一种太空换电飞行器、卫星及为卫星更换蓄电池的方法与流程

1.本发明涉及卫星领域，具体涉及一种太空换电飞行器、卫星及为卫星更换蓄电池的方法。


背景技术：

2.现代卫星对在轨寿命的要求越来越高，高轨卫星一般要求十年设计寿命，低轨卫星一般要求五年设计寿命。影响卫星寿命的主要因素是蓄电池4的使用寿命。在空间运行状态下，锂电池充放电500次后电池容量的折损超过40％。电池容量的大量折损会严重影响卫星荷载的运行时间。
3.为实现对卫星蓄电池的在轨更换，提高卫星的使用寿命，设计一种太空换电飞行器显得尤为重要。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种太空换电飞行器。
5.本发明提供一种太空换电飞行器，包括：多个蓄电池仓、供电对接机械臂和蓄电池抽插机械臂；多个所述蓄电池仓用于放置蓄电池，且其中至少一个空置；所述供电对接机械臂和所述蓄电池抽插机械臂设置于同一侧；所述供电对接机械臂用于对接卫星，并为其临时供电；所述蓄电池抽插机械臂用于连接卫星的蓄电池，将其取出放入空置的所述蓄电池仓，并取出备用的蓄电池放入卫星的蓄电池仓。
6.根据本发明的一个实施例，所述蓄电池仓包括锁定机构，用于对其中的所述蓄电池进行锁紧固定。
7.根据本发明的一个实施例，所述锁定机构包括可伸缩插销，所述蓄电池放入所述蓄电池仓后，所述可伸缩插销伸出将所述蓄电池固定。
8.根据本发明的一个实施例，所述锁定机构包括与所述蓄电池仓内壁固定连接的中心轴和锁定连杆；所述中心轴与所述锁定连杆构成跷跷板结构；所述蓄电池仓内壁设置复位杆，所述复位杆连接所述锁定连杆一端，所述锁定连杆一端沿所述复位杆轴向方向可滑动；所述锁定连杆另一端设置朝向所述蓄电池仓内腔方向的锁定杆，所述锁定杆套设锁定弹簧；所述复位杆套设复位弹簧；所述锁定连杆一端受朝向所述蓄电池仓内壁的作用力时，所述锁定连杆一端压缩所述复位弹簧，并沿所述复位杆轴向方向滑动，对应地所述锁定连杆另一端起翘，带动所述锁定杆向所述蓄电池方向移动，并卡入所述蓄电池的锁定孔中，对所述蓄电池进行锁定，所述锁定弹簧抵住所述蓄电池外壁；所述锁定连杆一端不受外力时，所述锁定连杆另一端在所述复位弹簧的作用力下复位，所述锁定杆从所述锁定孔中脱出，对所述蓄电池进行解锁。
9.根据本发明的一个实施例，所述锁定连杆一端设置安装孔，所述复位杆贯穿所述安装孔，并用防松螺母紧固，防止所述复位杆从所述安装孔中脱出。
10.根据本发明的一个实施例，所述蓄电池设置可转动的中心齿轮，所述中心齿轮设
置与其啮合的锁定条；所述中心齿轮转动，所述锁定条从所述蓄电池壳体的表面伸出，抵住所述锁定连杆靠近所述复位杆的一侧，并对其施加朝向所述蓄电池仓内壁的作用力。
11.根据本发明的一个实施例，所述蓄电池仓的周向四个侧面分别设置所述锁定机构；所述中心齿轮为双层齿轮，分别设置两个反向移动的所述锁定条；转动所述中心齿轮，四个所述锁定条同步地从所述蓄电池壳体周向四个侧面伸出，并抵住对应的锁定连杆的一侧。
12.根据本发明的一个实施例，所述蓄电池抽插机械臂的机械臂末端执行器截面为十字型结构，所述中心齿轮的中心齿轮孔为与其相应的形状；所述机械臂末端执行器插入所述中心齿轮孔，转动中心齿轮，以将所述锁定条伸出或缩回。
13.另一方面，本发明提供一种卫星，包括对接连接孔和上述蓄电池；所述蓄电池匹配上述蓄电池仓，所述蓄电池设置于卫星的蓄电池仓中，以给卫星供电；所述对接连接孔用于与上述供电对接机械臂连接，以给卫星供电。
14.另一方面，本发明提供一种为卫星更换蓄电池的方法，利用上述太空换电飞行器给上述卫星更换蓄电池，包括：将卫星的轨道参数遥控上注给太空换电飞行器，太空换电飞行器变轨到卫星的轨道上，与卫星交会；太空换电飞行器通过所述供电对接机械臂与卫星的所述对接连接孔对接；卫星查询外接供电状态是否为正常连接受电，若为正常连接受电，则切断卫星的蓄电池供电，改由所述供电对接机械臂供电；所述蓄电池抽插机械臂连接卫星的原蓄电池的所述中心齿轮孔，与所述中心齿轮孔对接，顺时针转动所述中心齿轮，使卫星的原蓄电池与卫星解锁，并将卫星的原蓄电池从所述卫星的蓄电池仓中抓取出来；太空换电飞行器将抓取出来的卫星的原蓄电池装入太空换电飞行器空置的所述蓄电池中，逆时针转动所述中心齿轮，将蓄电池锁定；所述蓄电池抽插机械臂从太空换电飞行器原非空置的所述蓄电池中抓取一个备用蓄电池，并将备用蓄电池插入卫星已空置的蓄电池仓重，逆时针转动所述中心齿轮，将备用蓄电池与卫星的蓄电池仓锁紧固定；卫星查询器蓄电池仓为已插入蓄电池的状态，切换为蓄电池供电；所述供电对接机械臂解除与卫星的连接，并离开卫星的轨道。
