CN106275518A - 充气展开式空间碎片抓捕系统和空间目标捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种充气展开式空间碎片抓捕系统和空间目标捕获方法。充气展开式空间碎片抓捕系统包括：卫星；伸展机构，一端与卫星相连而另一端与中心球相连；中心球，球体上有对称布局的四个连接端，并且每个连接端上均安装有阀门组件；万向节，被设置在伸展机构与中心球之间；阀门组件；四根充气柱，一端分别连接一个对应的质量块，而另一端分别与一个阀门组件相连；质量块；以及捕获网，被绑缚在充气柱上。因此，采用本发明，可实现对构型尺寸大于主动航天器本体尺寸的空间目标的抓捕，能再次收拢以便于组合体在轨激动，有效抵消了回弹力，可长时间维持飞网的展开形状，有效隔离空间目标与刚性中心球直接撞击的风险，使管理更加高效。

Description

充气展开式空间碎片抓捕系统和空间目标捕获方法

技术领域

本发明属于航空航天领域，涉及用于空间目标捕获的飞网抓捕方案，具体涉及一种充气展开式空间碎片抓捕系统和空间目标捕获方法，用于采用充气柱式网面支撑结构和主网加辅网的网面构型布局方式，对空间目标进行捕获。

背景技术

空间活动中一项典型的需求是两个独立航天器或天体的对接或组合，两者合二为一的过程称为对接或捕获。被捕获/对接的目标称为空间目标，空间目标包括合作目标和非合作目标，合作目标指己方的卫星、飞船等航天器，非合作目标指废旧卫星、空间碎片等人造航天器或非人造天体。

非合作目标常用的一种捕获方式是飞网抓捕，即由主动航天器携带捕获装置，当接近空间目标时，主动航天器释放飞网捕获装置，像捕鱼一样用捕获网将空间目标罩住，实现对空间目标的捕获。

发明内容

本发明提出了一种用于空间目标捕获的飞网捕获方案，充气展开式空间碎片抓捕系统为可折叠构型，在发射状态下能够折叠到常见的火箭发射包络范围内，入轨后靠伸展机构展开，由充气杆撑开捕获网，捕获空间目标后质量块带动收口绳锁紧目标，锁紧后伸展机构收拢，使已捕获的空间目标与主动航天器构成组合体，由主动航天器上的姿轨控装置控制组合体的机动。

本发明的一个方面提供了一种充气展开式空间碎片抓捕系统，采用充气柱式网面支撑结构和主网加辅网的网面构型布局方式，对空间目标进行捕获，其包括：卫星；伸展机构，一端与卫星相连而另一端与中心球相连；中心球，球体上有对称布局的四个连接端，并且每个连接端上均安装有阀门组件；万向节，被设置在伸展机构与中心球之间；阀门组件；四根充气柱，一端分别连接一个对应的质量块，而另一端分别与一个阀门组件相连；质量块；以及捕获网，被绑缚在充气柱上。

具体地，充气展开式空间碎片抓捕系统为折叠构型的，在发射状态下，被折叠到火箭发射包络范围内，在入轨后，靠伸展机构展开并由充气柱撑开捕获网，在捕获空间目标后，质量块带动收口单元来锁紧空间目标，以及在锁紧空间目标后，伸展机构收拢，从而空间目标与主动航天器构成组合体并由主动航天器上的姿轨控装置来控制组合体的机构。

在本发明中，中心球为中空的球形结构，并且在其外壁上设有5个连接端。5个连接端为1个伸展机构连接端和4个阀门组件连接端，5个连接端的轴线都通过中心球的球心，5个连接端的端口为法兰结构，以及4个阀门组件连接端的轴线相对1个伸展机构连接端的轴线对称布置。

充气柱为可折叠展开结构，并且包括：充气杆，由柔性密封材料制成，其外表面的相应位置设置有用于绑缚捕获网的绑绳；以及刚柔连接件，为金属刚性件，其中，充气杆的两端各有一个刚性连接件。

