CN102658873B - 一种用于捕获太空垃圾的绳网系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于捕获太空垃圾的绳网系统，所述绳网系统包括一端为发射口的外框架、固定于外框架内部的回收装置和抛射装置，与回收装置和抛射装置连接的绳网装置；所述绳网装置包括绳网和分布于绳网边缘的永磁体。本发明利用永磁体之间的互相吸引力解决绳网捕获太空垃圾的收口问题，使捕获太空垃圾成为可能，即，利用安装在绳网网口边缘的永磁体及其间的相互作用，连同绳网一起实现了对太空垃圾的捕获和回收功能。
Description
技术领域
本发明属于空间技术和电磁科学的交叉领域，具体涉及一种用于捕获太空垃圾的绳网系统。
背景技术
近年来太空事故的不断增多，太空垃圾（失效的或无用的人造太空碎片被称为太空垃圾）充斥着地球周围的轨道。欧洲航天局发布的电脑合成照片中显示约有12,000块直径超过10cm的太空碎片围绕地球飞行。这些高速运动的太空垃圾对人造飞行器的正常运动造成了严重的威胁，因此对太空垃圾的处理已经成为世界范围内的一个亟待解决的问题。
目前而言，科学家们设想了三种比较有创意方案处理太空垃圾：一是使用激光发射器（太空垃圾——待解的难题，《太空探索》，2009.02，pp48-51），将太空垃圾摧毁或者将其推送至更近地球的轨道，使之在地球引力作用下加速下落。但是这样作需要很高的能量，成本高且难度较大；二是发射太空垃圾收集车，用机械臂抓住碎片（韩希贤，捕捉太空垃圾，《科学24小时》，2002.06，pp13）或者用电磁铁吸引并捕获碎片（黄晓蕾，日本研制出用于清除太空垃圾的机器人，华东科技，2009.04，pp76）。前者的操作难度较大，后者对于非磁性太空碎片一无所用；三是在卫星废弃之后，发射出用金属细丝连接的重物悬挂于卫星之下，利用金属线切割地球磁场，将废弃卫星的动能转化为热能耗散。这种作法耗时较长，废弃卫星反而成为更大的垃圾，且对于已存在的空间碎片毫无用处。
另一种特别的想法是制造一张“太空网”，所谓太空网是一种以人造飞行器为平台的绳网装置。这种太空网由某种动力抛射飞向太空垃圾，接近目标时依靠概率性的缠绕和包裹来捕获目标。然而太空网设想遇到一大瓶颈问题，就是如何使绳网缠绕、包裹，并将太空垃圾捕获回收到飞行器，仅仅依靠概率性的尝试是没有意义的，故此太空的想法至今未曾实现。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，解决绳网收口问题，提供了一种用于捕获太空垃圾的绳网系统。
为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：所述用于捕获太空垃圾的绳网系统包括一端为发射口2的外框架1、固定于外框架1内部的回收装置和抛射装置，与回收装置和抛射装置连接的绳网装置；所述绳网装置包括绳网4和分布于绳网4边缘的永磁体5。
进一步，所述永磁体5的轴向有打通的细孔，纵向有打通至轴向细孔的细孔，永磁体5通过穿过轴向和纵向细孔的网线按照N极对S极的方式顺次固定于绳网4的边缘；永磁体5为梯形体结构，其半衰期＞10年；
再进一步，所述回收装置包括齿轮中轴9，与齿轮中轴9连接的齿轮机构10，能带动齿轮机构10的齿轮转动的动力设备11；所述抛射装置固定于外框架1的发射口2处，其包括沿发射口2分布的抛射装置凹槽7和固定于抛射装置上且与抛射装置凹槽7对应的机械撞针8，所述绳网装置的永磁体5嵌入抛射装置凹槽7中；所述绳网装置还包括安装于齿轮中轴9上且两端设有齿轮的线轴6，所述绳网4通过固定且缠绕在线轴6上的绳线与线轴6连接，所述线轴6两端的齿轮与齿轮机构10的齿轮相互扣合。其中，线轴6两端的齿轮为凹齿轮，齿轮机构10的齿轮为凸齿轮。
下面结合附图及本发明的设计原理对本发明作进一步的说明：
参见图1至图 7，在本发明的一种实施例中，所述用于捕获太空垃圾的绳网系统包括一端为发射口2的外框架1、固定于外框架1内部的回收装置和抛射装置，与回收装置和抛射装置连接的绳网装置。
