CN103097246B - 用于自由地在空间中飞行的物体的回收和制动装置 - Google Patents

Abstract

在用于自由地在空间中飞行的物体的、尤其是用于捕获卫星和其它轨道物体的回收和制动装置中在用作可转向的承载飞行器（1）的空间飞行器上布置有（至少一个）、优选较大数量的可由该空间飞行器分离和配备有自己的驱动组的捕获单元（2），这些捕获单元具有通过约束装置（5）可解开地连接的和可封闭的收集网（4）。承载飞行器装备有姿态调节驱动器（6），以便达到联接后的质量配置的作为用于分离的准备的定向。多个捕获单元可以在此组合成串联联接或并联联接。在已定向的释放/分离之后利用该布置的被动稳定性，其中，在考虑柔性地联接的物体的系统表现的情况下，没有主动的姿态控制地足够地保证了姿态稳定性和精度。

Description

用于自由地在空间中飞行的物体的回收和制动装置

技术领域

本发明涉及一种用于自由地在空间中飞行的物体的回收和制动装置，尤其是用于捕获卫星和其它轨道物体，该回收和制动装置包括用作可转向的、装备有至少一个姿态调节驱动器的承载飞行器的空间飞行器，在该空间飞行器上布置有至少一个与该空间飞行器连接的并要由该空间飞行器启动的、可分离的并且至少配备有自己的驱动组（Treibsatz）和形式为可封闭的收集网的收集装置的捕获单元。

背景技术

该类型的装置具有如下功能，即，捕获自由地在宇宙空间中飞行的目标物体如卫星、火箭的末级或任意其它类型的宇宙空间垃圾。这样的装置通常从处在空间中的轨道平台的甲板出发来激活。从DE10342954B4已知了开头提到的类型的装置，其中设置有收集网，该收集网在其外边缘处具有重量：在从布置在轨道站上的发射装置出发启动时该网以如下方式获得脉冲，即，该网基于根据重量产生影响的惯性紧接着自动打开。此外但也公开了机器人系统或者说机械抓取装置用于该应用目的，它们布置在自由飞行的系统上，该自由飞行的系统本身与轨道平台连接。例如在DE10342953B4中描述了这样的装置。

此外，由JP7251799A公开了开头提到的类型的装置，借助该装置的帮助，轨道元件或碎片应被捕获，被带向承载飞行器并在那里被接收。由承载飞行器和多个捕获单元组成的系统带着已捕获的碎片元件停留在轨道中或该系统带着它们向空间站驶回，其中，该系统是从该空间站出发来启动的。

发明内容

本发明的任务在于，这样地构造这类装置，即，这类装置用简单和可靠的方式使得用该装置捕获的物体回到地球成为可能。

本发明通过如下方法来解决该任务，即，本发明设置在该类装置的情况下每个捕获单元用约束装置可解开地与收集网连接并且驱动组装备有至少一个构造为制动装置的推动喷嘴。

在捕获机动操纵通过按本发明的回收装置的已进行的实施之后由此于是已脱离的捕获单元能够通过柔性的连接迫使近地球的、大质量的并且不合作的本体、如卫星、火箭的末级或大的碎片具有在地球表面上的经限定的目标区域地重新进入地球大气中。当牵拉的力起作用时，在考虑柔性地联接的物体的系统表现的情况下，没有主动的姿态控制地保证了足够的姿态稳定性和精度。

本发明使得伴随最小可能的复杂性的由各自的捕获单元和由该捕获单元捕获的物体的有目的的重新进入成为可能，其中，这类捕获单元仅用于一个机动操纵，并为了有效的整个任务设置有在回收装置上的多个这类捕获单元。在此，通过丢弃在单个捕获单元方面的不是无论如何需要的子系统的质量节省和这些单个捕获单元到承载飞行器上的集中有利地影响到整个任务的质量预算（Massenbudget），同样如上述那样在整个回收装置建造时使得成本节约成为可能。

本发明因此允许不能自身强迫自己的重新进入的卫星和另外的轨道物体安全和可靠地离开宇宙空间环境。这在用于地球观测的高频率光顾的环绕轨道中直接使得潜在危险的明显减少成为可能并因此通常提高了空间飞行的安全性。

