CN107264845A - 一种被动触发式空间碎片捕获装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种被动触发式空间碎片捕获装置，包括两个捕获收纳仓，以及连接在两个捕获收纳仓之间的触发系统和基座，触发系统与基座连接；捕获收纳仓包括收纳仓本体，以及与收纳仓本体连接的收纳仓连杆组件；收纳仓本体上设有收纳仓口，收纳仓连杆组件和基座连接，触发系统包括电机、丝杠传动系统、滑块式开合系统及弹簧触发器。本发明的有益效果是：本发明属于被动清理方法，通过两个捕获收纳仓的整体包络式结构，可以有效的捕获空间碎片，通过设置触发系统来被动捕获碎片，因为主要依靠外界自然因素来清理碎片，消耗能源极少，降低成本。

Description

一种被动触发式空间碎片捕获装置

技术领域

本发明属于航天技术领域，涉及一种被动触发式空间碎片捕获装置。

背景技术

空间碎片的存在严重地威胁着在轨航天器的安全，它们和航天器的碰撞会造成表面器件损伤、导致航天器系统故障，对航天器正常运行带来极大的危害。同时，空间碎片数量的不断膨胀对有限的轨道资源也构成了严重威胁，目前碎片比较集中的轨道为太阳同步轨道和地球同步轨道，当空间碎片密度达到一个临界值时，碎片之间的链式碰撞会对轨道资源造成永久性破坏。

对于尺寸大于10cm的空间碎片，动能非常大，撞击航天器时会产生毁灭性破坏，这一尺度的碎片可以被地面观测设备监测、跟踪和编目，航天器一般采用主动规避的方式予以躲避。尺寸小于1cm的空间碎片，动能较小，撞击航天器时通常不会产生毁灭性破坏，航天器一般采用加装防护结构的方式来进行被动防护。尺寸介于1～10cm之间的碎片，动能较大且目前还难以对其进行监测、跟踪和编目，航天器既不能进行机动规避，也没有有效的被动防护措施，因此这些碎片会成为航天器的“杀手”，属于危险碎片。

为了防止碎片的进一步增长，以及减少在轨航天器的安全隐患，碎片清理成为必然的选择。根据轨道高低，碎片大小和数量等不同的因素，碎片清理宜采用不同的方法。

目前，清理空间碎片的方法为主动清理方法，通常由空间机器人搭载空间碎片清除装置执行任务，清理机制与空间交会对接类似，因此清除成本较高，常用于超大型碎片的捕获与清理，而难以用于捕获数量巨大且尺寸介于1～10cm之间的碎片。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种被动触发式空间碎片捕获装置，属于被动清理方法，消耗能源极少，主要依靠外界自然因素来清理碎片，利用被动触发机制将碎片捕获，该装置重复使用性好，能够达到降低成本的需求。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

这种被动触发式空间碎片捕获装置，包括两个捕获收纳仓，以及连接在两个捕获收纳仓之间的触发系统和基座，触发系统与基座连接；

所述捕获收纳仓包括收纳仓本体，以及与收纳仓本体连接的收纳仓连杆组件；收纳仓本体上设有收纳仓口，收纳仓连杆组件和基座连接；所述触发系统包括电机、丝杠传动系统、滑块式开合系统及弹簧触发器；电机与丝杠传动系统连接，丝杠传动系统上下端分别与弹簧触发器和基座连接，滑块式开合系统分别与弹簧触发器和基座以及收纳仓连杆组件连接。

所述两个捕获收纳仓对称布置，所述收纳仓连杆组件包括连杆和捕获收纳仓连杆，连杆两端分别与捕获收纳仓连杆和滑块式开合系统通过铰链连接，捕获收纳仓连杆和基座通过铰链连接。

所述收纳仓口为正八边形，收纳仓口每个边上设置一块三角形的挡板，收纳仓口各边与挡板通过扭簧铰链连接形成密闭开合的仓门。

所述触发系统还包括套筒，套筒上下端分别与弹簧触发器和基座固连。

所述滑块式开合系统包括圆柱滑块，圆柱滑块内壁开设圆柱滑块卡槽，圆柱滑块两侧下端设有圆柱滑块连接件，圆柱滑块连接件通过铰链与连杆连接，圆柱滑块下方通过多个伸缩弹簧与基座连接，圆柱滑块卡槽与弹簧触发器形成卡紧机构。