15.根据本发明的太空换电飞行器，通过蓄电池抽插机械臂对卫星进行蓄电池更换，能够大大提高卫星的使用寿命。
16.应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。
附图说明
17.下面的附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明发明的原理。
18.图1是本发明一个实施例的太空换电飞行器的立体图；
19.图2是本发明一个实施例的蓄电池的立体图；
20.图3是本发明一个实施例的蓄电池和蓄电池仓的正视图；
21.图4是本发明一个实施例的锁定机构的俯视图；
22.图5是图4中a的放大图；
23.图6是图4中a的放大图；
24.图7是本发明的一个实施例的中心齿轮的立体图；
25.图8是本发明的一个实施例的中心齿轮的正视图；
26.图9是本发明的一个实施例的中心齿轮的左视图；
27.图10是本发明一个实施例的锁定条的立体图；
28.图11是本发明一个实施例的蓄电池抽插机械臂与中心齿轮对接示意图；
29.图12是本发明一个实施例的蓄电池抽插机械臂与中心齿轮对接示意图；
30.图13是本发明一个实施例的卫星与其蓄电池的示意图；
31.图14是本发明一个实施例的太空换电飞行器与卫星对接示意图；
32.图15是本发明一个实施例的太空换电飞行器为卫星更换蓄电池的方法的流程图。
33.附图标记说明：
34.1-供电对接机械臂，2-蓄电池抽插机械臂，3-蓄电池仓，4-蓄电池，5-中心轴，6-锁定连杆，7-复位杆，8-锁定杆，9-锁定弹簧，10-复位弹簧，11-锁定孔，12-中心齿轮，13-限位孔，14-锁定槽，15-第一长齿轮锁定条，16-第二长齿轮锁定条，17-第一短齿轮锁定条，18-第二短齿轮锁定条，19-外层执行器，20-内层执行器，21-对接连接孔，22-卫星的蓄电池仓，23-卫星的蓄电池，24-中心齿轮孔，25-防松螺母，26-中心孔，27-限位槽，28-端盖。
35.a-太空换电飞行器，b-需要更换蓄电池的卫星。
具体实施方式
36.下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，用于示例性的说明本发明的原理，并不被配置为限定本发明。另外，附图中的机构件不一定是按照比例绘制的。例如，可能对于其他结构件或区域而放大了附图中的一些结构件或区域的尺寸，以帮助对本发明实施例的理解。
37.下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本发明实施例的具体结构进行限定。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，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，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.此外术语“包括”、“包含”“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素结构件或组件不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出或固有的属于结构件、组件上的其他机构件。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
39.诸如“下面”、“下方”、“在
…
下”、“低”、“上方”、“在
…
上”、“高”等的空间关系术语用于使描述方便，以解释一个元件相对于第二元件的定位，表示除了与图中示出的那些取向不同的取向以外，这些术语旨在涵盖器件的不同取向。另外，例如“一个元件在另一个元件上/下”可以表示两个元件直接接触，也可以表示两个元件之间还具有其他元件。此外，诸如“第一”、“第二”等的术语也用于描述各个元件、区、部分等，并非特别指称次序或顺位的意思，并且不应被当作限制。类似的术语在描述通篇中表示类似的元件。
