CN103241394B - 一种可控性智能蜘蛛网俘获装置及利用其俘获在轨飞行器的方法 - Google Patents
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Abstract
一种可控性智能蜘蛛网俘获装置及利用其俘获在轨飞行器的方法，涉及一种附着多巴及其衍生物的蜘蛛网俘获装置及利用其黏性而吸附粘接在轨飞行器的方法。所述俘获装置包括机械臂（1）、可控发射管（2）、蜘蛛网（3）和激光测距仪（4），机械臂（1）的末端设置有与机械臂（1）同轴心设置的激光测距仪（4），机械臂（1）末端的内壁上沿圆周方向均匀设置有若干个可控发射管（2），可控发射管（2）的内部设置有蜘蛛网（3）。本发明的俘获设备结构简单、设计巧妙，俘获材料体积小、重量轻、方便携带，可一次多携带。操作方式简单、俘获成功率高。简单易操作，成功率高，利于机动卫星及时俘获在轨飞行器。
Description
技术领域
本发明涉及一种附着多巴及其衍生物的蜘蛛网俘获装置及利用其黏性而吸附粘接在轨飞行器的方法。
背景技术
随着航天实践的不断深入，对空间快速机动技术的需求日益增强。机动卫星能够在空间多次启动进行快速变换轨道倾角或轨道高度，具备很强的战术能力。因此利用其快速反应能力，执行空间控制任务时，可干扰、撞击、控制在轨飞行器，以达到摧毁或损坏在轨飞行器的目的。吸附粘接技术的应用在不需要完全摧毁在轨飞行器的情况下，对于干扰及损坏在轨飞行器起到了关键作用。将吸附粘接技术应用在“寄生”行为上，像寄生虫那样附着于在轨飞行器，以达到电子、磁场干扰及损坏的目的，使其失灵或无法正常工作。
多巴（3,4-二羟基苯丙氨酸，DOPA）分子瞬间固化并产生黏性的机理是DOPA分子内交联的结果，主要表现为DOPA分子中的二酚官能团通过单电子转移与相邻的DOPA分子芳环的酚氧基偶合交联，以及氨基参与Schiff-base取代反应或者是Michael加成反应。而多巴胺（3,4-二羟基苯丙氨，DA）发生聚合反应形成聚多巴胺（PDA）涂层的机理是在碱性环境及氧气的作用下，首先DA中的儿茶酚氧化为苯醌，再进一步与氨基及其它另一分子的儿茶酚醌类反应形成黏附PDA薄膜层。DA的酚羟基氧化为苯醌的反应是一个平衡反应过程，碱性环境有利于反应正向移动，加速DA氧化聚合。研究结果表明，PDA可通过复杂的物理化学作用如氢键作用、螯合作用、π-π相互作用、共价键作用等，紧密的附着在不同材料表面成膜，形成一层具有永久黏附性能的PDA涂层。而形成的薄膜表面含有大量的活性官能团，能够发生一系列反应，为进一步修饰改性材料表面提供了条件。
发明内容
本发明要解决的问题是针对上述如何俘获在轨飞行器的技术难题，提出一种简单有效的可控性智能蜘蛛网俘获装置及机动卫星发射蜘蛛网俘获在轨飞行器的方法，这种方法简单易操作，成功率高，利于机动卫星及时俘获在轨飞行器。
本发明的可控性智能蜘蛛网俘获装置包括机械臂、可控发射管、蜘蛛网和激光测距仪，机械臂的末端设置有与机械臂同轴心设置的激光测距仪，机械臂末端的内壁上沿圆周方向均匀设置有若干个可控发射管，可控发射管的内部设置有蜘蛛网。
本发明所述蜘蛛网由聚酰胺纤维（PA）编织而成，其表面附着有一层具备永久黏附性的聚多巴胺（PDA）薄膜。
