CN105905318A - 一种绳网框架组合式太空垃圾捕获消旋系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绳网框架组合式太空垃圾捕获消旋系统，该系统包括：框架，固定在框架前端的柔绳收口装置，固定在框架后端的刚架消旋装置和与刚架消旋装置相连的组合牵引装置。本发明利用小型助推器微调牵引，利用电磁球完成收口，避免在收口过程中受到地球磁场、太空垃圾中的磁性材料等影响，利用内层活动框架的刚化过程，以及刚架消旋装置中的非磁性重球转矩快速增加，降低整体的旋转角速度，实现了太空垃圾的捕获、消旋和回收功能。

Description

一种绳网框架组合式太空垃圾捕获消旋系统

技术领域

本发明属于电磁技术、工程力学和空间技术的交叉领域，具体涉及一种绳网框架组合式太空垃圾捕获消旋系统。

背景技术

自前苏联发射人类第一颗人造卫星斯普特尼克1号以来，世界各国共执行了超过4000次的发射任务，因此，在太空中产生了大量的太空垃圾。截至2012年还有超过4500吨的太空垃圾残留在轨道上。根据美国战略司令部下属空间网(SSN)的数据显示，近十年来，特别是近5年来空间碎片数量急剧增加。太空垃圾的清理工作刻不容缓。

对此，科学家提出了一种天基激光清除空间碎片的方案，这种方案主要依托于高功率激光器技术，实现难度大。而欧洲空间局则选择采取网捕的方式，这种方式捕捉时不需考虑目标的尺度和姿态，但目的是与目标一起降低高度，并最终在大气中受控焚毁，不利于太空垃圾的回收。

中国专利CN102658873A提出了“一种用于捕获太空垃圾的绳网系统”，这是一种很巧妙的绳网系统设计,利用抛射和回收装置对太空垃圾进行捕捉，但太空垃圾多为磁性材料，会与其绳网装置中的永磁体相互作用，使设计之初的收口无法正常完成。

卫星等飞行器利用高自旋角动量的陀螺定轴性在轨道上保持自身方向的稳定，当卫星超出使用寿命或无法正常工作后，高自旋角速度使其在被捕捉后难以稳定。故太空垃圾捕捉的关键在于如何降低目标的旋转角速度使其稳定可控，在捕捉过程中如何避免与太空垃圾的磁性材料产生相互作用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种绳网框架组合式太空垃圾捕获消旋系统，解决了太空垃圾的捕获及降低旋转角速度的问题。

为实现上述发明目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种绳网框架组合式太空垃圾捕获消旋系统，该系统包括：框架，固定在框架前端的柔绳收口装置，固定在框架后端的刚架消旋装置和与刚架消旋装置相连的组合牵引装置；

所述的柔绳收口装置包括四个电磁球、四个非磁性轻质球和四根柔绳，第一电磁球、第二电磁球、第三电磁球和第四电磁球分别固定在柔绳收口装置的四个定点上；第一柔绳穿过第一非磁性轻质球的直径轴孔连接在第一电磁球和第二电磁球间，第一非磁性轻质球固定在第一柔绳的中点；第二柔绳穿过第二非磁性轻质球的直径轴孔连接在第二电磁球和第三电磁球间，第二非磁性轻质球固定在第二柔绳的中点；第三柔绳穿过第三非磁性轻质球的直径轴孔连接在第三电磁球和第四电磁球间，第三非磁性轻质球固定在第三柔绳的中点；第四柔绳穿过第四非磁性轻质球的直径轴孔连接在第四电磁球和第一电磁球间，第四非磁性轻质球固定在第四柔绳的中点；四个电磁球的位置分布在正方形的四个顶点，第一电磁球和第四电磁球异名磁极相对放置在一条直线上，第二电磁球和第三电磁球异名磁极相对放置在一条直线上，第一电磁球和第四电磁球与第二电磁球和第三电磁球关于正方形重心中心对称；所述的第一电磁球、第二电磁球、第三电磁球和第四电磁球均采用遥控方式触发磁性的启动或消除；

所述的刚架消旋装置包括四个非磁性重球、四个快速伸缩装置和正方形刚架；所述的正方形刚架与框架固连，四个连接点分别固定在正方形刚架的四个顶点上；所述的四个连接点用于固定快速伸缩装置的位置和伸缩方向；四个快速伸缩杆装置的一端分别沿着正方形刚架对角线的方向放置，并与正方形刚架四个顶点上的四个连接点相固连，四个非磁性重球分别固定在四个快速伸缩装置的另一端；所述的快速伸缩装置是由双筒体和装在筒体内的蓄力弹簧构成；刚架消旋装置的正方形刚架同时也是框架的后端；所述的快速伸缩装置使用遥操作进行控制；

