CN106184829B - 多自由度调节指向机构和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多自由度调节指向机构和方法，用于与网捕装置组合来高效抓捕空间目标。多自由度调节指向机构包括：任务星适配台，其上端安装有升降平台和双轴指向平台；升降平台，其上安装有载荷控制器、偏心轮、和系绳张力控制装置，用于实施空间碎片的清除；以及双轴指向平台，安装有网捕装置。因此，采用本发明，降低了对任务星的姿态扰动，可实现不同张力控制装置之间的转换，使系绳与任务星牵挂点过任务星几何中心且拖曳力沿其轴线方向，降低了拖曳离轨过程对任务星的姿态扰动，并且目标被抓捕后，系绳张力控制装置的系绳测角范围不受周围网筒等设备的影响，不会造成系绳的钩挂，保证测角精度。

Description

多自由度调节指向机构和方法

技术领域

本发明属航天技术领域，涉及多自由度调节指向方案，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，具体涉及一种多自由度调节指向机构和方法，用于与网捕装置组合来高效抓捕空间目标。

背景技术

航天活动中对空间碎片清除的需求日益迫切，空间网捕装置是非常有效的一种清除技术手段，该系统在发射时可靠收纳，入轨后在空间展开一张由柔性网形成的较大拦截空间以覆盖目标，形成具有一定容错能力的抓捕系统，实现对非合作目标的捕获和强制离轨。网捕装置具有成本低廉、容错性强、费效比高、对任务星的控制精度要求低等突出优势，因此特别适用于对废弃卫星、轨道垃圾等非合作目标的抓捕和清除，已成为国际航天界研究的热点。

采用直接发射质量块、进而牵引飞网在轨展开的方式是一种较为有效的方式。要实现大面积柔性网的可靠展开，要求牵引质量块的动量应足够大，而对任务星体的反作用力也相应增大，如果力的方向不过星体质心，势必对星体造成较大的姿态扰动，影响姿控精度和抓捕可靠性。同时，为最大限度降低成本，任务星一般携带多套网捕装置分别发射展开，每套装置展开时的任务星体质心已发生变化，因此要求网捕装置应能根据星体质心位置可靠调整指向。另一方面，抓捕目标后，任务星需要通过系绳拖动空间碎片使其离轨销毁，绳系组合体的离轨驱动力来自对称分布的小推力发动机，要求系绳与任务星牵挂点过任务星几何中心且拖曳力沿其轴线方向，因此对多套张力控制装置的布局及其系绳牵挂点的设置提出了较为苛刻的要求。

目前美国和欧洲的技术方案中未见相应调整机构，因此，急需一种方案，能够采用系统设计思想，完成多自由度调节指向机构的设计，与网捕装置组合，可灵活配置于不同的任务星平台，从而降低对任务星体的姿态扰动，提高抓捕可靠性。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种多自由度调节指向方案，能够确保在多套网捕装置发射时对星体的反作用力方向实现可靠调整，调整到位后锁定，并能在反作用力作用下不发生破坏，多套网捕装置中的系绳张力控制装置中的系绳具有良好的布局，可随着相应网捕装置进行转换，使拖曳力沿着任务星轴线方向，并且目标被抓捕后，确保系绳张力控制装置的系绳测角装置测角范围满足要求。

本发明的一个方面提供了一种多自由度调节指向机构，用于与网捕装置组合来高效抓捕空间目标，其包括：任务星适配台，其上端安装有升降平台和双轴指向平台；升降平台，其上安装有载荷控制器、偏心轮、和系绳张力控制装置，用于实施空间碎片的清除；以及双轴指向平台，安装有网捕装置。

具体地，任务星适配台的下端与任务星连接，系绳张力控制装置被安装在偏心轮上，以及任务星适配台为机构安装底座，并且具有多个机械和电接口，用于在调试完毕后与任务星实现整体对接安装。

升降平台包括：底座，其下端与任务星适配台连接，而上端安装有丝杠和电机；活动座，为一端开放的封闭六面体结构，并且在其4个棱边布置有丝杠，由电机驱动旋转，以被带动上升或下降；丝杠和电机。

