CN106516176B - 仿生黏附的微重力下复杂运动体旋转消除方法及验证装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种仿生黏附的微重力下复杂运动体旋转消除方法及验证装置，属于航空在轨服务技术领域。该方法主要是利用带有黏附材料的柔性承力牵拉部件先与消旋对象进行黏附接触，再形成牢固黏附，最后通过柔性承力牵拉部件对消旋对象施加外力实现消旋。验证装置包括系统支架（1）、安装于系统支架上的大惯量旋转体系统、第一滑轮系统、第二滑轮系统和柔性黏附绳索（6）。该消旋方法利用仿生黏附结构改变传统的纯机械式捕获锁紧方式，无需匹配接口和目标合作，仅需选择目标航天器合适表面，即可实现捕获和可靠联接。以全新设计理念，形成创新性机构，可简化系统设计与作业过程，降低控制要求，减轻装置质量，降低成本，综合提升我国目标捕获与联接能力。

Description

仿生黏附的微重力下复杂运动体旋转消除方法及验证装置

技术领域

本发明公开了一种仿生黏附的微重力下复杂运动体旋转消除方法及验证装置，可用于空间碎片，失效卫星等空间旋转体的消旋工作，公开的验证装置用于模拟可用于消旋原理的验证以及装备的测试，属于航天在轨服务技术领域。

背景技术

卫星碎片的清理或回收利用需具备对失控、非合作、无匹配接口目标的可靠捕获和联接的技术能力。目前在轨服务主要用空间机械臂，如加拿大的SRMS系统、日本的ETS-VII系统、欧洲的SLES系统等。通过机械臂和航天员协作，美国已经成功实现了对哈勃望远镜的维修、对在轨高机动军用侦查卫星KH-12的燃料加注。欧空局和美国DARPA拟用在轨机器人清理GEO轨道，并计划用废弃卫星实现在轨制造。美国“轨道快车”计划验证了采用机械臂和三爪锁紧机构对合作目标的捕获和锁紧关键技术，可支持对受控合作卫星的救援。随着北斗组网、神舟飞天、天宫运行和嫦娥登月的相继实现，我国的航天技术已经进入国际前列。但在碎片清理、在轨服务及对非合作目标的操作方面已经有了如飞网和飞爪等技术，但都有一定的局限性。

但目前的在轨服务技术(机械臂、空间飞网等)存在明显的缺陷，如运动范围有限、不能实现大范围作业、不具备跨尺度适应性、对服务目标存在刚性冲击。

在现有目标消旋专利中，专利CN105197261A公开了面向在轨服务的快速翻滚目标消旋细胞帆及其工作方法，它涉及一种消旋细胞帆的工作方法。通过在细胞帆安装的仿壁虎脚爪作对目标卫星进行吸附。细胞帆做为附着在失控卫星上的角动量消旋装置，是执行消旋任务的具体执行机构。在该专利中，主要通过仿动物脚爪结构进行目标的接触和结合。专利CN105353823A公开了一种非磁化金属碎片直流消旋磁场控制方法，对可清理的对象有较大的限制。专利CN103072701A公开了一种欠驱动的卫星消旋控制方法，该方法是基于欠驱动卫星自身的发动机进行控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方法简单、适应范围广的面向在轨服务的空间旋转体消旋方法及验证装置。

一种仿生黏附的微重力下复杂运动体旋转消除方法，所述复杂运动体一方面沿轨道公转，另一方面自转，其特征在于包括以下过程：

步骤1.利用有驱动的小型航天器搭载消旋装置，该消旋装置主要包括柔性承力牵拉部件，柔性承力牵拉部件上固定有仿生黏附材料；工作时使小型航天器绕空间目标复杂运动体飞行；

步骤2.先使柔性承力牵拉部件与空间复杂运动体进行黏附接触；

步骤3.随着空间复杂运动体的自转，柔性承力牵拉部件在空间复杂运动体上进行缠绕，直至柔性承力牵拉部件与空间复杂运动体形成牢固黏附；

步骤4.柔性承力牵拉部件与空间复杂运动体的接触边界相对于空间复杂运动体的质心有一定距离，通过柔性承力牵拉部件对空间复杂运动体施加外力，产生和空间复杂运动体自转方向相反的力矩，进而实现消旋的目的。

所述的仿生黏附的微重力下复杂运动体旋转消除方法，其特征在于：消旋过程中控制柔性承力牵拉部件对空间复杂运动体作用力，调整消旋状态，防止消旋过度，引发反向旋转。

所述的仿生黏附的微重力下复杂运动体旋转消除方法，其特征在于：所述的仿生黏附材料，一面具有易粘附-脱附特性，作为工作面；另一面为能牢固粘帖到柔性承力牵拉部件上的粘附材料。