此外，目标物体以受界限的形式的运动对于按本发明的回收装置的运转不重要。也可以通过推动喷嘴作为制动装置的按本发明设置的构造在任何时候维持在目标物体和回收装置之间的安全间距。最后，多个捕获单元可以组合成串联联接或并联联接。

附图说明

接下来应根据在附图中示出的实施例对本发明做进一步阐述。其中：

图1在前视图中示出了回收装置的结构的示意图；

图2示出了按图1的回收装置的任务的示意图；

图3和图4示出了通过按图1的回收装置的捕获机动操纵的不同阶段；

图5示出了到由捕获单元和已捕获物体组成的系统上的概览图；

图6示出了由捕获单元和已捕获物体组成的系统的可能的轨道高度，这些高度会导致直接的重新进入。

具体实施方式

图1中示意性示出了回收装置的前视图，该回收装置包括承载飞行器1，一些可分离的捕获单元2紧固在该承载飞行器上。捕获单元各包含一个驱动组并且装备有推动喷嘴3。在这里示出的实施例中，每个捕获单元2承载一个起先折叠的网4，该网在其从捕获单元2中射出之后展开并且该网然后通过在这幅图中不能看到的绳索5保持与捕获单元2连接。在其上布置有捕获单元2的承载飞行器1此外设有（在这里所描述的实施例的情况下四个）在周边侧分散地布置的姿态调节驱动器6并设有导航单元7。捕获单元2通过构造成连接夹的保持装置8可解开地安置在承载飞行器1上。

图2中以示意图示出了前述回收装置的示范任务，捕获在外空间不受控地运动的物体9。该任务开始于承载飞行器1的机动操纵，具有姿态调节驱动器6和导航单元7的该承载飞行器具有用于主动控制其位置和姿态的所有必要系统，以便执行为了在环绕轨道中操控和追捕物体9所必需的那些运行轨道机动操纵。

一旦承载飞行器1通过其光学的、激光支持的或基于雷达的导航单元7的支持而接近待捕获的物体9，该承载飞行器以相对该物体9的可预先给定的距离保持。现在进行的捕获机动操纵在图3和图4中详细示出。为了执行该机动操纵，必须将设置用于实施的捕获单元2必要时首先向承载飞行器1的前棱边推送，以便考虑网弹出的打开角度。

承载飞行器1的对准的捕获单元2现在射出位于该捕获单元中的网4，该网围住待捕获的物体9并接着在对置的一侧自动关闭。网4通过绳索5保持与承载飞行器1或者说与起先还被装夹在该承载飞行器上的捕获单元2连接。借助于物体9和捕获单元2之间的柔性连接，使物体9稳定并且为了与飞行方向相反的制动机动操纵而对准，其方式是，承载飞行器1借助姿态调节驱动器6的推动脉冲而将绳索5在正确的时刻绷紧或放松。

在理想的情况下，在该机动操纵结束时，捕获单元2和待捕获物体9占据水平的和稳定的姿态。直到那时还停靠在承载飞行器1上的捕获单元2现在通过可解开的连接夹8从承载飞行器1释放并因此是独立的较小的空间飞行器。从该时间点起由捕获单元2和待捕获物体9组成的系统是独立的并如图5可看到的那样不再存在与承载飞行器1的机械连接。但是，在脱离后，在承载飞行器1和捕获单元2之间构建无线电联系，以便至少启动捕获单元2中的驱动器的点火，同时也能以该联系来办理用于任务扩展的数据或指令传输。虽然替换于此地，从捕获单元2向地面站的直接无线电路径也是可行的，但这会显著提高整个系统的复杂性并同时相对这里所描述的变型方案没有提供巨大的优点，在这里所描述的变型方案中承载飞行器1被用作中继站。

捕获单元2结构上尽可能简单地构建并主要由用于火箭驱动器的驱动组、经简单保持的用于该驱动器的点火顺序的控制电子装置和（如果需要）用于切断绳索5的机构组成。捕获单元2既不具有用于确定姿态的系统也不具有用于调节姿态的系统，但是可以设置有用于基于卫星导航系统的地点确定的简单系统，以便基于该简单系统的地点数据触发分离过程。

