CN103587728B - 绳网式空间碎片抓捕与清除系统 - Google Patents

Abstract

本发明绳网式空间碎片抓捕与清除系统，包括发射子系统和飞网子系统，发射子系统又包括发射器、网舱、网舱盖弹射装置、缓冲装置、系绳张力控制装置和系绳切割器，飞网子系统又包括绳网和质量块；网舱盖从网舱出口弹出，绳网在网舱盖的带动下从网舱拉出；在飞网和系绳拉直瞬间，发射器工作，四个质量块按照预设的发射张角带动绳网边飞出边张开并达到张满状态，到达目标位置后网住目标，质量块控制绳网收紧网口完成目标的捕获；系绳将捕获后的目标飞行器拉离轨道后，系绳切割器切断系绳将目标飞行器与卫星平台分离。本发明采用二级发射方式，避免了绳网展开过程中的缠绕、打结；本发明推动质量块同步发射，实现了毫秒级同步发射，有利于网型控制。

Description

绳网式空间碎片抓捕与清除系统

技术领域

本发明涉及一种绳网式空间碎片抓捕与清除系统，属航天技术领域，可用于空间碎片(废弃卫星、轨道垃圾)的抓捕与清理，也可用于其它非合作目标的捕获和在轨服务。

背景技术

空间碎片起源于人类的航天活动，随着空间技术的飞速发展，空间碎片的数量也随之高速增长，根据美国空间监测网公布的数据，截至2012年1月，可监测并记录到的空间物体接近22000个，其中90％以上属于空间碎片，其潜在的碰撞风险日益威胁着航天器的在轨运行安全，已成为一个引人瞩目的环境问题。目前，国际上对空间碎片的减缓措施主要有钝化、系留、垃圾轨道和重复利用等四种策略，现有碎片减缓措施在一定程度上能够减缓空间碎片的增长趋势，但不能改变空间碎片总量继续增长的趋势。空间碎片之间的相互碰撞成为未来碎片数量增长的主要因素，只有采取主动清除措施，清除影响比较大的碎片，才能从根本上阻止空间碎片的增长趋势，进而改善空间碎片环境。

绳网式抓捕技术是当前国际上研究比较热门的一种空间碎片主动清除技术，通过向被捕获目标方向展开一张由细绳编织成的网,通过绳网包裹住空间碎片,实现对碎片的回收与清除。与传统的机械手抓捕方式相比,绳网式抓捕方式具有安全性高、对载体航天器影响小、消耗能量少、抓捕容错范围大等优点。

目前，在绳网式空间目标抓捕系统研究方面国外也开展了多个项目研究，其中包括欧洲的ROGER(Robotic Geostationary Orbit Restorer)项目，美国的EDDE项目和日本的Furoshiki项目。ROGER(RoboticGeostationary Orbit Restorer)项目主要研究卫星服务系统的可行性，该系统用于清除同步轨道上的废弃卫星和运载器上面级，用发射器发射质量块，带动飞网展开，飞网捕获目标后收口主要靠装在质量块内部的电机来完成收口绳的缠绕。ROGER项目给出了发射器的构型，其发射系统存在以下不足：(1)四个质量块采取弹簧弹射的方式，难以精确控制发射的同步性，可能导致绳网中心偏置，无法包覆目标；(3)采用边拉出、边展开的飞网展开方式，对于大型稀疏绳网，难以避免飞网展开过程的网绳间的干涉穿透现象，从而导致打结、缠绕，无法顺利展开。

EDDE是一种依靠带电导体与地球磁场相互作用产生推力的绳系卫星，其系绳长度在数千米量级，其绕地球轨道飞行，利用携带的200个绳网来捕获太空垃圾，EDDE项目中的绳网仅重50g，可知飞网规模较小，不适合抓捕废弃卫星等大型目标。

Furoshiki系统由四个角卫星和靠拉力连接的巨大的绳网或薄膜组成，同时利用像蜘蛛一样趴在绳子上的空间飞网机器人来安装定向天线和太阳能部件。Furoshiki项目是利用四颗角卫星将绳网(或薄膜)展开，可在空间展开宽达数公里的巨网，但其抓捕系统由四颗小卫星+绳网组成，系统复杂，成本较高，只适合抓捕高价值的重要目标。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种绳网式空间碎片抓捕与清除系统，采用二级发射和质量块同步发射方式，实现了空间大小碎片的抓捕与清理。

本发明的技术解决方案是：

绳网式空间碎片抓捕与清除系统，包括发射子系统和飞网子系统，发射子系统又包括发射器、网舱、网舱盖弹射装置、缓冲装置、系绳张力控制装置和系绳切割器，飞网子系统又包括绳网和质量块；

当卫星发现目标飞行器后，卫星自主控制网舱盖弹射装置工作，将网舱盖从网舱出口弹射出去，绳网在网舱盖的带动下从网舱内依次倒序拉出，随着绳网被拉出，绳网和系绳张力控制装置中的系绳逐渐被拉直；

在绳网和系绳拉直的瞬间，卫星自主控制发射器开始工作，发射器推动四个质量块按照预设的发射张角运动，质量块带动绳网从后向前边飞行边展开，并达到张满的状态，待绳网将目标飞行器完全包覆后，质量块控制绳网收紧网口完成对目标的捕获；