优选地，充气柱具有密封功能，在折叠状态下，充气杆被压缩在两个刚柔连接件之间，以及在充气后，充气杆展开并带动捕获网展开。质量块上安装有排气阀、和收口装置，其中，收口装置用于拉紧和放开收口绳并且靠电机进行驱动。

另外，捕获网由5片网面组成并且包括：展开后为等腰三角形结构的4片网面，等腰三角形结构的两个腰分别与充气杆上的绑绳固定且4片网面形成封闭包络构成主网，等腰三角形结构的第三条边为收口绳；以及展开后为等腰正方形结构的1片网面，四个角分别与四根充气柱的对应充气杆相连，并随充气柱的展开而展开以构成防护网。

收口绳被缝合在展开后为等腰三角形结构的4片网面上并且两端各连接质量块的一个收口装置，以及展开后为等腰正方形结构的1片网面用于：在待捕获的空间目标的尖端凸起结构撞向中心球时，有效分担局部受理，以将载荷传递到主网上。

本发明的另一个方面提供了一种空间目标捕获方法，其包括以下步骤：步骤一，卫星在经过变轨、调姿、接近待捕获的空间目标后，进入抓捕操作模式；步骤二，伸展机构由收拢状态解锁展开，并在展开到位后锁定，压紧释放装置工作而释放出质量块；步骤三，在向外运动的过程中，质量块扯动四个充气柱和捕获网展开，四个充气柱的四根充气杆开始充气，并在对应四个质量块运动到预定位置前，充气过程完成，且当捕获网完全撑开后，展开后为等腰三角形结构的4片网面被拉紧的回弹力由四根充气杆抵消；步骤四，在捕获到空间目标后，在展开后为等腰三角形结构的4片网面的收口绳动作前，通过排气阀的控制使质量块进一步向空间目标收拢，通过星载相机观察，在适当收拢位置充气杆进一步放气以去刚化，从而收口绳进一步动作以锁紧空间目标；步骤五，伸展机构向卫星的星本体表面收拢，以将空间目标向卫星拉近；以及步骤六，通过位于伸展机构和中心球之间的万向节抵消抓捕空间目标时的自旋对卫星的影响，从而最终卫星和空间目标构成组合体，完成抓捕过程并通过卫星上的推进系统来控制组合体的轨道机动，其中，预定位置为质量块距离中心球的中心为28m。

因此，采用本发明的空间碎片捕获方案，可以实现以下的有益效果：

1)采用可收拢展开的布局设计，使得飞网抓捕装置在发射状态下可折叠收拢到常规火箭的发射包络范围内，在轨后展开后可实现对构型尺寸大于主动航天器本体尺寸的空间目标抓捕，且抓捕动作完成后飞网抓捕装置能再次收拢，便于组合体在轨机动；

2)采用充气柱式网面支撑方案，有效抵消了飞网四个角上的质量块在发射后张紧的回弹力，避免质量块展开最大位置后的回弹效应，可长时间维持飞网的展开形状；

3)主网加辅网的网面构型布局能确保被捕获空间目标的可能尖端凸起结构撞向飞网捕获装置的中心球时，网面可以有效分担局部受力，将载荷传递到主网上，起到有效隔离空间目标与刚性中心球直接撞击的风险；以及

4)充气控制阀门组件和排气阀在充气柱两端布局的方案，能够高效实现充气柱气源供应的集中管理，且充分利用充气柱排气过程的反作用力使得捕获网面收口绳动作时绑缚空间目标更高效。