40.对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
41.图1是本发明一个实施例的太空换电飞行器的立体图；图2是本发明一个实施例的蓄电池的立体图；图3是本发明一个实施例的蓄电池和蓄电池仓的正视图；图4是本发明一个实施例的锁定机构的俯视图；图5是图4中a的放大图；图6是图4中a的放大图；图7是本发明的一个实施例的中心齿轮的立体图；图8是本发明的一个实施例的中心齿轮的正视图；图9是本发明的一个实施例的中心齿轮的左视图；图10是本发明一个实施例的锁定条的立体图；图11是本发明一个实施例的蓄电池抽插机械臂与中心齿轮对接示意图；图12是本发明一个实施例的蓄电池抽插机械臂与中心齿轮对接示意图；图13是本发明一个实施例的卫星与其蓄电池的示意图；图14是本发明一个实施例的太空换电飞行器与卫星对接示意图；图15是本发明一个实施例的太空换电飞行器为卫星更换蓄电池的方法的流程图。
42.如图1所示，本发明提供一种太空换电飞行器，包括：多个蓄电池仓3、供电对接机械臂1和蓄电池抽插机械臂2。多个蓄电池仓3用于放置蓄电池4，且其中至少一个空置。供电对接机械臂1用于对接卫星，并为其临时供电。蓄电池抽插机械臂2用于连接卫星的蓄电池4，将其取出放入空置的蓄电池仓3，并取出备用的蓄电池4放入卫星的蓄电池仓。
43.具体地，卫星蓄电池的使用寿命远低于卫星上其他结构件、电子设备、单机的使用寿命。目前空间站不支持在轨更换电池，也没有采用机械臂自动完成蓄电池更换的先例，需要由宇航员手动完成。少数航天器上蓄电池更换也需要宇航员人工操作完成。在本实施例中，在与需要更换蓄电池的卫星进行交会时，可以通过供电对接机械臂与卫星对接，将两者进行连接固定。然后，通过蓄电池抽插机械臂从需要更换蓄电池的卫星上抽取出其蓄电池，并把太空换电飞行器中的备用蓄电池插入更换蓄电池卫星的蓄电池仓，完成对空间在轨卫星蓄电池的更换。同时，通过供电对接机械臂与卫星对接，实现了在更换蓄电池期间为为电池进行星外供电，避免了卫星断电。
44.由于蓄电池充放电次数限制，在其寿命末期，蓄电池容量的折损已严重影响卫星的正常时，通过该太空换电飞行器对卫星进行蓄电池更换，能够大大提高卫星的使用寿命。该太空换电飞行器实现了在轨自动更换蓄电池，无需人工实时干预，使得卫星蓄电池的在轨更换便捷、可靠，且成本较低。
45.进一步地，供电对接机械臂和蓄电池抽插机械臂设置于太空换电飞行器的同一侧。
46.根据本发明的一个实施例，蓄电池仓一侧在太空换电飞行器舱壁上为开放式出入口，以便于蓄电池的拆装。
47.本实施例提供的太空换电飞行器，通过半开放式蓄电池仓设计，方便了航天器(如卫星)在轨更换蓄电池。
48.根据本发明的一个实施例，太空换电飞行器包括16个蓄电池仓。
49.本实施例提供太空换电飞行器，在每次执行换电任务时，可以携带15颗新的蓄电池。空置的蓄电池仓用于接收更换电池过程中第一颗被换下来的旧电池。太空换电飞行器可以由火箭送入近地轨道，再通过自身的大功率电推进器自行变轨，完成对需要更换蓄电池的卫星的空间捕捉和对接。
50.根据本发明的一个实施例，蓄电池仓3包括锁定机构，用于对其中的蓄电池4进行锁紧固定。
51.在本实施例中，蓄电池仓可以包括多个锁定机构。例如，蓄电池仓周向侧面分别设置一个或多个锁定机构，以将蓄电池在蓄电池仓内固定。
52.根据本发明的一个实施例，蓄电池包括配对锁定机构，与锁定机构配合将蓄电池固定在蓄电池仓中。
53.根据本发明的一个实施例，锁定机构包括可伸缩插销，蓄电池4放入蓄电池仓3后，可伸缩插销伸出将蓄电池4固定。
54.如图2所示，根据本发明的一个实施例，蓄电池外侧面包括锁定孔11，锁定机构的可伸缩插销插入锁定孔11中，对蓄电池进行固定。
55.根据本发明的一个实施例，每个蓄电池仓可以设置4个可伸缩插销，分别设置于其内侧壁。
56.根据本发明的一个实施例，蓄电池周向外侧面分别设置锁定孔，蓄电池仓的4个可伸缩插销分别插入对应的锁定孔中，对蓄电池进行固定。
57.根据本发明的一个实施例，可伸缩插销可通过电气系统控制其伸缩。