系绳张力控制装置中的系绳将捕获后的目标飞行器强制拉离轨道，拉离轨道后，系绳切割器切断系绳将目标飞行器与卫星平台分离；

所述发射器用于推动四个质量块按照预设的发射张角运动，推动质量块牵引绳网从后向前展开达到张满状态，实现对目标的捕获；

所述网舱用于放置绳网；

所述网舱盖弹射装置用于将网舱盖弹开后带动绳网中心部位将绳网从网舱中依次倒序拉出；

所述缓冲装置安装在发射器底部，用于减缓发射器发射时产生的冲击和反推力；

所述系绳张力控制装置与飞网子系统连接，在飞网子系统完成目标的捕获收口锁定后通过收放系绳实现张力控制；

所述绳网用于形成对目标足够大的覆盖空间，将目标完全包围后启动质量块完成对目标的包覆；

所述质量块用于拖动空间绳网展开，并触发收紧网口完成目标的抓捕。

所述发射器包括点火器、起爆器、主活塞、导向销、密封圈、四个分活塞套筒、四个分活塞、剪切销、主活塞导引套筒、连接杆和底座，点火器和起爆器安装在发射器的底座内，在发射器工作前，主活塞面积较大的部分设置在底座内并位于起爆器之上，主活塞面积较小的部分设置在主活塞导引套筒内，主活塞面积较大的部分与面积较小的部分之间采用锥形肩过渡，导向销设置在主活塞导引套筒上用于对主活塞的运动进行限位，主活塞的底部设有四个通孔用于当主活塞运动到上限时与四个分活塞连通，四个分活塞套筒均布在底座与主活塞导引套筒之间的过渡段，四个分活塞设置在四个分活塞套筒内，四个分活塞的底部均位于主活塞的锥形肩上，四个分活塞的顶部安装连接杆，连接杆通过剪切销与分活塞套筒相连接，在主活塞与底座之间、分活塞与分活塞套筒之间均采用密封圈进行密封。

所述网舱盖弹射装置包括安装座、火工切割器、压紧杆、弹簧套筒、网舱盖和分离弹簧，安装座在网舱的底部，火工切割器在安装座上；弹簧套筒位于网舱内部中心位置并与网舱底部固连，分离弹簧位于弹簧套筒内，压紧杆一端穿过网舱盖、弹簧套筒、火工切割器与安装座连接，压紧杆另一端安装螺母紧固件将网舱盖压紧在网舱上，网舱盖弹射装置工作时，火工切割器起爆切断压紧杆，分离弹簧释放将网舱盖和压紧杆弹出，网舱盖获得初速度将绳网拉出，实现一级发射功能。

所述缓冲装置包括套筒座、耳片、缓冲蜂窝、压板、拉簧、活塞和连接板，圆环状的缓冲蜂窝和活塞下端圆柱面均在套筒座内，活塞下端圆柱面与套筒座为轴孔间隙配合，压板与套筒座固连，并将活塞下端圆柱台阶部分压在缓冲蜂窝上，活塞上端通过螺纹孔与发射器底座连接，连接板在活塞上端，耳片安装在套筒座外侧面，拉簧分别挂在耳片和连接板上，拉簧在圆周方向布置到件；发射器工作后，底座会产生较大的后坐力，后坐力通过活塞传递至缓冲蜂窝，将缓冲蜂窝压溃，缓冲蜂窝压溃过程会吸收能量降低后坐力对安装结构的冲击和作用力，缓冲蜂窝的尺寸可根据安装结构承载能力大小设计确定。

所述系绳张力控制装置包括伺服电机、卷线筒、伺电机驱动器、导轮竖板、计米器、张力传感器、张力调节器、角度测量固定架、底板、电机编码器、电磁制动器、减速器、电机固定架、齿轮键a、锥齿轮a、锥齿轮b、安装耳朵a、轴承a、齿轮键b、卷筒轴、卷筒键、轴承b、安装耳朵b、压力可调装置上板、压力可调装置螺母、上压轮、计米器导轮、系绳导轮a、系绳导轮b、角位移传感器a、张力传感器导轮、小轴承a、弧形悬臂a、弧形悬臂b、小轴承b和角位移器b；减速器上带有减速器键槽；卷筒轴上带有卷筒轴齿轮键槽和卷筒轴键槽；电机固定架通过螺钉固定在底板上，减速器的法兰盘固定安装在电机固定架上，伺服电机的轴与减速器的轴通过行星齿轮连接；伺服电机的外壳与减速器的外壳固定连接；电磁制动器与伺服电机固定连接；电机编码器与电磁制动器固定连接；减速器通过减速器键槽和齿轮键a与锥齿轮a固定连接；安装耳朵a和安装耳朵b为一对耳朵；安装耳朵a固定在底板上，轴承a的外圈固定在安装耳朵a上，安装耳朵a起到支撑并固定轴承a的作用；轴承a的内圈固定在卷筒轴上；卷筒轴穿过轴承a和安装耳朵a后通过卷筒轴齿轮键槽和齿轮键b与锥齿轮b固定连接；锥齿轮a和锥齿轮b相互啮合；卷线筒通过卷筒轴键槽和卷筒键与卷筒轴固定连接；安装耳朵b固定在底板上，轴承b的外圈固定在安装耳朵b上，轴承b的内圈与卷筒轴固定连接；伺电机驱动器固定在底板上，伺服电机通过伺电机驱动器进行驱动；压力可调装置上板的顶端为一上平板、底端带有圆板、中间为螺纹柱，螺纹柱上套装有弹簧；圆板下面还有一部分圆柱，与中间的螺纹柱一体成型但不带有螺纹；圆板在螺纹柱和圆柱之间可以上下移动；导轮竖板固定在底板上，计米器通过端面安装法兰固定在导轮竖板上，计米器导轮固定在计米器的轴上，压力可调装置上板固定在导轮竖板上，压力可调装置螺母套装在压力可调装置上板的螺纹柱上；上压轮为带有U形支架的压轮，压轮通过轴固定在U形支架上；U形支架与压力可调装置上板上的圆柱为活动连接，上压轮在压力可调装置上板的弹簧的作用下，可以沿圆柱上下移动；上压轮和计米器导轮之间压系绳通过摩擦力进行啮合，摩擦力可由压力可调装置弹簧的压紧力调节；张力传感器固定在底板上，张力传感器导轮固定在张力传感器上；系绳导轮a通过轴承固定在导轮竖板上；系绳导轮b通过轴承固定在导轮竖板上；张力调节器固定在导轮竖板上；系绳依次通过计米器导轮、张力传感器导轮、系绳导轮b、系绳导轮a和张力调节器；计米器导轮、张力传感器导轮、系绳导轮b、系绳导轮a和张力调节器在一个竖直面上；角度测量固定架为一体成型，上端带有顶板、中间带有横板、两侧带有侧板；角度测量固定架固定在底板上；角位移传感器a的外壳固定在角度测量固定架的顶板上；角位移传感器a的轴穿过角度测量固定架的顶板；角位移器b的外壳固定在角度测量固定架的一个侧板上；角位移器b的轴穿过角度测量固定架的侧板；小轴承b的外圈固定在角度测量固定架的横板上；弧形悬臂b的一端固定在小轴承b的内圈上，其另一端固定在角位移传感器a的轴上；小轴承a的外圈固定在角度测量固定架的另一个侧板上；弧形悬臂a的一端固定在小轴承a的内圈上，其另一端固定在角位移器b的轴上。

