CN103224037A

CN103224037A - 一种航天器空间可多次反复对接方法

Info

Publication number: CN103224037A
Application number: CN2013101826809A
Authority: CN
Inventors: 刘宇艳; 吴松全; 刘羽熙; 张恩爽; 谭惠丰
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2013-05-17
Filing date: 2013-05-17
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2033-05-17
Also published as: CN103224037B

Abstract

一种航天器空间可多次反复对接方法，涉及一种微小航天器空间对接方法。本发明在柔性展开装置的表面涂覆压敏胶或壁虎胶；然后将上述柔性展开装置以折叠的形式在发射时密闭储存在航天器发射舱里，进入预定轨道后，打开密闭装置，伸出折叠的柔性展开装置，同时慢速展开，当柔性展开装置碰触到另一航天器时通过压敏胶或壁虎胶与目标航天器实现粘接。本发明采用柔性慢速展开装置缓冲飞行速度和对接力，采用压敏胶或壁虎胶，空间在轨将两个航天器粘接连为一个整体，又可方便地从航天器表面剥离，实现航天器的分离，并且可以多次实现航天器的对接和分离；能够提高航天器对接的灵活性、可靠性和成功率，以及降低对接方式的难度。

Description

一种航天器空间可多次反复对接方法

技术领域

本发明涉及一种微小航天器空间对接方法。

背景技术

空间交会对接是两个或两个以上航天器在空间进行的一项极其复杂的空间操作。空间交会对接是当前世界航天领域中一项十分复杂和困难的技术，各个航天国家都在不断投入大量的人力、物力和财力进行积极的探索和研究。

目前主要的对接方式为机械式对接，通过轨道参数协调，让两个或两个以上的航天器在同一时间到达太空同一位置，再通过专门的对接机构将其连为一个整体。但是两个航天器必须在高速飞行的状态下，在同一时间到达太空同一位置，如失误则有相撞的风险。因此空间交会对接是当前世界航天领域中一项十分复杂和困难的技术，对控制、导航和测控覆盖支持等都提出了相当高的要求，而如何提高对接的灵活性、可靠性和成功率，以及降低对接方式的难度具有非常大的政治意义。

发明内容

为了提高航天器对接的灵活性、可靠性和成功率，以及降低对接方式的难度，本发明提供了一种新型的微小航天器空间可多次反复对接方法。

本发明的航天器空间反复对接方法步骤如下：

（1）在柔性展开装置的表面涂覆压敏胶或壁虎胶；

（2）然后将上述柔性展开装置以折叠的形式在发射时密闭储存在航天器发射舱里，进入预定轨道后，打开密闭装置，伸出折叠的柔性展开装置，同时慢速展开，当柔性展开装置碰触到另一航天器时通过压敏胶或壁虎胶与目标航天器实现粘接（图1）。

本发明采用两种方法实现微小航天器间的对接，一种为压敏胶，基于吸附作用，实现与航天器物理粘接；一种为壁虎胶，其原理为：基于分子间引力实现粘接，利用范德华力作用原理制造含有纳米纤毛的壁虎胶，既可在航天器表面高效粘合、又可方便地从航天器表面剥离、还能重复使用的新型粘合材料。

本发明采用柔性慢速展开装置缓冲飞行速度和对接力，采用压敏胶或壁虎胶，空间在轨将两个航天器粘接连为一个整体，又可方便地从航天器表面剥离，实现航天器的分离，并且可以多次实现航天器的对接和分离；能够提高航天器对接的灵活性、可靠性和成功率，以及降低对接方式的难度。

附图说明

图1为本发明的空间对接的过程；

图2为氢气泡模板法制备多孔金属流程示意图；

图3为高聚物浇筑在多孔金属模板过程示意图；

图4为壁虎胶纤毛阵列示意图；

图5为柔性展开装置储存于航天器中的结构示意图；

图6为柔性展开装置展开结构示意图；

图7为两个航天器实现对接的结构示意图；

图8为具体实施方式三中两个航天器实现对接的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：本实施方式采用壁虎胶胶实现微小航天器间的对接，具体步骤如下：

在柔性展开装置表面固定一层采用含有纳米纤毛的壁虎胶，壁虎胶的阵列方向向外，壁虎胶的壁虎胶一级阵列分布在柔性展开装置表面，壁虎胶一级阵列的上表面为壁虎胶二级阵列。柔性展开装置展开后，与对接目标接触时，壁虎胶基于分子间引力实现粘接，与目标航天器即可粘接在一起。当航天器需要分离时，壁虎胶又可方便地从航天器表面剥离。