所述的框架包括内层活动架、外层绳网结构和四条刚性杆，由前端柔绳收口装置至后端刚架消旋装置连接有n根相互平行的链杆构成内层活动架；所述的链杆是由柔绳和紧密串在柔绳上的锥形套单元组成；所述的锥形套单元轴向有打通的细孔，所述的锥形套单元下半部分的凹槽弧角略大于其上半部分的凸角；所述的外层绳网结构，由前端柔绳收口装置至后端刚架消旋装置，是由在刚架消旋装置的正方形刚架和柔绳收口装置之间以m根柔绳交叉连接所形成的绳网构成；框架外围四条边由四条刚性杆组成，四条刚性杆分别与柔绳收口装置和刚架消旋装置相固连于正方形刚架四个顶点上的四个连接点和第一电磁球、第二电磁球、第三电磁球及第四电磁球上；其中n≥8，m≥8；

在所述的组合牵引装置中，长柔绳一端连接刚架消旋装置，其连接点在刚架消旋装置正方形刚架的绳网中心，长柔绳的另一端连接释放刚架消旋装置的飞行器，长柔绳穿过棱柱条的轴向孔并将棱柱条固定在长柔绳上，两个小型助推器垂直固定在棱柱条上，所述的两个小型助推器互相垂直。

本发明利用小型助推器微调牵引，利用电磁球完成收口，避免在收口过程中受到地球磁场、太空垃圾中磁性材料等影响，利用内层活动框架的刚化过程，以及刚架消旋装置中非磁性重球转矩的快速增加，降低了整体的旋转角速度，实现了太空垃圾的捕获、消旋和回收。

使用本发明时，需要的外部条件是：

(1)释放本发明的飞行器可自由变轨；

(2)能够确定太空垃圾在轨道上的位置、速度与旋转角速度，可通过相应的测控系统测量；

(3)虽然太空垃圾具有很大的速度，但其速度大部分来自所处轨道，故将网兜于太空垃圾轨道附近释放，其相对速度量级不大；

(4)通过轨道仿真或轨道计算本发明的释放角度与初速度，以拦截太空垃圾。

以上控制条件以及电磁球磁性强弱、非磁性重球和非磁性轻质球的尺寸是根据本发明的相应设计匹配，可以根据捕获目标的位置、速度和角速度的不同而改变。

本发明的有益效果为：

(1)在预先轨道计算的基础上，利用电磁球之间的相互作用力实现一步收口，使太空垃圾的捕获变得便捷；

(2)利用电磁球磁性可控的特性，避免地球磁场、太空垃圾中的磁性材料等对收口过程的影响；

(3)刚架消旋装置可以大幅降低目标的旋转角速度，便于捕获旋转角速度大的目标，利于太空垃圾的拖拽与回收；

(4)内层活动架在刚化过程中，可以通过碰撞损失一部分能量，辅助降低与目标之间的相对速度和旋转角速度；

(5)针对中小尺寸目标，通过调整本发明尺寸即可实现捕获消旋；针对大尺寸目标，可以组合使用多个本发明对目标各部分实现缠绕消旋捕捉。可应用于回收，利用自旋稳定定向的废旧卫星，或废旧卫星的部分零件；

(6)在释放之初，整体将会受到来自各个因素不可避免的扰动，助推器将在与初速度垂直平面内进行微调牵引，确保本发明系统与目标交会。

附图说明

图1是本发明系统实施例的整体示意图；

图2是柔绳收口装置的立体示意图；

图3是柔绳收口装置的电磁球磁极示意图；

图4是柔绳收口装置的收口示意图；

图5是框架示意图；

图6是内层活动架示意图；

图7是内层活动架中锥形套单元组合示意图；

图8a是内层活动架中锥形套单元的俯视图；图8b是内层活动架中锥形套单元的正视图；

图9是外层绳网结构的平面展开示意图；

图10是刚架消旋装置示意图；

图11是刚架消旋装置中的快速伸缩装置示意图；

图12是刚架消旋装置中的正方形刚架绳网示意图；

图13是组合牵引装置示意图；

图14是柔绳收口装置的“收口”过程图；

图15是内层活动架的“刚化”过程图；

图16是刚架消旋装置的“消旋”过程图。

图中：1、电磁球；2、非磁性轻质球；3、柔绳收口装置；4、框架；401、锥形套单元；402、内层活动架；403、外层绳网结构；404、刚性杆；5、刚架消旋装置；501、正方形刚架；6、连接点；7、快速伸缩装置；8、非磁性重球；9、棱柱条；10、小型助推器；11、组合牵引装置；101、第一电磁球；102、第二电磁球；103、第三电磁球；104、第四电磁球；201、第一非磁性轻质球；202、第二非磁性轻质球；203、第三非磁性轻质球；204、第四非磁性轻质球；301、第一柔绳；302、第二柔绳；303、第三柔绳；304、第四柔绳。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例：

