一种多空间机器人在轨协同装配超大型太空望远镜的方法与流程

1.本发明属于航天器在轨服务技术领域，具体涉及一种多空间机器人在轨协同装配超大型太空望远镜的方法。


背景技术：

2.空间目标监视、空间态势感知和高性能天文观测等领域对超大口径光学有效载荷的需求强烈，急需突破超大口径空间光学载荷研制技术，为我国研制下一代空间监视预警系统、空间天文望远镜奠定技术基础。然而，受限于运载火箭的搭载和推进能力，现有的运载火箭无法满足超大口径空间光学载荷的运载需求，导致了我国在下一代空间监视预警系统和空间天文望远镜的研制工作遭遇瓶颈，严重影响了我国空间探索的科学进程，因此，为适应现有运载火箭的搭载和推进能力，同时实现可以发射运载超大口径空间光学载荷的空间望远镜，研发一种多空间机器人在轨协同装配超大型太空望远镜的方法。


技术实现要素：

3.本发明为了解决现有的运载火箭的搭载和推进能力较差，无法满足超大口径空间光学载荷的运载需求的问题，进而提供一种多空间机器人在轨协同装配超大型太空望远镜的方法；
4.一种多空间机器人在轨协同装配超大型太空望远镜的方法，所述方法是通过以下步骤实现的：
5.步骤一：将大型太空望远镜进行部件拆分，由望远镜整体拆分为：主镜部、次镜部和挡光部，并将各个部分的组成零件分别装入到一个货运舱中；
6.步骤二：将带有三镜模块的航天器平台、计量环、可伸缩机械臂和带有主镜部的货运舱组成的在轨组装系统通过运载火箭发射至望远镜预定工作轨道；
7.步骤三：通过可伸缩机械臂将带有主镜部的货运舱中的零件逐一拼接在航天器平台的顶部组成主镜；
8.步骤四：待带有主镜部的货运舱中的零件全部拼接完毕后，控制带有主镜部的货运舱与航天器平台脱离，同时地面发射带有次镜部的货运舱，并使带有次镜部的货运舱接替带有主镜部的货运舱与航天器平台连接；
9.步骤五：通过可伸缩机械臂将带有次镜部的货运舱中的零件逐一拼接在主镜顶部组成次镜结构；
10.步骤六：待带有次镜部的货运舱中的零件全部拼接完毕后，控制带有次镜部的货运舱与航天器平台脱离，同时地面发射带有挡光部的货运舱，并使带有挡光部的货运舱接替带有次镜部的货运舱与航天器平台连接；
11.步骤七：通过可伸缩机械臂将带有挡光部的货运舱中的零件逐一拼接在主镜顶部组成挡光结构，完成超大型太空望远镜的组装；
12.进一步地，所述步骤一中的货运舱的外壁沿周向均布有若干适配器，货运舱上还
设有多功能机器人，多功能机器人通过若干适配器锁紧在货运舱的外壁上；
13.进一步地，所述步骤二和步骤三中带有主镜部的货运舱中搭载主镜部的组成零件为若干个模块化子镜；
14.进一步地，所述步骤三是通过以下步骤实现的：
15.步骤三一：当航天器平台进入预定轨道后，航天器平台上的太阳翼帆板展开，并控制可伸缩机械臂解锁；
16.步骤三二：通过可伸缩机械臂将一个模块化子镜从带有主镜部的货运舱的内部取出，在航天器平台上安装第一个模块化子镜；
17.步骤三三：重复步骤二二，直至带有主镜部的货运舱中的零件全部拼装组成预定结构的六边形主镜；
18.进一步地，所述步骤四和步骤五中带有次镜部的货运舱中搭载次镜部的组成零件为次镜模块和三个次镜支架；
19.进一步地，所述步骤五是通过以下步骤实现的：
20.步骤五一：通过可伸缩机械臂将一个次镜支架从带有次镜部的货运舱中取出，并将此次镜支架的一端安装在主镜的顶部；
21.步骤五二：通过可伸缩机械臂将安装后的次镜支架展开；
22.步骤五三：重复步骤五一和步骤五二，将三个次镜支架中每个次镜支架的一端均安装在主镜的顶部，且保证相邻两个次镜支架之间呈120
°
夹角设置，并将每个次镜支架展开；
23.步骤五四：控制多功能灵巧机器人与带有次镜部的货运舱解锁，可伸缩机械臂抓取多功能灵巧机器人搬运至次镜支架上；
24.步骤五五：控制多功能灵巧机器人利用其第一机械臂和第二机械臂与次镜支架抓取固定；
25.步骤五六：控制可伸缩机械臂从带有次镜部的货运舱取出次镜模块，并将其搬运至多功能灵巧机器人工作空间，多功能灵巧机器人利用第三机械臂抓取到次镜模块；
26.步骤五七：控制多功能灵巧机器人利用第一机械臂和第二机械臂，沿第一个次镜支架爬行到顶部次镜模块待安装位置，完成太空望远镜次镜部的组装；
