CN109592077B - 一种灵活模块化卫星 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种灵活模块化卫星，位姿调整简便、可靠，工程实现性较强。该灵活模块化卫星包括若干个模块，每个模块外形框架尺寸一致、质量相同；所述若干个模块依次堆叠贴近，并串在中心固定轴上，中心固定轴集成有电源、电机、控制及信息传输系统；通过该中心固定轴分别轴向固定各个模块，径向通过啮合齿轮配合以实现旋转；每一对啮合组件由中心固定轴上分立设计的对应电机传动，以单独驱动对应的模块转动；每个模块的转动惯量中心均处于中心固定轴上。

Description

一种灵活模块化卫星

技术领域

本发明涉及一种支持多种功能模式的人造卫星结构。

背景技术

卫星的微小型化是航天技术发展的趋势之一。欧洲咨询公司Euroconsult 2017年发布的研究报告《小卫星市场展望》指出，未来小卫星的能力和市场需求将大幅增加，预计未来10年(2017-2026年)全球将发射超过6200颗小卫星，市场价值达300亿美元；未来10年，主要由商业运营推动建设的多个大型小卫星星座有望占据70％以上的小卫星市场价值。其中，未来10年小卫星制造市场规模预计将达到165亿美元，北美和亚洲将占据82％的小卫星制造市场。

微纳卫星技术被视为21世纪国家技术与经济发展的制高点。发达国家都十分重视微小型技术在航天领域的应用并制定了相应的发展规划，美国还开展了一系列的面向战术应用的微纳卫星项目。

随着“立方体卫星”技术和标准逐渐成熟，美国军、民航天部门均制定了大规模的基于“立方体卫星”的空间试验验证计划。在空间对抗领域，近10年，美国利用小卫星开展了交会接近、近距离机动、巡视、在轨操作等一系列技术验证试验，形成了一定的空间对抗能力。在体系概念创新领域，美国先后开展了“作战快速响应空间”(ORS)、“提高军事作战效能的空间系统”(See Me)、“未来快速、灵活、自由飞行分离模块航天器”(F6)系统等项目。

微纳卫星具有体积小、重量轻、功耗低、开发周期短、性价比和功能密度高、隐蔽性好、机动灵活，可编队组网、以更低成本完成很多复杂空间任务的优势。不过，由于体积小、功耗低，微纳卫星单星性能相对较低。

中国专利文献CN106516161A公开了一种魔方式的模块化卫星，其构思是把航天器现有的各个分系统拆解成若干物理独立且功能独立的模块，每一个模块都单独组装在一个魔方块内，每一个魔方块都采用标准化的机电接口、热控接口和数据接口，进而独立工作；所有模块共同组装成N阶魔方体实现航天器整体功能。其结构实现仿照了玩具魔方，根据所处位置将不同的魔方块分为面中心魔方块、棱面中心魔方块和边角魔方块，其内侧面构成可滑动连接的球体结构，该球体结构与魔方体中心的万向转动节活动连接，万向转动节的中心装有电机，通过电机驱动万向转动节绕魔方体的X轴、Y轴和Z轴转动，也可驱动分别与六个面中心魔方块连接的六根中心轴独立转动。

但是，航天环境应用对运转效率、功耗、可靠性以及可维护性等有很高的要求，上述方案在调整、组合魔方块时动作过程较为复杂，整体功耗较大，因此，目前该方案在工程上实现难度较高。另外，上述文献尚未提出明确的功能应用。

发明内容

为了解决现有模块化卫星模块调节效率较低、整体功耗较大的问题，本发明提出一种灵活模块化卫星，位姿调整简便、可靠，工程实现性较强。

本发明的技术方案如下：

该灵活模块化卫星，包括若干个模块，每个模块外形框架尺寸一致、质量相同；所述若干个模块依次堆叠贴近，并串在中心固定轴上，中心固定轴集成有电源、电机、控制及信息传输系统；通过该中心固定轴分别轴向固定各个模块，径向通过啮合齿轮配合以实现旋转；每一对啮合组件由中心固定轴上分立设计的对应电机传动，以单独驱动对应的模块转动；每个模块的转动惯量中心均处于中心固定轴上。

基于以上方案，本发明还进一步作了如下优化或具体示例：

在轨运行过程中，所述控制及信息传输系统根据来自地面测控平台的遥测指令，开启相应的模块并配置电机控制参数，从而使模块位姿调整到位，完成工作任务。

对于红外、可见光遥感卫星，采用三个模块构成光学载荷，每个模块集成有一台可见光相机和一台红外相机，其中可见光相机和红外相机整体交叉排布，使得三台可见光相机和三台红外相机的外拼接实现视场扩大。

