魔方卫星及其设计方法技术

一种魔方卫星，其特征在于，包括：平台立方体单元、可变立方体单元、魔方磁悬浮万向转动机构；其中，可变立方体单元通过魔方磁悬浮万向转动机构连接平台立方体单元；平台立方体单元的空间位置相对固定。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术给出一种，包括步骤：步骤A：基本构型设计，步骤B，重构方式设计，步骤C，磁悬浮万向机构与无线输电的整合设计，步骤D，各分系统功能设计。本专利技术的优越性体现在于，将魔方的独特性质，借鉴到卫星设计中，使卫星内外布局，也能像魔方一样千变万化，用于执行各类任务。通过魔方卫星内驱动立方体单元的位置和指向重构，可用于实现多种任务，使卫星的能力具有极强的扩展性和可变性。【专利说明】
本专利技术涉及航天飞行器总体设计领域，尤其为一种魔方卫星总体方案构想，具体地为一种通过魔方卫星Cube (立方体)单元的位置和指向重构，可用于实现多种任务，使卫星的能力具有极强的扩展性和可变性。
技术介绍
魔方(Rubik’ s Cube)又叫魔术方块，也称鲁比克方块。是匈牙利布达佩斯建筑学院厄尔诺.鲁比克教授在1974年专利技术的。魔方系由富于弹性的硬塑料制成的6面正方体。魔方的两个极其重要和神奇的特性:组合状态千变万化:任意角块间的状态无相关性，既可通过有限次转动实现任意状态变换；二阶魔方(Pocket Rubik’s Cube或Mini Cube),为2X2X2的立方体结构，六个面，由8个角块构成，总共有3，674，160种变化。任意状态转换仅需较少的转动次数实现:现已证明，任意二阶魔方状态的最少还原步数为11(三阶最少步数20)。有多重算法可在较短时间内求出最优解。现阶段，大多数卫星就是基于一个方盒子，表面布置着各类载荷、敏感器、太阳阵等外展外延部件。一个卫星设计完成，其表面和内部结构的相对关系，往往就固定了，在轨运行各阶段跟随特定的姿态基准(对日、对地、偏航导引等)，完成既定任务。相信随着人类进步，对卫星功能和任务多样化的需求将进一步增强，携带多种载荷、执行多类任务的一类卫星将是一个发展方向(如气象卫星的各类光学探测器、电子侦察卫星的各频段天线或光学电子SAR —体卫星)。由于整星包络和对地面相对固定等限制，传统的航天设计理念将因此受到持续的挑战，或无法满足要求。`
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术将魔方的独特性质，借鉴到卫星设计中，目的是提供一种魔方卫星，使卫星内外布局，也能像魔方一样千变万化，用于执行各类任务。根据本专利技术提供的魔方卫星，包括:平台立方体单元、可变立方体单元、魔方磁悬浮万向转动机构；其中，可变立方体单元通过魔方磁悬浮万向转动机构连接平台立方体单元；平台立方体单元的空间位置相对固定。优选地，可变立方体单元位于平台立方体单元的三维+X+Y+Z方向组成的包络一侧。优选地，魔方磁悬浮万向转动机构为球面磁悬浮支撑结构，球面磁悬浮支撑结构使得每个可变立方体单元相对平台立方体单元的球面支承间具有一定范围的相对滑动。优选地，还包括设置在平台立方体单元上的可控定位销机构，其中，可控定位销机构与球面磁悬浮支撑结构相配合以对平台立方体单元与可变立方体单元之间的位置提供精确定位。优选地，还包括设置在平台立方体单元与可变立方体单元之间的无线电磁耦合供电系统，魔方磁悬浮万向转动和无线电磁耦合供电系统均为磁芯线圈绕阻结构，且整合成为万向节与无线输电一体化系统。 优选地，还包括设置在可变立方体单元上的通信分系统，其中，通信分系统包括采用无线方式互联的装置:测控装置、数传装置、中继装置、星间链路装置、GPS装置。优选地，还包括姿轨控系统，其中，姿轨控系统布置在平台立方体单元和/或可变立方体单元上。根据本专利技术提供的上述的魔方卫星的设计方法，包括如下步骤:步骤A，进行基本构型设计；步骤B，进行重构方式设计；步骤C，进行魔方磁悬浮万向转动机构与无线输电的整合设计；步骤D，各分系统功能设计。