魔方衛(wèi)星及其設計方法
【專利摘要】本發(fā)明給出一種魔方衛(wèi)星及其設計方法，包括步驟：步驟A：基本構型設計，步驟B，重構方式設計，步驟C，磁懸浮萬向機構與無線輸電的整合設計，步驟D，各分系統(tǒng)功能設計。本發(fā)明的優(yōu)越性體現(xiàn)在于，將魔方的獨特性質，借鑒到衛(wèi)星設計中，使衛(wèi)星內外布局，也能像魔方一樣千變萬化，用于執(zhí)行各類任務。通過魔方衛(wèi)星內驅動立方體單元的位置和指向重構，可用于實現(xiàn)多種任務，使衛(wèi)星的能力具有極強的擴展性和可變性。
【專利說明】魔方衛(wèi)星及其設計方法【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及航天飛行器總體設計領域，尤其為一種魔方衛(wèi)星總體方案構想，具體地為一種通過魔方衛(wèi)星Cube (立方體)單元的位置和指向重構，可用于實現(xiàn)多種任務，使衛(wèi)星的能力具有極強的擴展性和可變性。
【背景技術】
[0002]魔方(Rubik’ s Cube)又叫魔術方塊，也稱魯比克方塊。是匈牙利布達佩斯建筑學院厄爾諾.魯比克教授在1974年發(fā)明的。魔方系由富于彈性的硬塑料制成的6面正方體。魔方的兩個極其重要和神奇的特性:組合狀態(tài)千變萬化:任意角塊間的狀態(tài)無相關性，既可通過有限次轉動實現(xiàn)任意狀態(tài)變換；二階魔方(Pocket Rubik’s Cube或Mini Cube),為2X2X2的立方體結構，六個面，由8個角塊構成，總共有3，674，160種變化。任意狀態(tài)轉換僅需較少的轉動次數(shù)實現(xiàn):現(xiàn)已證明，任意二階魔方狀態(tài)的最少還原步數(shù)為11(三階最少步數(shù)20)。有多重算法可在較短時間內求出最優(yōu)解。
[0003]現(xiàn)階段，大多數(shù)衛(wèi)星就是基于一個方盒子，表面布置著各類載荷、敏感器、太陽陣等外展外延部件。一個衛(wèi)星設計完成，其表面和內部結構的相對關系，往往就固定了，在軌運行各階段跟隨特定的姿態(tài)基準(對日、對地、偏航導引等)，完成既定任務。
[0004]相信隨著人類進步，對衛(wèi)星功能和任務多樣化的需求將進一步增強，攜帶多種載荷、執(zhí)行多類任務的一類衛(wèi)星將是一個發(fā)展方向(如氣象衛(wèi)星的各類光學探測器、電子偵察衛(wèi)星的各頻段天線或光學電子SAR —體衛(wèi)星)。由于整星包絡和對地面相對固定等限制，傳統(tǒng)的航天設計理念將因此受到持續(xù)的挑戰(zhàn)，或無法滿足要求。`
【發(fā)明內容】
[0005]針對現(xiàn)有技術中的缺陷，本發(fā)明將魔方的獨特性質，借鑒到衛(wèi)星設計中，目的是提供一種魔方衛(wèi)星，使衛(wèi)星內外布局，也能像魔方一樣千變萬化，用于執(zhí)行各類任務。
[0006]根據(jù)本發(fā)明提供的魔方衛(wèi)星，包括:平臺立方體單元、可變立方體單元、魔方磁懸浮萬向轉動機構；其中，可變立方體單元通過魔方磁懸浮萬向轉動機構連接平臺立方體單元；平臺立方體單元的空間位置相對固定。
[0007]優(yōu)選地，可變立方體單元位于平臺立方體單元的三維+X+Y+Z方向組成的包絡一側。
[0008]優(yōu)選地，魔方磁懸浮萬向轉動機構為球面磁懸浮支撐結構，球面磁懸浮支撐結構使得每個可變立方體單元相對平臺立方體單元的球面支承間具有一定范圍的相對滑動。
[0009]優(yōu)選地，還包括設置在平臺立方體單元上的可控定位銷機構，其中，可控定位銷機構與球面磁懸浮支撐結構相配合以對平臺立方體單元與可變立方體單元之間的位置提供精確定位。
[0010]優(yōu)選地，還包括設置在平臺立方體單元與可變立方體單元之間的無線電磁耦合供電系統(tǒng)，魔方磁懸浮萬向轉動和無線電磁耦合供電系統(tǒng)均為磁芯線圈繞阻結構，且整合成為萬向節(jié)與無線輸電一體化系統(tǒng)。
