CN103466105A - 一种航天器空间可多次反复对接方法 - Google Patents

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固定形状记忆“钩”带；然后将其以折叠的形式在发射时密闭储存在航天器发射舱里；（2）将聚合物“环”带固定在目标航天器的对接装置表面；（3）当航天器进入预定轨道后，打开密闭装置，伸出折叠的柔性展开装置，当柔性展开装置展开，两个航天器接触时，通过形状记忆“钩”带和聚合物“环”带复合起来，实现航天器的对接。本发明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固定形状记忆“钩”带；然后将其以折叠的形式在发射时密闭储存在航天器发射舱里；

（2）将聚合物“环”带固定在目标航天器的对接装置表面；

（3）当航天器进入预定轨道后，打开密闭装置，伸出折叠的柔性展开装置，当柔性展开装置展开，两个航天器接触时，通过形状记忆“钩”带和聚合物“环”带复合起来，实现航天器的对接。

本发明中，所述形状记忆“钩”带按照如下步骤制备而成：

（1）制备形状记忆环氧树脂体系；

（2）将形状记忆环氧树脂体系加热至形状记忆温度以上，进行钩状弯曲变形，之后在载荷作用下冷却至形状记忆温度以下，将材料形状固定，使用铝箔将形状记忆环氧层边缘缠紧，作为无形状记忆环氧层固化的模具；

（3）将刚混合均匀的用于制备无形状记忆环氧树脂体系的环氧树脂和固化剂均匀地倒在形状记忆环氧层的上方，在固化条件下制备无形状记忆环氧层，即得到双向形状记忆层压材料；

（4）将经过固化后的双向形状记忆层压材料制备成所需的尺寸，得到形状记忆“钩”带。

本发明采用形状记忆结构扣件实现微小航天器间的对接，其基本原理与现存的尼龙粘扣的原理相似。形状记忆聚合物粘扣是由形状记忆“钩”带和聚合物“环”带两部分组成。形状记忆“钩”的形状为弯钩形，将聚合物“环”带固定在一个航天器的对接装置表面，将形状记忆“钩”带和加热层固定在另外一个航天器的表面，当展开装置展开，两个航天器接触时，通过形状记忆“钩”带和聚合物“环”带复合起来时，硬挺的勾子很容易勾住柔软的环圈而实现航天器的对接。当航天器需要分离时，加热加热层，形状记忆“钩”带恢复原有形状（为伸直状态），变直，环带和钩带实现分离。形状记忆“钩”带可以由形状记忆环氧树脂、形状记忆聚氨酯、形状记忆聚苯乙烯等制备。聚合物“环”带可以由尼龙制备。

本发明采用柔性慢速展开装置缓冲飞行速度和对接力，采用形状记忆结构扣件，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为航天器安装形状记忆“钩”带；

图3为航天器分别安装聚合物“环”带；

图4为采用双向形状记忆环氧树脂制备的“钩”带部分放大结构示意图（T<Ts）；

图5为采用双向形状记忆环氧树脂制备的“钩”带部分放大结构示意图（T>Ts）；

图6为结构扣件扣紧示意图；

图7为结构扣件脱附示意图；

图8为使用增强纤维布固定层压材料结构示意图；

图9为纤维布固定法制备层压双向形状记忆材料示意图；

图10为纤维布增强固定法制备结构扣件“钩”带部分示意图（T<Ts）；

图11为纤维布增强固定法制备结构扣件“钩”带部分示意图（T>Ts）。

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：如图1所示，本实施方式中采用形状记忆结构扣件实现微小航天器间的对接方法，所述形状记忆环氧结构扣件由聚合物“环”带和形状记忆“钩”带两部分组成，聚合物“环”带均匀分布在目标航天器的对接装置表面（图3）；形状记忆“钩”带均匀分布在加热层表面，加热层固定在柔性展开装置的表面，然后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2）；当航天器进入预定轨道后，打开密闭装置，伸出折叠的柔性展开装置，当柔性展开装置展开，两个航天器接触时，通过形状记忆“钩”带和聚合物“环”带复合起来，实现航天器的对接。