所述绳网包括网片、中心绳结、边线绳、加强绳和拉出绳；网片由网绳编织成正方形，网片中的网目呈菱形排列；网片的四条边线绳与网片的四条边通过绳结连接，每两条边线绳之间的交汇点采用绳结连接；两条加强绳分别与网片的两条对角线通过绳结连接；两条加强绳交汇处采用中心绳结与网片中心点连接；每条边线绳与加强绳的交汇点均引出一条拉出绳。

所述质量块包括支撑部分、动力传动执行部分和控制部分；

所述的支撑部分包括中外筒、电源支架、电源定位块、电机固定板、上外筒、无线发射模块底座和下外筒，中外筒的两端分别与电机固定板和电源支架用台阶定位并用均布的螺钉径向连接，下外筒与电源支架一端用台阶定位并用均布的螺钉径向连接，另一端连接航空插头；

所述的动力传动执行部分包括两个电机、两个减速器、两个棘轮、两个绕线轮、绕线轮隔板和顶端轴承；其中，一台电机配置一台减速器，一台电机驱动一个绕线轮，一个绕线轮上有一个棘轮；

所述的控制部分包括航空插头、电源、控制电路板和无线发射模块；

所述的上外筒、中外筒和下外筒组成该装置的外壳，除上外筒、中外筒和下外筒外，该装置的其他部分安装在该装置的外壳上或外壳的里面，上外筒与电机固定板之间是用台阶定位并用均布的螺钉径向连接；

两个电机并置排列，电机和减速器装配成一体并固定在电机固定板上，电机固定板是上外筒和中外筒的连接部件并与上外筒和中外筒固定相连；

绕线轮固定在减速器的输出轴上，绕线轮有两个，两个绕线轮的中间为绕线轮隔板；

电源支架为一带有底盖的金属空心圆筒，且底盖上带有凸台；电源支架的内部固定安装电源；电源支架的筒身部分固定在中外筒上；电源支架的底盖固定在下外筒上；电源支架的底盖和凸台位于中外筒的外面；控制电路板固定在电源支架的凸台上，控制电路板用于控制电机的转动；

电源定位块位于电源支架的圆筒内且位于电源的上面；

棘轮固定在绕线轮上，每个绕线轮上都有一个棘轮；

无线发射模块通过无线发射模块底座固定在中外筒的内壁上；

航空插头固定在下外筒的顶端面上，通过航空插头与外界进行通讯；

顶端轴承嵌入到电源定位块内。

所述缓冲装置采用铝蜂窝缓冲方式，蜂窝的缓冲力可以根据实际需要进行设计。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明相比机械式抓捕不需要瞄准精确抓捕位置，误差冗余更大(≥±5m)，抓捕可靠性高，作用距离更远(几十米到几百米)，对平台测量及控制要求低，具有更高的抓捕安全性，不需要复杂的电机驱动，系统结构更为简单，技术难度相对较小。

(2)本发明采用先拉出、后展开的“二级”发射展开方式，使飞网规则、有序拉出直至拉直，保证在空间任务中飞网能够顺利展开有效避免了了大型稀疏绳网展开过程中的缠绕、打结问题；

(3)本发明采用火工品起爆反应产生大量燃气，同步推动4个质量块发射的方式，可实现毫秒级实现高同步发射，有利于出口后的网型控制，同时利用高压燃气提高了发射速度，并且安全性高；

(4)本发明通过质量块的合理设计，质量块在发射过程中的冲击力会沿着设计好的路径传递，避开了一些抗冲击薄弱环节，对发射冲击起到了良好的缓冲作用，同时也增强了机构的可靠性；力在传递过程中，由于传递台阶的设计，使受力传递过程避开一些薄弱部件，沿着设计方向传递。

附图说明

图1为本发明绳网式空间碎片抓捕与清除系统示意图；

图2为本发明绳网式空间碎片抓捕与清除系统发射器的组成结构图；

图3为本发明绳网式空间碎片抓捕与清除系统网舱盖弹射装置组成示意图；

图4为本发明绳网式空间碎片抓捕与清除系统一级拉出过程示意图；

图5为本发明绳网式空间碎片抓捕与清除系统二级展开过程示意图；

图6为本发明绳网式空间碎片抓捕与清除系统发射缓冲装置示意图；

图7为本发明绳网式空间碎片抓捕与清除系统系绳张力控制装置组成图；

图8为本发明绳网式空间碎片抓捕与清除系统绳网结构图；

图9为本发明绳网式空间碎片抓捕与清除系统绳网网束包的尺寸规格结构图；

图10为本发明绳网式空间碎片抓捕与清除系统绳网边线绳包的尺寸规格；

图11为本发明绳网式空间碎片抓捕与清除系统绳网收拢过程；

图12为本发明绳网式空间碎片抓捕与清除系统绳网收纳网束过程；

图13为本发明绳网式空间碎片抓捕与清除系统绳网收纳边绳线过程；

图14为本发明绳网式空间碎片抓捕与清除系统质量块主视结构剖面图；

图15为本发明绳网式空间碎片抓捕与清除系统质量块俯视结构剖面图；

图16为本发明绳网式空间碎片抓捕与清除系统右视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

如图1所示，绳网式空间碎片抓捕与清除系统，其特征在于包括：发射子系统和飞网子系统，发射子系统又包括发射器1、网舱2、网舱盖弹射装置3、缓冲装置4、系绳张力控制装置5和系绳切割器6，飞网子系统又包括绳网7和质量块8；当卫星发现目标飞行器后，卫星自主控制网舱盖弹射装置3工作，将网舱盖从网舱2出口弹射出去，绳网在网舱盖的带动下从网舱2内依次倒序拉出，随着绳网7被拉出，绳网7和系绳张力控制装置5中的系绳逐渐被拉直；在飞网和系绳拉直的瞬间，卫星自主控制发射器1开始工作，发射器1推动四个质量块8按照预设的发射张角运动，质量块8带动绳网7从后向前展开并达到张满的状态，待绳网7将目标飞行器完全包覆后，质量块8控制绳网7收紧网口完成对目标的捕获；系绳张力控制装置5中的系绳9将捕获后的目标飞行器强制拉离轨道，拉离轨道后，系绳切割器6切断系绳9将目标飞行器与卫星平台分离。