[0011 ] 優(yōu)選地，還包括設置在可變立方體單元上的通信分系統(tǒng)，其中，通信分系統(tǒng)包括采用無線方式互聯(lián)的裝置:測控裝置、數(shù)傳裝置、中繼裝置、星間鏈路裝置、GPS裝置。
[0012]優(yōu)選地，還包括姿軌控系統(tǒng)，其中，姿軌控系統(tǒng)布置在平臺立方體單元和/或可變立方體單元上。
[0013]根據(jù)本發(fā)明提供的上述的魔方衛(wèi)星的設計方法，包括如下步驟:
[0014]步驟A，進行基本構型設計；
[0015]步驟B，進行重構方式設計；
[0016]步驟C，進行魔方磁懸浮萬向轉動機構與無線輸電的整合設計；
[0017]步驟D，各分系統(tǒng)功能設計。
[0018]優(yōu)選地，魔方衛(wèi)星的重構，是指通過內部作用，驅動可變立方體單元的位置和指向的變化。
[0019]優(yōu)選地，在步驟D中，將姿軌控系統(tǒng)星敏、太敏這些空間指向敏感型敏感器，根據(jù)任務布置于平臺立方體單元和/或可變立方體單元上；在可變立方體單元變換前后，姿態(tài)穩(wěn)定控制，變換過程中不控；在特定變換開始前，提前預置姿態(tài)指向，使變換后姿態(tài)與所需姿態(tài)基準重合，降低姿態(tài)捕獲時間。
[0020]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0021]本發(fā)明將魔方的獨特性質，借鑒到衛(wèi)星設計中，使衛(wèi)星內外布局，也能像魔方一樣千變萬化，用于執(zhí)行各類任務。通過魔方衛(wèi)星內驅動立方體單元的位置和指向重構，可用于實現(xiàn)多種任務，使衛(wèi)星的能力具有極強的擴展性和可變性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0023]圖1為魔方衛(wèi)星構型圖；
[0024]圖2為空間坐標系象限；
[0025]圖3、4、5為磁懸浮動量輪的支撐結構不同方向上的平動原理示意圖；
[0026]圖6為初始狀態(tài)各單元展開圖；
[0027]圖7為變換后狀態(tài)各單元展開圖。
[0028]圖中:
[0029]101為可變立方體單元；
[0030]102為平臺立方體單元；
[0031]103為二維驅動太陽陣。
【具體實施方式】
[0032]下面結合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。[0033]本發(fā)明提出了一種基于魔方理念的衛(wèi)星方案設想，魔方衛(wèi)星(Rubik’ s CubeSatellite)的設計充分借鑒了魔方組合狀態(tài)多變和各狀態(tài)間有限次轉動可達的特性，在攜帶多種載荷情況下，通過魔方衛(wèi)星立方體單元(Cube單元)的位置和指向重構，可用于實現(xiàn)多種任務，使衛(wèi)星的能力具有極強的擴展性和可變性。設計了基于平臺立方體單元和可變立方體單元組成的魔方衛(wèi)星總體方案。
[0034]步驟A,基本構型設計
[0035]魔方衛(wèi)星可基于各階魔方，這里以二階魔方為例。二階魔方包括8個立方體單元，每個立方體單元的三個面均可以布置不同類型的設備。用于廣泛的空間任務拓展。魔方衛(wèi)星包含平臺立方體單元和可變立方體單元兩類模塊，主要構型如圖1:
[0036]在步驟A中，平臺立方體單元的空間位置相對固定，空間指向不隨魔方構型變化而變化，主要包含衛(wèi)星平臺大部分單機，外部單機包含各類天線(測控、GPS、中繼等)、太陽陣、各類姿態(tài)敏感器、推力器等。
[0037]在步驟A中，可變立方體單元的各單元相互關系可類似魔方而變化，但均位于平臺立方體單元的+X+Y+Z組成的包絡一側(VII象限)，提供了最多7個Cube空間和21個面用于各類載荷安裝和布局，只要立方體單元可容納，且表面安裝后無干涉，均可列為Cube可用載荷。
[0038]例如，載荷有如下種類:
[0039]對地成像類:各譜段光學成像相機、掃描成像儀、SAR成像等；
[0040]電子偵察載荷:各頻段偵收天線、天線陣；
[0041]通信載荷類:星地通信、數(shù)傳、測控、中繼等天線；
[0042]監(jiān)視與對抗類:監(jiān)視相機、各類空間攻防載荷；
[0043]服務與操作類:機械臂、對接口、加注口、彈射器等；
[0044]科學實驗類:空間環(huán)境探測、特殊實驗類等；
[0045]實際載荷范圍不局限于以上各類，只要立方體單元可容納，且表面安裝后無干涉，均可列為Cube可用載荷。
[0046]步驟B，重構方式設計
[0047]魔方衛(wèi)星的重構，指通過內部作用，立方體單元的位置和指向的變化。
[0048]步驟B中，各立方體單元位置可用空間坐標系象限描述；
[0049]單元的初始編號定義為1-8，分別對應1-VIII象限，三個面初始狀態(tài)對應關系為X軸對應面1，Y軸對應面2，Z軸對應面3。如圖2示出的VII象限的I面可描述為7_1表面。
[0050]空間指向可描述為:I位于X軸上為A狀態(tài)，I位于Y軸上為B狀態(tài)，I位于Z軸上為C狀態(tài)。如下圖紅色立方體單元位置和指向從VI1-A狀態(tài)變換為V1-C狀態(tài)。
[0051]步驟C，磁懸浮萬向機構與無線輸電的整合設計
[0052]采用魔方磁懸浮萬向轉動和無線電磁耦合供電系統(tǒng)，二者均為磁芯線圈繞阻結構，可整合成為萬向節(jié)與無線輸電一體化系統(tǒng)，將帶來極大的便利。
[0053]具體的:
[0054]a.機構方面
[0055]主要用于實現(xiàn)模塊單元多樣的旋轉變化，不同于魔方的外部驅動方式，魔方衛(wèi)星需能夠從內部驅動旋轉，這對傳統(tǒng)機構設計提出了一定挑戰(zhàn)。
[0056]但幸運的是，隨著磁懸浮軸承的發(fā)展，磁懸浮可控球軸承將應運而生，這類似于萬向磁懸浮動量輪，采用球面磁懸浮支撐結構，使得每個單元相對平臺基準單元的球面支承間可以實現(xiàn)一定范圍的相對滑動，保證具有萬向結構，但中央球鉸兩端磁路設計就成為關鍵，考慮到魔方衛(wèi)星僅存在特定的旋轉角狀態(tài)，將一定程度降低磁路復雜度。魔方單元間的相對位置精度，可通過可控定位銷機構等來實現(xiàn)。
[0057]b.供電方面
[0058]電能流向方式可有兩種，集中供電式:與目前絕大多數(shù)衛(wèi)星相似，講光能、核能、燃料內能轉換匯集后(如從太陽陣到電池或電源母線)，供給各模塊能源；分布供電式:每個單元可能源自給自足，也可為其他模塊供電。
[0059]由于2階魔方衛(wèi)星每個模塊都可任意角度旋轉，各模塊的電源供給無法采用傳統(tǒng)的電纜輸電，隨著無線輸電技術成熟，必將應用于空間領域。
[0060]電磁耦合，類似于把變壓器的兩個繞組分開，通過電磁感應，實現(xiàn)電能傳輸，如圖
4、5、6所示。
[0061]魔方磁懸浮萬向轉動和無線電磁耦合供電系統(tǒng)，均為磁芯線圈繞阻結構，可整合成為萬向節(jié)與無線輸電一體化系統(tǒng)。
[0062]步驟D，各分系統(tǒng)功能設計
[0063]通信分系統(tǒng):含測控、數(shù)傳、中繼、星間鏈路、GPS (或北斗)等，各單元采用Wifi等無線方式互聯(lián)，較大天線已載荷形式安裝于某單元表面，根據(jù)需求有限次轉動單元重構后，滿足特定指向。
[0064]姿軌控系統(tǒng)設計:敏感器主要配置星敏、陀螺、太敏、GPS (或北斗)等；其中星敏、太敏等空間指向敏感型敏感器(太陽光、地氣光等)，可根據(jù)任務布置于平臺立方體單元或可變立方體單元上。執(zhí)行機構包括飛輪、推力器、控制力矩陀螺等。在魔方立方體單元變換前后，姿態(tài)穩(wěn)定控制，變換過程中不控?？稍谔囟ㄗ儞Q開始前，提前預置姿態(tài)指向，使變換后姿態(tài)與所需姿態(tài)基準重合，降低姿態(tài)捕獲時間。
[0065]執(zhí)行機構包括飛輪、推力器、控制力矩陀螺等。