27.进一步地，所述步骤六和步骤七中所述带有挡光部的货运舱中搭载次镜部的组成零件为六个遮光罩和遮光罩安装基座；
28.进一步地，所述步骤七是通过以下步骤实现的：
29.步骤七一：控制可伸缩机械臂将遮光罩安装基座从带有挡光部的货运舱中取出，并将遮光罩安装基座安装在主镜上，保证遮光罩安装基座与主镜轮廓贴合；
30.步骤七二：控制可伸缩机械臂将一个遮光罩从带有挡光部的货运舱中取出，并将其安装在遮光罩安装基座的指定位置，并将此遮光罩展开；
31.步骤七三：重复步骤七二的动作逐一将其余五个遮光罩安装在遮光罩安装基座的指定位置，并将每个遮光罩展开，保证六个遮光罩组成中空的六棱柱结构。
32.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
33.1、本发明提供一种多空间机器人在轨协同装配超大型太空望远镜的方法，通过空间望远镜设计为模块化形式，空间望远镜的组部件模块通过一次或多次发射运载入轨，在
运行轨道实施空间望远镜的安装、调整，从而获得具有超大口径、且能够在空间稳定运行的空间望远镜。该技术的出现彻底突破了运载工具的限制，使超大口径空间望远镜成为现实，使系统具备“可扩展”能力，具有传统空间光学载荷不可比拟的可维修性与保障性。
34.2、本发明提供一种多空间机器人在轨协同装配超大型太空望远镜的方法，提供了一种新的大口径望远镜在轨拼装的思路，通过多空间机器人协同实现在轨装配，使大型、超大型空间设施的建设成为可能，可有效提高在轨装配、在轨维护、在轨维修和在轨服务的技术水平。
35.3、本发明提供一种多空间机器人在轨协同装配超大型太空望远镜的方法，通过多空间机器人协同实现在轨装配，使大型、超大型空间望远镜的建设成为可能，大大提高国家对地、对空的探测范围和探测精度，解决受制于运载火箭的能力，导致空间望远镜口径太小的技术问题。
附图说明
36.图1为本发明中在轨装配系统中太阳翼展开后的示意图；
37.图2为本发明中在轨装配系统中围绕三镜模块进行第一层模块子镜拼装示意图；
38.图3为本发明中在轨装配系统中所有模块子镜拼装成主镜后的状态示意图；
39.图4为本发明中在轨装配系统中次镜系统拼装后的状态示意图；
40.图5为本发明中在轨装配系统中挡光环结构拼装后的状态示意图；
41.图中包括1航天器平台、2计量环、3可伸缩机械臂、4货运舱、5适配器、6模块化子镜、7多功能灵巧机器人、8太阳翼帆板、9次镜模块、10次镜支架、11三镜模块、12 遮光罩和13遮光罩安装基座。
具体实施方式
42.具体实施方式一：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式提供了一种多空间机器人在轨协同装配超大型太空望远镜的方法，所述方法是通过以下步骤实现的：
43.步骤一：将大型太空望远镜进行部件拆分，由望远镜整体拆分为：主镜部、次镜部和挡光部，并将各个部分的组成零件分别装入到一个货运舱4中；
44.步骤二：将带有三镜模块11的航天器平台1、计量环2、可伸缩机械臂3和带有主镜部的货运舱4组成的在轨组装系统通过运载火箭发射至望远镜预定工作轨道；
45.步骤三：通过可伸缩机械臂3将带有主镜部的货运舱4中的零件逐一拼接在航天器平台1的顶部组成主镜14；
46.步骤四：待带有主镜部的货运舱4中的零件全部拼接完毕后，控制带有主镜部的货运舱4与航天器平台1脱离，同时地面发射带有次镜部的货运舱4，并使带有次镜部的货运舱4接替带有主镜部的货运舱4与航天器平台1连接；
47.步骤五：通过可伸缩机械臂3将带有次镜部的货运舱4中的零件逐一拼接在主镜14 顶部组成次镜结构；
48.步骤六：待带有次镜部的货运舱4中的零件全部拼接完毕后，控制带有次镜部的货运舱4与航天器平台1脱离，同时地面发射带有挡光部的货运舱4，并使带有挡光部的货运舱4接替带有次镜部的货运舱4与航天器平台1连接；
49.步骤七：通过可伸缩机械臂3将带有挡光部的货运舱4中的零件逐一拼接在主镜14 顶部组成挡光结构，完成超大型太空望远镜的组装。
