CN107889482B - 可堆叠卫星和其堆叠方法 - Google Patents

Abstract

一种可堆叠卫星包括卫星框架和附接到所述框架的至少一个垂直支柱。所述垂直支柱具有上端和下端。所述上端耦接到上方的卫星的垂直支柱的下端，并且所述下端耦接到下方的卫星的垂直支柱的上端。所述垂直支柱基本上接收可堆叠式卫星以及堆叠在上方的任何其它卫星的所有垂直载荷。这种垂直支柱的使用消除了对分配器的需求或者大大减轻了分配器的质量，以允许有效载荷中承载多得多的卫星。

Description

可堆叠卫星和其堆叠方法

技术领域

本发明涉及卫星，并且特定地，涉及用于最大化运载火箭中的有效载荷的卫星结构设计。

技术背景

卫星支持***通常通过指定的接口平面和螺栓式样将卫星连接到运载火箭。单个卫星可以直接附接到这样的接口。为发射多颗卫星诸如一组中地球轨道(MEO)或低地球轨道(LEO)卫星，支持***通常使用具有从接口平面悬下的主气缸的分配器。然后，可以将单个卫星围绕主气缸的周边径向地附接。

这种卫星支持***的一个缺点在于分配器占据大量的体积和质量来满足发射的结构要求。通常，总有效载荷质量的10-20％进入分配器以及相关联的机械和电子接口，但在发射和分离后不提供任何益处。

为解决重量问题，尝试了在没有中央分配器的情况下垂直地堆叠多个具有相同尺寸的卫星。该方法的一个主要问题是因为底部卫星承载了其上方所有卫星的重量。由于所有卫星都是相同的，所以每个卫星都必须设计成支撑堆叠在上方的最大数量的卫星。例如，如果堆叠十颗卫星，则每个卫星将必须设计成承载九个卫星的垂直载荷，而不论该卫星在堆叠内所处的位置。不用说，所形成的卫星堆叠比其所需要的重量重得多。

因此，将希望提供一种卫星发射支持***，其减少或甚至消除分配器质量，而不损及发射期间所需的结构刚度和强度。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种包括框架和附接到框架的至少一个垂直支柱的可堆叠卫星。垂直支柱具有上端和下端。上端耦接到位于上方的卫星上的垂直支柱的下端，并且下端耦接到位于下方的卫星上的垂直支柱的上端。垂直支柱基本上接收所附接的可堆叠卫星和任何上方的可堆叠卫星的所有垂直载荷。这种垂直支柱的使用消除对分配器的需求，或大大减轻分配器的质量，以允许在有效载荷中承载多得多的卫星。

根据本发明的另一方面，提供了一种制备包含多个可堆叠卫星的有效载荷的方法。所述方法包括将可堆叠卫星垂直地定位在基底上。每个可堆叠卫星具有框架和附接到框架的至少一个垂直支柱。将卫星堆叠成使得垂直支柱的下端耦接到位于下方的卫星上的垂直支柱的上端，并且上端耦接到上方的卫星的垂直支柱的下端。当以这种方式堆叠时，卫星的垂直支柱基本上承载其所附接的卫星以及堆叠在上方的任何卫星的所有垂直载荷。所述方法还包括通过对可堆叠卫星的垂直支柱施加向下的压力，来将堆叠的卫星紧固到运载火箭的基底。

附图说明

图1描绘了根据本发明的一个方面的可堆叠卫星的透视图。

图2描绘了将垂直支柱附接到图1的可堆叠卫星的框架的接头的透视图。

图3A和3B是根据本发明的两个不同实施例的图1的可堆叠卫星的垂直支柱的上端和下端的横截面图。

图4是使用根据本发明的一个方面的图1的可堆叠卫星的多个堆叠的卫星的横截面侧视图。

图5描绘了使用根据本发明的另一方面的图1的可堆叠卫星的多个堆叠的卫星的透视图。

具体实施方式

简而言之，本文所描述的公开是一种新颖的卫星设计以及一种多个卫星堆叠在运载火箭中而不使用普通重型分配器的方法。卫星通过基本上承载所有运载火箭载荷的垂直支柱而彼此堆叠在正上方。垂直支柱设计成承载上方的卫星的主要静态和动态载荷。支柱几何结构专门为这些载荷设计，以绕开卫星结构的其它部分，并将这些载荷直接从支柱传递到支柱，直至底部的支柱将载荷载入运载火箭。这样，只有垂直支柱被设计成有非常高的强度和刚度，而不要求卫星框架的其余部分诸如框架有相同的性能标准。另外，通过压缩卫星堆叠而在压缩中预加载这些载荷路径，从而可以通过此预加载使这些载荷路径变得更有效。预加载抵抗相反方向上的拉伸载荷，使得载荷不可逆并减少或消除非线性间隙响应。