本实施方式中，所述形状记忆“钩”带按照如下步骤制备而成：

（1）按照ZL200710072431.9的方法制备形状记忆环氧树脂体系。

制备形状记忆环氧树脂体系时，通过环氧树脂与固化剂比例可以控制材料的Tg，从而控制形状记忆温度。同时，对交联度也有一定的改变，影响经过形状记忆改变前后材料的模量变化。对于固化剂与环氧树脂配方控制有如下选择：

a、一般情况下，Tg与形状记忆的转变温度相近，所以尽量将Tg控制在紧固件使用的温度范围内（使用的温度条件、加热器的温度限制）。

b、经过DMA测试，交联密度不易过高，如果交联密度过高，当材料处于高弹态的时候，分子链的移动受到交联网状结构的制约，模量仍较高，难以折叠变形，同时转变前后模量相差较小，材料的形状固定率会下降（一般要求经过玻璃化转变后，材料的模量变化在10²数量级以上）。

c、经过DMA测试，交联密度不易过低，如果交联密度过低，在形状转变的过程中，会影响到材料的回复率。转变后材料难以向初始形状转变，影响其形状记忆性能。

d、形状记忆层材料的模量应该与无形状记忆层的模量相适应。在形状记忆层转变时，材料的模量会有突跃式的变化，而无形状记忆层的模量变化是线性的（随着温度的升高，模量逐渐降低），形状记忆层升高温度时形状记忆层模量下降较慢，此时模量较高，形状记忆层会带动无形状记忆层进行形状的变化。降温时形状记忆层模量升高较慢，无形状记忆层模量较高，无形状记忆层会带动形状记忆层进行形状的变化。

（2）将形状记忆环氧树脂体系加热至形状记忆温度以上，进行钩状弯曲变形，之后在载荷作用下冷却至形状记忆温度以下，将材料形状固定，使用铝箔将形状记忆环氧层边缘缠紧，作为无形状记忆环氧层固化的模具。

（3）将刚混合均匀的用于制备无形状记忆环氧树脂体系的环氧树脂和固化剂均匀地倒在形状记忆环氧层的上方，在固化条件下制备无形状记忆环氧层，即得到双向形状记忆层压材料。

制备无形状记忆环氧层时，在材料的使用范围内，模量应处于线性变化，也就是说，材料的Tg不能在此范围内，材料Tg高于形状记忆环氧层；并且形状记忆环氧层和无形状记忆环氧层两层厚度应尽量保持一致。

（4）将双向形状记忆层压材料制备成所需的尺寸，均匀分布在加热层上，组成形状记忆“钩”带。

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：本实施方式按照如下步骤制备形状记忆环氧结构扣件：

    （1）形状记忆环氧层的制备

将15.17g-20.23g对,对′-二氨基-二苯甲烷固化剂置于104 ℃温度下加热并熔化，并与同温度下的100g环氧树脂E51混合, 用恒温磁力搅拌器在80℃搅拌20min 使之混合均匀，体系固化条件为：80℃×2.4h+150℃×1.8h。在固化条件下把树脂体系模压成型成树脂模压件。

其中环氧树脂除E51外，可以采用市售的各种环氧树脂；固化剂除对,对′-二氨基-二苯甲烷外，只要能和环氧树脂之间起化学反应生成交联结构的常用固化剂均可以使用，如胺类固化剂、酸酐类固化剂、咪唑类固化剂等。

（2）无形状记忆环氧层的制备

与形状记忆环氧层制备过程相似，无形状记忆环氧层固化剂加入量较高，使环氧树脂完全固化，使得无形状记忆环氧层的Tg至少高于形状记忆环氧层的Tg 30℃，材料的使用范围与材料的模量相关联使用的起始与结束温度应为两层材料相互作用力相等时候所对应的温度点，在升温和降温的过程中材料都会到达一个力稳态也就是两层相互作用力相等，没有相互力的迁移的时候，具体温度需要用实验进行测试，模量没有较大的变化。具体过程如下：将26.28g对,对′-二氨基-二苯甲烷固化剂置于104 ℃温度下加热并熔化，并与同温度下的100g环氧树脂混合，用恒温磁力搅拌器在80℃搅拌20min 使之混合均匀，待用。将模压成型后的形状记忆环氧层加热至形状记忆温度以上，进行弯曲变形，之后在载荷作用下冷却至形状记忆温度以下，将材料形状固定，使用铝箔将形状记忆层边缘缠紧，作为无形状记忆层固化的模具，将刚混合均匀的环氧树脂均匀地倒在形状记忆层的上方，体系固化条件为：80℃×3h+150℃×3h。在固化条件下把树脂体系模压成型成树脂模压件。