58.如图3、4、5和6所示，根据本发明的一个实施例，锁定机构包括与蓄电池仓3内壁固定连接的中心轴5和锁定连杆6。中心轴5与锁定连杆6构成跷跷板结构。蓄电池仓3内壁设置复位杆7，复位杆7连接锁定连杆6一端，锁定连杆6一端相对复位杆7轴向方向可滑动。锁定连杆6另一端设置朝向蓄电池仓3内腔方向的锁定杆8，锁定杆8套设锁定弹簧9。复位杆7套设复位弹簧10。锁定连杆6一端受朝向蓄电池仓3内壁的作用力时，锁定连杆6一端压缩复位弹簧10，并沿复位杆7轴向方向滑动，对应地锁定连杆6另一端起翘，带动锁定杆8向蓄电池4方向移动，并卡入蓄电池4的锁定孔11中，对蓄电池4进行锁定，锁定弹簧9抵住蓄电池4外壁。锁定连杆6一端不受外力时，锁定连杆6另一端在复位弹簧10的作用力下复位，锁定杆8从锁定孔11中脱出，对蓄电池4进行解锁。
59.在本实施例中，锁定杆用于将蓄电池在蓄电池仓内固定。蓄电池仓可以设置多个锁定机构，多个锁定机构的锁定杆对蓄电池进行锁紧固定。例如，蓄电池仓周向四个侧壁分别设置一个或多个锁定机构，每个侧壁的一个或多个锁定杆将蓄电池固定在蓄电池仓。
60.根据本发明的一个实施例，蓄电池外侧面包括锁定孔，蓄电池仓锁定机构的锁定杆可以在蓄电池进入蓄电池仓的过程中插入锁定孔中，对蓄电池进行固定。
61.如图6所示，根据本发明的一个实施例，锁定连杆6一端设置安装孔，复位杆7贯穿安装孔，并用防松螺母25紧固，防止复位杆7从安装孔中脱出。
62.在本实施例中，复位杆与蓄电池仓内壁固定连接的一端设置固定凸台，另一端为螺纹。将复位弹簧套设在复位杆上后，复位杆穿过锁定连杆上的安装孔。复位弹簧一端抵住固定凸台，一端抵住锁定连杆。根据复位杆相对锁定连杆运动的行程调整复位弹簧的压缩量后，用防松螺母进行紧固。当锁定连杆在复位弹簧的弹性作用力下复位时，防松螺母能够防止复位杆从锁定连杆的安装孔中脱出。
63.如图3所示，根据本发明的一个实施例，蓄电池4设置可转动的中心齿轮12，中心齿轮12设置与其啮合的锁定条。中心齿轮12转动，锁定条从蓄电池4壳体的表面伸出，抵住锁定连杆6靠近复位杆7的一侧，并对其施加朝向蓄电池仓3内壁的作用力。
64.根据本发明的一个实施例，蓄电池4外侧的一个表面设置可转动的中心齿轮12，中心齿轮12设置与其啮合的锁定条。中心齿轮12转动，锁定条从蓄电池4壳体的表面伸出，抵住锁定连杆6靠近复位杆7的一侧，并对其施加朝向蓄电池仓3内壁的作用力，以对蓄电池进行固定。
65.根据本发明的一个实施例，蓄电池4内部设置可转动的中心齿轮12，中心齿轮12设置与其啮合的锁定条。蓄电池4壳体设置对应锁定条的限位孔13。中心齿轮12转动，锁定条从蓄电池4壳体的限位孔13穿出，抵住锁定连杆6靠近复位杆7的一侧，并对其施加朝向蓄电池仓3内壁的作用力，以对蓄电池进行固定。
66.如图7、8、9和10所示，根据本发明的一个实施例，蓄电池仓3的周向四个侧面分别设置锁定机构。中心齿轮12为双层齿轮，分别设置两个反向移动的锁定条。转动中心齿轮12，四个锁定条同步地从蓄电池4壳体周向四个侧面伸出，并抵住对应的锁定连杆6的一侧，以对蓄电池进行固定。
67.在本实施例中，通过对蓄电池周向四个侧面进行固定，增加了蓄电池与蓄电池仓之间的稳定性。
68.如图2所示，根据本发明的一个实施例，蓄电池周向外侧面分别设置锁定孔11，蓄电池仓的4个锁定机构的锁定杆分别插入对应的锁定孔11中，对蓄电池进行固定。
69.在本实施例中，蓄电池的中心齿轮、锁定条结构与锁定机构配合实现蓄电池与蓄电池仓的锁紧固定及解锁。该配合结构与配合方式具有构型简单、易于加工与制造、成本低、功能可靠等优势。此外，该太空换电飞行器采用机械锁定的方式在机构锁定与维持时无需额外能量供给，避免了因能源稳定性带来的误操作风险，也避免了空间环境对电磁设备产生破坏后电子功能不能实现的情况。
70.如图7所示，根据本发明的一个实施例，蓄电池抽插机械臂插入中心齿轮的中心齿轮孔24中，逆时针转动中心齿轮，四个锁定条分别背向中心齿轮方向移动，并抵住锁定连杆6靠近复位杆7的一侧，对其施加朝向蓄电池仓3内壁的作用力。对应地，锁定连杆6另一端起翘，带动锁定杆8向蓄电池4方向移动，并卡入蓄电池4的锁定孔11中，蓄电池与蓄电池仓锁定。顺时针转动中心齿轮，四个锁定条分别向中心齿轮方向移动，四个锁定条不再对锁定连杆6施加作用力，锁定连杆6靠近复位杆的一端在复位弹簧10的作用力下复位，对应地锁定连杆6另一端复位，锁定杆8从锁定孔11中脱出，对蓄电池4进行解锁。
71.在本实施例中，当锁定条伸展(背向中心齿轮方向移动)时，锁定条推动锁定连杆靠近复位杆的一端压缩复位弹簧，锁定连杆靠近锁定杆的一端起翘，形成杠杆。锁定杆靠近蓄电池的端头在杠杆作用下抵住蓄电池侧壁，随着蓄电池向内运动到适当位置时，锁定杆靠近蓄电池的端头卡入蓄电池的锁定孔，蓄电池被卡住锁定。当太空换电飞行器发生抖动时，锁定弹簧能够使锁定杆保持相对锁定机构为伸长状态，防止锁紧失效。