本发明利用仿生物黏附蛋白多巴及其衍生物的强黏附性和普黏性，以及其衍生物DA能够在各种基底自主装成PDA薄膜的特性，将蜘蛛网作为基底使其附上PDA薄膜而具备永久黏附性，并对表面进一步修饰改性而赋予其他性能及功效，即可对在轨飞行器进行吸附粘接控制，具体步骤如下：
a）具有黏附性蜘蛛网的制备：将蜘蛛网作为基底，采用浸渍法将蜘蛛网放置于仿生物黏附蛋白多巴胺碱性溶液中，获得一个稳定厚度的黏附涂层。
b）装备：在机械臂末端安装与机械臂同轴心设置的激光测距仪，然后在机械臂末端沿圆周方向安装若干个可控发射管状装置，将附有黏性的蜘蛛网分别置于其中。
c）展开发射：机动卫星调整姿态向在轨飞行器靠近并以0.6~2 m/s的速度快速展开机械臂，锁定目标后当达到20~30 m的距离时，将蜘蛛网瞬间以5~10 m/s的速度喷射出去包裹住飞行器，利用其自身黏附力进行吸附粘接，将蜘蛛网牢固锚定在飞行器上，将其俘获。
本发明具有如下优点：
1）俘获设备结构简单、设计巧妙。
2）俘获材料体积小、重量轻、方便携带，可一次多携带。
3）操作方式简单、俘获成功率高。
4）仿生物多巴及其衍生物DA几乎适用于任何一种基体材料的表面改性，且对材料的外形和尺寸没有限制。
5）仿生物多巴及其衍生物DA能够紧密附着在蜘蛛丝表面成膜，增大其表面的极性度，提高表面能及其表面黏附性能，使得蜘蛛网具备更好的黏附性和普黏性。
6）经DA涂覆过的材料表面具有邻苯二酚活性官能团，可进行二次反应，实现材料表面的进一步功能化。
7）仿生物多巴及其衍生物PDA具有永久黏附性，且获得的复合表面在干态和湿态均能与许多物体很好地黏合，其干/湿态的黏合/脱黏附可以重复进行千余次。
附图说明
图1为蜘蛛网展开结构俯视图；
图2为机械臂俘获装置正面结构图；
图3为机械臂俘获装置侧面结构图；
图4为机动卫星俘获在轨飞行器工作示意图；
图5为伞状俘获装置结构图（展开前）；
图6为伞状俘获装置结构图（展开后）；
图7为伞状俘获装置结构俯视图；
图8为伞状俘获装置与蜘蛛网结合的侧视结构图；
图9为伞状俘获装置与蜘蛛网结合的俯视图；
图10为伞状结构装置俘获在轨飞行器工作示意图。
具体实施方式
下面结合工作示意图对本方法作进一步详细说明。本发明适用于所有的快速固化胶黏剂及吸附粘接装置，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：如图1-3所示，本实施方式的可控智能蜘蛛网俘获装置由机械臂1、可控发射管2、蜘蛛网3和激光测距仪4组成，机械臂1的末端设置有与机械臂1同轴心设置的激光测距仪4，机械臂1末端的内壁上沿圆周方向均匀设置有若干个可控发射管2，可控发射管2的内部设置有蜘蛛网3。
可控发射管的底部中间位置安装有可控牵引扣7，蜘蛛网3的四周设置有若干个牵引头6，蜘蛛网3的中心与可控牵引扣7连接，可控牵引扣7与位于可控发射管2前端的牵引头6将蜘蛛网3拉成长的圆锥型蜘蛛网并固定在可控发射管2内部，以保证具有黏性的蜘蛛网不会自身粘接在一起。