附图说明

图1是本发明的充气式飞网捕获装置在收拢状态下的组成原理示意图；

图2是本发明的充气式飞网捕获装置在展开状态下的组成原理示意图；

图3是本发明的充气式飞网捕获装置在展开状态下的局部放大图；

图4是本发明的充气式飞网捕获装置的中心球的组成原理示意图；

图5是本发明的充气式飞网捕获装置的充气柱的组成原理示意图；

图6是本发明的充气式飞网捕获装置的质量块的组成原理示意图；以及

图7是本发明的充气式飞网捕获装置捕获到空间目标状态下的示意图。

具体实施方式

应了解，本发明设计了一种充气展开式空间碎片抓捕系统。该飞网捕获装置为可折叠构型，在发射状态下能够折叠到常见的火箭发射包络范围内，入轨后靠伸展机构展开，由充气杆撑开捕获网，捕获空间目标后质量块带动收口绳锁紧目标，锁紧后伸展机构收拢，使已捕获的空间目标与主动航天器构成组合体，由主动航天器上的姿轨控装置控制组合体的机动。本发明采用充气柱式网面支撑方案，有效抵消了飞网四个角上的质量块在发射后张紧的回弹力，避免质量块展开最大位置后的回弹效应，可长时间维持飞网的展开形状。本发明提出的主网加辅网的网面构型布局，能确保被捕获空间目标的可能尖端凸起结构撞向飞网捕获装置的中心球时，网面可以有效分担局部受力，将载荷传递到主网上，起到有效隔离空间目标与刚性中心球直接撞击的风险。本发明提出的充气控制阀门组件和排气阀在充气柱两端布局的方案，能够高效实现充气柱气源供应的集中管理，且充分利用充气柱排气过程的反作用力使得捕获网面收口绳动作时绑缚空间目标更高效。

注意，本发明中所涉及的卫星为本领域公知的人造航天器，包括星本体和太阳翼以及人造航天器必备的动力系统、控制系统等。

另外，伸展机构和万向节也是本领域的公知技术。伸展机构具备可重复展开、可控收拢的功能，沿伸展方向其展开与收拢的长度比值一般不小于20。万向节的功能是消除卫星与被捕获空间目标的相对运动，尤其是空间目标自旋对卫星的动力学和运动学影响。

中心球本体为中空的球状结构，在球的外壁上有5个连接端，5个连接端的端口都为公知的法兰结构。

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。

应了解，空间碎片抓捕系统的展开形式包括弹射质量块牵引网面展开形式，充气柱展开牵引网面展开形式等，但不限于上述两种方式。

本发明的充气展开式空间碎片抓捕系统属于充气柱展开牵引网面展开形式的一种，所提及的四根充气柱方案为优选方案，当然，也可以采用三根、五根或多余五根等其他方案。

如图1、图2和图3所示，充气展开式空间碎片抓捕系统包括卫星1、伸展机构2、万向节3、中心球4、阀门组件5、充气柱6、质量块7和捕获网8。卫星1与伸展机构2连接，伸展机构2的另一端与中心球4连接，在伸展机构2与中心球4之间设计有万向节3，中心球4球体上有对称布局的四个连接端，连接端上安装阀门组件5，阀门组件5的另一端连接充气柱6，四根充气柱的另一端各自连接一个质量块7，在充气柱6上绑缚有捕获网8。

如图4所示，中心球4本体为中空的球状结构，在球的外壁上有5个连接端，1个伸展机构连接端和4个阀门组件连接端，5个连接端的轴线都通过球心，且4个阀门组件连接端的轴线相对伸展机构连接端的轴线对称布置，5个连接端的端口都为公知的法兰结构。

如图5所示，充气柱6为可折叠展开结构，由充气杆61和刚柔连接件62组成，充气杆61为柔性密封材料制成，充气杆61外表面相应位置有绑缚捕获网8的绑绳611，刚柔连接件62为金属刚性件，充气杆61的两端各有一个刚柔连接件62。充气柱6具有密封功能，折叠状态下充气杆61被压缩在两个刚柔连接件62之间，充气后充气杆61展开，并带动捕获网8展开。