72.根据本发明的一个实施例，蓄电池抽插机械臂与蓄电池对接的末端执行器顶端可以设置胀销结构，蓄电池抽插机械臂插入蓄电池的中心齿轮的中心齿轮孔，并通过胀销结构与中心齿轮对接旋转，实现蓄电池的锁紧固定或解锁及抓取。
73.根据本发明的一个实施例，蓄电池周向外侧壁分别设置锁定孔11，与锁定机构配合对蓄电池进行锁紧固定。
74.如图2所示，根据本发明的一个实施例，沿蓄电池放入蓄电池仓方向，蓄电池壳体
周向外侧壁设置锁定槽14，与锁定孔11连通。蓄电池放入蓄电池仓时，锁定杆沿锁定槽14滑动推进，蓄电池到位后，锁定杆插入锁定孔11中，蓄电池被锁定在蓄电池仓中。
75.在本实施例中，将蓄电池放入蓄电池仓中，中心齿轮逆时针转动(可以由蓄电池抽插机械臂逆时针转动中心齿轮)，锁定杆插入锁定孔11中，将蓄电池固定在蓄电池仓内。
76.根据本发明的一个实施例，蓄电池的外型尺寸为400mm(l)
×
280mm(b)
×
250mm(h)mm。
77.具体地，卫星蓄电池的更换涉及到蓄电池的运输、蓄电池的拆卸和蓄电池的安装三个部分。对蓄电池结构(如外型尺寸、部件组成等)、蓄电池安装固定方式、蓄电池仓结构进行统一设计，对蓄电池电接口的接插件也进行统一化设计，能够提高蓄电池的运输、装卸及更换的高效性和可靠性，使对需要更换蓄电池卫星的换电过程更加安全、可靠、便捷。
78.如图10所示，根据本发明的一个实施例，为适应蓄电池的尺寸及形状，锁定条包括第一长齿轮锁定条15、第二长齿轮锁定条16、第一短齿轮锁定条17和第二短齿轮锁定条18，以实现对蓄电池周向四个侧面的同步锁定。
79.在本实施例中，中心齿轮的外层可以与第一短齿轮锁定条17和第二短齿轮锁定条18啮合。中心齿轮的内层与第一长齿轮锁定条15和第二长齿轮锁定条16啮合。
80.根据本发明的一个实施例，蓄电池设置有十字形限位槽27。中心齿轮设置于十字形限位槽27的中心位置，四个锁定条沿十字形限位槽27长度方向设置。转动中心齿轮，锁定条在限位槽27中滑动。
81.如图11所示，根据本发明的一个实施例，蓄电池前端设置端盖28，端盖28朝向蓄电池内部的侧面设置有对应地十字形凹槽，与十字形限位槽27配合，用于容纳四个锁定条。
82.如图3所示，进一步地，蓄电池前端端盖设置中心孔26。蓄电池抽插机械臂穿过蓄电池前端端盖的中心孔26，与中心齿轮对接。
83.如图10所示，在本实施例中，可以先安装第一长齿轮锁定条15和第二长齿轮锁定条16，再安装中心齿轮，然后安装第一短齿轮锁定条17和第二短齿轮锁定条18，最后扣上蓄电池前端端盖。当蓄电池抽插机械臂需要与蓄电池对接时，蓄电池抽插机械臂穿过蓄电池前端端盖的中心孔，与中心齿轮对接。
84.如图12所示，根据本发明的一个实施例，蓄电池抽插机械臂分为外层执行器19和内层执行器20。内层执行器20与外层执行器19可滑动连接。蓄电池抽插机械臂的外层执行器19向蓄电池壳体伸出，并卡住蓄电池壳体，内层执行器20继续向蓄电池内部延伸与中心齿轮对接。内层执行器20转动中心齿轮，以控制锁定条的伸展或收缩。
85.在本实施例中，蓄电池抽插机械臂的外层执行器和内层执行器从蓄电池尾部(朝向蓄电池仓外侧的为尾部)与蓄电池对接。
86.根据本发明的一个实施例，蓄电池由22个电池单体组成2并11串组成的一个30ah的标准蓄电池，工作电压为33v～45.1v。
87.在本实施例中，可以根据卫星实际功率需求减少电池单体数量，或者可以将2个或多个标准蓄电池进行并联组合。例如，若需要60ah的蓄电池，可以把两个标准蓄电池进行并联，以此进行蓄电池组合。
88.根据本发明的一个实施例，太空换电飞行器可以通过供电对接机械臂向需要更换蓄电池的卫星输出42v的供电。
89.根据本发明的一个实施例，蓄电池包括供电、遥测采集接插件，可以设置在蓄电池的头部。
90.在本实施例中，蓄电池头部(背向蓄电池仓外侧的为头部)可以设置两个供电、遥测采集接插件，每个供电、遥测采集接插件提供9路电源供电和4路电压采集，共对外提供18路电源供电。可以统一型号为j6w-26a02jnmb。供电、遥测采集接插件中节点定义如下：