优选地，魔方卫星的重构，是指通过内部作用，驱动可变立方体单元的位置和指向的变化。优选地，在步骤D中，将姿轨控系统星敏、太敏这些空间指向敏感型敏感器，根据任务布置于平台立方体单元和/或可变立方体单元上；在可变立方体单元变换前后，姿态稳定控制，变换过程中不控；在特定变换开始前，提前预置姿态指向，使变换后姿态与所需姿态基准重合，降低姿态捕获时间。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果:本专利技术将魔方的独特性质，借鉴到卫星设计中，使卫星内外布局，也能像魔方一样千变万化，用于执行各类任务。通过魔方卫星内驱动立方体单元的位置和指向重构，可用于实现多种任务，使卫星的能力具有极强的扩展性和可变性。【专利附图】【附图说明】通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显:图1为魔方卫星构型图；图2为空间坐标系象限；图3、4、5为磁悬浮动量轮的支撑结构不同方向上的平动原理示意图；图6为初始状态各单元展开图；图7为变换后状态各单元展开图。图中:101为可变立方体单元；102为平台立方体单元；103为二维驱动太阳阵。【具体实施方式】下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。本专利技术提出了一种基于魔方理念的卫星方案设想，魔方卫星(Rubik’ s CubeSatellite)的设计充分借鉴了魔方组合状态多变和各状态间有限次转动可达的特性，在携带多种载荷情况下，通过魔方卫星立方体单元(Cube单元)的位置和指向重构，可用于实现多种任务，使卫星的能力具有极强的扩展性和可变性。设计了基于平台立方体单元和可变立方体单元组成的魔方卫星总体方案。步骤A,基本构型设计魔方卫星可基于各阶魔方，这里以二阶魔方为例。二阶魔方包括8个立方体单元，每个立方体单元的三个面均可以布置不同类型的设备。用于广泛的空间任务拓展。魔方卫星包含平台立方体单元和可变立方体单元两类模块，主要构型如图1:在步骤A中，平台立方体单元的空间位置相对固定，空间指向不随魔方构型变化而变化，主要包含卫星平台大部分单机，外部单机包含各类天线(测控、GPS、中继等)、太阳阵、各类姿态敏感器、推力器等。在步骤A中，可变立方体单元的各单元相互关系可类似魔方而变化，但均位于平台立方体单元的+X+Y+Z组成的包络一侧(VII象限)，提供了最多7个Cube空间和21个面用于各类载荷安装和布局，只要立方体单元可容纳，且表面安装后无干涉，均可列为Cube可用载荷。例如，载荷有如下种类:对地成像类:各谱段光学成像相机、扫描成像仪、SAR成像等；电子侦察载荷:各频段侦收天线、天线阵；通信载荷类:星地通信、数传、测控、中继等天线；监视与对抗类:监视相机、各类空间攻防载荷；服务与操作类:机械臂、对接口、加注口、弹射器等；科学实验类:空间环境探测、特殊实验类等；实际载荷范围不局限于以上各类，只要立方体单元可容纳，且表面安装后无干涉，均可列为Cube可用载荷。步骤B，重构方式设计魔方卫星的重构，指通过内部作用，立方体单元的位置和指向的变化。步骤B中，各立方体单元位置可用空间坐标系象限描述；单元的初始编号定义为1-8，分别对应1-VIII象限，三个面初始状态对应关系为X轴对应面1，Y轴对应面2，Z轴对应面3。如图2示出的VII象限的I面可描述为7_1表面。空间指向可描述为:I位于X轴上为A状态，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种魔方卫星，其特征在于，包括：平台立方体单元、可变立方体单元、魔方磁悬浮万向转动机构；其中，可变立方体单元通过魔方磁悬浮万向转动机构连接平台立方体单元；平台立方体单元的空间位置相对固定。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：崔本杰，
申请(专利权)人：上海卫星工程研究所，
类型：发明
国别省市：