如图2所示，发射器1包括点火器11、起爆器12、主活塞13、导向销14、密封圈15、四个分活塞套筒16、四个分活塞17、剪切销18、主活塞导引套筒19、连接杆110和底座111，点火器11和起爆器12安装在发射器的底座111内，在发射器工作前，主活塞13面积较大的部分设置在底座111内并位于起爆器12之上，主活塞13面积较小的部分设置在主活塞导引套筒19内，主活塞13面积较大的部分与面积较小的部分之间采用锥形肩过渡，导向销14设置在主活塞导引套筒19上用于对主活塞13的运动进行限位，主活塞13的底部设有四个通孔用于当主活塞13运动到上限时与四个分活塞17连通，四个分活塞套筒16均布在底座111与主活塞导引套筒19之间的过渡段，四个分活塞17设置在四个分活塞套筒16内，四个分活塞17的底部均位于主活塞13的锥形肩上，四个分活塞17的顶部安装连接杆110，连接杆110通过剪切销18与分活塞套筒16相连接，在主活塞13与底座111之间、分活塞17与分活塞套筒16之间均采用密封圈15进行密封，每个分活塞套筒16轴线与主活塞导引套筒19轴线之间的夹角为45°～55°。

如图3所示，网舱盖弹射装置3包括安装座31、火工切割器32、压紧杆33、弹簧套筒34、网舱盖36和分离弹簧35，安装座31在网舱2的底部，火工切割器32在安装座31上，弹簧套筒34位于网舱2内部中心位置并与网舱2底部固连，分离弹簧35位于弹簧套筒34内，压紧杆33一端穿过网舱盖36、弹簧套筒34、火工切割器32与安装座31连接，压紧杆33另一端安装螺母紧固件将网舱盖36压紧在网舱2上，网舱盖弹射装置工作时，火工切割器32起爆切断压紧杆33，分离弹簧35释放将网舱盖36和压紧杆33弹出，网舱盖36获得初速度将绳网7拉出，实现一级发射功能。

如图6所示，缓冲装置4包括套筒座41、耳片42、缓冲蜂窝43、压板44、拉簧45、活塞46和连接板47，圆环状的缓冲蜂窝43和活塞46下端圆柱面均在套筒座41内，活塞46下端圆柱面与套筒座41为轴孔间隙配合，压板44与套筒座41固连，并将活塞46下端圆柱台阶部分压在缓冲蜂窝43上，活塞46上端通过螺纹孔与发射器底座111连接，连接板47在活塞46上端，耳片42安装在套筒座41外侧面，拉簧45分别挂在耳片42和连接板47上，拉簧45在圆周方向布置4到6件；发射器工作后，底座111会产生较大的后坐力，后坐力通过活塞46传递至缓冲蜂窝43，将缓冲蜂窝43压溃，缓冲蜂窝43压溃过程会吸收能量降低后坐力对安装结构的冲击和作用力，缓冲蜂窝43的尺寸可根据安装结构承载能力大小设计确定。

如图7所示，系绳张力控制装置5包括伺服电机51、卷线筒52、伺电机驱动器53、导轮竖板54、计米器55、张力传感器56、张力调节器57、角度测量固定架58、底板59、电机编码器50、电磁制动器511、减速器512、电机固定架513、齿轮键a515、锥齿轮a516、锥齿轮b517、安装耳朵a518、轴承a519、齿轮键b521、卷筒轴522、卷筒键524、轴承b525、安装耳朵b526、压力可调装置上板527、压力可调装置螺母528、上压轮529、计米器导轮530、系绳导轮a531、系绳导轮b532、角位移传感器a533、张力传感器导轮534、小轴承a535、弧形悬臂a536、弧形悬臂b537、小轴承b538和角位移器b539；减速器512上带有减速器键槽514；卷筒轴522上带有卷筒轴齿轮键槽520和卷筒轴键槽523；电机固定架513通过螺钉固定在底板59上，减速器512的法兰盘固定安装在电机固定架513上，伺服电机51的轴与减速器512的轴通过行星齿轮连接；伺服电机51的外壳与减速器512的外壳固定连接；电磁制动器511与伺服电机51固定连接；电机编码器510与电磁制动器511固定连接；减速器512通过减速器键槽514和齿轮键a515与锥齿轮a516固定连接；安装耳朵a518和安装耳朵b526为一对耳朵；安装耳朵a518固定在底板59上，轴承a519的外圈固定在安装耳朵a518上，安装耳朵a518起到支撑并固定轴承a519的作用；轴承a519的内圈固定在卷筒轴522上；卷筒轴522穿过轴承a519和安装耳朵a518后通过卷筒轴齿轮键槽520和齿轮键b521与锥齿轮b517固定连接；锥齿轮a516和锥齿轮b517相互啮合；卷线筒52通过卷筒轴键槽523和卷筒键524与卷筒轴522固定连接；安装耳朵b526固定在底板59上，轴承b525的外圈固定在安装耳朵b526上，轴承b525的内圈与卷筒轴522固定连接；伺服电机驱动器53固定在底板59上，伺服电机51通过伺电机驱动器53进行驱动；压力可调装置上板527的顶端为一上平板、底端带有圆板、中间为螺纹柱，螺纹柱上套装有弹簧；圆板下面还有一部分圆柱，与中间的螺纹柱一体成型但不带有螺纹；圆板在螺纹柱和圆柱之间可以上下移动；导轮竖板54固定在底板59上，计米器55通过端面安装法兰固定在导轮竖板54上，计米器导轮530固定在计米器55的轴上，压力可调装置上板527固定在导轮竖板54上，压力可调装置螺母528套装在压力可调装置上板527的螺纹柱上；上压轮529为带有U形支架的压轮，压轮通过轴固定在U形支架上；U形支架与压力可调装置上板527上的圆柱为活动连接，上压轮529在压力可调装置上板527的弹簧的作用下，可以沿圆柱上下移动；上压轮529和计米器导轮530之间压系绳通过摩擦力进行啮合，摩擦力可由压力可调装置弹簧的压紧力调节；张力传感器56固定在底板59上，张力传感器导轮534固定在张力传感器56上；系绳导轮a531通过轴承固定在导轮竖板54上；系绳导轮b32通过轴承固定在导轮竖板54上；张力调节器57固定在导轮竖板54上；系绳依次通过计米器导轮530、张力传感器导轮534、系绳导轮b532、系绳导轮a531和张力调节器57；计米器导轮530、张力传感器导轮34、系绳导轮b32、系绳导轮a531和张力调节器57在一个竖直面上；角度测量固定架58为一体成型，上端带有顶板、中间带有横板、两侧带有侧板；角度测量固定架58固定在底板59上；角位移传感器a533的外壳固定在角度测量固定架58的顶板上；角位移传感器a533的轴穿过角度测量固定架58的顶板；角位移器b539的外壳固定在角度测量固定架58的一个侧板上；角位移器b539的轴穿过角度测量固定架58的侧板；小轴承b538的外圈固定在角度测量固定架58的横板上；弧形悬臂b537的一端固定在小轴承b538的内圈上，其另一端固定在角位移传感器a33的轴上；小轴承a535的外圈固定在角度测量固定架58的另一个侧板上；弧形悬臂a536的一端固定在小轴承a535的内圈上，其另一端固定在角位移器b539的轴上。