作为成功执行捕获和制动机动操纵的基本前提，捕获单元2和待捕获物体9仅允许与共同的运行轨道具有很小的偏差，并且也仅允许具有很小的旋转剩余速度，也就是说，它们必须近似水平定向，如图5中所示那样。因此，在图5中示出的角度和θ必须在捕获单元2释放前保持尽可能小。

在承载飞行器1从危险范围离开并达到用于重新进入机动操纵的准确时间点后，点火指令被发出并在应用这里所描述的固体燃料驱动器的情况下产生如在捕获单元2中存在驱动燃料一样长时间的推进。与飞行方向相反地起作用的推动力引起轨道下降轨迹线，它通过单个的机动操纵引起重新进入。在该机动操纵后的稳定化是不需要的，碰撞是允许的。

图6示出了一些轨道高度，从这些轨道高度出来可以迫使由捕获单元2和可变质量的捕获物体9组成的系统有目的地重新进入，该系统具有在这里所描述的实施例情况下采用的约650kg质量的捕获单元2。

为了可以划界用于物体的没有烧毁的碎片的着陆区域，捕获单元2的驱动燃料质量尽可能精确地与待回收的物体9的质量适配或驱动组被点火时的运行轨道高度以如下方式选择，即，在预先给定的驱动燃料质量的情况下撞击所希望的冲击区域。后者在图6中示出，用于具有500kg固体驱动燃料质量的捕获单元。

此外，多个捕获单元2的串联联接或并联联接或者多个单个的捕获单元2的适配的大小或者说这些单个的捕获单元的驱动组的适配的大小是可行的，以便将特别重的物体由高位运行轨道直接脱离轨道（deorbitieren）。Envisat卫星，一个约8吨重的卫星，可以用该方式在任务完成后利用具有这里采用的驱动燃料质量的两个捕获单元2直接被迫使重新进入。对于由一个或两个捕获单元2和捕获物体9组成的、直接处在图6中所示的两根曲线中的一根上的群体（Konstellationen）而言，在两度的进入角度的情况下在120km高度进行重新进入，这被看做对于安全的重新进入而言的最低标准。

设置用于切断捕获单元2和已捕获物体9之间连接绳索的机构也是可行的，以便能够更精确地划界着陆区域。在该情况下驱动燃料质量被计算具有如下的储备，该储备用以补偿引起捕获单元2的自身运动的推进损失。只要在捕获单元2的驱动器的燃烧阶段中出现比在假定的最坏情况中较少的损失，那么由捕获单元2和已捕获物体9组成的系统就具有比需要的更高的轨道改变势能。这可能导致错过已设置的着陆区域，假如捕获单元2和已捕获物体9之间的连接没有在正确的时刻被分离的话。由此，物体9不再被加速并与捕获单元2相比飞得非常接近已设置的重新进入轨道，捕获单元2的驱动器能够直至燃烧结束改变进入轨道。此外，通过适当选择用于制造捕获单元2的材料，能够以高的安全性保证在重新进入地球大气时该捕获单元完全烧毁。

Claims (4)

1.用于自由地在空间中飞行的物体的回收和制动装置，所述回收和制动装置包括用作能转向的、装备有至少一个姿态调节驱动器的承载飞行器的空间飞行器，在所述空间飞行器上布置有至少一个与所述空间飞行器连接并且要由所述空间飞行器启动的、能分离的并且配备有至少一个自己的驱动组和形式为能封闭的收集网的收集装置的捕获单元，其特征在于，每个捕获单元(2)通过约束装置(5)能解开地与所述收集网(4)连接并且所述驱动组装备有至少一个构造为制动装置的推动喷嘴(3)。

2.按权利要求1所述的用于自由地在空间中飞行的物体的回收和制动装置，其特征在于，四个捕获单元(2)装夹在所述承载飞行器(1)上。

3.按权利要求1所述的用于自由地在空间中飞行的物体的回收和制动装置，其特征在于，多个捕获单元(2)组合成串联联接或并联联接。

4.按权利要求1至3之一所述的用于自由地在空间中飞行的物体的回收和制动装置，其特征在于，该用于自由地在空间中飞行的物体的回收和制动装置能用于捕获卫星和其它轨道物体。