如图6所示，质量块7上安装有排气阀71和收口装置72，收口装置72具有拉紧和放开收口绳的功能，靠电机实现驱动。

如图2所示，捕获网8由5片网面组成，网面81、82、83、84展开后为等腰三角形结构，网面81、82、83、84的两个“腰”分别与充气杆61上的绑绳611固定，4片网面形成封闭包络，构成主网，网面81、82、83、84的第三条“边”为收口绳86，收口绳86缝合在网面上，收口绳86的两端各自连接一个收口装置72。网面85展开后为等腰正方形结构，四个角分别与四根充气杆61相连，可以随着四根充气柱6的展开而展开，起防护网功能，当被捕获空间目标的可能尖端凸起结构撞向中心球4时，网面85可以有效分担局部受力，将载荷传递到主网上，起到有效隔离空间目标与刚性中心球4直接撞击的风险。

下面，结合图1～图7的示意图，对本发明所述的飞网抓捕装置对空间目标捕获过程的具体实施步骤作进一步说明：

第1步，卫星1经变轨、调姿、接近被抓捕的空间目标后，进入抓捕操作模式；

第2步，伸展机构2由收拢状态解锁展开，展开到位后锁定，压紧释放装置工作，释放质量块7；

第3步，质量块7向外运动的过程中扯动充气柱6和捕获网8展开，此时四根充气杆61开始充气，在四个质量块7运动到相应位置前(例如，距离中心球4的中心约28m时)，充气过程完成，当捕获网8完全撑开后，网面81、82、83、84被拉紧的回弹力由四根充气杆61抵消；

第4步，捕获空间目标后，在收口绳86动作前，通过排气阀71控制使质量块进一步向抓捕目标收拢，通过星载相机观察，在适当收拢位置充气杆61进一步放气去刚化，之后收口绳86进一步动作，锁紧目标；

第5步，伸展机构2向星体11表面收拢，将空间目标向卫星1拉近；以及

第6步，通过伸展机构2和中心球4间的万向节3抵消抓捕目标自旋对卫星1的影响。最终卫星和空间目标构成组合体，抓捕过程完成，由卫星星体上的推进系统控制组合体的轨道机动。

综上所述，通过本发明，使得飞网抓捕装置在发射状态下可折叠收拢到常规火箭的发射包络范围内，在轨后展开后可实现对构型尺寸大于主动航天器本体尺寸的空间目标抓捕，且抓捕动作完成后飞网抓捕装置能再次收拢，便于组合体在轨机动。采用充气柱式网面支撑方案，有效抵消了飞网四个角上的质量块在发射后张紧的回弹力，避免质量块展开最大位置后的回弹效应，可长时间维持飞网的展开形状。

另外，主网加辅网的网面构型布局能确保被捕获空间目标的可能尖端凸起结构撞向飞网捕获装置的中心球时，网面可以有效分担局部受力，将载荷传递到主网上，起到有效隔离空间目标与刚性中心球直接撞击的风险。采用充气控制阀门组件和排气阀在充气柱两端布局的方案，能够高效实现充气柱气源供应的集中管理，且充分利用充气柱排气过程的反作用力使得捕获网面收口绳动作时绑缚空间目标更高效。

本发明中未说明部分属于本领域的公知技术。

Claims (10)

