过截去其六个顶点而形成的，因此，截角八面体形状的几何外表面包括八个正六边形的表面，以及六个正方形的表面。由此，基于多个不同方向和形状的外表面，本实施方式中的接管功能原子卫星100的几何外表面包括八个构造为正六边形的第一区域111和六个构造为正方形的第二区域112。
48.为了能够与其他结构相互连接，第一区域111和第二区域112中的至少一者上还设置有连接装置113，借助该连接装置113，接管功能原子卫星100可以与其他模块化卫星或者机械臂相互连接。示例性地，连接装置113可以为设置在第一区域111和/或第二区域112上的雌雄同体对接结构。
49.在本实施方式中，如图1和图2所示，第一区域111包括第一主功能区114和第一副功能区115，第一主功能区114和第一副功能区115经由第一邻边相邻接，闩锁爪200嵌设在第一副功能区115中，并且闩锁爪200能够以平行于第一邻边的第一旋转轴旋转，并能够旋转至第一主功能区114所在的平面，或者平行于第一主功能区114所在的平面内。
50.进一步地，如图3、图7、图8和图9所示，闩锁爪200包括主臂210、铰柱220和子臂230，其中，子臂230经由铰柱220可旋转地连接至主臂210。子臂230可以在铰柱220的作用下相对于主臂210旋转，当子臂230旋转至与主臂210之间的夹角成180
°
的位置后，子臂230还可以沿主臂210的长度方向朝向主臂210的另一端移动。
51.如图4所示，主臂210包括第一支撑臂211、第二支撑臂212和枢转部213，第一支撑臂211和第二支撑臂212相互平行且并排设置，第一支撑臂211的端部和第二支撑臂212的端部通过枢转部213固定连接，形成为大致u型的结构。第一支撑臂211和第二支撑臂212之间形成有容纳空间，并且，第一支撑臂211和第二支撑臂212还分别设置有第一滑槽214和第二滑槽215。在本实施方式中，第一滑槽214沿第一支撑臂211的长度方向延伸设置，第二滑槽215对应地沿第二支撑臂212的长度方向延伸设置，并且，第一滑槽214和第二滑槽215彼此
相对设置且均朝向容纳空间。优选地，第一滑槽214贯穿第一支撑臂211，第二滑槽215贯穿第二支撑臂212。
52.如图3和图5所示，铰柱220的两端分别可枢转地连接至第一支撑臂211远离枢转部213的一端和第二支撑臂212远离枢转部213的一端。而且，铰柱220能够绕平行于第一旋转轴的第二旋转轴相对于主臂210旋转。第二旋转轴垂直于主臂210的长度方向。
53.如图3和图6所示，子臂230能够容纳在第一支撑臂211和第二支撑臂212之间形成的容纳空间中，子臂230的一端连接至铰柱220，子臂230远离铰柱220的另一端设置有卡钩231。优选地，卡钩231可以构造为类似于钩状的结构。
54.在本实施方式中，子臂230能够借助铰柱220绕第二旋转轴相对于主臂210旋转，以使得子臂230能够离开容纳空间，并且，子臂230能够旋转至与主臂210之间的夹角成180
°
的位置。当子臂230旋转出容纳空间并于主臂之间的夹角成180
°
后，子臂230能够沿第一滑槽214和第二滑槽215向容纳空间中移动。
55.进一步地，如图1和图2所示，第一主功能区114邻接有三个第一副功能区115，并且每个第一副功能区115均设置有闩锁爪200。由此，当接管功能原子卫星100需要与外部装置或者目标卫星连接时，如图10所示，可使得接管功能原子卫星100的第一主功能区114朝向被连接目标的星箭对接环300，之后接管功能原子卫星100上的三个闩锁爪200均旋转至第一主功能区114所在的平面，同时子臂230逐渐旋转离开容纳空间。当子臂230旋转至与主臂210之间的夹角成180
°
的位置后，子臂230再做朝向主臂210的容纳空间中的纵向移动，使得子臂230端部的卡钩231能够卡接至星箭对接环300的外周，从而子臂230能够以类似于三爪卡盘的方式与星箭对接环300连接，最终使得接管功能原子卫星100能够有效地连接至外部装置或者目标卫星。
56.进一步地，为了保证接管功能原子卫星100上的闩锁机构能够正常的移动，在本实施方式中，如图5所示，铰柱220设置有沿铰柱220的轴向长度方向延伸的连接槽221，连接槽221具有朝向铰柱220的径向方向的开口。如图6所示，子臂230远离卡钩231的端部设置有与连接槽221相适配的连接块232，连接块232沿子臂230的宽度方向向外延伸设置，连接块232能够至少部分地容纳在连接槽221中。当铰柱220相对于主臂210旋转时，由于连接块232适配至连接槽221中，子臂230将会跟随铰柱220相对于主臂210旋转。当子臂230旋转至与主臂210之间的夹角成180
°
的位置后，连接块232能够经由连接槽221的开口朝向第一滑槽214和第二滑槽215中移动，从而使得子臂230能够向主臂210的容纳空间中移动，由此保证卡钩231能够有效地连接至目标卫星的星箭对接环。
57.作为一种实现方式，如图5所示，铰柱220具有依次连接并形成为大致为u型的第一限位面、抵接面和第二限位面，第一限位面和第二限位面相互平行且位于抵接面的同一侧，第一限位面、抵接面和第二限位面共同至少部分地形成铰柱220上的连接槽221。相对应地，连接块232具有相对设置的第一面和第二面，第一面和第二面相互平行，第一面能够抵接至第一限位面，第二面能够抵接至第二限位面。由此，当连接块232安装至连接槽221中时，子臂230能够跟随铰柱220同步旋转。