所述绳网装置包括绳网4、线轴6和分布于绳网4边缘的若干个永磁体5，永磁体的个数一般为偶数个；其中，绳网4类似于普通的渔网，可采用尼龙绳（线）或者聚乙烯绳（线）编织，要求绳网4具有轻、细的特性且具有一定的韧性，绳网4固定并缠绕在线轴6上，线轴6安装于回收装置的齿轮中轴9上且两端设有凹齿轮，凹齿轮与回收装置齿轮机构10的凸齿轮对接并扣合，以便在回收绳网4时对线轴提供回收绳网4的转动力矩；永磁体5的轴向有打通的细孔，纵向有打通至轴向细孔的细孔，要求细孔大小以恰好穿过绳（线）为宜，永磁体5通过穿过轴向和纵向细孔的网线按照N极对S极的方式顺次固定于绳网4的边缘，绳网网口16的边缘线穿过由N极到S极的轴向细孔，绳网经线14连接绳网网口16的边缘线再由纵向的细孔穿出，即一块永磁体的N(S)极对应另一块永磁体的S(N)极；永磁体5符合一般工艺要求，其半衰期＞10年，其规格和尺寸根据磁体数量以及理想闭锁状态共同确定。本发明的一种实施方式中，永磁体5的个数为12，形状为梯形体，上棱长5.4cm，下棱长3.2cm，高4cm，厚4cm；其中，连接绳网顶点15且缠绕在线轴6上的绳线长度为500m；绳网4打开后，两块永磁体5之间的距离约为0.45m，绳网网口16边缘半径为1m，绳网顶点15到边缘的绳网经线14长度为3.14m，该设计尺寸可以使绳网4包裹住直径不大于1m的球体。
所述抛射装置通过钢架甲13固定于外框架1的发射口2处，其包括沿发射口2分布的抛射装置凹槽7和通过钢架乙12固定于抛射装置且与抛射装置凹槽7对应的机械撞针8；机械撞针8可以通过现有技术实现。抛射装置的功能，具体而言就是将绳网装置按照一定的布局安装在抛射装置凹槽7内，即，将永磁体5嵌入抛射装置凹槽7中，机械撞针8对准每一块永磁体5，以确保击发时能够同时为永磁体提供瞬时力和冲量。在抛射绳网4时，通过机械撞针8同时给所有永磁体5施加一定的冲击力，永磁体5带动整个绳网4使之抛射出去，冲击力的大小根据理论计算确定。
所述回收装置包括齿轮中轴9，与齿轮中轴9连接的齿轮机构10，能带动齿轮机构10的齿轮转动的动力设备11，齿轮机构10的齿轮为凸齿轮；其主要功能是在回收过程中通过凸齿轮提供反方向的力矩，作用于线轴6的凹齿轮，使绳网4收回至外框架1后部的回收舱3中。
在未抛射状态下，绳网4通过将永磁体5嵌入发射装置凹槽7中与抛射装置连接；抛射过程中，回收装置齿轮机构10的凸齿轮处于自由状态不提供力矩，回收过程中，该凸齿轮提供回收的力矩，回收的时刻根据绳网4的收口时间确定。
本发明的工作过程如下：
参见图8和图9，这两幅图是本发明一种实施例的“抛射-网口收口-捕获”过程示意图。如图8所示，绳网装置中的永磁体同时受到机械撞针的瞬时冲击力 ，带动绳网飞离系统的发射口，而后在永磁体间磁力吸引作用下，绳网边缘随抛射时间或者抛射距离逐步缩小；如图9所示，当绳网网口前方设计距离内存在太空垃圾时，绳网能够在永磁体的作用下封闭网口，包裹住太空垃圾；在击发后5s，动力设备开始提供回收绳网的力矩，于是太空垃圾被拖回至绳网系统的回收舱。
为了使绳网能够稳定地朝某个方向飞行，必须使绳网具有一定的质量，这个质量绝大部分由永磁体提供。假设金属永磁体的比重为7.0×103kg/m3，那么每块永磁体的质量约为0.4816kg。假设绳网的质量为0.23kg，那么整个绳网装置的质量约为12×0.4816+0.23=6.0kg。对12块永磁体施加瞬时冲击力，使所有永磁体以一定速度抛出。绳网在永磁体的带动下以一定的速度抛射并展开后，各个永磁体受到左右两侧永磁体合力的作用而使网口不断变小。
使用本发明时，需要的外部条件是：
（1）能够确定太空垃圾位于绳网系统前方不大于400m的位置，距离通过雷达或者光学设备测量。
（2）绳网系统能够与太空垃圾近似保持至少4.5s的相对静止状态。
（3）具备以上条件时，可以触发抛射动作，于5s后触发回收动作。
以上的控制参数是根据本发明一种实施方式的特定设计得到，可以根据绳网系统中永磁体的设计数量和规格的不同而改变。
本发明的有益效果为：
（1）利用永磁体之间的互相吸引力解决绳网捕获太空垃圾的收口问题，使捕获太空垃圾成为可能。
（2）将永磁体安装到绳网网口的一个附加作用是可以吸附易被磁化的太空碎片；