使用这种垂直支柱消除对分配器的需求或基本上减轻分配器的质量。一旦有效载荷到达轨道，则堆叠中的每个卫星将分别与运载火箭分离。

图1描绘了根据本发明的一个方面的可堆叠卫星的透视图。可堆叠卫星50包括框架52、具有下端56和上端58的垂直支柱54以及支撑各种卫星部件(诸如天线90、燃料箱92、推进***、太阳能面板等)的多个面板60。垂直支柱54和面板60通常用螺栓附接到卫星框架52。如图所示，四个垂直支柱54位于框架52的每个拐角上，并且卫星框架52的高度整体是统一的，这提高了堆叠的效率。

虽然可堆叠卫星50示出为具有四个垂直支柱54，但本文公开的原理可以应用于具有一个或多个支柱的任何卫星，尽管三个或更多个支柱是优选的。

图2描绘了将垂直支柱54附接到图1的可堆叠卫星50的框架52的接头66的透视图。诸如剪切带的接头66将垂直支柱54连接到卫星框架52的上框架部分52a和下框架部分52b。剪切带66卷绕垂直支柱54，以将卫星50的垂直载荷均匀地分散到四个支柱上。

剪切带66可以通过诸如铆钉82或螺栓的永久机械紧固件紧固到框架52a、52b。如图所示，四个上紧固件82将垂直支柱54紧固到上框架部分52a，并且四个下紧固件将垂直支柱54紧固到下框架部分52b。如图所示，四个铆钉82用作上紧固件，并且另外四个铆钉82用作下紧固件。支柱54与剪切带66连接的部分可以具有稍微周向的凹部来接收剪切带，以防止卫星50在支柱54上的任何垂直滑动。

垂直支柱永久地附接到相应的卫星50并且设计成即使当卫星分离进入其独有轨道时也是永久的部分。

垂直支柱54需要支撑附接在其上的卫星50以及位于其上方的任何其它卫星的重量。因此，垂直支柱需要由非常高强度的材料制成。例如，可以使用合金或复合材料，诸如奥氏体镍铬基超级合金(例如，可从纽约的新哈福德的Special Metals Corporation购得的铬镍铁合金)。

虽然垂直支柱54基本上接收卫星50的所有的垂直载荷，但是卫星框架52和剪切带66仅需要支撑卫星自身的质量。因此，它们可以由相对便宜的材料制成，诸如铝、钢、合成纤维、玻璃纤维、碳纤维等。优选地，框架52包括碳纤维材料，碳纤维材料与诸如铝的金属相比相对较强、较刚硬且重量较轻。

尽管垂直支柱54由于其支撑多个卫星重量的结构完整性要求而相对昂贵，但支柱只占有效载荷非常小的一部分。相比之下，卫星框架52的成本相对便宜并且轻便，因为它们不需要支撑卫星自身框架上方的任何卫星50的重量。因此，可以实现相对于常规方法的大量的成本和重量的节省。

图3A是一个卫星50的垂直支柱54的上端56的横截面视图，所述上端支撑直接在其上方的卫星的垂直支柱的下端56。如图所示，上端58具有锥形凹部，用于容纳并支撑稍微凸起的弯曲形状(突出部分)，例如下端56的球形突起。上端58的锥形凹部为位于其上方的卫星50提供垂直支撑以及横向支撑。

图3B是垂直支柱54的上端和下端56、58的替代实施例。上端58具有截头圆锥形状(突出部分)，其支撑下端56的互补截头圆锥形凹部并与其匹配，以提供比图3A中的横向支撑更多的横向支撑。

图4是使用图1的可堆叠卫星的多个堆叠的卫星的横截面侧视图。在所示的实施例中，所有卫星50彼此相同以及所有垂直支柱54彼此相同。如图4所示，卫星50堆叠在彼此之上，使得垂直堆叠的卫星之间的唯一接触是通过垂直支柱54。具体地，每个可堆叠卫星50的垂直支柱48的上端58耦合到直接位于其上方的卫星的垂直支柱的相应的下端56。由于卫星50之间的唯一的垂直接触是通过垂直支柱，所以支柱基本上接收附接在其上的卫星以及位于其上方的所有可堆叠卫星的所有垂直载荷。换句话说，卫星框架52基本上不接收位于其上方的任何堆叠卫星的任何垂直载荷。

