一种模块化航天器平台的制作方法

本公开的实施例一般涉及空间模块化航天器在轨服务领域，更具体地，涉及一种模块化航天器平台。

背景技术：

航天器的分系统、设备和元器件都有相应的使用寿命，部分功能模块在轨有效工作时间有限或在轨发生偶然性事故导致整个航天器无法正常运行，为延长航天器使用寿命需要在轨对故障模块更换服务；随着科学技术发展，在轨航天器的部分功能模块需要用更先进设备来更换，实现航天器功能的扩展与性能提高。

早期在轨维修主要由航天员执行舱外活动，并在航天飞机空间机械臂的帮助下完成，美国哈勃望远镜在设计阶段就考虑其模块的在轨维修与更换，共有五十余种元件和设备可在太空中进行更换。通过宇航员的在轨服务，不但延长了哈勃望远镜的寿命，而且还对其进行了升级，提高了观测质量。但是复杂的空间环境以及高昂的成本限制了人类宇航员舱外在轨维修，需要研制空间自主化在轨服务航天器，美国轨道快车计划是典型空间自主在轨应用，通过机械臂在轨更换抽屉式模块载荷实现对航天器平台上设备的维修，能够初步代替宇航员的工作。但是轨道快车计划只是一项技术验证，并没有兼顾航天器的设计与实用性。航天器的设计要考虑整体的结构刚度、星内设备布局等因素，不能对所有设备进行抽屉式模块化封装；而且该计划只能针对封装好的外部模块进行在轨自主更换，其在轨演示过程只更换了电池模块和姿轨控计算机模块，不能实现航天器平台上所有设备，特别是内部设备的维修和更换。因此，需要一项技术，保证对易故障模块化设备的快速替换，同时实现为舱内维修提供通路，支持模块的即插即用。并考虑我国现有航天器研制现状，能够以较小的改动，设计适合我国的模块化航天器方案。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种模块化航天器平台。

本发明的第一方面提供了一种模块化航天器平台，包括：

航天器主体，所述航天器主体上安装有至少一个太阳帆板和一个或多个能够打开和关闭地舱板；

至少一个抽屉式可更换模块，能够抽插地安装在所述航天器主体上。

在上述技术方案中，优选地，所述舱板的一端能够转动地安装在所述航天器主体上，通过所述舱板的转动能够打开和关闭所述舱板。

在上述技术方案中，优选地，至少一个所述抽屉式可更换模块通过能够抽插地嵌入安装在所述航天器主体内。

进一步优选地，每一所述舱板均安装在所述航天器主体的一侧面上，且每一所述舱板均能够沿所述航天器主体的竖直方向向外打开。

优选地，所述太阳帆板、一个或多个所述舱板均安装在所述航天器主体的侧面上，至少一个所述抽屉式可更换模块能够从所述航天器主体的侧面进行抽出和插入。

进一步地，每一所述舱板的上端均能够转动地安装在所述航天器主体上，每一所述舱板均能够沿所述航天器主体的竖直方向向外打开至与所述航天器的顶面平齐。

进一步地，所述太阳帆板、所述舱板和所述抽屉式可更换模块的数量均为多个，且多个所述太阳帆板安装在所述航天器主体相对称设置的多个侧面上，多个所述舱板安装在所述航天器主体相对称设置的多个侧面上，多个所述抽屉式可更换模块安装在所述航天器主体相对称设置的多个侧面上。

更进一步地，所述航天器主体为正八棱柱结构，所述太阳帆板的数量为两个，所述舱板的数量为四个；

两个所述太阳帆板设置在所述正八棱柱结构相对称设置的两个侧面上，多个所述抽屉式可更换模块设置在所述正八棱柱结构相对称设置的两个侧面上，四个所述舱板设置在所述正八棱柱结构相对称设置的另外四个侧面上。