系绳张力控制装置5与飞网连接，在飞网完成收口锁定后通过收放系绳实现张力控制，通过控制系绳张力实现系绳防断裂、防缠绕、绳系组合体防碰撞、绳系组合体姿态稳定控制，是实现绳系组合体安全稳定离轨的重要装置。其工作过程如下：系绳首先穿过空间角度测量装置中弧形悬臂a536与弧形悬臂b537底部中心的方形槽，然后经过弧形悬臂球心处的出线口穿出，这样装置首先就可以测出系绳进入装置时的空间进线角度。系绳接着经过张力调节器57的过线槽，通过调节张力调节器57上的调节螺母可以将系绳的预张力值调节到合适值，以防止系绳在装置内部松弛脱落，然后系绳经过系绳导轮a531和系绳导轮b532，将系绳引导至张力传感器56的导轮534处，由张力传感器56测得系绳上张力，再经过计米器导轮530与上压轮529将系绳压紧，系绳带动计米器导轮530转动而测得系绳收放的长度和速度，通过压力可调装置螺母528可以调节计米器导轮530与上压轮529与它们间系绳的压紧力，以提供足够大静摩擦力防止系绳与计米器导轮530产生相对滑动而出现系绳卷放长度测量不准确的情况，将系绳连接固定于卷线筒52的内壁处。装置中的执行元件由电机编码器50、电磁制动器511、伺服电机51及减速器512组成，通过锥齿轮a516和锥齿轮b517对传动机构传动至卷线筒52，因而控制伺服电机的力矩输出就能调节系绳的卷绕力矩，最终能够根据张力传感器测量到系绳上的张力值大小并通过PID控制等控制策略实现对系绳张力的闭环控制。

如图8、9、10所示，绳网主要由网片71、中心绳结72、边线绳73、加强绳74、拉出绳75等部分组成。网片71由网绳采用平头结方式编织而成，材料选取为0.3mm凯夫拉72股捻绳，网目呈菱形排列，此种网格拓扑结构可以保证在将网片收成束状后，网片四条边线到达绳网中心点的距离相等；四条边线绳73与网片71的四条边通过锁边绳结固定连接，边线绳73之间的交汇点采用绳结固定连接；两条加强绳74分别与网片71两条对角线通过绳结固定连接，两条加强绳74交汇处采用中心绳结72与网片71中心点固定连接结；拉出绳75一端与边线绳73和加强绳74的交汇点固定连接，一端为自由端。边线绳73、加强绳74、拉出绳75材料为3mm凯夫拉712编编绳，用来抵抗绳网发射过程的冲击。

绳网是一种稀疏结构，展开后具有较大的尺寸，占据较大的空间。为了压缩绳网的体积，需要采取一定的方法对绳网进行收纳封装。本发明所设计的绳网收纳封装方法取名为“S字型栅格式”收纳封装方法。

如图11、12、13所示，绳网收纳封装过程可分为收拢绳网、收纳网束、收纳边线绳三个部分。

收拢绳网：如图11所示，将绳网平铺于地面并展开，找到绳网中心绳结72，牵拉绳网中心绳结72将绳网拉成网束，保证四条边线绳73收拢并处于距离绳网中心绳结72等半径的弧段上。收拢好的网束由网中心绳结72至边线绳73逐渐过度变粗。

收纳网束：如图12所示，由绳网中心绳结72开始将网束以“W”字型折法收于网束包76的栅格内。将网束包76以“S字型”折法折成方块状后(开口朝上)收纳于网舱77内。网束包76为栅格式，如图9所示，由两层布缝制而成，具有多个两端通孔的栅格，栅格宽度为渐变式，如图9所示栅格高度为40cm，栅格宽度具体尺寸如表1所示，以适应逐渐变粗的绳网束。栅格式网束包收纳的优势在于将绳网束分栅格独立收纳，从而保证了绳网束逐段有序拉出，并防止了不同栅格内的网束之间的交错缠绕。

表1

序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17
																		宽度	3	3.4	3.7	4	4.3	4.5	4.8	5	5.2	5.4	5.6	5.8	6	6.2	6.4	6.6	6.8
序号	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30	31	32	33
																		宽度	6.9	7	7.2	7.4	7.5	7.6	7.8	7.9	8	8.2	8.4	8.5	8.7	8.8	8.9	9