一种绳网框架组合式太空垃圾捕获消旋系统，如图1所示，该系统包括：框架4，固定于框架4前端的柔绳收口装置3，固定在框架4后端的刚架消旋装置5和与刚架消旋装置5相连的组合牵引装置11；

如图1和2所示，所述的柔绳收口装置3包括四个电磁球1，四个非磁性轻质球2和四根柔绳，第一电磁球101、第二电磁球102、第三电磁球103和第四电磁球104分别固定在柔绳收口装置3的四个定点上；第一柔绳301穿过第一非磁性轻质球201的直径轴孔连接在第一电磁球101和第二电磁球102间，第一非磁性轻质球201固定在第一柔绳301的中点；第二柔绳302穿过第二非磁性轻质球202的直径轴孔连接在第二电磁球102和第三电磁球103间，第二非磁性轻质球202固定在第二柔绳302的中点；第三柔绳303穿过第三非磁性轻质球203的直径轴孔连接在第三电磁球103和第四电磁球104间，第三非磁性轻质球203固定在第三柔绳303的中点；第四柔绳304穿过第四非磁性轻质球204的直径轴孔连接在第四电磁球104和第一电磁球101间，第四非磁性轻质球204固定在第四柔绳304的中点；四个电磁球1的位置分布在正方形的四个顶点，第一电磁球101和第四电磁球104异名磁极相对放置在一条直线上，第二电磁球102和第三电磁球103异名磁极相对放置在一条直线上，第一电磁球101、第四电磁球104与第二电磁球102、第三电磁球103关于正方形重心中心对称；所述的第一电磁球101、第二电磁球102、第三电磁球103和第四电磁球104均采用遥控方式触发磁性的启动或消除；非磁性轻质球2起辅助聚拢作用；为避免电磁球1之间的撞击对收口过程的影响、对自身造成损坏，电磁球1外壳采用加玻璃纤维增强的聚对苯二甲酸丁二醇酯，既能吸收瞬间冲量也能在高低温环境中保持自身的性能；非磁性轻质球2的材料采用空间级硅橡胶；柔绳与电磁球1通过电磁球1外壳连接；根据理想条件计算，要求电磁球1直径约为非磁性轻质球2半径的五倍，使得收口效果最好。

如图5、图6和图9所示，所述的框架4包括内层活动架402、外层绳网结构403和四条刚性杆404，由前端柔绳收口装置3至后端刚架消旋装置5连接有12根相互平行链杆构成内层活动架402；所述的链杆是由柔绳和紧密串在柔绳上的锥形套单元401组成；所述的锥形套单元401采用非磁性刚性金属材料制造，表面抛光、两两之间不采取润滑措施，所述的锥形套单元401轴向有打通的细孔，所述的锥形套单元401下半部分的凹槽弧角略大于其上半部分的凸角；提供承受一定自由偏转的空间，使得相邻的锥形套单元401两两之间可以容纳一定的偏转，链杆的偏转达到极值后，锥形套单元401受到结构的约束以及太空环境下发生的冷焊现象，使得链杆不再逆向偏转，转化为刚体，此过程简称为“刚化”。未变形前各链杆之间互相平行，链杆的布局以对称为主，数量可根据捕获目标进行调整；所述的外层绳网结构403，由前端柔绳收口装置3至后端刚架消旋装置5，是由在刚架消旋装置的正方形刚架501和柔绳收口装置3之间以10根柔绳交叉连接所形成的绳网构成；所述的外层绳网结构403的交叉绳网一般负责包裹目标，整个捕获消旋系统采用的柔绳均具有韧性强、在一定频率范围的振动下不易断裂的特点；框架4外围四条边由四条刚性杆404组成，四条刚性杆404采用加玻璃纤维增强的聚四氟乙烯制造。四条刚性杆404分别与柔绳收口装3置和刚架消旋装置5相固连于正方形刚架501四个顶点上的四个连接点和第一电磁球101、第二电磁球102、第三电磁球103及第四电磁球104上；