所述的仿生黏附的微重力下复杂运动体旋转消除方法，其特征在于：所述的柔性承力牵拉部件为扁形带结构，或圆形绳结构。

所述的仿生黏附的微重力下复杂运动体旋转消除方法，其特征在于：所述黏附材料是采用螺旋方式缠绕于柔性承力牵拉部件上的，其中螺距大于等于0。

所述的仿生黏附的微重力下复杂运动体旋转消除方法的验证装置，其特征在于：包括系统支架、安装于系统支架上的大惯量旋转体系统、第一滑轮系统、第二滑轮系统和柔性黏附绳索；

其中大惯量旋转体系统包括大惯量旋转体、旋转轴和轴承座和角位移传感器；其中大惯量旋转体固定安装于旋转轴上，旋转轴通过一对轴承座安装于系统支架上，角位移传感器安装于系统支架上上，其轴与大惯量旋转体的旋转轴固定连接在一起；

第一滑轮系统包括第一滑轮、第一滑轮轴、第一滑轮左支撑台和第一滑轮右支撑台；其中第一滑轮通过轴承安装于第一滑轮轴上，第一滑轮轴的两端分别与第一滑轮左支撑台、第一滑轮右支撑台固定，第一滑轮左支撑台和第一滑轮右支撑台安装在系统支架上；

第二滑轮系统包括第二滑轮、第二滑轮轴、连接架、第二滑轮左支撑架、第二滑轮右支撑架和力传感器；其中第二滑轮左支撑架的第一端和第二滑轮右支撑架的第一端均固定在系统支架上，第二滑轮左支撑架的第二端和第二滑轮右支撑架的第二端沿自身长度方向设置有长槽结构；其中第二滑轮轴的左右两端分别位于第二滑轮左支撑架和第二滑轮右支撑架的长槽结构中，并可在长槽结构中自由滑动；其中第二滑轮通过轴承安装于第二滑轮轴上；连接架的两侧板中间开槽，与第二滑轮左支撑架和第二滑轮右支撑架的长槽配合安装，中间板中间打孔，与力传感器的拉力端固定连接；其中力传感器的固定端与系统支架固定；

在垂直方向上，上述大惯量旋转体位于最上方，第二滑轮位于中间，第一滑轮位于最下方；另外，大惯量旋转体和第二滑轮的外切面与水平面的夹角，第二滑轮和第一滑轮的外切面与水平面的夹角，上述两个夹角大小相等。

附图说明

图1模拟空间旋转体消旋方法的验证装置示意图；

图2 力传感器与第二滑轮装配关系示意图；

图3 第一滑轮安装示意图；

图4 柔性黏附绳索示意图；

图中标号名称：1.系统支架；2.第一滑轮；3.力传感器；4.第二滑轮左支撑架；5.第二滑轮；6.柔性黏附绳索；7.大惯量旋转体；8.旋转轴；9.轴承座；10.角位移传感器；11.第二滑轮右支撑架；12.连接架；13.第二滑轮轴；14. 第一滑轮轴；15.第一滑轮左支撑台；16.第一滑轮右支撑台；17.柔性绳索；18. 仿生黏附材料。

具体实施方案

下面结合附图进一步说明本发明专利一种仿生黏附的微重力下复杂运动体旋转消除方法及验证装置的具体内容及其工作过程。

该消旋方法利用仿生黏附结构改变传统的纯机械式捕获锁紧方式，无需匹配接口和目标合作，仅需选择目标航天器合适表面，即可实现捕获和可靠联接。以全新设计理念，形成创新性机构，可简化系统设计与作业过程，降低控制要求，减轻装置质量，降低成本，综合提升我国目标捕获与联接能力。

图1所示为模拟空间旋转体消旋方法的验证装置示意图。验证装置主要包括系统支架，大惯量旋转体，传感器，黏附柔性绳索和数据采集系统组成。大惯量旋转体7通过旋转轴8和轴承座9固定在一起，轴承座固定在系统支架1上。第一滑轮2和第二滑轮5用于改变拉力的方向。

图2为力传感器与第二滑轮装配关系示意图。第二滑轮5通过轴承同第二滑轮轴13装配在一起。第二滑轮轴13同传感器连接架12固定在一起，其中第二滑轮轴13在连接架12两侧分别伸出。力传感器3的拉力端与传感器连接架12固定在一起，力传感器3的固定端固定在系统支架1上。第二滑轮左支撑架4和第二滑轮右支撑架11为两块一端开长形槽的铝板，第二滑轮轴13两端可以嵌入长形槽内，并可以自由滑动。第二滑轮5的两个支撑架4，11分别固定在系统支架1上。通过该装置，第二滑轮5可以沿力传感器3的力感应方向自由移动，在重力方向上无位移，克服了滑轮重力对力传感器的影响。