91.节点号节点定义1功率1正线2功率2正线3功率3正线4功率4正线5功率5正线6功率6正线7功率7正线8功率8正线9功率9正线10功率1负线11功率2负线12功率3负线13功率4负线14功率5负线15功率6负线16功率7负线17功率8负线18功率9负线19采样1正线20采样1回线21采样2正线22采样2回线23采样3正线24采样3回线25采样4正线26采样4回线
92.在本实施例中，两个供电、遥测采集的接插件还可以互为备份。
93.根据本发明的一个实施例，蓄电池设置充电接口，与上述蓄电池仓的充电接插件对接，以连接电源为其充电。
94.根据本发明的一个实施例，蓄电池设置状态监控接口，与上述蓄电池仓的监控接插件对接，以实现对蓄电池状态的监控。
95.根据本发明的一个实施例，上述充电接口与状态监控接口可以为同一个接口。
96.根据本发明的一个实施例，蓄电池抽插机械臂2的机械臂末端执行器截面为十字
型结构，中心齿轮12的中心齿轮孔为与其相应的形状。机械臂末端执行器插入中心齿轮孔，转动中心齿轮，以将锁定条伸出或缩回，以对蓄电池进行锁紧固定或解锁。
97.在本实施例中，机械臂末端执行器用于与中心齿轮对接，以转动中心齿轮。
98.根据本发明的一个实施例，复位杆一端可以与锁定连杆一端固定连接，另一端与蓄电池仓沿复位杆轴向方向可滑动连接。
99.在本实施例中，当锁定连杆6一端受朝向蓄电池仓3内壁的作用力时(例如，锁定条对其施加作用力)，锁定连杆带动复位杆沿复位杆轴向朝向蓄电池仓壁方向运动。复位弹簧一端抵住锁定连杆，另一端抵住蓄电池仓壁，并被挤压。对应地，锁定连杆6另一端起翘。
100.根据本发明的一个实施例，复位杆由两段可以相对滑动的连杆构成。当锁定连杆6一端受朝向蓄电池仓3内壁的作用力时(例如，锁定条对其施加作用力)，两端连杆沿其轴向方向相对滑动收缩，复位弹簧被挤压。对应地，锁定连杆另一端起翘。锁定连杆6靠近复位杆一端不受外力时，锁定连杆在复位弹簧10的作用力下复位，锁定杆8从锁定孔11中脱出，对蓄电池4进行解锁。
101.根据本发明的一个实施例，除多个蓄电池仓、供电对接机械臂、蓄电池抽插机械臂和锁定机构外，太空换电飞行器还包括控制系统，用于控制锁定机构对蓄电池进行锁紧固定或解锁。
102.进一步地，控制系统控制可伸缩插销伸出或缩回，以对蓄电池进行固定或解锁。
103.在本实施例中，控制系统可以作为备份。即可以通过控制系统控制锁定机构对蓄电池进行锁紧或解锁，也可以通过蓄电池抽插机械臂转动中心齿轮实现蓄电池的锁紧或解锁。
104.根据本发明的一个实施例，蓄电池仓3设置充电接插件，用于为蓄电池4充电。
105.在本实施例中，充电接插件可以设置于蓄电池仓底部。蓄电池仓还可以设置监控接插件，以对(在轨)蓄电池的状态(如电量、供电是否正常、充电是否正常等)进行监控。监控接插件可以设置于蓄电池仓底部。
106.根据本发明的一个实施例，充电接插件还可用于对蓄电池的状态进行监控。
107.在本实施例中，充电接插件还可以对蓄电池状态进行监控，如蓄电池的电量、是否能够正常充电、是否能够正常供电等。
108.本发明不对锁定条、锁定孔、锁定槽的数量做具体限制。例如，可以只在第一长齿轮锁定条15和第二长齿轮锁定条16对应侧设置锁定条、锁定孔和锁定槽。
109.另一方面，本发明提供一种蓄电池，设置可转动的中心齿轮，中心齿轮设置与其啮合的锁定条。中心齿轮转动，锁定条从蓄电池壳体的表面伸出，与上述锁定机构配合，对蓄电池进行锁定，以为需要更换蓄电池的卫星更换蓄电池供电。
110.在本实施例中，中心齿轮转动，锁定条从蓄电池壳体的表面伸出，抵住锁定连杆靠近复位杆的一侧，并对其施加朝向蓄电池仓内壁的作用力，锁定连杆一端压缩复位弹簧，并沿复位杆轴向方向滑动，对应地锁定连杆另一端起翘，带动锁定杆向蓄电池方向移动，并卡入蓄电池对应设置的锁定孔中，对蓄电池进行锁定。
111.可以理解，本发明提供的蓄电池可以与上述太空换电飞行器的蓄电池形状、结构以及与蓄电池仓的连接方式等相同。
112.另一方面，如图12所示，本发明提供一种卫星，包括可拆卸蓄电池23。
113.根据本发明的一个实施例，包括上述蓄电池，用于为卫星供电。
114.如图12所示，根据本发明的一个实施例，包括对接连接孔21和上述蓄电池23，蓄电池23匹配上述太空换电飞行器的蓄电池仓。蓄电池设置于卫星的蓄电池仓中，以给卫星供电。对接连接孔21用于与上述供电对接机械臂1连接，以给卫星供电。