活动座用于：经过位置调整，在网捕装置的发射过程中处于下位，从而避免网捕装置的收口装置飞出时与活动座发射干涉；以及经过位置调整，在拖拽目标离轨过程中被调至上位，从而避免系绳在振荡过程中与网捕装置的网舱发生挂钩。

双轴指向平台包括：基座，其下端与任务星适配台连接，而上端安装有伸缩腿；动平台，其下端与伸缩腿连接，而上端安装有网捕装置；以及多个伸缩腿，通过驱动不同伸缩腿长度变化，实现动平台带动网捕装置的两自由度调节，其中，在网捕装置发射时，伸缩腿使发射反作用力通过任务星的质心来降低对任务星星体的姿态扰动。

载荷控制器被配置为：在前端，与任务星的主控制器连接，负责与任务星的遥测遥控信息的交互；在后端，与发射器、收口装置、系绳张力控制装置、偏心轮、升降平台、和双轴指向平台电气连接，其中，载荷控制器用于根据任务星控制指令，实现发射器的发火指令、收口装置的充电、发射触发启动指令、偏心轮的旋转、升降平台的升降、双轴指向平台的两自由度调节、和系绳张力控制装置的测角信息交互。

偏心轮包括：圆盘，其上圆周方向安装有一个或多个系绳张力控制装置，并且在与系绳张力控制装置的出线口对应处开设有圆孔；以及转轴，被安装在圆盘的圆心，被偏心布置于升降平台的中心，其中，圆孔与升降平台的中心对齐，用于系绳的穿过，偏心轮用于调整张力控制装置的位置，使得与当前正在使用的网捕装置配套的张力控制装置位于升降平台的中心，以确保张力控制装置引出的系绳通过任务星的几何中心。

在本发明中，系绳张力控制装置至少由系绳测角模块、系绳预紧模块、系绳张力测量模块、系绳张力控制模块、和系绳切割器组成，以及系绳张力控制装置用于在对目标星的抓捕和拖拽过程中，确保任务星与目标星的系绳张力控制在预定范围内，以防止两个星体碰撞或系绳断裂。

网捕装置包括：发射器，作为火药驱动的多膛同步发射装置，用于将一个或多个收口装置以发射状同步发射出去，从而带动飞网依序拉出展开；收口装置，其外壳为圆柱形的且连接飞网的角点系绳，从而带动飞网展开，并且装置内部装有电机和其上缠绕有收口绳的收紧轮；飞网，由柔性绳编织而成的多边形平面网，其边沿角点通过系绳与收口装置相连，从而实现拉出；以及网舱，其中，在飞网展开到位并覆盖目标后，电机驱动收紧轮旋转迅速收线，实现对目标的包覆扎紧，从而防止目标脱逃，飞网的多边形平面网的中心角点通过系绳与系绳张力控制装置相连，从而实现目目标抓捕后的拖曳控制。

本发明的另一个方面提供了一种多自由度调节指向方法，其包括以下步骤：

步骤一，载荷控制器接收作为任务星的卫星的质心的实时计算信息，经解算后向双轴指向平台输出控制信号，控制网捕装置的轴向指向任务星的质心，并且载荷控制器控制偏心轮旋转，使与当前正在使用的网捕装置配套的张力控制装置位于升降平台中心，进入抓捕准备模式；

步骤二，载荷控制器向网捕装置发出点火指令，发射器同步发射多个收口装置沿各自方向飞行，带动飞网在空间展开；

步骤三，飞网完全展开成一个大型的面积，将被抓捕目标完全包覆后，多个收口装置同时启动收线，将网口封闭，以防止被抓捕目标脱逃，从而实现被抓捕目标的抓捕；

步骤四，载荷控制器控制升降平台快速上升，使升降平台的平台顶板高于网舱的上平面，从而避免系绳摆动过程中与网舱的缠绕干涉；

步骤五，卫星捕获到被抓捕目标后，通过系绳拖动被抓捕目标以实现离轨清除，系绳张力控制装置测量系绳的张力方向和大小，运用控制策略使系绳张力大小不超过设定门限，同时与载荷控制器实施交互，实现卫星姿态控制，以使张力方向通过卫星的星体轴线方向；