本发明所述的蜘蛛网由高分子特种纤维纺织而成，应具备高强度、重量轻、韧性强、耐高低温性、耐候性、不易损坏等特点，因此选用聚酰胺纤维（PA）进行编织。蜘蛛网还应具备强黏附性和普黏性，因此选用仿生物黏附蛋白多巴及其衍生物并利用其自身特性对蜘蛛丝进行附着，在蜘蛛网表面形成一层具有永久黏附性的纳米薄膜。蜘蛛网的牵引头应满足质轻、耐热、耐寒、耐候性等，因此可由橡胶弹头制成，材料选用丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶等。
本实施方式中所述的蜘蛛网体系主要包括PA和多巴及其衍生物。PA包括脂肪族PA、脂肪-芳香族PA和芳香族PA。可加入玻璃纤维、纳米粒子及碳黑等填料和助剂对PA进行改性，提高其性能以便能更好适应太空环境。仿生物黏附蛋白中的DOPA中含有儿茶酚基团，儿茶酚基团被氧化成醌后能与许多基团反应形成共价键，而DOPA的这种强共价及非共价相互作用是仿生物黏附蛋白具有强黏附力的主要原因。但如果想要黏附到任何表面上，儿茶酚基团和氨基必须同时存在。而作为儿茶酚衍生物的DA，结合了DOPA的邻苯二酚基团和赖氨酸的氨基官能团，被认为能够很好地模拟仿生物黏附蛋白的黏附性能。由于DA能与有机、无机物等表面有很好的结合力，因此其衍生物如全氟- DA、二茂铁- DA及生物分子- DA等由于其修饰基团的化学特性，也具有类似的性质。在水溶液或弱碱性条件下，DA也会被溶解氧氧化并自发聚合形成儿茶酚醌活性官能团的PDA，在材料表面形成一层具有永久黏附性能的PDA涂层。
具体实施方式二：本实施方式按照如下步骤利用可控发射管将蜘蛛网喷射出并吸附粘接在飞行器上：
a）具有黏附性蜘蛛网的制备：将蜘蛛网作为基底，采用浸渍法将蜘蛛网放置于仿生物黏附蛋白多巴胺碱性溶液中，一定时间后获得一个稳定厚度的黏附涂层。具体步骤如下：
第1步，蜘蛛网的制作：
蜘蛛网应具备高强度、重量轻、韧性强、耐高低温性、耐候性、不易损坏等特点，因此选用聚酰胺纤维（PA）进行切片制成的纤维丝经一系列加工编织而成。可加入玻璃纤维、纳米粒子及碳黑等填料和助剂对PA进行改性，提高其各项性能以便更好适应太空环境。
第2步，多巴胺碱性溶液的制备：
首先需配置出浓度为0.05 mol/L的Tris-HCl（三羟甲基氨基甲烷-盐酸）缓冲溶液，将足够量的Tris置于直径为6~10 m、高度为2~4 cm的圆形玻璃（依照蜘蛛网大小而定）容器中，加入去离子水充分搅拌溶解，使溶液冷却至室温后再加入浓盐酸调节pH值为8.5，室温保存。
第3步，浸渍法制备黏附蜘蛛网：
利用仿生物黏附蛋白多巴及其衍生物的强黏附性和普黏性，以及其衍生物DA能够于碱性环境及氧气的作用下在各种基底自主装成PDA薄膜的特性。将制作好的蜘蛛网展开并平铺于装有DA的水溶液中，在弱碱性条件下，DA的邻苯二酚基团很容易被氧化，生成具有邻苯二醌结构的多巴胺醌化合物，多巴胺和多巴胺醌之间发生反歧化反应，产生半醌自由基，然后偶合形成交联键，同时在蜘蛛丝材料表面形成紧密超强附着的PDA交联复合层，浸渍24 h后形成一层具有永久黏附性的厚度为50 nm的均匀纳米薄膜。
第4步，二次反应法制备磁性黏附蜘蛛网：
由于在水溶液中，DA发生氧化聚合-交联反应，在材料表面形成富含邻苯二酚基团的PDA复合层，而邻苯二酚活性基团能够进行二次反应，将功能分子引入材料表面，使改性后的表面能够进一步反应赋予其他功能。由于邻苯二酚基团能够对金属产生一定强度的束缚力，且PDA复合层对金属离子具有较强的还原能力。当表面沉积PDA层的改性蜘蛛网材料浸入金属盐溶液中时，复合层从溶液中还原金属阳离子并使之沉积在材料表面，从而实现无电镀的材料表面金属化。