58.优选地，第一滑槽214的槽口宽度与第二滑槽215的槽口宽度相同，同时第一限位面和第二限位面之间的距离与第一滑槽214的槽口宽度相同。由此，当子臂230旋转至与主臂210之间的夹角成180
°
的位置后，连接块232能够顺利地从连接槽221中移动至第一滑槽
214和第二滑槽215中。
59.更优选地，为了有效地限制铰柱220相对于主臂210的旋转，在本实施方式中，铰柱220上设置有限位块来限制其自身相对于主臂210的旋转角度。
60.具体地，如图3至图5所示，铰柱220靠近第一支撑臂211的端部外周设置有第一限位块222，第一支撑臂211远离枢转部213的一端设置有弧状的第一限位槽，第一限位块222可旋转地容纳在第一限位槽中，而且第一限位槽能够限制第一限位块222的旋转，以使得子臂230仅能够在初始位置和终止位置之间转动。其中，当第一限位块222位于初始位置时，子臂230位于容纳空间中，此时子臂230与主臂210之间的夹角为0
°
；当第一限位块222位于终止位置时，子臂230完全离开容纳空间，此时子臂230与主臂210之间的夹角成180
°
。
61.更优选地，铰柱220靠近第二支撑臂212的端部外周对应设置有第二限位块223，第二支撑臂212远离枢转部213的一端设置有弧状的第二限位槽，第二限位块223可旋转地容纳在第二限位槽中，而且第二限位槽能够同步第一限位槽限制第一限位块222来限制第二限位块223的旋转。
62.当子臂230旋转至与主臂210之间的夹角成180
°
的位置后，为了让卡钩231能够顺利地连接目标星的星箭对接环，需要驱动子臂230向主臂210的容纳空间中移动，在本实施方式中，接管功能原子卫星100还设置有驱动电机和牵引绳来驱动子臂230移动。
63.具体地，在本实施方式中，如图3和图5所示，闩锁机构还包括牵引绳，并且，铰柱220设置有绳孔224，绳孔224沿铰柱220的径向方向延伸，绳孔224的轴向方向垂直于抵接面，并且绳孔224位于第一限位面所在的平面和第二限位面所在的平面之间。牵引绳的一端穿过绳孔224连接至子臂230远离连接块232的一端，牵引绳的另一端可以连接至接管功能原子卫星100中的驱动电机。由此，如图8和图9所示，当子臂230旋转至与主臂210之间的夹角成180
°
的位置后，即子臂230位于终止位置后，驱动电机旋转，可拉动牵引绳朝向接管功能原子卫星100收缩，从而使得子臂230可以向主臂210的容纳空间中移动。
64.进一步地，为了让子臂230能够从初始位置旋转至终止位置，还可以借助牵引绳来拉动子臂230相对于主臂210旋转。
65.具体地，如图5和图7所示，本实施方式中的铰柱220还设置有滑轮225，滑轮225安装在铰柱220的外周，滑轮225的径向长度大于铰柱220的径向长度，并且，滑轮225的旋转中心轴线与铰柱220的旋转轴共线。优选地，滑轮225位于第一限位块222和第二限位块223之间，其可以设置在容纳空间中。在安装时，牵引绳的一端连接至子臂230远离连接块232的一端，其另一端连接至驱动电机，其中，在牵引绳离开绳孔到达驱动电机之前，可以经由设置在铰柱220内的走线孔环绕设置在滑轮225的外周之后再朝向枢转部213延伸，最终连接至接管功能原子卫星100中的驱动电机。
66.由此，当需要子臂230从初始位置离开主臂210的容纳空间旋转至终止位置时，可以控制驱动电机旋转，从而拉动牵引绳，由于牵引绳连接至滑轮225的外周，牵引绳将会拉动铰柱220旋转，从而使得子臂230同步旋转进而离开该容纳空间。
67.在本实施方式中，接管功能原子卫星设置有三个闩锁爪200，为了便于控制同时保证三个闩锁爪200能够同步运动，这三个闩锁爪200的牵引绳可以全部连接至同一个驱动电机。由此，当该接管功能原子卫星需要与目标卫星连接时，可以借助枢转部213使得主臂210旋转至平行于目标卫星的星箭对接环，之后控制驱动电机旋转，从而使得这三个闩锁爪200
中的子臂230能够相对于各自的主臂210同步旋转并离开容纳空间，当子臂230旋转至与主臂210之间的夹角成180
°
的位置后，这三个闩锁爪200中的子臂230又能够同步向各自主臂210形成的容纳空间中移动，最终确保子臂230上的卡钩231能够同步连接至目标卫星的星箭对接环，而且受力相对平衡。
68.本实施方式中技术方案的主要优点如下：
69.在本实施方式的接管功能原子卫星设置有闩锁机构，该闩锁机构能够适配至不同直径的星箭对接环，能够与目标卫星的星箭对接环实现稳定的刚性连接。同时，该闩锁机构能够折叠存放在接管功能原子卫星的内部，确保接管功能原子卫星的截角八面体几何构型，有效提高接管功能原子卫星在存储与运载状态下的空间利用率，同时也可有利于当前接管功能原子卫星与其他模块化卫星之间的组装和连接。
70.根据本发明的另一方面，还提供了一种化学分子卫星，该化学分子卫星包括多个模块化的原子卫星，这些原子卫星均构造为截角八面体构型，这些原子卫星之间能够经由雌雄同体对接结构直接连接或者经由诸如机械臂的外部装置相互连接，这些原子卫星包括包括上述实施方式中的接管功能原子卫星。
71.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
72.最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。