其中环氧树脂除E51外，可以采用市售的各种环氧树脂；固化剂除对,对′-二氨基-二苯甲烷外，只要能和环氧树脂之间起化学反应生成交联结构的常用固化剂均可以使用，如胺类固化剂、酸酐类固化剂、咪唑类固化剂等。

（3）双向形状记忆可反复使用的结构扣件制备

形状记忆环氧结构扣件由两部分组成，分别为聚合物“环”带和形状记忆“钩”带。钩的形状可以变形为弯钩形，硬挺的钩子很容易钩住柔软的环而起搭扣作用。聚合物“环”带材料可以采用尼龙制备成需要的形状和尺寸，均匀分布在上目标航天器的对接装置表面，形状记忆“钩”带放大图如图4-5所示。

当需要结构扣件扣紧时，可对结构扣件的形状记忆“钩”带部分加热，当温度大于形状记忆温度时，形状记忆“钩”带部分进行伸直变形，并与聚合物“环”带部分充分接触，之后将温度降低至形状记忆温度以下，形状记忆“钩”带部分弯曲，充分与聚合物“环”带部分扣紧。如图6所示。

当结构扣件脱附时，对结构扣件的形状记忆“钩”带部分升温，当温度大于形状记忆温度时，形状记忆“钩”带部分进行伸直变形，与聚合物“环”带部分脱附。如图7所示。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是，采用复合材料纤维布增强的方法固定形状记忆环氧层以及无形状记忆环氧层，将形状记忆环氧树脂体系的环氧树脂和固化剂按照以上配方调制均匀后，倒入模具，将增强纤维布竖立浸渍其中，按照具体实施方式二中的固化制度进行固化，如图8所示。

将固化后的形状记忆环氧树脂体系从模具中脱出，加热至形状记忆温度以上后弯曲，降温后将材料形状固定，在上层进行无形状记忆环氧层的二次固化，制备出双向形状记忆层压材料，如图9所示。

将制备好的双向形状记忆材料经过机械剪裁成所需尺寸，均匀分布在基底材料上，如图10-11所示。

在本实施方式中的增强纤维布可采用玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维和其他有机纤维，如PBO、Vectran、Spetra等。

Claims (7)

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固定形状记忆“钩”带；然后将其以折叠的形式在发射时密闭储存在航天器发射舱里；

（2）将聚合物“环”带固定在目标航天器的对接装置表面；

（3）当航天器进入预定轨道后，打开密闭装置，伸出折叠的柔性展开装置，当柔性展开装置展开，两个航天器接触时，通过形状记忆“钩”带和聚合物“环”带复合起来，实现航天器的对接。

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，其特征在于所述形状记忆“钩”带按照如下步骤制备而成：

（1）制备形状记忆环氧树脂体系；

（2）将形状记忆环氧树脂体系加热至形状记忆温度以上，进行钩状弯曲变形，之后在载荷作用下冷却至形状记忆温度以下，将材料形状固定，使用铝箔将形状记忆环氧层边缘缠紧，作为无形状记忆环氧层固化的模具；

（3）将刚混合均匀的用于制备无形状记忆环氧树脂体系的环氧树脂和固化剂均匀地倒在形状记忆环氧层的上方，在固化条件下制备无形状记忆环氧层，即得到双向形状记忆层压材料；

（4）将经过固化后的双向形状记忆层压材料制备成所需的尺寸，得到形状记忆“钩”带。

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，其特征在于所述无形状记忆环氧层的Tg高于形状记忆环氧层的Tg。

4.根据权利要求1所述的航天器空间可多次反复对接方法，其特征在于所述无形状记忆环氧层的Tg至少高于形状记忆环氧层Tg 30℃。

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，其特征在于采用复合材料纤维布增强的方法固定形状记忆环氧层以及无形状记忆环氧层，具体方法如下：

将形状记忆环氧树脂体系的环氧树脂和固化剂调制均匀后，倒入模具，将增强纤维布竖立浸渍其中，然后进行固化；将固化后的形状记忆环氧树脂体系从模具中脱出，加热至形状记忆温度以上后弯曲，降温后将材料形状固定，在上层进行无形状记忆环氧层的二次固化，制备出双向形状记忆层压材料。

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，其特征在于所述增强纤维布为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、PBO、Vectran、Spetra。

7.根据权利要求1或5所述的航天器空间可多次反复对接方法，其特征在于所述形状记忆环氧层和无形状记忆环氧层的厚度一致。

Images