在上述任一技术方案中，优选地，所述航天器主体为筒式结构，所述筒式结构内设置有燃料贮箱，所述筒式结构的四周设置有结构板件。

在上述任一技术方案中，优选地，所述航天器主体和所述舱板之间设置有机械打开装置，所述机械打开装置能够打开或关闭所述舱板，且所述舱板上设置有打开接口装置，通过所述打开接口装置能够操作所述机械打开装置，以打开或关闭所述舱板；和/或所述航天器主体和所述舱板之间设置有与综合信息物理系统连接的电动装置，所述电动装置在所述综合信息物理系统的作用下能够打开或锁紧所述舱板。

在上述任一技术方案中，优选地，模块化航天器平台还包括：综合信息物理系统，设置在所述航天器主体内，用于实现模块化航天器平台的运行管控与数据交换，且所述综合信息物理系统支持模块化设备的自发现、自配置、可更换与可扩展；其中，至少一个所述抽屉式可更换模块属于所述模块化设备中的一种。该种设置能够实现航天器运行管控与数据交换，支持模块化设备的即插即用，是模块化航天器在轨服务的软件基础。其中，模块化设备还包括不可更换的模块化设备。

优选地，本申请中的模块化航天器平台包括多个模块化设备，而综合信息物理系统支持每个模块化设备的即插即用，这样就使得每个模块化设备能够即插即用。

在上述任一技术方案中，优选地，所述综合信息物理系统包括：数据管理器，用于存储模块化设备和应用程序的xteds文件和物理地址，对所述应用程序的请求进行应答和管理，具体而言，可以自动为应用程序寻找、驱动、连接格式的设备，从而实现即插即用的机制；任务管理器，负责调度和分配综合信息物理系统中运行的任务，并管理所有运算节点，保持节点间的负载平衡；设备管理器，作为硬件设备在综合信息物理系统上的入口，用于发现模块化设备并对发现的模块化设备的xteds文件进行注册，并传递到所述数据管理器。

根据本发明提供的模块化航天器平台，属于一种包括多个模块化设备且每个模块化设备能够即插即用的设备，具体而言，包括航天器主体、抽屉式可更换模块和可打开地航天器舱板，其中，航天器主体优选为传统航天器中较为常见的八棱柱外形，并采用中心承力筒式结构作为航天器的主承力结构，该种设置在继承传统航天器的结构设计方法的同时保证航天器的整体刚度，从而能够直接承担航天器对接过程中所产生的冲击和各种力载荷，同时，中心筒内容积安装大质量推进剂贮箱，筒形结构四周连接纵横交错的板件，用以传递整个航天器的力载荷，同时也为设备提供安装位置。而航天器主体具有八个外舱面，其中两个外舱面安装太阳帆板，两个外舱面安装抽屉式可更换模块，另外四个侧面为可展开的侧面舱板。而抽屉式可更换模块优选以抽屉的形式嵌入安装在航天器主体的两个对称设置的侧面上，且优选地，每个侧面可安装3-6个抽屉式可更换模块，且多个抽屉式可更换模块优选阵列排布，因为这样有利于优化整星的质量分布和热控布局，更换过程中可利用机械臂对抽屉式可更换模块进行识别、抓取、移动、插入或拔除等操作。具体而言，可将航天器平台上容易故障的模块(比如电源模块、姿轨控制模块，通信模块和imu测量模块等)制作成抽屉式可更换模块，以方便对这些容易故障的模块进行更换。而可打开地航天器舱板可优选设置在航天器主体的侧部，并能够在竖直方向向外对称分布展开，优选地，可打开地航天器舱板可安装于太阳帆板和抽屉式可更换模块所在侧面之间，进一步地，可打开地舱板优选由四片侧舱板组成。具体地，对于不容易故障的模块，可放入航天器舱内，一旦出现问题，可打开舱板，实现航天器内部设备的维修或者更换，以此提高航天器的寿命和对多任务的适应性。而优选地，可打开地舱板的打开方式包括电动打开方式和机械臂手动打开方式，而电动打开方式包括自动锁紧装置和电动打开装置，电动打开装置可具体通过遥控操作控制电机驱动打开，考虑舱板上也是可以布置载荷的，其打开过程要注意减小振动，设计合适的控制率。而机械臂手动打开方式包括设置在航天器主体和舱板之间的机械打开装置和设置在舱板的外壁上的打开接口装置，在需要机械打开舱板时，可由机械臂抓住打开接口装置，实现手动控制打开，从而实现对内部载荷的维修。该种结构的模块化航天器平台，构型上较传统非模块化航天器改动较小，且通过可打开舱板和抽屉式可更换模块的设置，实现了航天器易坏模块的快速更换服务，航天器内部有效载荷的维修可达，且航天器模块具备自适应连接的能力，继承了传统航天器的结构设计方法，降低了建造难度，提高了在轨服务灵活性，延长了大型航天器寿命，满足了航天器内外设备的在轨维修更换需求，易于机械臂进行自主在轨操作，使得模块化航天器平台更具有可行性。同时，本发明在传统中心承力筒式航天器设计的基础上进行设计，方便了航天器平台上载荷和电缆的布局，降低了建造难度。