收纳边线绳：如图13所示，将边线绳73以“W”字型折法，分别收于四个边线绳包78内。栅格式边线绳包78，如图10所示，由两层布缝制而成，边线绳包8内侧缝有粘扣，具有八个两端通孔的等宽度栅格，栅格高度为40cm，每个栅格宽度为3cm。将边线绳73等分成八组并插入对应的栅格中，将边线绳包78通过粘扣粘贴于网舱77的外表面，完成绳网的收纳封装过程。

如图14、15、16所示，质量块8包括支撑部分、动力传动执行部分和控制部分；

支撑部分包括中外筒81、电源支架84、电源定位块87、电机固定板88、上外筒812、无线发射模块底座813和下外筒814，中外筒81的两端分别与电机固定板88和电源支架84用台阶定位并用均布的螺钉径向连接，下外筒814与电源支架84一端用台阶定位并用均布的螺钉径向连接，另一端连接航空插头2，中外筒81上有横竖相间的通槽并且留有绕线轮811进线孔，下外筒814的下端有三个尾绳栓线孔；上外筒812、中外筒81和下外筒814组成该装置的外壳，除上外筒812、中外筒81和下外筒814外，该装置的其他部分安装在该装置的外壳上或外壳的里面，上外筒812与电机固定板88之间是用台阶定位并用均布的螺钉径向连接。

动力传动执行部分包括两个电机85、两个减速器86、两个棘轮89、两个绕线轮811、绕线轮隔板815和顶端轴承816；其中，一台电机配置一台减速器，一台电机驱动一个绕线轮，一个绕线轮上有一个棘轮；两个电机85并置排列，电机85和减速器86装配成一体并固定在电机固定板88上，电机固定板88是上外筒812和中外筒81的连接部件并与上外筒812和中外筒81固定相连；绕线轮811固定在减速器86的输出轴上，绕线轮811有两个，两个绕线轮811的中间为绕线轮隔板815；顶端轴承816嵌入到电源定位块87内，电源定位块87位于电源支架84的圆筒内且位于电源83的上面；棘轮89固定在绕线轮811上，每个绕线轮811上都有一个棘轮89。

控制部分包括航空插头82、电源83、控制电路板810和无线发射模块818，电源83采用的是锂电池，给直流电机85提供电能，控制电路板810是给整个质量块发送指令的部件，控制电路板810通过螺钉和绝缘垫片固定在电源支架84上；航空插头82固定在下外筒814的顶端面上，通过航空插头82与外界进行通讯；无线发射模块818通过无线发射模块底座813固定在中外筒81的内壁上。

电源支架84为一带有底盖的金属空心圆筒，且底盖上带有凸台；电源支架84的内部固定安装电源83；电源支架84的筒身部分固定在中外筒81上；电源支架84的底盖固定在下外筒814上；电源支架84的底盖和凸台位于中外筒81的外面；控制电路板810固定在电源支架84的凸台上，控制电路板810用于控制电机85的转动。

质量快是拖动空间飞网展开，并在适当时机触发收紧网口，避免所抓捕目标脱逃的重要部件。

如图4、5所示，绳网式空间碎片抓捕与清除系统捕获目标飞行器具体步骤如下：

当卫星发现目标飞行器后，卫星自主控制网舱盖弹射装置3工作，将网舱盖从网舱2出口弹射出去，绳网在网舱盖的带动下从网舱2内依次倒序拉出，随着绳网7被拉出，绳网7和系绳张力控制装置5中的系绳逐渐被拉直；

在飞网和系绳拉直的瞬间，卫星自主控制发射器1开始工作，发射器1推动四个质量块8按照预设的发射张角运动，质量块8带动绳网7从后向前展开并达到张满的状态，待绳网7将目标飞行器完全包覆后，质量块8控制绳网7收紧网口完成对目标的捕获；

系绳张力控制装置5中的系绳9将捕获后的目标飞行器强制拉离轨道，拉离轨道后，系绳切割器6切断系绳9将目标飞行器与卫星平台分离。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1.绳网式空间碎片抓捕与清除系统，其特征在于包括：发射子系统和飞网子系统，发射子系统又包括发射器(1)、网舱(2)、网舱盖弹射装置(3)、缓冲装置(4)、系绳张力控制装置(5)和系绳切割器(6)，飞网子系统又包括绳网(7)和质量块(8)；

当卫星发现目标飞行器后，卫星自主控制网舱盖弹射装置(3)工作，将网舱盖(36)从网舱(2)出口弹射出去，绳网(7)在网舱盖(36)的带动下从网舱(2)内依次倒序拉出，随着绳网(7)被拉出，绳网(7)和系绳张力控制装置(5)中的系绳(9)逐渐被拉直；

在绳网(7)和系绳(9)拉直的瞬间，卫星自主控制发射器(1)开始工作，发射器(1)推动四个质量块(8)按照预设的发射张角运动，质量块(8)带动绳网(7)从后向前边飞行边展开，并达到张满的状态，待绳网(7)将目标飞行器完全包覆后，质量块(8)控制绳网(7)收紧网口完成对目标的捕获；