本实施方式中，所述壁虎胶利用氢气泡模板法制备多孔金属作为模板，浇筑高聚物，并取出模板来进行制备，具体制备方法如下：

第1步、氢气泡模板法制备多孔金属薄膜（图2），孔径在0.5-100μm。

氢气泡模板法电沉积多孔Ni薄膜是以铂片(1cm²)作阳极，对电极采用304不锈钢(1cm²)为阴极。实验中对不锈钢的前处理包括抛光、除油、酸浸蚀、水冲洗、无水乙醇浸泡、丙酮清洗，低温鼓风烘干，并在不锈钢的背面贴上胶带。镀液组成为0.02-0.2mol·L^-1 NiCl₂ 和0.5-2mol·L^-1 NH₄Cl，pH控制在4.0±0.5的范围内，电沉积的电流密度范围是1.0-6.0 A·cm^-2，沉积时间为10-40s。通过调节电流密度、沉积时间、镀液组成等沉积参数来构筑多孔Ni膜层的结构形态。沉积后的薄膜片应立即用蒸馏水冲洗，无水乙醇浸泡后干燥，得到多孔金属薄膜。

第2步、壁虎胶材料的浇筑（图3）

将制备壁虎胶的高聚物材料硅橡胶（道康宁184）与交联剂以质量比为10:1混合，放入真空干燥箱中抽真空，待不再产生气泡为止，以去除高聚物中混有的气体。将高聚物和交联剂的混合液浇筑在上述制备的多孔金属薄膜的模板中，真空条件（100-10Pa）下固化1-24h，固化温度为20-100℃，施加5N-100N的负载。

第3步、去除模板（图4）

取出固化后的硅橡胶和金属模板，以金属模板的基底为阳极，以等面积的不锈钢为阴极，采用3A·cm^-2的电流密度进行溶解，将多孔金属薄膜的基底不锈钢溶解。溶解不锈钢后将硅橡胶和金属模板浸入浓HNO₃中，溶掉多孔金属Ni模板，得到壁虎胶，面积为1cm²，纤毛直径为5μm，高度为5-10μm，单个纤毛间距为4-10μm。

对于多孔模板结构的控制还可以通过调节电流密度、沉积时间、主盐浓度和加入添加剂。加入的添加剂类型可以是聚乙二醇、聚乙二醇辛基苯基醚（OP）、苯甲醛、醋酸、盐酸、NaCl、十二烷基苯硫酸钠、二辛基琥珀酸磺酸钠（阿洛索-OT）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）。

以氢气泡模板法制备多孔金属为模板的方法可应用于多种金属，如金属Ni、Cu、Fe、Sn、Au、Pt、Zn、Pd。

制备壁虎胶的方法还可以是：光刻法制备微纳米阵列、感应耦合等离子体刻蚀(ICP) 法、电子束和氧等离子体干刻蚀法、AFM刻蚀法、氧化铝模板法、化学气相沉积法、软刻蚀技术等。

应用于制备壁虎胶的高聚物材料还可以是聚酰亚胺、聚氨酯、硅橡胶、聚丙烯、聚苯乙烯等。

本实施方式中，柔性展开装置的展开方式可以是如下三种方式：

1、充气展开，此时可以采用橡胶复合材料制备柔性展开装置。橡胶复合材料中的纤维可以是芳纶纤维（Kevlar）、PBO纤维、Vectran纤维、玻璃纤维等，橡胶采用氯丁橡胶、硅橡胶等。充气起源可以选择航天器自带小压缩气瓶或化学反应充气。柔性展开装置可以采用Z型折叠或卷曲折叠在航天器发射舱里，当需要展开时，启动充气装置，向柔性展开装置内部充气，展开装置就实现慢速展开。

2、形状记忆展开，此时可以采用形状记忆复合材料制备柔性展开装置。形状记忆复合材料的纤维为碳纤维，基体采用形状记忆环氧材料。柔性展开装置可以采用Z型折叠或卷曲折叠在航天器发射舱里，当需要展开时，启动电源，通过碳纤维导电加热，达到形状记忆复合材料的形状记忆恢复温度时，形状记忆复合材料恢复展开形状，展开装置就实现慢速展开。