步骤六，当需要抛离目标时，系绳张力控制装置中的切割器切断系绳，以使目标脱离任务星；以及

步骤七，载荷控制器控制升降平台下降到下位状态，以等待下一次任务指令。

因此，采用本发明的技术方案，可以实现以下的有益效果：

1)采用不同网捕装置发射时的指向调整方案，调整到位后锁定，使发射产生的后坐力通过任务星的星体质心，降低对任务星的姿态扰动；

2)多套系绳张力控制装置的系绳布局方案，通过偏心轮构型，可实现不同张力控制装置之间的转换，使系绳与任务星牵挂点过任务星几何中心且拖曳力沿其轴线方向，降低拖曳离轨过程对任务星的姿态扰动；以及

3)升降平台可保证网捕装置发射时，收口装置与升降平台间不发生干涉，目标被抓捕后，系绳张力控制装置的系绳测角范围不受周围网舱等设备的影响，不会造成系绳的钩挂，保证测角精度。

附图说明

图1是本发明的多自由度调节指向机构的系统组成原理的正面视图；

图2是本发明的多自由度调节指向机构的系统组成原理的后视图；

图3是本发明的多自由度调节指向机构的系统组成原理的剖面视图；

图4是本发明的多自由度调节指向机构的升降平台的组成原理图；

图5是本发明的多自由度调节指向机构的双轴指向平台的组成原理图；

图6是本发明的系绳张力控制装置的组成原理图；以及

图7是本发明的空间碎片网捕装置的组成原理图。

具体实施方式

应了解，本发明公开了一种多自由度调节指向机构，可承载多套网捕装置，实施调整网捕装置发射指向和系绳张力控制装置位置，降低发射反作用力和系绳拖曳力对任务星星体的姿态扰动影响，该机构采用模块化设计，可通过标准接口灵活配置于不同的任务星平台。所发明的多自由度调节指向机构由任务星适配台、升降平台、双轴指向平台、偏心轮等组成，其上安装网捕装置、系绳张力控制装置、载荷控制器等设备。

任务星适配台中心位置安装升降平台，升降平台顶板背部安装载荷控制器和偏心轮，偏心轮上安装4个(不限于4个)系绳张力控制装置，其系绳从偏心轮穿出，与网捕装置的系绳连接。任务星适配台周向安装4个(不限于4个)双轴指向平台，平台顶板上安装网捕装置。通过载荷控制器控制双轴指向平台调整网捕装置姿态，使其发射反作用力指向任务星质心，降低发射冲击对星体的扰动影响。

通过载荷控制器控制调偏心转台旋转，使与当前正在使用的网捕装置配套的张力控制装置位于升降平台中心，使系绳与任务星牵挂点过任务星几何中心且拖曳力沿其轴线方向，降低拖曳离轨过程对任务星的姿态扰动。

通过载荷控制器控制升降平台上下运动，可保证网捕装置发射时，收口装置与升降平台间不发生干涉，目标被抓捕后，系绳张力控制装置的系绳测角范围不受周围网舱等设备的影响，不会造成系绳的钩挂，保证测角精度。

因此，采用本发明，多套网捕装置发射时对星体的反作用力方向应能可靠调整，调整到位后锁定，并能在反作用力作用下不发生破坏，并且多套网捕装置中的系绳张力控制装置中的系绳具有良好的布局，可随着相应网捕装置进行转换，使拖曳力沿着任务星轴线方向。另外，目标被抓捕后，应确保系绳张力控制装置的系绳测角装置测角范围满足要求。

下面结合附图1-7及具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1、2、3所示，多自由度调节指向机构主要包括任务星适配台1、升降平台2、双轴指向平台3，在升降平台2上安装载荷控制器4、偏心轮5、系绳张力控制装置6，在双轴指向平台3上可安装网捕装置7。

任务星适配台1上端安装升降平台2和双轴指向平台3，下端与任务星连接。升降平台2上安装载荷控制器4和偏心轮5，偏心轮5上安装系绳张力控制装置6。双轴指向平台3上安装网捕装置7。