[0066]在魔方立方體單元變換前后，姿態(tài)穩(wěn)定控制，變換過程中不控?？稍谔囟ㄗ儞Q開始前，提前預置姿態(tài)指向，使變換后姿態(tài)與所需姿態(tài)基準重合，降低姿態(tài)捕獲時間。
[0067]其他分系統(tǒng)，如結構、綜合電子、熱控、總體電路等、類似常規(guī)衛(wèi)星，需考慮一定的技術先進性。
[0068]假設魔方衛(wèi)星表面搭載了設備載荷，各立方體單元的3個表面用正方體展開描述如下:
[0069]設魔方衛(wèi)星初始狀態(tài)為對地應用電子偵察天線陣I進行電子偵察，在接到任務指令后，切換到以電子偵察天線陣2對地偵收，以對星雷達和對星相機在衛(wèi)星飛行方向的對星對地偵察對抗模式，經有限次(〈II次)魔方變換后，如圖7表所示:
[0070]立方體單元各面位置變化如下表:
[0071]表I魔方衛(wèi)星表面設備位置表
[0072]
【權利要求】
1.一種魔方衛(wèi)星，其特征在于，包括:平臺立方體單元、可變立方體單元、魔方磁懸浮萬向轉動機構；其中，可變立方體單元通過魔方磁懸浮萬向轉動機構連接平臺立方體單元；平臺立方體單元的空間位置相對固定。
2.根據(jù)權利要求1所述的魔方衛(wèi)星，其特征在于，可變立方體單元位于平臺立方體單元的三維+X+Y+Z方向組成的包絡一側。
3.根據(jù)權利要求1所述的魔方衛(wèi)星，其特征在于，魔方磁懸浮萬向轉動機構為球面磁懸浮支撐結構，球面磁懸浮支撐結構使得每個可變立方體單元相對平臺立方體單元的球面支承間具有一定范圍的相對滑動。
4.根據(jù)權利要求3所述的魔方衛(wèi)星，其特征在于，還包括設置在平臺立方體單元上的可控定位銷機構，其中，可控定位銷機構與球面磁懸浮支撐結構相配合以對平臺立方體單元與可變立方體單元之間的位置提供精確定位。
5.根據(jù)權利要求1所述的魔方衛(wèi)星，其特征在于，還包括設置在平臺立方體單元與可變立方體單元之間的無線電磁耦合供電系統(tǒng)，魔方磁懸浮萬向轉動和無線電磁耦合供電系統(tǒng)均為磁芯線圈繞阻結構，且整合成為萬向節(jié)與無線輸電一體化系統(tǒng)。
6.根據(jù)權利要求1所述的魔方衛(wèi)星，其特征在于，還包括設置在可變立方體單元上的通信分系統(tǒng)，其中，通信分系統(tǒng)包括采用無線方式互聯(lián)的裝置:測控裝置、數(shù)傳裝置、中繼裝置、星間鏈路裝置、GPS裝置。
7.根據(jù)權利要求1所述的魔方衛(wèi)星，其特征在于，還包括姿軌控系統(tǒng)，其中，姿軌控系統(tǒng)布置在平臺立方體單元和/或可變立方體單元上。
8.—種權利要求1至7中任一項所述的魔方衛(wèi)星的設計方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟A，進行基本構型設計； 步驟B，進行重構方式設計； 步驟C，進行魔方磁懸浮萬向轉動機構與無線輸電的整合設計； 步驟D，各分系統(tǒng)功能設計。
9.根據(jù)權利要求8所述的魔方衛(wèi)星的設計方法，其特征在于，魔方衛(wèi)星的重構，是指通過內部作用，驅動可變立方體單元的位置和指向的變化。
10.根據(jù)權利要求8所述的魔方衛(wèi)星的設計方法，其特征在于，在步驟D中，將姿軌控系統(tǒng)星敏、太敏這些空間指向敏感型敏感器，根據(jù)任務布置于平臺立方體單元和/或可變立方體單元上；在可變立方體單元變換前后，姿態(tài)穩(wěn)定控制，變換過程中不控；在特定變換開始前，提前預置姿態(tài)指向，使變換后姿態(tài)與所需姿態(tài)基準重合，降低姿態(tài)捕獲時間。
【文檔編號】G06F17/50GK103729507SQ201310719458
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月23日 優(yōu)先權日:2013年12月23日
【發(fā)明者】崔本杰 申請人:上海衛(wèi)星工程研究所