如图所示，卫星紧固件61包括上盖62、下盖64、张紧轴件68、张紧轴件支架72以及上轴件螺栓76。张紧轴件68沿着运载火箭的中心轴定位，以垂直地压缩卫星堆叠50。张紧轴件68具有附接到下盖64的下端和附接到上盖62的上端。

附接到下盖64的多个张紧轴件支架72横向地支撑张紧轴件68。下盖64可以直接安装在运载火箭的上台面上或者通过有效载荷适配器配件(PAF)65间接安装在其上。如果是这样的话，张紧电缆70保证一端附接到下盖64以及另一端附接到PAF65，而将下盖固定到运载火箭。

上盖62具有中心开口，螺栓76螺合穿过所述中心开口。螺栓76将盖62附接到张紧轴件68。类似地，下盖64具有中心开口，螺栓(未示出)通过所述中心开口将盖附接到张紧轴件68。上盖和下盖62、64具有多个撑杆78。

与需要支撑安装在其上的所有卫星的重量的常规分配器不同，张紧轴件68不需要支撑这种重量。因此，张紧轴件68可以制成比以前必要的轻很多和薄很多。

用于上盖62的撑杆78的远端成形为与最上方卫星50的支柱54的相应上端58匹配，以通过相应的外支柱和内支柱施加向下的压力，来减少或消除发射期间卫星横向移动的可能性。换句话说，用于上盖62的撑杆78的远端与垂直支柱54的下端56相同。

类似地，用于下盖64的撑杆78的远端成形为与最下方卫星50的支柱54的相应下端56匹配。具体地，用于下盖64的撑杆78的远端与垂直支柱54的上端58相同。上盖62和螺栓76设计成通过已知方法在轨道中分离，以允许卫星50与运载火箭分离。

图5是使用根据本发明的另一方面的图1的可堆叠卫星的多个堆叠的卫星的透视图。为清楚起见，卫星紧固件61的一些部件未在此图中示出。如图所示，八个可堆叠卫星50围绕中心垂直轴水平布置，并且对于每列卫星，九个卫星垂直堆叠，可以在单个有效载荷中总共发射72个卫星。

本文已经描述了卫星设计中垂直支柱的新颖使用。垂直支柱设计成绕开上方卫星的主要静态和动态载荷。以这种方式，只有垂直支柱设计成有非常高的强度和刚度，而不要求与卫星结构的其余部分有相同的性能标准。使用这样的垂直支柱消除对分配器的需求，或者大大减轻分配器的质量，以例如允许如图5所示在有效载荷中承载多得多的卫星。

应当理解，本公开描述了一些实施例，并且本领域技术人员在阅读本公开后可以容易地设计出本发明的许多变型。例如，虽然本文公开的发明构思尤其适用于LEO和MEO卫星，但是它们也可以应用于其它卫星。因此，本发明的范围由所附的权利要求确定。

Claims (19)

1.一种可堆叠卫星***，作为在发射期间可在运载火箭中垂直堆叠的多层堆叠卫星的有效载荷的一部分，可由火箭发射，包括：

多个可堆叠卫星，每个可堆叠卫星具有：

用于支撑多个可堆叠卫星部件的框架；

附接到所述框架的至少三个垂直支柱，每个垂直支柱具有上端和下端，所述上端适于耦接到上方的可堆叠卫星的相应垂直支柱的所述下端并支撑所述下端，并且所述下端适于耦接到下方的可堆叠卫星的相应垂直支柱的所述上端并由所述上端支撑，

其中在发射期间，所述垂直支柱基本上接收所述每个可堆叠卫星以及堆叠在所述每个可堆叠卫星上方的任何其他可堆叠卫星的所有垂直载荷；

下盖；

上盖；和

垂直张紧轴件，其沿着运载火箭的中心轴定位，并沿堆叠的多个可堆叠卫星在所述下盖和所述上盖之间延伸，

由此，所述堆叠的多个可堆叠卫星被压缩。

2.根据权利要求1所述的可堆叠卫星***，其中至少一个垂直支柱包括至少三个彼此间隔开的垂直支柱，并且所述至少三个彼此间隔开的垂直支柱基本上接收所述每个可堆叠卫星以及堆叠在所述每个可堆叠卫星上方的任何其他可堆叠卫星的所有垂直载荷。