图3为第一滑轮2安装示意图。第一滑轮2通过轴承与第一滑轮轴14连接在一起，第一滑轮轴14的两端分别与第一滑轮左支撑台15和第一滑轮右支撑台16固定在一起，两个支撑台安装在系统支架1上。

在验证装置中，第二滑轮5与第一滑轮2和旋转体7的相对位置有一定要求。如图1中所示位置，保证第二滑轮5和大惯量旋转体7外切面和水平面形成的夹角等于第二滑轮5和第一滑轮2外切面与水平面形成的夹角，以使第二滑轮5上受到的拉力沿水平面方向，在垂直方向上无分力。

图4 为柔性黏附绳索示意图。柔性黏附绳索由小弹性柔性绳索17和仿生黏附材料18构成。仿生黏附材料18以一定螺距和螺旋角缠绕到柔性绳索17上，螺距和螺旋角可以为任意值。但螺距为零时，黏附材料无缝缠绕到柔性绳索上。

系统的力传感器3和角位移传感器10通过信号调理电路和信号采集电路，由电脑采集并保存数据，显示数据变化过程。

验证装置的消旋方法验证过程为，柔性黏附绳索绕过滑轮5和2后，置于大惯量旋转体7上方，大惯量旋转体7在一定初始转速下旋转运动，运动过程中落下柔性黏附绳索。当黏附绳索黏附到大惯量旋转体7上并随旋转体旋转2-4圈后，开始平缓在柔性黏附绳索上的另一端施加力，使大惯量旋转体7的转速均匀下降，直至停止。

仿生黏附的微重力下复杂运动体旋转消除方法为，把仿生黏附材料固定到带状的柔性承力结构（如绳索）上，该柔性承力结构黏附到空间复杂运动体上，随空间运动体转动，形成牢固黏附接触。柔性承力结构与空间复杂运动体的接触边界相对于空间旋转体的质心有一定距离，柔性承力结构对空间旋转体施加外力，产生和转动方向相反的力矩，实现消除空间运动体旋转的作用。柔性承力结构主航天器连结，平衡消旋所需要的力，使主航天器和被消旋对性靠近，为下一步完成消旋后的捕获创造条件。柔性承力结构与主航天器的连接点置于主航天器的质心位置，防止对主航天器的姿态产生负面影响。柔性承力结构对被消旋结构的黏附接触可以利用空间复杂运动体的自转将柔性承力结构绕上去。也可采用有驱动的小型航天器牵引柔性承力结构绕目标航天器飞行，实现牢固黏附到待消旋航天器的要求。该过程中通过控制柔性承力结构对空间旋转体作用力，调整消旋状态，防止消旋过度，引发反向旋转。该方法可用于失效航天器、空间碎片等空间复杂运动体的消旋，为目标捕获创造条件，也可称为一种新的目标捕获方式。

微重力下复杂运动体旋转消除方法及验证装置，属于航天技术领域。本发明的核心是把仿生黏附材料固定到带状的柔性承力结构（如绳索）上，该柔性承力结构黏附到空间复杂运动体上，随空间运动体转动，形成牢固黏附接触。柔性承力结构与空间复杂运动体的接触边界相对于空间旋转体的质心有一定距离，柔性承力结构对空间旋转体施加外力，产生和转动方向相反的力矩，实现消除空间运动体旋转的作用。柔性承力结构主航天器连结，平衡消旋所需要的力，使主航天器和被消旋对性靠近，为下一步完成消旋后的捕获创造条件。柔性承力结构与主航天器的连接点置于主航天器的质心位置，防止对主航天器的姿态产生负面影响。柔性承力结构对被消旋结构的黏附接触可以利用空间复杂运动体的自转将柔性承力结构绕上去，也可采用有驱动的小型航天器牵引柔性承力结构绕目标航天器飞行，实现牢固黏附到待消旋航天器的要求。该过程中通过控制柔性承力结构对空间旋转体作用力，调整消旋状态，防止消旋过度，引发反向旋转。该方法可用于失效航天器、空间碎片等空间复杂运动体的消旋，为目标捕获创造条件，也可称为一种新的目标捕获方式。该方法对捕获目标的结构特征、材料、运动状态的适应范围广，可多次使用。