（3）扩大绳网系统半径使本发明可以作为太空营救设备使用，尤其可应用于宇航员太空行走时发生的意外情况。
附图说明
图1是本发明一种实施例的绳网系统整体示意图；
图2是图1所示绳网系统永磁体的立体示意图；
图3是图1所示绳网系统永磁体与绳网连接方式的示意图；
图4是图1所示绳网系统的绳网装置和磁体安装方式俯视图；
图5是图1所示绳网系统的绳网装置和磁体安装方式侧视图；
图6是图1所示绳网系统的抛射装置示意图；
图7是图1所示绳网系统的回收装置示意图；
图8是图1所示绳网系统的“抛射-网口收口”过程示意图；
图9是图1所示绳网系统的“捕获”过程示意图。
图中：1、外框架；2、发射口；3、回收舱；4、绳网；5、永磁体；6、线轴；7、抛射装置凹槽；8、机械撞针；9、齿轮中轴；10、齿轮机构；11、动力设备；12、钢架乙；13、钢架甲；14、绳网经线；15、绳网顶点；16、绳网网口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：
如图1至图9所示，所述用于捕获太空垃圾的绳网系统包括一端为发射口2的外框架1、固定于外框架1内部的回收装置和抛射装置，与回收装置和抛射装置连接的绳网装置。
所述回收装置包括齿轮中轴9，与齿轮中轴9连接的齿轮机构10，能带动齿轮机构10的齿轮转动的动力设备11，齿轮机构10的齿轮为凸齿轮。
所述抛射装置通过钢架甲13固定于外框架1的发射口2处，其包括沿发射口2分布的抛射装置凹槽7和通过钢架乙12固定于抛射装置且与抛射装置凹槽7对应的机械撞针8。
所述绳网装置包括绳网4、线轴6和分布于绳网4边缘的12个永磁体5；绳网4固定并缠绕在线轴6上，线轴6安装于回收装置的齿轮中轴9上且两端设有凹齿轮，凹齿轮与回收装置齿轮机构10的凸齿轮对接并扣合；永磁体5的轴向有打通的细孔，纵向有打通至轴向细孔的细孔，永磁体5通过穿过轴向和纵向细孔的网线按照N极对S极的方式顺次固定于绳网4的边缘，绳网网口16的边缘线穿过由N极到S极的轴向细孔，绳网经线14连接绳网网口16的边缘线再由纵向的细孔穿出，即一块永磁体的N(S)极对应另一块永磁体的S(N)极；永磁体5为梯形体结构，上棱长5.4cm，下棱长3.2cm，高4cm，厚4cm；其中连接绳网顶点15的绳线长度为500m；绳网4打开后，两块永磁体5之间的距离约为0.45m，绳网网口16边缘半径为1m，绳网顶点15到边缘的绳网经线14长度为3.14m，永磁体的半衰期＞10年。在未抛射状态时，永磁体5嵌入抛射装置凹槽7中。
由于绳网经线设计为3.14m，因此绳网能够网住的最大物体直径约为1m。如果直径不大于1m的目标位于太空网前方捕获距离以内，那么绳网系统将能够成功包裹目标。
Claims (3)
1.一种用于捕获太空垃圾的绳网系统，包括一端为发射口（2）的外框架（1）、固定于外框架（1）内部的回收装置和抛射装置，与回收装置和抛射装置连接的绳网装置，所述绳网装置包括绳网（4）和分布于绳网（4）边缘的质量块，其特征在于，所述质量块为永磁体（5），所述永磁体（5）的轴向有打通的细孔，永磁体（5）的纵向有打通至轴向细孔的细孔，永磁体（5）通过穿过轴向和纵向细孔的网线、按照N极对S极的方式顺次固定于绳网（4）的边缘。
2.如权利要求1所述的绳网系统，其特征在于，所述回收装置包括齿轮中轴（9），与齿轮中轴（9）连接的齿轮机构（10），能带动齿轮机构（10）的齿轮转动的动力设备（11）；所述抛射装置固定于外框架（1）的发射口（2）处，其包括沿发射口（2）分布的抛射装置凹槽（7）和固定于抛射装置上且与抛射装置凹槽（7）对应的机械撞针（8），所述绳网装置的永磁体（5）嵌入抛射装置凹槽（7）中；所述绳网装置还包括安装于齿轮中轴（9）上且两端设有齿轮的线轴（6），所述绳网（4）通过固定且缠绕在线轴（6）上的绳线与线轴（6）连接，所述线轴（6）两端的齿轮与齿轮机构（10）的齿轮相互扣合。
3.如权利要求2所述的绳网系统，其特征在于，所述齿轮机构（10）的齿轮为凸齿轮，所述线轴（6）的齿轮为凹齿轮。
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