3.根据权利要求1所述的可堆叠卫星***，其中：

所述框架包括至少四个拐角；

包括至少四个垂直支柱，所述至少四个垂直支柱分别定位在所述四个拐角中的相应拐角上；并且

所述至少四个垂直支柱基本上接收所述可堆叠卫星以及堆叠在所述每个可堆叠卫星上方的任何其他可堆叠卫星的所有垂直载荷。

4.根据权利要求1所述的可堆叠卫星***，还包括将所述垂直支柱附接到所述框架的至少一条剪切带。

5.根据权利要求4所述的可堆叠卫星***，其中：

所述框架包括上部分和下部分；并且

所述剪切带包括将所述垂直支柱紧固到所述框架的所述上部分的上紧固件以及将所述垂直支柱紧固到所述框架的所述下部分的下紧固件。

6.根据权利要求1所述的可堆叠卫星***，其中所述可堆叠卫星的所述垂直支柱耦合到所述上方的可堆叠卫星和所述下方的可堆叠卫星的所述垂直支柱，使得垂直相邻的卫星之间的唯一接触是通过所述垂直支柱。

7.根据权利要求1所述的可堆叠卫星***，其中所述垂直支柱的两端中的一端具有突出的部分以及所述垂直支柱的另一端具有成形为接收所述一端的所述突出部分的凹部。

8.根据权利要求1所述的可堆叠卫星***，其中垂直相邻的可堆叠卫星之间的唯一接触是通过所述垂直支柱。

9.根据权利要求1所述的可堆叠卫星***，还包括适于将所述可堆叠卫星紧固到运载火箭的卫星紧固件。

10.根据权利要求9所述的可堆叠卫星***，其中所述上盖定位在所述可堆叠卫星中的最上方的可堆叠卫星的上方，并且向所述最上方的可堆叠卫星的所述垂直支柱的所述上端施加向下的压力。

11.根据权利要求10所述的可堆叠卫星***，其中，所述垂直张紧轴件具有附接到所述运载火箭的下端和附接到所述上盖的上端。

12.根据权利要求10所述的可堆叠卫星***，其中有V个垂直级别的可堆叠在彼此之上的所述可堆叠卫星和H个水平布置的可堆叠卫星以在有效载荷中提供V×H个可堆叠卫星，其中H至少为2。

13.根据权利要求12所述的可堆叠卫星***，其中所述上盖包括多个撑杆，每个撑杆具有远端，所述远端适于耦接到所述最上方卫星的所述垂直支柱的相应上端，以向所述上端施加向下的压力。

14.一种制备可由运载火箭发射并在发射期间可在运载火箭中垂直堆叠的多层堆叠卫星的有效载荷的方法，包括：

垂直地堆叠多个可堆叠卫星，每个可堆叠卫星具有：

框架；

至少一个垂直支柱，其附接到所述框架并具有上端和下端；并且

其中所述每个可堆叠卫星的所述垂直支柱的所述下端耦接到所述每个可堆叠卫星下方的可堆叠卫星的所述垂直支柱的上端，并且所述每个可堆叠卫星的所述垂直支柱的所述上端耦接到所述每个可堆叠卫星上方的可堆叠卫星的所述垂直支柱的所述下端，所述每个可堆叠卫星的所述垂直支柱基本上接收所述每个可堆叠卫星以及堆叠在所述每个可堆叠卫星上方的任何其它可堆叠卫星的所有垂直载荷；以及

将堆叠的可堆叠卫星紧固到运载火箭，以通过所述堆叠的可堆叠卫星的所述垂直支柱施加向下的压力，其中通过提供下盖和上盖来施加压力，以及

垂直张紧轴件，其沿着运载火箭的中心轴定位，并沿堆叠的多个可堆叠卫星在所述下盖和所述上盖之间延伸。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述堆叠包括堆叠所述可堆叠卫星，使得垂直相邻的可堆叠卫星之间的唯一接触是通过所述垂直支柱。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述紧固包括：

将所述上盖放置在所述可堆叠卫星的顶部可堆叠卫星上方；以及

向所述顶部可堆叠卫星的所述垂直支柱的所述上端施加向下的压力。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述紧固还包括将所述垂直张紧轴件的下端附接到所述运载火箭以及将上端附接到所述上盖。

18.根据权利要求16所述的方法，其中有V个垂直级别的堆叠在彼此之上的所述可堆叠卫星，所述方法还包括：

每一垂直级别水平地定位H个可堆叠卫星，以在所述有效载荷中提供V×H个可堆叠卫星，其中H至少为2。

19.根据权利要求18所述的方法，其中每个可堆叠卫星具有至少三个垂直支柱，所述方法还包括将所述上盖放置在顶部水平地布置的可堆叠卫星上方，所述上盖具有多个撑杆，每个撑杆具有远端，所述远端适于耦接到所述顶部水平地布置的可堆叠卫星的所述垂直支柱的相应上端，以对所述上端施加向下的压力。

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