因此利用PDA的邻苯二酚基团的二次反应性在蜘蛛网材料表面沉积带磁性的金属或金属氧化物：（Fe2O3）磁性粒子——Fe2O3-PDA。将表面复合PDA层的蜘蛛网置于铁盐中，以PDA为固定锚，复合层中的邻苯二酚基团能够与金属氧化物中的金属离子形成配位键，通过PDA与金属氧化物的螯合作用将金属氧化物沉积在蜘蛛网材料表面，制备出表面覆盖磁性氧化铁粒子层的复合材料。
b）装备：如图2、3所示，在机械臂末端安装与机械臂同轴心设置的激光测距仪，然后在机械臂末端沿圆周方向安装若干个可控发射管状装置，将附有黏性的蜘蛛网分别置于其中。
c）展开发射：如图4所示，机动卫星调整飞行姿态向在轨飞行器靠近并以0.6~2 m/s的速度将机械臂快速展开，同时开启激光测距仪。机械臂展开后伸向在轨飞行器，根据激光测距仪的测量基准，在机械臂靠近至在轨飞行器20~30 m的距离时，系统自动开启气体动力装置。以压缩空气为动力，利用气体压力瞬间释放产生的动力，经可控发射管将由8个牵引头牵引的蜘蛛网瞬间以5~10 m/s的速度喷射出去，经展开后形成的伞型大网直径能达6~10 m，包裹住飞行器并利用其黏附力吸附粘接，将蜘蛛网牢固锚定并长久寄生在飞行器上，将其俘获。
捕获时一次只发射一张蜘蛛网，如果一次没捕获住，则可以调整机械臂角度再发射一次。
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，
如图8-9所示，所述俘获装置还包括可控伞状俘获装置9，机械臂1的内部由内壁8划分为内环10和外环11，可控发射管2设置在外环11中，可控伞状俘获装置9设置在内环10中，如图5-7所示，所述可控伞状俘获装置9由莲蓬头12、伞面13、伞肋14、中空的伞柄15、拉杆16、内弹簧17、外弹簧18、活动片19和支撑扣20组成，伞柄15是整个伞状装置的主承轴，伞柄15的顶端固定有与其同轴心设置的莲蓬头12，激光测距仪4固定在莲蓬头12的下方且其激光测距孔5位于莲蓬头12的中心位置，莲蓬头12上设置有若干个与伞柄15相连通的不同取向的溢流管22，莲蓬头12的四周连接有伞肋14，伞肋14支撑着整个伞面13，伞面13的表面涂覆有仿生物黏附蛋白DA颗粒23，伞柄15的内部储存有弱碱水21，伞柄15上设置有支撑扣20，支撑扣20分别与位于伞柄15内部的内弹簧17和套在伞柄15上的外弹簧18连接，控制着伞柄内部和外部弹簧的弹开，活动片19卡在伞柄15的内壁四周，控制着伞柄15内部弱碱水21的注射，内弹簧17的下端连接着伞柄15底层内壁，上端与活动片19连接，控制着活动片19的收缩与弹开，外弹簧18连接着拉杆16的下端，拉杆16的上端连接着伞肋14，控制着伞面的收缩与撑开。
本实施方式中，所述的可控伞状俘获装置为满足一定的高强度、高硬度、高模量、耐疲劳性和耐高低温性，选用热塑型聚酰亚胺为基体树脂的碳纤维增强复合材料作为伞柄材料。并在材料外层附有聚酰亚胺（PI）薄膜，用以提高材料的耐辐照及耐原子氧性能；在材料内层附有聚四氟乙烯（PTFE）薄膜，利用其高润滑不粘性以便更好的储存紫外光固化胶。