以上附图中所述内容均应被理解为实例性的，本发明不受这些实例的限制，尽管本说明书中给出了一套清洁装置的示范性例子，本领域的技术人员可以在本发明的基础上对其进行更改或同等替换。显然，这些更改或替换均应包含在本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种仿生黏附的微重力下复杂运动体旋转消除方法，所述复杂运动体一方面沿轨道公转，另一方面自转，其特征在于包括以下过程：

步骤1.利用有驱动的小型航天器搭载消旋装置，该消旋装置主要包括柔性承力牵拉部件，柔性承力牵拉部件上固定有仿生黏附材料；工作时使小型航天器绕目标空间复杂运动体飞行；

步骤2.先使柔性承力牵拉部件与空间复杂运动体进行黏附接触；

步骤3.随着空间复杂运动体的自转，柔性承力牵拉部件在空间复杂运动体上进行缠绕，直至柔性承力牵拉部件与空间复杂运动体形成牢固黏附；

步骤4.柔性承力牵拉部件与空间复杂运动体的接触边界相对于空间复杂运动体的质心有一定距离，通过柔性承力牵拉部件对空间复杂运动体施加外力，产生和空间复杂运动体自转方向相反的力矩，进而实现消旋的目的。

2.根据权利要求1所述的仿生黏附的微重力下复杂运动体旋转消除方法，其特征在于：消旋过程中控制柔性承力牵拉部件对空间复杂运动体作用力，调整消旋状态，防止消旋过度，引发反向旋转。

3.根据权利要求1所述的仿生黏附的微重力下复杂运动体旋转消除方法，其特征在于：所述的仿生黏附材料，一面具有易粘附-脱附特性，作为工作面；另一面为能牢固粘帖到柔性承力牵拉部件上的粘附材料。

4.根据权利要求1所述的仿生黏附的微重力下复杂运动体旋转消除方法，其特征在于：所述的柔性承力牵拉部件为扁形带结构，或圆形绳结构。

5.根据权利要求1所述的仿生黏附的微重力下复杂运动体旋转消除方法，其特征在于：所述黏附材料是采用螺旋方式缠绕于柔性承力牵拉部件上的，其中螺距大于等于0。

6.权利要求1至5任一所述的仿生黏附的微重力下复杂运动体旋转消除方法的验证装置，其特征在于：

包括系统支架（1）、安装于系统支架上的大惯量旋转体系统、第一滑轮系统、第二滑轮系统和柔性黏附绳索（6）；

其中大惯量旋转体系统包括大惯量旋转体（7）、旋转轴（8）和轴承座（9）和角位移传感器（10）；其中大惯量旋转体（7）固定安装于旋转轴（8）上，旋转轴（8）通过一对轴承座（9）安装于系统支架（1）上，角位移传感器（10）安装于系统支架（1）上，其轴与大惯量旋转体（7）的旋转轴（8）固定连接在一起；

第一滑轮系统包括第一滑轮（２）、第一滑轮轴（14）、第一滑轮左支撑台（15）和第一滑轮右支撑台（16）；其中第一滑轮（2）通过轴承安装于第一滑轮轴（14）上，第一滑轮轴（14）的两端分别与第一滑轮左支撑台（15）、第一滑轮右支撑台（16）固定，第一滑轮左支撑台（15）和第一滑轮右支撑台（16）安装在系统支架（1）上；

第二滑轮系统包括第二滑轮（5）、第二滑轮轴（13）、连接架（12）、第二滑轮左支撑架（4）、第二滑轮右支撑架（11）和力传感器（3）；其中第二滑轮左支撑架（4）的第一端和第二滑轮右支撑架（11）的第一端均固定在系统支架（1）上，第二滑轮左支撑架（4）的第二端和第二滑轮右支撑架（11）的第二端沿自身长度方向设置有长槽结构；其中第二滑轮轴（13）的左右两端分别位于第二滑轮左支撑架（4）和第二滑轮右支撑架（11）的长槽结构中，并可在长槽结构中自由滑动；其中第二滑轮（5）通过轴承安装于第二滑轮轴（13）上；连接架（12）的两侧板中间开槽，与第二滑轮左支撑架（4）和第二滑轮右支撑架（11）的长槽配合安装，中间板中间打孔，与力传感器（3）的拉力端固定连接；其中力传感器（3）的固定端与系统支架（1）固定；

在垂直方向上，上述大惯量旋转体（7）位于最上方，第二滑轮（5）位于中间，第一滑轮（2）位于最下方；另外，大惯量旋转体（7）和第二滑轮（5）的外切面与水平面的夹角，第二滑轮（5）和第一滑轮（2）的外切面与水平面的夹角，上述两个夹角大小相等。