50.本实施方式中所述方法的步骤二中的组成的在轨组装系统包括航天器平台1、计量环 2、可伸缩机械臂3、货运舱4、三镜模块11和两个太阳翼帆板8，所述三镜模块11位于航天器平台1的轴线上，且三镜模块11与航天器平台1的顶部固定连接，两个太阳翼帆板8沿周向等距安装在航天器平台1的外圆面上，计量环2设置在航天器平台1的下方，且计量环2的一端与航天器平台1的底部固定连接，货运舱4设置在计量环2的下部，且货运舱4与计量环2拆卸连接，可伸缩机械臂3设置在计量环2上，且可伸缩机械臂3 通过滑动块与计量环2滑动连接，伸缩机械臂3可沿计量环2的周向滑动，且可伸缩机械臂3用于抓取货运舱4中的零件。
51.本实施方式中，可伸缩机械臂3通过滑动块与计量环2实现滑动连接，使可伸缩机械臂3可沿计量环2的轴线进行360
°
圆周旋转运动，可伸缩机械臂3本身具有9个自由度，包括7个关节的旋转自由度和2个臂杆的移动自由度，可伸缩机械臂3通过与滑动块铰接，实现可伸缩机械臂3可以相对于计量环2进行摆动。
52.本实施方式提供一种多空间机器人在轨协同装配超大型太空望远镜的方法，通过空间望远镜设计为模块化形式，空间望远镜的组部件模块通过一次或多次发射运载入轨，在运行轨道实施空间望远镜的安装、调整，从而获得具有超大口径、且能够在空间稳定运行的空间望远镜。该技术的出现彻底突破了运载工具的限制，使超大口径空间望远镜成为现实，使系统具备“可扩展”能力，具有传统空间光学载荷不可比拟的可维修性与保障性。
53.具体实施方式二：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的步骤一作进一步限定，本实施方式中，所述步骤一中的货运舱4的外壁沿周向均布有若干适配器5，货运舱4上还设有多功能机器人7，多功能机器人7通过若干适配器5 锁紧在货运舱4的外壁上其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。
54.本实施方式中，所述货运舱4为圆柱形结构，货运舱4沿周向依次设有模块化子镜放料舱、次镜模块放料舱、次镜支架放料舱、挡光环结构安装基座放料舱和挡光环结构放料舱，若干个模块化子镜6、次镜模块9、三个次镜支架10、挡光环结构12和挡光环结构安装基座13对应放入在各个放料舱中，多功能灵巧机器人7自身携带可充电电池，每个适配器5自身携带大容差浮动电连接器；
55.将由原的整体大型航天望远镜进行拆分成各个部分，例如主镜部、次镜部和挡光部，并将各个部分的组件逐一放置在货运舱4中，通过可伸缩机械手3逐一对各部分进行拼接组装，一般的操作顺序为先拼装主镜部，其次拼装次镜部，最后拼装挡光部，根据天文望远镜实际载荷不同，可以选择各个部分单独组建一个货运舱4，或是将每个部分再次拆分组成一个货运舱4，或者将每个部分的部分零件组装在一个货运舱4中，在进行运输时，先将搭载有主镜部的货运舱4随第一次升空的运载火箭输送至轨道上，并利用可伸缩机械手3逐一选取货运舱4中的各个零件进行拼接，待主镜部拼装完毕在依次发送搭载有次镜部的货运舱4和搭载有挡光部的货运舱4，货运舱4可以采用逐一替换的方式(使用后的货运舱4主动与航天器平台1分离，为后续的货运舱4让出连接空间)，也可以采用叠加的方式(使用后的货运舱4还是与航天器平台1保持连接，后续的货运舱4通过自带的计量环2依次与在先的货运舱4连接)，前者有利于减少航天器平台1的载重，后者可以减少货运舱4随意弃置造成太空垃圾。
56.具体实施方式三：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的步骤二和步骤三作进一步限定，本实施方式中，所述步骤二和步骤三中带有主镜部的货运舱4中搭载主镜部的组成零件为若干个模块化子镜6。其它组成及连接方式与具体实施方式二相同。
57.本实施方式中，每个模块化子镜6上带有机械锁紧和电气连接接口。
58.具体实施方式四：参照图1至图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的步骤三作进一步限定，本实施方式中，所述步骤三是通过以下步骤实现的：
59.步骤三一：当航天器平台1进入预定轨道后，航天器平台1上的太阳翼帆板8展开，并控制可伸缩机械臂3解锁；