本实施方式中，选择铝合金作为伞肋、拉杆和莲蓬头的材料，利用其低密度、高强度、耐高低温性、耐候性和良好加工性等特点，且容易同氧反应，生成致密的Al2O3薄膜并具备更高的熔点，杜绝了太空环境中原子氧对材料的影响。
本实施方式中，将蜘蛛网装在机械臂外环内，属于远距离发射并吸附粘接，目的是干扰和破坏在轨飞行器；可控伞状俘获装置装在机械臂内环里，属于近距离展开吸附粘接，目的是控制和破坏在轨飞行器。可以根据两个卫星之间的距离、角度或实施动机等而选择不同的实施方式。
具体实施方式四：本实施方式按照如下步骤利用可控伞状装置的展开吸附作用俘获在轨飞行器：
a）多巴胺黏附伞状结构的制备：
利用仿生物黏附蛋白DA自身具有的黏附性，采用微胶囊技术将黏附DA包裹住，烘干后并涂覆在伞面上；同样配置出浓度为0.05 mol/L的Tris-HCl缓冲溶液，加入去离子水充分搅拌溶解，使溶液冷却至室温后再加入浓盐酸调节pH值为8.5，室温保存。
b）组装：
将所制备的Tris-HCl弱碱水储存于中空伞柄内，如图5所示，将伞面收缩，使得伞柄内部和外部的弹簧压缩至最短，并由支撑扣固定住。并且将收缩折叠后的可控伞状俘获装置置于机械臂末端内。
c）展开吸附：
如图10所示，若机动卫星要对在轨飞行器实际控制从而进行吸附寄生，则在激光测距仪测量机械臂靠近至在轨飞行器0.5~1 m的距离时，将装备于机械臂内环中的伞状俘获装置伸出，并控制支撑扣将弹簧瞬间自动释放，储存于伞柄内的弱碱水借助弹簧的弹性力，在活动片的快速推动下经由莲蓬头流出与涂覆在伞面上的DA混合。机械臂接触到在轨飞行器时先由黏性DA提供初粘力，使得两者初步连接在一起，紧接着在弱碱水的作用下DA发生氧化聚合-交联反应，在伞面与飞行器表面进行自组装形成紧密超强附着的PDA交联复合层，使得伞状装置与在轨飞行器紧密黏附在一起，最终将在轨飞行器牢牢地控制住，完成吸附寄生。
Claims (9)
1.一种可控性智能蜘蛛网俘获装置，包括机械臂(1)、可控发射管(2)、蜘蛛网(3)和激光测距仪(4)，机械臂(1)的末端设置有与机械臂(1)同轴心设置的激光测距仪(4)，机械臂(1)末端的内壁上沿圆周方向均匀设置有若干个可控发射管(2)，可控发射管(2)的内部设置有蜘蛛网(3)，其特征在于所述可控发射管(2)的底部中间位置安装有可控牵引扣(7)，蜘蛛网(3)的四周设置有若干个牵引头(6)，蜘蛛网(3)的中心与可控牵引扣(7)连接，可控牵引扣(7)与位于可控发射管(2)前端的牵引头(6)将蜘蛛网(3)拉成长的圆锥型蜘蛛网并固定在可控发射管(2)内部。
2.根据权利要求1所述的可控性智能蜘蛛网俘获装置，其特征在于所述蜘蛛网(3)选用聚酰胺纤维进行编织。
3.根据权利要求1或2所述的可控性智能蜘蛛网俘获装置，其特征在于所述蜘蛛网(3)的表面附有一层材质为仿生物黏附蛋白多巴及其衍生物的纳米薄膜。
4.根据权利要求1所述的可控性智能蜘蛛网俘获装置，其特征在于所述牵引头(6)由橡胶弹头制成，材料选用丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶或氯丁橡胶。