如图10所示，所述刚架消旋装置5包括四个非磁性重球8、四个快速伸缩装置7和正方形刚架501；所述的正方形刚架501与框架4固连，四个连接点6分别固定在正方形刚架501的四个顶点上；所述的四个连接点6用于固定快速伸缩装置7的位置和伸缩方向；四个快速伸缩杆装置7的一端分别沿着正方形刚架501对角线的方向放置，并与正方形刚架501四个顶点上的四个连接点6相固连，四个非磁性重球8分别固定在四个快速伸缩杆装置7的另一端；所述的快速伸缩装置7是由双筒体和装在筒体内的蓄力弹簧构成；刚架消旋装置5的正方形刚架501同时也是框架的后端；所述的快速伸缩装置7使用遥操作进行控制；

如图13所示，在所述的组合牵引装置11中，长柔绳一端连接刚架消旋装置5，其连接点在刚架消旋装置5的正方形刚架501的绳网中心，长柔绳的另一端连接释放刚架消旋装置5的飞行器，长柔绳穿过棱柱条9的轴向孔并将棱柱条9固定在长柔绳上，两个小型助推器10垂直固定在棱柱条9上，所述的两个小型助推器10与棱柱条9垂直固定。助推器10底座与棱柱条9一体成型，考虑到助推器10推力矢量可能略有偏差、太空环境温差大等影响，制造材料采用抗扭转能力强、既耐低温又耐高温的聚四氟乙烯；助推器10紧密扣合在底座上；棱柱条9有轴向打通的细孔，柔绳从中穿过，并在两端做封装处理，防止滑动；考虑到本发明的释放之初，受到很多不可避免的扰动，助推器10在与初速度垂直的平面上起到微调牵引的作用。

本发明的工作过程如下：

参见图14、图15和图16，这三幅附图是本发明一种实施例“收口-刚化-消旋”过程示意图。如图14所示，当捕获目标在装置外的尺寸远小于柔绳收口装置3正方形刚架501的尺寸时，遥控电磁球1产生磁性。在预设磁极布局下，电磁球1受到互相之间的磁力作用，快速聚拢，电磁球1的外壳吸收碰撞的大部分能量，非磁性轻质球2用以填补电磁球1聚拢后的缝隙，起辅助收口的作用。

原理如下：

任意一个电磁球1所受合力，为其他三个电磁球1对其作用力的叠加。按照初始磁极布局方式分析，该电磁球1合力方向恒指向对角线偏左；考虑到装置从飞行器飞出、目标收入过程中可能产生的扰动和摩擦、电磁球1有初速度，将四个电磁球1围成的空间视作四面体，合力由电磁球1指向四面体内部，飞行轨迹趋向于合力方向。综合考虑四个电磁球1，末状态将在四面体内部某处聚拢；

考虑特殊情况，两个完全相同的磁铁以同名磁极相对放置在一条直线上，若不受任何扰动，将沿相反方向运动。但太空中受到诸如地球磁场、太空垃圾中的磁性材料等影响，两个磁铁终将碰撞到一起。且考虑到，实际操作中有四个电磁球1互相作用，且有结构束缚，则此特殊情况反向验证了电磁球的聚拢机理。

如图15所示，当捕获目标进入装置内，由于目标与装置之间存在速度差和旋转角速度差，两者将会发生碰撞。相邻锥形套单元401受到碰撞会产生偏转，导致相邻锥形套单元401紧密接触。锥形套单元401金属表面光滑、未采取润滑措施，在真空低温条件下紧密接触易发生冷焊现象，冷焊现象与锥形套单元401轴向细孔所受到的柔绳约束一同使链杆转化形成等效的刚体。故而内层活动架402将在碰撞后由自由结构转化为等效刚体。捕获目标开始带动整体装置旋转，直至整体旋转角速度与目标的旋转角速度相同。

如图16所示，当内层活动架404刚化完成、柔绳收口装置3收口完成后，通过遥控操作触发快速伸缩装置7，快速伸长。刚架消旋装置5的质量主要集中在非磁性重球8上，当非磁性重球8距旋转主轴的距离变大，根据角动量守恒，整体的角转角速度大幅下降。

原理如下：

快速伸缩装置7沿正方形对角线向外伸长，设刚架消旋装置5正方形刚架501的中心为原点，建立XoYZ坐标系，X、Y分别与边长平行，Z轴通过原点垂直于XoY平面。距转动轴距离为S，对角线长为a，非磁性重球8质心与连接点6的距离为b。