115.在本实施例中，对接连接孔的机械接口可以用于卫星与太空换电飞行器之间的机械连接。对接连接孔可以设置供电接口，供电对接机械臂与对接孔连接对接，使太空换电飞行器为需要更换蓄电池的卫星提供星外供电。该供电接口可以为同轴电缆接插件，中心导线为正极，外圈导线为负极，使得供电简单、可靠。
116.如图12所示，根据本发明的一个实施例，除蓄电池23和对接连接孔21外，卫星还包括蓄电池仓22，用于放置蓄电池，以为卫星供电。
117.可以理解，本发明提供的蓄电池仓可以与上述太空换电飞行器的蓄电池仓形状、结构以及与蓄电池的连接方式等相同。
118.根据本发明的一个实施例，卫星的蓄电池仓包括上述锁定机构，以对卫星的蓄电池23进行锁定。
119.在本实施例中，对接连接孔还可以设置控制接口，用于控制蓄电池仓的锁定机构对蓄电池进行锁紧固定或解锁。例如，控制接口可以控制可伸缩插销或锁定杆进行伸缩。控制接口可以设置一个串口通信接口，可以用于传递故障信息，并处理复杂的故障预案。该控制接口可以作为备份。即可以通过控制接口控制锁定机构对蓄电池进行锁紧或解锁，也可以通过蓄电池抽插机械臂转动中心齿轮实现蓄电池的锁紧或解锁。正常情况下，可以不使用控制接口更换蓄电池。
120.根据本发明的一个实施例，卫星的蓄电池仓包括多个上述锁定结构。
121.在本实施例中，对蓄电池(太空换电飞行器的蓄电池和卫星的蓄电池)结构(如外型尺寸、部件组成等)、蓄电池安装固定方式、蓄电池仓结构、对接连接孔21进行统一设计(例如，统一接口设计)，对蓄电池电接口的接插件也进行统一化设计，能够提高蓄电池的运输、装卸及更换的高效性和可靠性，使对需要更换蓄电池卫星的换电过程更加安全、可靠、便捷。
122.如图14和15所示，另一方面，本发明提供一种为卫星更换蓄电池的方法，利用上述太空换电飞行器给上述卫星更换蓄电池。
123.具体地，提供更换蓄电池服务的太空换电飞行器(以下简称飞行器a)为需要更换蓄电池的卫星(简称飞行器b)更换蓄电池的过程如下：
124.s01：将飞行器b的轨道参数遥控上注给飞行器a，飞行器a变轨(如通过电推进器驱动变轨)到飞行器b的轨道上，与飞行器b交会。
125.s02：飞行器a通过供电对接机械臂，与飞行器b的对接连接孔对接。
126.s03：飞行器b查询外接供电状态是否为正常连接受电，若为正常连接受电，则切断飞行器b的蓄电池供电，改由飞行器a的供电对接机械臂供电。
127.s04：蓄电池抽插机械臂连接卫星的原蓄电池的中心齿轮孔，与中心齿轮对接，顺时针转动中心齿轮，使卫星的原蓄电池与飞行器b解锁，并将卫星的原蓄电池从飞行器b的蓄电池仓中抓取出来。
128.在该步骤中，由于飞行器a和飞行器b已完成硬链接，飞行器b的对接连接孔位置对
于飞行器a是已知的。根据统一设计规范，飞行器b蓄电池仓中蓄电池相对于对接连接孔的位置是已知的。因此，通过坐标转换，飞行器a可以计算出飞行器b蓄电池仓中蓄电池的相对位置。本发明的太空换电飞行器的蓄电池抽插机械臂不需要摄像头等辅助感知系统，就可以可靠、便捷地连接飞行器b的原蓄电池的中心齿轮。
129.s05：飞行器a将抓取出来的飞行器b的原蓄电池装入飞行器a空置的蓄电池仓中，逆时针转动中心齿轮，将蓄电池锁定。
130.s06：飞行器a的蓄电池抽插机械臂从其原非空置的蓄电池仓中抓取一个备用蓄电池，并将该备用蓄电池插入飞行器b已空置的蓄电池仓中，逆时针转动中心齿轮，将该备用蓄电池与飞行器b的蓄电池仓锁紧固定。
131.s07：飞行器b查询其蓄电池仓为已插入蓄电池的状态，其供电切换为蓄电池供电。
132.s08：飞行器a供电对接机械臂解除与飞行器b的连接，并通过电推进器缓慢离开飞行器b的轨道。
133.本发明的上述实施例可以彼此组合，且具有相应的技术效果。