5.根据权利要求1所述的可控性智能蜘蛛网俘获装置，其特征在于所述俘获装置还包括可控伞状俘获装置(9)，机械臂(1)的内部由内壁(8)划分为内环(10)和外环(11)，可控发射管(2)设置在外环(11)中，可控伞状俘获装置(9)设置在内环(10)中，所述可控伞状俘获装置(9)由莲蓬头(12)、伞面(13)、伞肋(14)、中空的伞柄(15)、拉杆(16)、内弹簧(17)、外弹簧(18)、活动片(19)和支撑扣(20)组成，伞柄(15)的顶端固定有与其同轴心设置的莲蓬头(12)，激光测距仪(4)固定在莲蓬头(12)的下方且其激光测距孔(5)位于莲蓬头(12)的中心位置，莲蓬头(12)上设置有若干个与伞柄(15)相连通的不同取向的溢流管(22)，莲蓬头(12)的四周连接有伞肋(14)，伞肋(14)支撑着整个伞面(13)， 伞面(13)的表面涂覆有多巴胺(23)，伞柄(15)的内部储存有弱碱水(21)，伞柄(15)上设置有支撑扣(20)，支撑扣(20)分别与位于伞柄(15)内部的内弹簧(17)和套在伞柄(15)上的外弹簧(18)连接，活动片(19)卡在伞柄(15)的内壁四周，内弹簧(17)的下端连接着伞柄(15)底层内壁，上端与活动片(19)连接，外弹簧(18)连接着拉杆(16)的下端，拉杆(16)的上端连接着伞肋(14)。
6.根据权利要求5所述的可控性智能蜘蛛网俘获装置，其特征在于选择以热塑型聚酰亚胺为基体树脂的碳纤维增强复合材料作为伞柄(15)的材料，在材料外层附有聚酰亚胺薄膜，在材料内层附有聚四氟乙烯薄膜。
7.根据权利要求5所述的可控性智能蜘蛛网俘获装置，其特征在于选择铝合金作为伞肋(14)、拉杆(16)和莲蓬头(12)的材料。
8.一种利用权利要求1所述的可控性智能蜘蛛网俘获装置获在轨飞行器的方法，其特征在于所述方法步骤如下：
机动卫星调整姿态向在轨飞行器靠近并以0.6～2m/s的速度快速展开机械臂，锁定目标后当达到20～30m的距离时，将蜘蛛网瞬间以5～10m/s的速度喷射出去包裹住飞行器，利用其自身黏附力进行吸附粘接，将蜘蛛网牢固锚定在飞行器上，将其俘获。
9.一种利用权利要求5所述的可控性智能蜘蛛网俘获装置俘获在轨飞行器的方法，其特征在于所述方法步骤如下：
当需要控制和破坏在轨飞行器，实现近距离展开吸附粘接时，在激光测距仪测量机械臂靠近至在轨飞行器0.5～1m的距离时，将装备于机械臂内环中的可控伞状俘获装置伸出，并控制支撑扣将弹簧瞬间自动释放，储存于伞柄内的弱碱水借助弹簧的弹性力，在活动片的快速推动下经由莲蓬头流出与涂覆在伞面上的DA混合，机械臂接触到飞行器时先由黏性DA提供初粘力，使得两者初步连接在一起，紧接着在弱碱水的作用下DA发生氧化聚合-交联反应，在伞面与飞行器表面进行自组装形成紧密超强附着的PDA交联复合层，使得伞状装置与在轨飞行器紧密黏附在一起，最终将在轨飞行器牢牢地控制住， 完成吸附寄生；
当需要干扰和破坏在轨飞行器，实现远距离发射并吸附粘接时，机动卫星调整姿态向在轨飞行器靠近并以0.6～2m/s的速度快速展开机械臂，锁定目标后当达到20～30m的距离时，将蜘蛛网瞬间以5～10m/s的速度喷射出去包裹住在轨飞行器，利用其自身黏附力进行吸附粘接，将蜘蛛网牢固锚定在飞行器上，将其俘获。
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