其中，综合信息物理系统，用于实现航天器运行管控与数据交换，其采用空间电子设备即插即用标准(spa)硬件接口和基于xml标记语言的可扩展电子数据表单(xteds)实现应用层和硬件层之间的通信与操作，支持模块化设备的自发现、自配置、可更换与可扩展，同时支持模块化设备的即插即用。具体而言，综合信息物理系统包括综合管理系统、任务管理器、数据管理器和设备管理器，具体而言：综合管理系统用于负责任务管理器、数据管理器和设备管理器的统一管理和调度，而数据管理器用于存储航天器组件(包括硬件设备和应用程序)的xteds文件和组件的物理地址，对请求进行应答和管理。任务管理器负责调度和分配系统中运行的任务，并管理所有运算节点，保持节点间的负载平衡。设备管理器作为硬件设备在综合信息物理系统上的入口，负责每发现一个模块化设备就对其xteds文件进行注册，并传递到数据管理器。当抽屉式可更换模块插入航天器硬件接口后，模块化设备会将自身的xteds文件上传并在设备管理器中注册，数据管理器对设备的身份进行识别和登记，当系统中的应用程序提出设备使用请求时，系统可以自动为应用程序寻找、驱动、连接格式的设备，从而实现即插即用的机制。

应当理解，公开内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：

图1示出了本公开的实施例提供的模块化航天器平台处于舱板展开状态时的结构示意图；

图2示出了图1中的模块化航天器平台的另一个状态结构示意图；

图3示出了本公开的实施例提供的模块化航天器平台处于舱板未展开状态的结构示意图；

图4示出了图3中的模块化航天器平台的另一结构示意图；

图5示出了本公开的实施例提供的模块化航天器平台的综合信息物理系统。

其中，图1至图5中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：

1航天器主体，12推进剂贮箱，14板件，16内部设备，18综合信息物理系统，182综合管理系统，184任务管理器，186数据管理器，188设备管理器，2舱板，22打开接口装置，3抽屉式可更换模块，4太阳帆板，5自动锁紧装置，6电动展开装置。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例，都属于本公开保护的范围。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