3、机械展开，此时可以采用橡胶材料制备柔性展开装置。机械展开装置设置于橡胶材料层的后面，柔性展开装置可以贮存于在航天器发射舱里，当需要展开时，机械展开装置伸长，橡胶缓冲层缓慢向前推移，展开装置就实现慢速展开。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，通过在柔性展开装置表面涂覆压敏胶黏剂，通过压敏胶粘接实现对接的。

为了操作方便，可以将压敏胶黏剂封入微型反应器（微型反应器为球形，其尺寸为2～200 μm，囊壁厚10～20 μm），使之不具备黏性，装置易于贮存。将柔性展开装置以折叠的形式在发射时密闭储存在航天器发射舱里（图5），进入预定轨道后，打开密闭装置，伸出折叠的柔性展开装置（图6），暴露于真空中，微型反应器破裂，压敏胶粘剂流出，实现与目标的粘接（图7）。

本实施方式中，所述压敏胶黏剂可以选用如丙烯酸酯压敏胶粘剂，有机硅及其他树脂型压敏胶粘剂，天然橡胶压敏胶等。

本实施方式中，微型反应器破裂的破裂可以通过两个航天器相互接触式的压力，通过施加压力破裂；也可以通过真空负压破裂，在柔性展开装置展开前，整个装置密闭于航天器中，此时周围有空气存在。在柔性展开装置展开后，整个装置暴露于真空中，微型反应器内外压力不同，就会瞬间破裂。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一、二不同的是，将可反应性对接装置以折叠的形式在发射时同时密闭储存在需要对接的两个航天器发射舱里（图8）。

Claims

1.一种航天器空间可多次反复对接方法，其特征在于所述对接方法步骤如下：

（1）在柔性展开装置的表面涂覆压敏胶或壁虎胶；

（2）然后将上述柔性展开装置以折叠的形式在发射时密闭储存在航天器发射舱里，进入预定轨道后，打开密闭装置，伸出折叠的柔性展开装置，同时慢速展开，当柔性展开装置碰触到另一航天器时通过压敏胶或壁虎胶与目标航天器实现粘接。

2.根据权利要求1所述的航天器空间可多次反复对接方法，其特征在于所述压敏胶黏剂为丙烯酸酯压敏胶粘剂、有机硅及其他树脂型压敏胶粘剂或天然橡胶压敏胶。

3.根据权利要求1所述的航天器空间可多次反复对接方法，其特征在于所述步骤（1）中，在柔性展开装置表面固定一层采用含有纳米纤毛的壁虎胶，壁虎胶的阵列方向向外，壁虎胶的壁虎胶一级阵列分布在柔性展开装置表面，壁虎胶一级阵列的上表面为壁虎胶二级阵列。

4.根据权利要求1或3所述的航天器空间可多次反复对接方法，其特征在于所述壁虎胶的材料为聚酰亚胺、聚氨酯、硅橡胶、聚丙烯或聚苯乙烯。

5.根据权利要求1所述的航天器空间可多次反复对接方法，其特征在于所述微型反应器为球形，其尺寸为2～200 μm，囊壁厚10～20 μm。

6.根据权利要求1所述的航天器空间可多次反复对接方法，其特征在于所述柔性展开装置的展开方式为充气展开、形状记忆展开或机械展开。

7.根据权利要求6所述的航天器空间可多次反复对接方法，其特征在于所述柔性展开装置的展开方式为充气展开时，采用橡胶复合材料制备柔性展开装置，橡胶复合材料中的纤维为芳纶纤维、PBO纤维、Vectran纤维或玻璃纤维，橡胶采用氯丁橡胶或硅橡胶；充气起源选择航天器自带小压缩气瓶或化学反应充气。

8.根据权利要求6所述的航天器空间可多次反复对接方法，其特征在于所述柔性展开装置的展开方式为形状记忆展开时，采用形状记忆复合材料制备柔性展开装置，形状记忆复合材料的纤维为碳纤维，基体采用形状记忆环氧材料。

9.根据权利要求6所述的航天器空间可多次反复对接方法，其特征在于所述柔性展开装置的展开方式为机械展开时，采用橡胶材料制备柔性展开装置。

10.根据权利要求7或8所述的航天器空间可多次反复对接方法，其特征在于所述柔性展开装置采用Z型折叠或卷曲折叠在航天器发射舱里。