60.步骤三二：通过可伸缩机械臂3将一个模块化子镜6从带有主镜部的货运舱4的内部取出，在航天器平台1上安装第一个模块化子镜6；
61.步骤三三：重复步骤二二，直至带有主镜部的货运舱4中的零件全部拼装组成预定结构的六边形主镜14。其它组成及连接方式与具体实施方式三相同。
62.本实施方式中，可伸缩机械臂3每个模块化子镜6沿三镜模块11的边缘轮廓逐一拼接组装，有内至外一层层扩张，三镜模块11也为六边形结构。
63.具体实施方式五：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的步骤四和步骤五作进一步限定，本实施方式中，所述步骤四和步骤五中带有次镜部的货运舱4中搭载次镜部的组成零件为次镜模块9和三个次镜支架10。其它组成及连接方式与具体实施方式四相同。
64.具体实施方式六：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五所述步骤五作进一步限定，本实施方式中，所述步骤五是通过以下步骤实现的：
65.步骤五一：通过可伸缩机械臂3将一个次镜支架10从带有次镜部的货运舱4中取出，并将此次镜支架10的一端安装在主镜14的顶部；
66.步骤五二：通过可伸缩机械臂3将安装后的次镜支架10展开；
67.步骤五三：重复步骤五一和步骤五二，将三个次镜支架10中每个次镜支架10的一端均安装在主镜14的顶部，且保证相邻两个次镜支架10之间呈120
°
夹角设置，并将每个次镜支架10展开；
68.步骤五四：控制多功能灵巧机器人7与带有次镜部的货运舱4解锁，可伸缩机械臂3 抓取多功能灵巧机器人7搬运至次镜支架10上；
69.步骤五五：控制多功能灵巧机器人7利用其第一机械臂和第二机械臂与次镜支架10 抓取固定；
70.步骤五六：控制可伸缩机械臂3从带有次镜部的货运舱4取出次镜模块9，并将其搬运至多功能灵巧机器人7工作空间，多功能灵巧机器人7利用第三机械臂抓取到次镜模块 9；
71.步骤五七：控制多功能灵巧机器人7利用第一机械臂和第二机械臂，沿第一个次镜支架10爬行到顶部次镜模块9待安装位置，完成太空望远镜次镜部的组装。其它组成及连接方式与具体实施方式五相同。
72.本实施方式中，多功能灵巧机器人7包括两个固定机械臂和一个工作机械臂，两个固定机械臂用于与适配器5进行机械锁紧和电气连接，工作机械臂用于抓取零件，多功能灵
巧机器人7中每个固定机械臂具有7个关节自由度，工作机械臂也具有7个关节自由度。
73.具体实施方式七：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式六所述步骤六和步骤七作进一步限定，本实施方式中，所述步骤六和步骤七中所述带有挡光部的货运舱4中搭载次镜部的组成零件为六个遮光罩12和遮光罩安装基座13。其它组成及连接方式与具体实施方式六相同。
74.具体实施方式八：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式七所述步骤七作进一步限定，本实施方式中，所述步骤七是通过以下步骤实现的：
75.步骤七一：控制可伸缩机械臂3将遮光罩安装基座13从带有挡光部的货运舱4中取出，并将遮光罩安装基座13安装在主镜14上，保证遮光罩安装基座13与主镜14轮廓贴合；
76.步骤七二：控制可伸缩机械臂3将一个遮光罩12从带有挡光部的货运舱4中取出，并将其安装在遮光罩安装基座13的指定位置，并将此遮光罩12展开；
77.步骤七三：重复步骤七二的动作逐一将其余五个遮光罩12安装在遮光罩安装基座13 的指定位置，并将每个遮光罩12展开，保证六个遮光罩12组成中空的六棱柱结构。其它组成及连接方式与具体实施方式七相同。
78.以上所述，仅为本发明的较佳实施例，非为对本发明做任何形式上的限制，并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述技术方案做出些许改动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。