当整体绕Z轴旋转时，S＝a/2+b；当整体绕X轴或Y轴旋转时，S＝a/4+b/2；则有，当整体绕任意方向旋转时，(a/4+b/2)≤S≤(a/2+b)。

本捕获消旋系统根据预先轨道计算得到的速度与初始方向飞行，两个小型助推器10对系统自身进行微调牵引，目标进入开口后，当目标在装置外的尺寸远小于柔绳收口装置3的正方形柔绳结构尺寸时，电磁球1磁性启动，开始聚拢；目标进入捕获消旋系统内，由于存在速度矢量偏差，目标与内层活动架402发生碰撞，各链杆发生不同程度的弯曲偏转，完成刚化，目标带动捕获消旋系统旋转；当柔绳收口装置3聚拢完成，且刚化完成，快速伸缩装置7伸长，非磁性重球8与旋转主轴之间的距离增大，整体旋转角速度大幅降低。捕获消旋过程完成。

Claims (1)

1.一种绳网框架组合式太空垃圾捕获消旋系统，其特征在于该系统包括：框架，固定在框架前端的柔绳收口装置，固定在框架后端的刚架消旋装置和与刚架消旋装置相连的组合牵引装置；

所述的柔绳收口装置包括四个电磁球、四个非磁性轻质球和四根柔绳，第一电磁球、第二电磁球、第三电磁球和第四电磁球分别固定在柔绳收口装置的四个定点上；第一柔绳穿过第一非磁性轻质球的直径轴孔连接在第一电磁球和第二电磁球间，第一非磁性轻质球固定在第一柔绳的中点；第二柔绳穿过第二非磁性轻质球的直径轴孔连接在第二电磁球和第三电磁球间，第二非磁性轻质球固定在第二柔绳的中点；第三柔绳穿过第三非磁性轻质球的直径轴孔连接在第三电磁球和第四电磁球间，第三非磁性轻质球固定在第三柔绳的中点；第四柔绳穿过第四非磁性轻质球的直径轴孔连接在第四电磁球和第一电磁球间，第四非磁性轻质球固定在第四柔绳的中点；四个电磁球的位置分布在正方形的四个顶点，第一电磁球和第四电磁球异名磁极相对放置在一条直线上，第二电磁球和第三电磁球异名磁极相对放置在一条直线上，第一电磁球和第四电磁球与第二电磁球和第三电磁球关于正方形重心中心对称；所述的第一电磁球、第二电磁球、第三电磁球和第四电磁球均采用遥控方式触发磁性的启动或消除；

所述的刚架消旋装置包括四个非磁性重球、四个快速伸缩装置和正方形刚架；所述的正方形刚架与框架固连，四个连接点分别固定在正方形刚架的四个顶点上；所述的四个连接点用于固定快速伸缩装置的位置和伸缩方向；四个快速伸缩杆装置的一端分别沿着正方形刚架对角线的方向放置，并与正方形刚架四个顶点上的四个连接点相固连，四个非磁性重球分别固定在四个快速伸缩装置的另一端；所述的快速伸缩装置是由双筒体和装在筒体内的蓄力弹簧构成；刚架消旋装置的正方形刚架同时也是框架的后端；所述的快速伸缩装置使用遥操作进行控制；

所述的框架包括内层活动架、外层绳网结构和四条刚性杆，由前端柔绳收口装置至后端刚架消旋装置连接有n根相互平行的链杆构成内层活动架；所述的链杆是由柔绳和紧密串在柔绳上的锥形套单元组成；所述的锥形套单元轴向有打通的细孔，所述的锥形套单元下半部分的凹槽弧角略大于其上半部分的凸角；所述的外层绳网结构，由前端柔绳收口装置至后端刚架消旋装置，是由在刚架消旋装置的正方形刚架和柔绳收口装置之间以m根柔绳交叉连接所形成的绳网构成；框架外围四条边由四条刚性杆组成，四条刚性杆分别与柔绳收口装置和刚架消旋装置相固连于正方形刚架四个顶点上的四个连接点和第一电磁球、第二电磁球、第三电磁球及第四电磁球上；其中n≥8，m≥8；

在所述的组合牵引装置中，长柔绳一端连接刚架消旋装置，其连接点在刚架消旋装置正方形刚架的绳网中心，长柔绳的另一端连接释放刚架消旋装置的飞行器，长柔绳穿过棱柱条的轴向孔并将棱柱条固定在长柔绳上，两个小型助推器垂直固定在棱柱条上，所述的两个小型助推器互相垂直。