如图1至图5所示，本发明的第一方面提供了一种模块化航天器平台，包括：

航天器主体1，航天器主体1上安装有至少一个太阳帆板4和一个或多个能够打开和关闭地舱板2；

至少一个抽屉式可更换模块3，能够抽插地安装在航天器主体1上。

根据本发明提供的模块化航天器平台，属于一种包括多个模块化设备且每个模块化设备能够即插即用的设备，具体而言，包括航天器主体1、抽屉式可更换模块3和可打开地舱板2，其中，航天器主体1为航天器的主承力结构，而抽屉式可更换模块3优选以抽屉的形式嵌入安装在航天器主体1的两个对称设置的侧面上，且优选地，每个侧面可安装3-6个抽屉式可更换模块3，且多个抽屉式可更换模块3优选阵列排布，因为这样有利于优化整星的质量分布和热控布局，更换过程中可利用机械臂对抽屉式可更换模块3进行识别、抓取、移动、插入或拔除等操作。具体而言，可将航天器平台内容易故障的模块(比如电源模块、姿轨控制模块，通信模块和imu测量模块等)制作成抽屉式可更换模块3，以方便对这些容易故障的模块进行更换。而可打开地舱板2可优选设置在航天器主体1的侧部，并能够在竖直方向向外对称分布展开，具体地，对于不容易故障的模块，可放入航天器舱内，一旦出现问题，可打开舱板2，实现航天器内部设备16的维修或者更换，以此提高航天器的寿命和对多任务的适应性。该种结构的模块化航天器平台，构型上较传统非模块化航天器改动较小，且通过可打开舱板2和抽屉式可更换模块3的设置，实现了航天器易坏模块的快速更换服务，航天器内部有效载荷的维修可达，且航天器模块具备自适应连接的能力，继承了传统航天器的结构设计方法，降低了建造难度，提高了在轨服务灵活性，延长了大型航天器寿命，满足了航天器内外设备的在轨维修更换需求，易于机械臂进行自主在轨操作，使得模块化航天器平台更具有可行性。其中，太阳帆板4用于收集太阳能，以便能够将太阳能够转换成航天器平台所需的电能或热能。

在上述实施例中，优选地，舱板2的一端能够转动地安装在航天器主体1上，通过舱板2的转动能够打开和关闭舱板2。该种设置使得舱板2能够转动地打开，当然，舱板2也可滑动地安装在航天器主体1上，此时，可通过滑动地方式实现舱板2的打开。

在上述实施例中，优选地，至少一个抽屉式可更换模块3通过能够抽插地嵌入安装在航天器主体1内，这样就使得抽屉式可更换模块3能够和航天器主体1形成一个有机整体，从而可确保航天器平台的整体结构的合理性。

进一步优选地，每一舱板2均安装在航天器主体1的一侧面上，且每一舱板2均能够沿航天器主体1的竖直方向向外打开，即在需要对航天器主体1的内部进行维修时，可将舱板2向外打开。

优选地，太阳帆板4、一个或多个舱板2均安装在航天器主体1的侧面上，至少一个抽屉式可更换模块3能够从航天器主体1的侧面进行抽出和插入。该种设置能够使航天器平台的整体结构的设置更加合理。

进一步地，每一舱板2的上端均能够转动地安装在航天器主体1上，每一舱板2均能够沿航天器主体1的竖直方向向外打开至与航天器的顶面平齐。

进一步地，太阳帆板4、舱板2和抽屉式可更换模块3的数量均为多个，且多个太阳帆板4安装在航天器主体1相对称设置的多个侧面上，多个舱板2安装在航天器主体1相对称设置的多个侧面上，多个抽屉式可更换模块3安装在航天器主体1相对称设置的多个侧面上。

进一步优选地，每一个舱板2均位于一个安装太阳帆板4的侧面和一个安装抽屉式可更换模块3的侧面之间。

更进一步地，航天器主体1为正八棱柱结构，航天器主体1为筒式结构，筒式结构内设置有燃料贮箱，筒式结构的四周设置有结构板件14，太阳帆板4的数量为两个，舱板2的数量为四个；两个太阳帆板4设置在正八棱柱结构相对称设置的两个侧面上，多个抽屉式可更换模块3设置在正八棱柱结构相对称设置的两个侧面上，四个舱板2设置在正八棱柱结构相对称设置的另外四个侧面上。