134.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种太空换电飞行器，其特征在于，包括：多个蓄电池仓、供电对接机械臂和蓄电池抽插机械臂；多个所述蓄电池仓用于放置蓄电池，且其中至少一个空置；所述供电对接机械臂和所述蓄电池抽插机械臂设置于同一侧；所述供电对接机械臂用于对接卫星，并为其临时供电；所述蓄电池抽插机械臂用于连接卫星的蓄电池，将其取出放入空置的所述蓄电池仓，并取出备用的蓄电池放入卫星的蓄电池仓。2.根据权利要求1所述的太空换电飞行器，其特征在于，所述蓄电池仓包括锁定机构，用于对其中的所述蓄电池进行锁紧固定。3.根据权利要求2所述的太空换电飞行器，其特征在于，所述锁定机构包括可伸缩插销，所述蓄电池放入所述蓄电池仓后，所述可伸缩插销伸出将所述蓄电池固定。4.根据权利要求2所述的太空换电飞行器，其特征在于，所述锁定机构包括与所述蓄电池仓内壁固定连接的中心轴和锁定连杆；所述中心轴与所述锁定连杆构成跷跷板结构；所述蓄电池仓内壁设置复位杆，所述复位杆连接所述锁定连杆一端，所述锁定连杆一端沿所述复位杆轴向方向可滑动；所述锁定连杆另一端设置朝向所述蓄电池仓内腔方向的锁定杆，所述锁定杆套设锁定弹簧；所述复位杆套设复位弹簧；所述锁定连杆一端受朝向所述蓄电池仓内壁的作用力时，所述锁定连杆一端压缩所述复位弹簧，并沿所述复位杆轴向方向滑动，对应地所述锁定连杆另一端起翘，带动所述锁定杆向所述蓄电池方向移动，并卡入所述蓄电池的锁定孔中，对所述蓄电池进行锁定，所述锁定弹簧抵住所述蓄电池外壁；所述锁定连杆一端不受外力时，所述锁定连杆另一端在所述复位弹簧的作用力下复位，所述锁定杆从所述锁定孔中脱出，对所述蓄电池进行解锁。5.根据权利要求4所述的太空换电飞行器，其特征在于，所述锁定连杆一端设置安装孔，所述复位杆贯穿所述安装孔，并用防松螺母紧固，防止所述复位杆从所述安装孔中脱出。6.根据权利要求4所述的太空换电飞行器，其特征在于，所述蓄电池设置可转动的中心齿轮，所述中心齿轮设置与其啮合的锁定条；所述中心齿轮转动，所述锁定条从所述蓄电池壳体的表面伸出，抵住所述锁定连杆靠近所述复位杆的一侧，并对其施加朝向所述蓄电池仓内壁的作用力。7.根据权利要求6所述的太空换电飞行器，其特征在于，所述蓄电池仓的周向四个侧面分别设置所述锁定机构；所述中心齿轮为双层齿轮，分别设置两个反向移动的所述锁定条；转动所述中心齿轮，四个所述锁定条同步地从所述蓄电池壳体周向四个侧面伸出，并抵住对应的锁定连杆的一侧。8.根据权利要求7所述太空换电飞行器，其特征在于，所述蓄电池抽插机械臂的机械臂末端执行器截面为十字型结构，所述中心齿轮的中心齿轮孔为与其相应的形状；所述机械臂末端执行器插入所述中心齿轮孔，转动中心齿轮，以将所述锁定条伸出或缩回。9.一种卫星，其特征在于，包括对接连接孔和蓄电池，所述蓄电池匹配如权利要求1-8任一项所述的蓄电池仓，所述蓄电池设置于卫星的蓄电池仓中，以给卫星供电；所述对接连
接孔用于与如权利要求1-8任一项所述供电对接机械臂连接，以给卫星供电。10.一种为卫星更换蓄电池的方法，其特征在于，利用如权利要求6-8任一项所述的太空换电飞行器给如权利要求9所述的卫星更换蓄电池，包括：将卫星的轨道参数遥控上注给太空换电飞行器，太空换电飞行器变轨到卫星的轨道上，与卫星交会；太空换电飞行器通过所述供电对接机械臂与卫星的所述对接连接孔对接；卫星查询外接供电状态是否为正常连接受电，若为正常连接受电，则切断卫星的蓄电池供电，改由所述供电对接机械臂供电；所述蓄电池抽插机械臂连接卫星的原蓄电池的所述中心齿轮孔，与所述中心齿轮孔对接，顺时针转动所述中心齿轮，使卫星的原蓄电池与卫星解锁，并将卫星的原蓄电池从所述卫星的蓄电池仓中抓取出来；太空换电飞行器将抓取出来的卫星的原蓄电池装入太空换电飞行器空置的所述蓄电池中，逆时针转动所述中心齿轮，将蓄电池锁定；所述蓄电池抽插机械臂从太空换电飞行器原非空置的所述蓄电池中抓取一个备用蓄电池，并将备用蓄电池插入卫星已空置的蓄电池仓重，逆时针转动所述中心齿轮，将备用蓄电池与卫星的蓄电池仓锁紧固定；卫星查询器蓄电池仓为已插入蓄电池的状态，切换为蓄电池供电；所述供电对接机械臂解除与卫星的连接，并离开卫星的轨道。

技术总结
本发明提供一种太空换电飞行器、卫星及为卫星更换蓄电池的方法，其中，太空换电飞行器包括：多个蓄电池仓、供电对接机械臂和蓄电池抽插机械臂；多个所述蓄电池仓用于放置蓄电池，且其中至少一个空置；所述供电对接机械臂和所述蓄电池抽插机械臂设置于同一侧；所述供电对接机械臂用于对接卫星，并为其临时供电；所述蓄电池抽插机械臂用于连接卫星的蓄电池，将其取出放入空置的所述蓄电池仓，并取出备用的蓄电池放入卫星的蓄电池仓。该太空换电飞行器能够实现对卫星蓄电池的在轨更换，提高卫星的使用寿命。的使用寿命。的使用寿命。


技术研发人员：万军 李巍 赵明生
受保护的技术使用者：上海蓝箭鸿擎科技有限公司
技术研发日：2023.02.16
技术公布日：2023/5/23