任务星适配台1为整套系统的安装基座，具备完善的机械和电接口，调试完毕后与任务星实现整体对接安装。应了解，任务星适配台的设计为本领域公知技术。

如图4所示，升降平台2包括底座21、活动座22、丝杠23、电机24。底座21下端与任务星适配台1连接，底座21上端安装有丝杠23和电机24；活动座22为一端开放的封闭六面体结构，其4个棱边布置有丝杠23，靠电机24驱动旋转，带动活动座22上升或下降。其功能是调整活动座22位置，使活动座22在网捕装置7发射过程中处于下位，避免网捕装置7的收口装置73飞出时与活动座22发生干涉。在拖曳目标离轨过程中，活动座22则应调整至上位，避免系绳在振荡过程中与网捕装置7的网舱74发生钩挂。

如图5所示，双轴指向平台3包括基座31、动平台32、伸缩腿33。基座31下端与任务星适配台1连接，基座31上端安装伸缩腿33，动平台32下端与伸缩腿33连接，上端安装网捕装置7，通过驱动不同伸缩腿33长度变化实现动平台32带动网捕装置7的两自由度调节，使网捕装置7发射时的反作用力通过任务星质心，降低对星体的姿态扰动。

载荷控制器4前端与任务星主控制器连接，负责与任务星的遥测遥控信息交互；载荷控制器4的后端与发射器71、收口装置73、系绳张力控制装置6、偏心轮5、升降平台2、双轴指向平台3电气连接，根据任务星控制指令实现发射器71发火指令、收口装置73充电、发射触发启动指令、偏心轮5旋转、升降平台2升降、双轴指向平台3两自由度调节和系绳张力控制装置6的测角信息交互。

偏心轮5包括圆盘51和转轴52，圆盘51上圆周方向安装有若干系绳张力控制装置6，与系绳张力控制装置6的出线口对应处开设圆孔，该圆孔与升降平台2中心对齐，用于系绳的穿过。转轴52安装于圆盘51的圆心，该转轴偏心布置于升降平台2的中心。其功能是调整系绳张力控制装置6位置，使与当前正在使用的网捕装置7配套的系绳张力控制装置6位于升降平台2中心，以保证系绳张力控制装置6引出的系绳通过任务星几何中心。

如图6所示，系绳张力控制装置6由系绳测角模块61、系绳预紧模块62、系绳张力测量模块63、系绳张力控制模块64、系绳切割器65等组成，其功能是在对目标星的抓捕和拖曳过程中，保证任务星与目标星间的系绳张力控制在一定范围内，防止两体碰撞或系绳断裂。

如图7所示，网捕装置7包括发射器71、飞网72、收口装置73、网舱74。发射器为火药驱动的多膛同步发射装置，可将若干收口装置73以放射状同步发射，带动飞网72依序拉出展开。收口装置73圆柱形外壳上连接飞网72的角点系绳，带动飞网72展开。收口装置73内部装有电机及收紧轮等装置，收紧轮上缠绕收口绳。

在飞网72展开到位并覆盖目标后，电机驱动收紧轮旋转迅速收线，实现对目标的包覆扎紧，防止目标脱逃，飞网72是由柔性绳编织而成的多边形平面网，其边沿角点通过系绳与收口装置73相连，可实现拉出展开。飞网72多边形平面网的中心角点通过系绳与系绳张力控制装置6相连，实现目标抓捕后的拖曳控制。

任务星适配台1中心位置安装升降平台2，升降平台2顶板背部安装载荷控制器4和偏心轮5，偏心轮5上安装4个(根据任务需要可配置多个)系绳张力控制装置6，其系绳从偏心轮5穿出，与网捕装置7的系绳连接；任务星适配台1周向安装4个(根据任务需要可配置多个)双轴指向平台3，平台顶板上安装网捕装置7。

下面对本发明的多自由度调节指向的空间目标网捕系统对空间目标抓捕清除过程的具体实施步骤作进一步说明：

第1步，载荷控制器4接收卫星质心实时计算信息，经解算后向双轴指向平台3输出控制信号，控制网捕装置7的轴向指向任务星质心；载荷控制器4控制偏心轮5旋转，使与当前正在使用的网捕装置7配套的系绳张力控制装置6位于升降平台2中心，进入抓捕准备模式；