系绳张力控制装置(5)中的系绳(9)将捕获后的目标飞行器强制拉离轨道，拉离轨道后，系绳切割器(6)切断系绳(9)将目标飞行器与卫星平台分离；

所述发射器(1)用于推动四个质量块(8)按照预设的发射张角运动，推动质量块(8)牵引绳网(7)从后向前展开达到张满状态，实现对目标的捕获；

所述网舱(2)用于放置绳网(7)；

所述网舱盖弹射装置(3)用于将网舱盖(36)弹开后带动绳网(7)中心部位将绳网从网舱(2)中依次倒序拉出；

所述缓冲装置(4)安装在发射器(1)底部，用于减缓发射器发射时产生的冲击和反推力；

所述系绳张力控制装置(5)与飞网子系统连接，在飞网子系统完成目标的捕获收口锁定后通过收放系绳(9)实现张力控制；

所述绳网(7)用于形成对目标足够大的覆盖空间，将目标完全包围后启动质量块(8)完成对目标的包覆；

所述质量块(8)用于拖动空间绳网(7)展开，并触发收紧网口完成目标的抓捕。

2.根据权利要求1所述的绳网式空间碎片抓捕与清除系统，其特征在于：所述发射器(1)包括点火器(11)、起爆器(12)、主活塞(13)、导向销(14)、密封圈(15)、四个分活塞套筒(16)、四个分活塞(17)、剪切销(18)、主活塞导引套筒(19)、连接杆(110)和底座(111)，点火器(11)和起爆器(12)安装在发射器的底座(111)内，在发射器工作前，主活塞(13)面积较大的部分设置在底座(111)内并位于起爆器(12)之上，主活塞(13)面积较小的部分设置在主活塞导引套筒(19)内，主活塞(13)面积较大的部分与面积较小的部分之间采用锥形肩过渡，导向销(14)设置在主活塞导引套筒(19)上用于对主活塞(13)的运动进行限位，主活塞(13)的底部设有四个通孔用于当主活塞(13)运动到上限时与四个分活塞(17)连通，四个分活塞套筒(16)均布在底座(111)与主活塞导引套筒(19)之间的过渡段，四个分活塞(17)设置在四个分活塞套筒(16)内，四个分活塞(17)的底部均位于主活塞(13)的锥形肩上，四个分活塞(17)的顶部安装连接杆(110)，连接杆(110)通过剪切销(18)与分活塞套筒(16)相连接，在主活塞(13)与底座(111)之间、分活塞(17)与分活塞套筒(16)之间均采用密封圈(15)进行密封。

3.根据权利要求1所述的绳网式空间碎片抓捕与清除系统，其特征在于：所述网舱盖弹射装置(3)包括安装座(31)、火工切割器(32)、压紧杆(33)、弹簧套筒(34)、网舱盖(36)和分离弹簧(35)，安装座(31)在网舱(2)的底部，火工切割器(32)在安装座(31)上；弹簧套筒(34)位于网舱(2)内部中心位置并与网舱(2)底部固连，分离弹簧(35)位于弹簧套筒(34)内，压紧杆(33)一端穿过网舱盖(36)、弹簧套筒(34)、火工切割器(32)与安装座(31)连接，压紧杆(33)另一端安装螺母紧固件将网舱盖(36)压紧在网舱(2)上，网舱盖弹射装置工作时，火工切割器(32)起爆切断压紧杆(33)，分离弹簧(35)释放将网舱盖(36)和压紧杆(33)弹出，网舱盖(36)获得初速度将绳网(7)拉出，实现一级发射功能。

4.根据权利要求1所述的绳网式空间碎片抓捕与清除系统，其特征在于：所述缓冲装置(4)包括套筒座(41)、耳片(42)、缓冲蜂窝(43)、压板(44)、拉簧(45)、活塞(46)和连接板(47)，圆环状的缓冲蜂窝(43)和活塞(46)下端圆柱面均在套筒座(41)内，活塞(46)下端圆柱面与套筒座(41)为轴孔间隙配合，压板(44)与套筒座(41)固连，并将活塞(46)下端圆柱台阶部分压在缓冲蜂窝(43)上，活塞(46)上端通过螺纹孔与发射器底座(111)连接，连接板(47)在活塞(46)上端，耳片(42)安装在套筒座(41)外侧面，拉簧(45)分别挂在耳片(42)和连接板(47)上，拉簧(45)在圆周方向布置4到6件；发射器工作后，底座(111)会产生较大的后坐力，后坐力通过活塞(46)传递至缓冲蜂窝(43)，将缓冲蜂窝(43)压溃，缓冲蜂窝(43)压溃过程会吸收能量降低后坐力对安装结构的冲击和作用力，缓冲蜂窝(43)的尺寸可根据安装结构承载能力大小设计确定。