所述弹簧触发器包括触发伞、固定支柱、触发杆簇、触发器外壳、触发挡块、固定杆盘形支架、弹簧；所述触发伞与顶部呈半球形的固定支柱形成球铰配合，触发伞下表面与触发杆簇接触；固定支柱底部与触发器外壳固连，固定支柱与固定杆盘型支架为一体，触发杆簇在固定杆盘形支架上的通孔中滑动，触发杆簇底部与触发挡块接触；触发器外壳上面均匀开设多个舱口，每个舱口安装有可以转动的触发挡块，触发器外壳与套筒固连，弹簧套设在触发杆簇上，且置于固定杆盘形支架下方。

所述丝杠传动组件包括螺母和丝杠；螺母与丝杠构成螺旋副配合，所述螺母为双翼构型，两翼穿过套筒的滑移通道；所述丝杠与电机固连，丝杠顶部通过深沟球轴承与触发器外壳连接，丝杠底部通过轴承与基座连接。

触发杆簇由六根直杆和杆簇支架组成一体结构，六根直杆顶端与触发伞下表面接触，六根直杆下端分别与六个触发挡块接触，杆簇支架与触发器外壳连接，杆簇支架与固定杆盘形支架之间设置六个弹簧，弹簧套设在在六根直杆上。

所述固定杆盘形支架由两个上下平行的环形盘通过六根均匀设置的圆柱支架固连而成，六根圆柱支架贯穿上下环形盘形成六个通孔。

所述触发挡块设计成“L”型，触发挡块与触发器外壳之间采用扭簧铰链连接。

同现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

由于空间碎片集合数量巨大且外形不规则，通过两个捕获收纳仓的整体包络式结构，可以有效的捕获空间碎片。通过设置触发系统来被动捕获碎片，主要依靠外界自然因素来清理碎片，消耗能源极少，降低成本。

通过设置收纳仓连杆组件和滑块开合系统保证收纳仓开合顺畅，通过设置收纳仓口保证碎片有效进入收纳仓本体，通过丝杠传动系统和弹簧触发器的设置，使得装置传动稳定、重复使用性好。触发系统设置套筒来防护固定，进一步增加了装置的安全稳定性。

弹簧触发器上设置触发伞，可以最大面积与碎片接触，确保更多碎片进入收纳仓，达到良好的收集效果，触发挡块和圆柱滑块卡槽形成卡紧装置，圆柱滑块和收纳仓连杆组件连接，确保收纳仓开合稳定，进一步提高了碎片的收集效果。

附图说明

图1为本发明的捕获装置的三维示意图；

图2为本发明的捕获装置的三维结构图；

图3为本发明的触发系统正视图；

图4为本发明的触发系统剖视图；

图5为本发明的弹簧触发器正视图；

图6为本发明的弹簧触发器剖视图；

图7为本发明的触发系统内部轴侧三维图；

图8为本发明的触发系统外部轴侧三维图；

图9为本发明的触发系统连杆传动示意图。

其中：1为捕获收纳仓；2为触发系统；3为收纳仓壁；4为圆柱滑块；5为连杆；6为伸缩弹簧；7为挡板；8为弹簧触发器；9为基座；10为螺母；11为触发伞；12为固定支柱；13为触发杆簇；14为触发器外壳；15为触发挡块；16为圆柱滑块卡槽；17为圆柱滑块连接件；18为丝杠；19为固定杆盘形支架；20为杆簇支架；21为弹簧；22为捕获收纳仓连杆；23为收纳仓口；24为套筒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-9，这种被动触发式空间碎片捕获装置，包括两个捕获收纳仓1，以及连接在两个捕获收纳仓1之间的触发系统2和基座9，触发系统2与基座9连接；

所述捕获收纳仓1包括收纳仓本体，以及与收纳仓本体连接的收纳仓连杆组件；收纳仓本体上设有收纳仓口23，收纳仓连杆组件和基座9连接，收纳仓本体上的收纳仓壁3为多边形壳体；所述触发系统2包括电机、丝杠传动系统、滑块式开合系统及弹簧触发器8；电机与丝杠传动系统连接，丝杠传动系统上下端分别与弹簧触发器8和基座9连接，滑块式开合系统分别与弹簧触发器8和基座9以及收纳仓连杆组件连接。

进一步地，所述两个捕获收纳仓1对称布置，所述收纳仓连杆组件包括连杆5和捕获收纳仓连杆22，连杆5两端分别与捕获收纳仓连杆22和滑块式开合系统通过铰链连接，捕获收纳仓连杆22和基座9通过铰链连接。