1.一种充气展开式空间碎片抓捕系统，采用充气柱式网面支撑结构和主网加辅网的网面构型布局方式，对空间目标进行捕获，其特征在于，包括：

卫星；

伸展机构，一端与所述卫星相连而另一端与中心球相连；

所述中心球，球体上有对称布局的四个连接端，并且每个连接端上均安装有阀门组件；

万向节，被设置在所述伸展机构与所述中心球之间；

所述阀门组件；

四根充气柱，一端分别连接一个对应的质量块，而另一端分别与一个所述阀门组件相连；

所述质量块；以及

捕获网，被绑缚在所述充气柱上。

2.根据权利要求1所述的充气展开式空间碎片抓捕系统，其特征在于，其为折叠构型的，

在发射状态下，被折叠到火箭发射包络范围内，

在入轨后，靠所述伸展机构展开并由所述充气柱撑开所述捕获网，

在捕获空间目标后，所述质量块带动收口单元来锁紧所述空间目标，以及

在锁紧所述空间目标后，所述伸展机构收拢，从而所述空间目标与主动航天器构成组合体并由所述主动航天器上的姿轨控装置来控制所述组合体的机构。

3.根据权利要求1所述的充气展开式空间碎片抓捕系统，其特征在于，所述中心球为中空的球形结构，并且在其外壁上设有5个连接端。

4.根据权利要求3所述的充气展开式空间碎片抓捕系统充气展开式空间碎片抓捕系统，其特征在于，

所述5个连接端为1个伸展机构连接端和4个阀门组件连接端，

所述5个连接端的轴线都通过所述中心球的球心，

所述5个连接端的端口为法兰结构，以及

所述4个阀门组件连接端的轴线相对所述1个伸展机构连接端的轴线对称布置。

5.根据权利要求1所述的充气展开式空间碎片抓捕系统，其特征在于，所述充气柱为可折叠展开结构，并且包括：

充气杆，由柔性密封材料制成，其外表面的相应位置设置有用于绑缚所述捕获网的绑绳；以及

刚柔连接件，为金属刚性件，

其中，所述充气杆的两端各有一个所述刚性连接件。

6.根据权利要求5所述的充气展开式空间碎片抓捕系统，其特征在于，所述充气柱具有密封功能，

其中，

在折叠状态下，所述充气杆被压缩在所述两个刚柔连接件之间，以及

在充气后，所述充气杆展开并带动所述捕获网展开。

7.根据权利要求1所述的充气展开式空间碎片抓捕系统，其特征在于，所述质量块上安装有排气阀、和收口装置，

其中，所述收口装置用于拉紧和放开收口绳并且靠电机进行驱动。

8.根据权利要求1所述的充气展开式空间碎片抓捕系统，其特征在于，所述捕获网由5片网面组成，并且包括：

展开后为等腰三角形结构的4片网面，所述等腰三角形结构的两个腰分别与所述充气杆上的绑绳固定且所述4片网面形成封闭包络构成主网，所述等腰三角形结构的第三条边为收口绳；以及

展开后为等腰正方形结构的1片网面，四个角分别与所述四根充气柱的对应充气杆相连，并随所述充气柱的展开而展开以构成防护网。

9.根据权利要求8所述的充气展开式空间碎片抓捕系统，其特征在于，

所述收口绳被缝合在所述展开后为等腰三角形结构的4片网面上并且两端各连接所述质量块的一个收口装置，以及

所述展开后为等腰正方形结构的1片网面用于：在待捕获的空间目标的尖端凸起结构撞向所述中心球时，有效分担局部受理，以将载荷传递到所述主网上。

10.一种空间目标捕获方法，用于采用上述任一权利要求所述的充气展开式空间碎片抓捕系统对空间目标进行捕获，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，卫星在经过变轨、调姿、接近待捕获的空间目标后，进入抓捕操作模式；

步骤二，伸展机构由收拢状态解锁展开，并在展开到位后锁定，压紧释放装置工作而释放出质量块；

步骤三，在向外运动的过程中，所述质量块扯动四个充气柱和捕获网展开，所述四个充气柱的四根充气杆开始充气，并在对应四个质量块运动到预定位置前，充气过程完成，且当所述捕获网完全撑开后，展开后为等腰三角形结构的4片网面被拉紧的回弹力由所述四根充气杆抵消；

步骤四，在捕获到所述空间目标后，在所述展开后为等腰三角形结构的4片网面的收口绳动作前，通过排气阀的控制使所述质量块进一步向所述空间目标收拢，通过星载相机观察，在适当收拢位置所述充气杆进一步放气以去刚化，从而所述收口绳进一步动作以锁紧所述空间目标；

步骤五，所述伸展机构向卫星的星本体表面收拢，以将所述空间目标向所述卫星拉近；以及

步骤六，通过位于所述伸展机构和所述中心球之间的万向节抵消抓捕所述空间目标时的自旋对所述卫星的影响，从而最终所述卫星和所述空间目标构成组合体，完成抓捕过程并通过所述卫星上的推进系统来控制所述组合体的轨道机动。