在该实施例中，航天器主体1采用了传统航天器中较为常见的八棱柱外形，并采用中心承力筒式结构作为航天器的主承力结构，该种设置在继承传统航天器的结构设计方法的同时保证航天器的整体刚度，从而能够直接承担航天器对接过程中所产生的冲击和各种力载荷。此外该种结构，在传统中心承力筒式航天器设计的基础上进行设计，方便了航天器平台上载荷和电缆的布局，降低了建造难度。而筒形结构四周连接的纵横交错的板件14，用以传递整个航天器的力载荷，同时也为设备提供安装位置。

在上述任一实施例中，优选地，航天器主体1和舱板2之间设置有机械打开装置，机械打开装置能够打开或关闭舱板2，且舱板2上设置有打开接口装置22，通过打开接口装置22能够操作机械打开装置，以打开或关闭舱板2；和/或航天器主体1和舱板2之间设置有与综合信息物理系统18连接的电动装置，电动装置在综合信息物理系统18的作用下能够打开或锁紧舱板2，优选的，电动装置包括自动锁紧装置5和电动展开装置6。

在该实施例中，可打开地舱板2的打开方式包括电动打开方式和机械臂手动打开方式，而电动打开方式包括自动锁紧装置5和电动打开装置，电动打开装置可具体通过遥控操作控制电机驱动打开，考虑舱板2上也是可以布置载荷的，其打开过程要注意减小振动，设计合适的控制率。而机械臂手动打开方式包括设置在航天器主体1和舱板2之间的机械打开装置和设置在舱板2的外壁上的打开接口装置22，在需要机械打开舱板2时，可由机械臂抓住打开接口装置22，实现手动控制打开，从而实现对内部载荷的维修。在正常使用时，可通过电动方式打开舱板2，而在电动装置损坏后，则可通过机械打开装置实现舱板2的打开。

在上述任一实施例中，优选地，模块化航天器平台还包括：综合信息物理系统18，设置在航天器主体1内，用于实现模块化航天器平台的运行管控与数据交换，且综合信息物理系统18支持模块化设备的自发现、自配置、可更换与可扩展；其中，至少一个抽屉式可更换模块3属于模块化设备中的一种。

在该实施例中，综合信息物理系统18，用于实现航天器运行管控与数据交换，其采用空间电子设备即插即用标准(spa)硬件接口和基于xml标记语言的可扩展电子数据表单(xteds)实现应用层和硬件层之间的通信与操作，支持模块化设备的自发现、自配置、可更换与可扩展，同时支持模块化设备的即插即用，是模块化航天器在轨服务的软件基础。

在上述任一实施例中，优选地，综合信息物理系统18包括：数据管理器186，用于存储模块化设备和应用程序的xteds文件和物理地址，对应用程序的请求进行应答和管理，具体而言，可以自动为应用程序寻找、驱动、连接格式的设备，从而实现即插即用的机制；任务管理器184，负责调度和分配综合信息物理系统18中运行的任务，并管理所有运算节点，保持节点间的负载平衡；设备管理器188，作为硬件设备在综合信息物理系统18上的入口，用于发现模块化设备并对发现的模块化设备的xteds文件进行注册，并传递到数据管理器186。

在该实施例中，综合信息物理系统18包括综合管理系统182、任务管理器184、数据管理器186和设备管理器188，具体而言：综合管理系统182用于负责任务管理器、数据管理器和设备管理器的统一管理和调度，数据管理器186用于存储航天器组件(包括硬件设备和应用程序)的xteds文件和航天器组件的物理地址，对请求进行应答和管理。任务管理器184负责调度和分配系统中运行的任务，并管理所有运算节点，保持节点间的负载平衡。设备管理器188作为硬件设备在综合信息物理系统18上的入口，负责每发现一个模块化设备就对其xteds文件进行注册，并传递到数据管理器186。当抽屉式可更换模块3插入航天器硬件接口后，模块化设备会将自身的xteds文件上传并在设备管理器188中注册，数据管理器186对设备的身份进行识别和登记，当系统中的应用程序提出设备使用请求时，系统可以自动为应用程序寻找、驱动、连接格式的设备，从而实现即插即用的机制。

在本说明书的描述中，术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。