第2步，载荷控制器4向网捕装置7发出点火指令，发射器71同步发射6个(不限于6个)收口装置73沿各自方向飞行，带动飞网72在空间展开；

第3步，飞网完全展开成一个大型的面积，将被抓捕目标完全包覆后，6个(不限于6个)收口装置73同时启动收线，将网口封闭，防止被抓捕目标脱逃，实现目标的抓捕；

第4步，载荷控制器4控制升降平台2快速上升，使平台顶板高于网舱上平面，避免系绳摆动过程中与网舱的缠绕干涉；

第5步，卫星捕获目标后，通过系绳拖动目标实现离轨清除，系绳张力控制装置6测量系绳的张力方向和大小，运用控制策略，实现系绳张力大小不超过设定门限，同时与载荷控制器4实施交互，实现卫星姿态控制，实现张力方向通过卫星星体轴线方向；

第6步，当需要抛离目标时，系绳张力控制装置6中的系绳切割器65切断系绳，目标脱离任务星；以及

第7步，载荷控制器4控制升降平台2下降到下位状态，等待下一次任务指令。

综上所述，本发明提出的不同网捕装置发射时的指向调整方案，调整到位后锁定，使发射产生的后坐力通过任务星的星体质心，降低对任务星的姿态扰动，提出的多套系绳张力控制装置的系绳布局方法，通过偏心轮构型，可实现不同张力控制装置之间的转换，使系绳与任务星牵挂点过任务星几何中心且拖曳力沿其轴线方向，降低拖曳离轨过程对任务星的姿态扰动。另外，本发明提出的升降平台可保证网捕装置发射时，收口装置与升降平台间不发生干涉，目标被抓捕后，系绳张力控制装置的系绳测角范围不受周围网舱等设备的影响，不会造成系绳的钩挂，保证测角精度。

本发明中未说明部分属于本领域的公知技术。

Claims (8)

1.一种多自由度调节指向机构，用于与网捕装置组合来高效抓捕空间目标，其特征在于，包括：

任务星适配台，其上端安装有升降平台和双轴指向平台；

所述升降平台，其上安装有载荷控制器、偏心轮、和系绳张力控制装置，用于实施空间碎片的清除；以及

所述双轴指向平台，安装有所述网捕装置，

其中，所述升降平台包括：底座，其下端与所述任务星适配台连接，而上端安装有丝杠和电机；活动座，为一端开放的封闭六面体结构，并且在其4个棱边布置有所述丝杠，由所述电机驱动旋转，以被带动上升或下降；所述丝杠和所述电机，

所述活动座用于：经过位置调整，在所述网捕装置的发射过程中处于下位，从而避免所述网捕装置的收口装置飞出时与所述活动座发生干涉；以及经过位置调整，在拖拽目标离轨过程中被调至上位，从而避免系绳在振荡过程中与所述网捕装置的网舱发生挂钩。

2.根据权利要求1所述的多自由度调节指向机构，其特征在于，

所述任务星适配台的下端与任务星连接，

所述系绳张力控制装置被安装在所述偏心轮上，以及

所述任务星适配台为机构安装底座，并且具有多个机械和电接口，用于在调试完毕后与所述任务星实现整体对接安装。

3.根据权利要求1所述的多自由度调节指向机构，其特征在于，所述双轴指向平台包括：

基座，其下端与所述任务星适配台连接，而上端安装有伸缩腿；

动平台，其下端与所述伸缩腿连接，而上端安装有所述网捕装置；以及

多个所述伸缩腿，通过驱动不同伸缩腿长度变化，实现所述动平台带动所述网捕装置的两自由度调节，

其中，在所述网捕装置发射时，所述伸缩腿使发射反作用力通过任务星的质心来降低对所述任务星的星体的姿态扰动。

4.根据权利要求1所述的多自由度调节指向机构，其特征在于，所述载荷控制器被配置为：

在前端，与任务星的主控制器连接，负责与所述任务星的遥测遥控信息的交互；

在后端，与发射器、收口装置、所述系绳张力控制装置、所述偏心轮、所述升降平台、和所述双轴指向平台电气连接，

其中，所述载荷控制器用于根据任务星控制指令，实现所述发射器的发火指令、所述收口装置的充电、发射触发启动指令、所述偏心轮的旋转、所述升降平台的升降、所述双轴指向平台的两自由度调节、和所述系绳张力控制装置的测角信息交互。