进一步的，可将三个模块中的任一模块旋转角度，同时实现对空的空间碎片监视或对高轨道卫星的监视。

本发明具有以下优点：

1、“糖葫芦”式的模块串连组合，各模块可在中心固定轴上旋转，可在轨控制自由组成多种功能模式，结构简明、稳定，组合调整简便、可靠，也便于维护，工程实现性较强。

2、每个“糖葫芦”模块外形框架尺寸、质量相同，转动惯量中心处于中心轴上，可以避免在卫星“糖葫芦”模块转动过程中产生惯性矩，使得整星旋转不再需要传统卫星中的惯量轮，大大降低在空间失重环境下卫星调整姿态产生的能量消耗。

3、不同立方体纳星的固定模式，“糖葫芦”星模块之间的相对位置是可以在轨沿轴向旋转，并可实现对天、对地、对空的多方位调整，功能组合灵活多变，应用场景多。

4、模块化、标准化，便于批量生产。

附图说明

图1为本发明的外形示意图。

图2为本发明的剖视结构原理图。

图3为图2的侧视图。

图4、图5为红外、可见光遥感卫星的实施例示意图。

图6为实现对地立体测绘的实施例示意图。

附图标号说明：

1-单个模块，2-中心固定轴，3-电机，4-啮合组件，5-可见光相机，6-红外相机。

具体实施方式

本发明提出卫星和载荷一体化的系统模式，将各星上载荷模块化，串成如图1所示的“糖葫芦”型式，各模块可在中心固定轴上旋转，可在轨控制自由组成多种功能模式。

整个卫星由一个中心固定轴和串在中心固定轴上的若干“糖葫芦”(即模块单元)组成，中心固定轴集成有电源、电机、控制及信息传输系统。如图2、图3所示，通过中心固定轴轴向固定每一个“糖葫芦”模块，径向通过啮合齿轮配合，每个啮合组件的外齿轮固定在相应的模块上，内齿轮固定在中心固定轴上，每个啮合组件由分立设计的电机传动，电机输出端通过联接器将转动输出给内齿轮，进而带动与之啮合的外齿轮，从而每个电机独立驱动对应的一个模块转动；在轨运行过程中，地面测控平台发出遥测指令，指控电机工作，带动模块转动，从而实现不同功能组合。

根据使用需要，该“糖葫芦”式卫星可以是由两个模块组成，也可以是三个、四个或者更多；同时，根据实际应用需求，中心固定轴上的部分模块可以是固定不旋转的，也可以是可旋转的。

卫星模块尺寸可以根据主要功能模块需求定义，比如三个“糖葫芦”串成的卫星，每个“糖葫芦”模块尺寸可以是30cm*30cm*10cm，也可以是50cm*50cm*20cm等，相应的卫星尺寸即为30cm*30cm*30cm、50cm*50cm*60cm。

根据卫星不同的功能要求，设置不同模块组成。以遥感卫星为例，主要硬件包括太阳能帆板、电源、控制、光学载荷、数传等，每个功能可以分别由一个模块实现，或者多个功能集成到一个模块中。

例如，具体是红外、可见光遥感卫星，那么可以每个模块集成一台可见光相机和一台红外相机，可双光融合获取图像，其中还可将不同模块交叉排布，如图4所示，通过三台可见光相机和三台红外相机的外拼接实现视场扩大三倍。在需要时，也可将其中一个模块旋转角度，如图5所示，实现对空的空间碎片监视，也可对天实现对高轨道卫星的监视，而对地的观测只是观测范围有所缩小，不影响其它性能。

再如，设计为可见光与多光谱相机的组合，可见光主要对空间碎片识别观测，光谱相机主要实现对地的观测。

再如，每个模块设置一台相机，通过三个模块之间角度的设计，实现三台相机对地立体测绘，如图6所示。

以上列举了三种应用案例，实际应用中可在此平台上实现多种功能灵活搭配。

Claims (4)

1.一种灵活模块化卫星，包括若干个模块，其特征在于：每个模块外形框架尺寸一致、质量相同；所述若干个模块依次堆叠贴近，并串在中心固定轴上，中心固定轴集成有电源、电机、控制及信息传输系统；通过该中心固定轴分别轴向固定各个模块，径向通过啮合齿轮配合以实现旋转；每一对啮合组件由中心固定轴上分立设计的对应电机传动，以单独驱动对应的模块转动；每个模块的转动惯量中心均处于中心固定轴上。

2.根据权利要求1所述的灵活模块化卫星，其特征在于：在轨运行过程中，所述控制及信息传输系统根据来自地面测控平台的遥测指令，开启相应的模块并配置电机控制参数，从而使模块位姿调整到位，完成工作任务。

3.根据权利要求1所述的灵活模块化卫星，其特征在于：对于红外、可见光遥感卫星，采用三个模块构成光学载荷，每个模块集成有一台可见光相机和一台红外相机，其中可见光相机和红外相机整体交叉排布，使得三台可见光相机和三台红外相机的外拼接实现视场扩大。

4.根据权利要求3所述的灵活模块化卫星，其特征在于：三个模块中的任一模块旋转角度，同时实现对空的空间碎片监视或对高轨道卫星的监视。