5.根据权利要求1所述的绳网式空间碎片抓捕与清除系统，其特征在于：所述系绳张力控制装置(5)包括伺服电机(51)、卷线筒(52)、伺电机驱动器(53)、导轮竖板(54)、计米器(55)、张力传感器(56)、张力调节器(57)、角度测量固定架(58)、底板(59)、电机编码器(50)、电磁制动器(511)、减速器(512)、电机固定架(513)、齿轮键a(515)、锥齿轮a(516)、锥齿轮b(517)、安装耳朵a(518)、轴承a(519)、齿轮键b(521)、卷筒轴(522)、卷筒键(524)、轴承b(525)、安装耳朵b(526)、压力可调装置上板(527)、压力可调装置螺母(528)、上压轮(529)、计米器导轮(530)、系绳导轮a(531)、系绳导轮b(532)、角位移传感器a(533)、张力传感器导轮(534)、小轴承a(535)、弧形悬臂a(536)、弧形悬臂b(537)、小轴承b(538)和角位移器b(539)；减速器(512)上带有减速器键槽(514)；卷筒轴(522)上带有卷筒轴齿轮键槽(520)和卷筒轴键槽(523)；电机固定架(513)通过螺钉固定在底板(59)上，减速器(512)的法兰盘固定安装在电机固定架(513)上，伺服电机(51)的轴与减速器(512)的轴通过行星齿轮连接；伺服电机(51)的外壳与减速器(512)的外壳固定连接；电磁制动器(511)与伺服电机(51)固定连接；电机编码器(510)与电磁制动器(511)固定连接；减速器(512)通过减速器键槽(514)和齿轮键a(515)与锥齿轮a(516)固定连接；安装耳朵a(518)和安装耳朵b(526)为一对耳朵；安装耳朵a(518)固定在底板(59)上，轴承a(519)的外圈固定在安装耳朵a(518)上，安装耳朵a(518)起到支撑并固定轴承a(519)的作用；轴承a(519)的内圈固定在卷筒轴(522)上；卷筒轴(522)穿过轴承a(519)和安装耳朵a(518)后通过卷筒轴齿轮键槽(520)和齿轮键b(521)与锥齿轮b(517)固定连接；锥齿轮a(516)和锥齿轮b(517)相互啮合；卷线筒(52)通过卷筒轴键槽(523)和卷筒键(524)与卷筒轴(522)固定连接；安装耳朵b(526)固定在底板(59)上，轴承b(525)的外圈固定在安装耳朵b(526)上，轴承b(525)的内圈与卷筒轴(522)固定连接；伺电机驱动器(53)固定在底板(59)上，伺服电机(51)通过伺电机驱动器(53)进行驱动；压力可调装置上板(527)的顶端为一上平板、底端带有圆板、中间为螺纹柱，螺纹柱上套装有弹簧；圆板下面还有一部分圆柱，与中间的螺纹柱一体成型但不带有螺纹；圆板在螺纹柱和圆柱之间可以上下移动；导轮竖板(54)固定在底板(59)上，计米器(55)通过端面安装法兰固定在导轮竖板(54)上，计米器导轮(530)固定在计米器(55)的轴上，压力可调装置上板(527)固定在导轮竖板(54)上，压力可调装置螺母(528)套装在压力可调装置上板(527)的螺纹柱上；上压轮(529)为带有U形支架的压轮，压轮通过轴固定在U形支架上；U形支架与压力可调装置上板(527)上的圆柱为活动连接，上压轮(529)在压力可调装置上板(527)的弹簧的作用下，可以沿圆柱上下移动；上压轮(529)和计米器导轮(530)之间压系绳通过摩擦力进行啮合，摩擦力可由压力可调装置弹簧的压紧力调节；张力传感器(56)固定在底板(59)上，张力传感器导轮(534)固定在张力传感器(56)上；系绳导轮a(531)通过轴承固定在导轮竖板(54)上；系绳导轮b(32)通过轴承固定在导轮竖板(54)上；张力调节器(57)固定在导轮竖板(54))上；系绳依次通过计米器导轮(530)、张力传感器导轮(534)、系绳导轮b(532)、系绳导轮a(531)和张力调节器(57)；计米器导轮(530)、张力传感器导轮(34)、系绳导轮b(32)、系绳导轮a(531)和张力调节器(57)在一个竖直面上；角度测量固定架(58)为一体成型，上端带有顶板、中间带有横板、两侧带有侧板；角度测量固定架(58)固定在底板(59)上；角位移传感器a(533)的外壳固定在角度测量固定架(58)的顶板上；角位移传感器a(533)的轴穿过角度测量固定架(58)的顶板；角位移器b(539)的外壳固定在角度测量固定架(58)的一个侧板上；角位移器b(539)的轴穿过角度测量固定架(58)的侧板；小轴承b(538)的外圈固定在角度测量固定架(58)的横板上；弧形悬臂b(537)的一端固定在小轴承b(538)的内圈上，其另一端固定在角位移传感器a(33)的轴上；小轴承a(535)的外圈固定在角度测量固定架(58)的另一个侧板上；弧形悬臂a(536)的一端固定在小轴承a(535)的内圈上，其另一端固定在角位移器b(539)的轴上。

6.根据权利要求1所述的绳网式空间碎片抓捕与清除系统，其特征在于：所述绳网(7)包括网片(71)、中心绳结(72)、边线绳(73)、加强绳(74)和拉出绳(75)；网片(71)由网绳编织成正方形，网片(71)中的网目呈菱形排列；网片(71)的四条边线绳(73)与网片(71)的四条边通过绳结连接，每两条边线绳(73)之间的交汇点采用绳结连接；两条加强绳(74)分别与网片(71)的两条对角线通过绳结连接；两条加强绳(74)交汇处采用中心绳结(72)与网片(71)中心点连接；每条边线绳(73)与加强绳(74)的交汇点均引出一条拉出绳(75)。

7.根据权利要求1所述的绳网式空间碎片抓捕与清除系统，其特征在于：所述质量块(8)包括支撑部分、动力传动执行部分和控制部分；

所述的支撑部分包括中外筒(81)、电源支架(84)、电源定位块(87)、电机固定板(88)、上外筒(812)、无线发射模块底座(813)和下外筒(814)，中外筒(81)的两端分别与电机固定板(88)和电源支架(84)用台阶定位并用均布的螺钉径向连接，下外筒(814)与电源支架(84)一端用台阶定位并用均布的螺钉径向连接，另一端连接航空插头(82)；

所述的动力传动执行部分包括两个电机(85)、两个减速器(86)、两个棘轮(89)、两个绕线轮(811)、绕线轮隔板(815)和顶端轴承(816)；其中，一台电机配置一台减速器，一台电机驱动一个绕线轮，一个绕线轮上有一个棘轮；

所述的控制部分包括航空插头(82)、电源(83)、控制电路板(810)和无线发射模块(818)；

所述的上外筒(812)、中外筒(81)和下外筒(814)组成该装置的外壳，除上外筒(812)、中外筒(81)和下外筒(814)外，该装置的其他部分安装在该装置的外壳上或外壳的里面，上外筒(812)与电机固定板(88)之间是用台阶定位并用均布的螺钉径向连接；

两个电机(85)并置排列，电机(85)和减速器(86)装配成一体并固定在电机固定板(88)上，电机固定板(88)是上外筒(812)和中外筒(81)的连接部件并与上外筒(812)和中外筒(81)固定相连；

绕线轮(811)固定在减速器(86)的输出轴上，绕线轮(811)有两个，两个绕线轮(811)的中间为绕线轮隔板(815)；

电源支架(84)为一带有底盖的金属空心圆筒，且底盖上带有凸台；电源支架(84)的内部固定安装电源(83)；电源支架(84)的筒身部分固定在中外筒(81)上；电源支架(84)的底盖固定在下外筒(814)上；电源支架(84)的底盖和凸台位于中外筒(81)的外面；控制电路板(810)固定在电源支架(84)的凸台上，控制电路板(810)用于控制电机(85)的转动；

电源定位块(87)位于电源支架(84)的圆筒内且位于电源(83)的上面；

棘轮(89)固定在绕线轮(811)上，每个绕线轮(811)上都有一个棘轮(89)；

无线发射模块(818)通过无线发射模块底座(813)固定在中外筒(81)的内壁上；

航空插头(82)固定在下外筒(814)的顶端面上，通过航空插头(82)与外界进行通讯；

顶端轴承(816)嵌入到电源定位块(87)内。

8.根据权利要求1所述的绳网式空间碎片抓捕与清除系统，其特征在于：所述缓冲装置(4)采用铝蜂窝缓冲方式，蜂窝的缓冲力可以根据实际需要进行设计。