5.根据权利要求1所述的多自由度调节指向机构，其特征在于，所述偏心轮包括：

圆盘，其上圆周方向安装有一个或多个所述系绳张力控制装置，并且在与所述系绳张力控制装置的出线口对应处开设有圆孔；以及

转轴，被安装在所述圆盘的圆心，被偏心布置于所述升降平台的中心，

其中，

所述圆孔与所述升降平台的中心对齐，用于系绳的穿过，

所述偏心轮用于调整所述张力控制装置的位置，使得与当前正在使用的网捕装置配套的张力控制装置位于所述升降平台的中心，以确保所述张力控制装置引出的所述系绳通过任务星的几何中心。

6.根据权利要求1所述的多自由度调节指向机构，其特征在于，所述系绳张力控制装置至少由系绳测角模块、系绳预紧模块、系绳张力测量模块、系绳张力控制模块、和系绳切割器组成，以及

所述系绳张力控制装置用于在对目标星的抓捕和拖拽过程中，确保任务星与所述目标星的系绳张力控制在预定范围内，以防止两个星体碰撞或系绳断裂。

7.根据权利要求1所述的多自由度调节指向机构，其特征在于，所述网捕装置包括：

发射器，作为火药驱动的多膛同步发射装置，用于将一个或多个收口装置以发射状同步发射出去，从而带动飞网依序拉出展开；

所述收口装置，其外壳为圆柱形的且连接所述飞网的角点系绳，从而带动所述飞网展开，并且装置内部装有电机和其上缠绕有收口绳的收紧轮；

所述飞网，由柔性绳编织而成的多边形平面网，其边沿角点通过所述系绳与所述收口装置相连，从而实现拉出；以及

网舱，

其中，

在所述飞网展开到位并覆盖目标后，所述电机驱动所述收紧轮旋转迅速收线，实现对所述目标的包覆扎紧，从而防止目标脱逃，

所述飞网的多边形平面网的中心角点通过所述系绳与所述系绳张力控制装置相连，从而实现目所述目标抓捕后的拖曳控制。

8.一种多自由度调节指向方法，用于采用上述任一项权利要求所述的多自由度调节指向机构来高效抓捕空间目标，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，载荷控制器接收作为任务星的卫星的质心的实时计算信息，经解算后向双轴指向平台输出控制信号，控制网捕装置的轴向指向任务星的质心，并且所述载荷控制器控制偏心轮旋转，使与当前正在使用的网捕装置配套的张力控制装置位于升降平台中心，进入抓捕准备模式；

步骤二，所述载荷控制器向所述网捕装置发出点火指令，发射器同步发射多个收口装置沿各自方向飞行，带动飞网在空间展开；

步骤三，所述飞网完全展开成一个大型的面积，将被抓捕目标完全包覆后，所述多个收口装置同时启动收线，将网口封闭，以防止所述被抓捕目标脱逃，从而实现所述被抓捕目标的抓捕；

步骤四，所述载荷控制器控制所述升降平台快速上升，使所述升降平台的平台顶板高于网舱的上平面，从而避免系绳摆动过程中与所述网舱的缠绕干涉；

步骤五，所述卫星捕获到所述被抓捕目标后，通过所述系绳拖动所述被抓捕目标以实现离轨清除，所述系绳张力控制装置测量所述系绳的张力方向和大小，运用控制策略使所述系绳张力大小不超过设定门限，同时与所述载荷控制器实施交互，实现卫星姿态控制，以使张力方向通过所述卫星的星体轴线方向；

步骤六，当需要抛离目标时，所述系绳张力控制装置中的切割器切断所述系绳，以使所述目标脱离所述任务星；以及

步骤七，所述载荷控制器控制升降平台下降到下位状态，以等待下一次任务指令。