进一步地，所述收纳仓口23为正八边形，收纳仓口23每个边上设置一块三角形的挡板7，收纳仓口23各边与挡板7通过扭簧铰链连接形成密闭开合的仓门，每个挡块7在扭簧的作用下具备了复位功能。

进一步地，所述触发系统2还包括套筒24，套筒24上下端分别与弹簧触发器8和基座9固连。

进一步地，所述滑块式开合系统包括圆柱滑块4，圆柱滑块4内壁开设圆柱滑块卡槽16，圆柱滑块4两侧下端设有圆柱滑块连接件17，圆柱滑块连接件17通过铰链与连杆5连接，圆柱滑块4下方通过多个伸缩弹簧6与基座9连接，伸缩弹簧6的数量为六个，均匀布置，圆柱滑块4、连杆5与捕获收纳仓连杆22一起构成“曲柄滑块”结构，连杆的摆动使得收纳仓完成开合动作，圆柱滑块卡槽16与弹簧触发器8形成卡紧机构，圆柱滑块卡槽16通过与弹簧触发器8上的触发挡块15配合，来实现卡紧功能。

进一步地，所述弹簧触发器8包括触发伞11、固定支柱12、触发杆簇13、触发器外壳14、触发挡块15、固定杆盘形支架19、弹簧21；所述触发伞11与顶部呈半球形的固定支柱12形成球铰配合，触发伞11下表面与触发杆簇13接触；固定支柱12底部与触发器外壳14固连，固定支柱12与固定杆盘型支架19为一体，触发杆簇13在固定杆盘形支架19上的通孔中滑动，触发杆簇13底部与触发挡块15接触；触发器外壳14上面均匀开设多个舱口，每个舱口安装有可以转动的触发挡块15，触发器外壳14与套筒24固连，弹簧21套设在触发杆簇13上，且置于固定杆盘形支架19下方。

进一步地，所述丝杠传动组件包括螺母10和丝杠18；螺母10与丝杠18构成螺旋副配合，所述螺母10为双翼构型，两翼穿过套筒24的滑移通道；所述丝杠18与电机固连，丝杠18顶部通过深沟球轴承与触发器外壳14连接，丝杠18底部通过轴承与基座9连接。

进一步地，所述触发杆簇13由六根直杆和杆簇支架20组成一体结构，六根直杆顶端与触发伞11下表面接触，六根直杆下端分别与六个触发挡块15接触，杆簇支架20与触发器外壳14连接，杆簇支架20与固定杆盘形支架19之间设置六个弹簧21，弹簧21套设在在六根直杆上。

进一步地，所述固定杆盘形支架19由两个上下平行的环形盘通过六根均匀设置的圆柱支架固连而成，六根圆柱支架贯穿上下环形盘形成六个通孔。

进一步地，所述触发挡块15设计成“L”型，触发挡块15与触发器外壳14之间采用扭簧铰链连接。

本发明的捕获碎片的过程如下：

空间碎片分布情况较为复杂，捕获装置需借助服务平台完成作业之前的施放与任务完成之后的回收离轨。

捕获装置进入作业区域之后，电机开始工作，通过丝杠传动系统推动圆柱滑块4进行轴向运动，丝杠18通过轴承与基座9固连，电机带动丝杠18旋转，使得螺母10进行轴向移动，螺母10与圆柱滑块4之间只是接触关系；触发挡块15属于触发器的一部分，触发挡块15处于张开状态时，会与圆柱滑块4内侧的卡槽卡死，圆柱滑块4与基座9之间的弹簧会提供预紧力；丝杠18正转时，螺母10推动圆柱滑块4向外侧移动，其抵达终止位置时与触发器的触发挡15卡死，此时伸缩弹簧6在拉伸的过程完成蓄能。两个捕获收纳仓1通过连杆5与圆柱滑块4连接，构成曲柄滑块机构，在圆柱滑块4移动的过程中，捕获收纳仓1逐渐张开。圆柱滑块4通过圆柱滑块卡槽16与触发挡块15卡紧之后，伸缩弹簧6处于最大拉伸状态，捕获收纳仓1完全张开。待捕获收纳仓1张开至极限位置之后，电机反转，通过丝杠传动系统推动螺母10，螺母在丝杠反转的作用下沿轴向向内侧移动，反向运动至初始位置。

碎片进入捕获范围之后，由于碎片和捕获装置具有相对运动，会与触发伞11的弧形表面产生碰撞，碰撞力会使得触发伞11下表面产生相对于端面的倾斜扰动，触发伞11的任意方向的倾斜都会使触发杆簇13产生向下的位移。

触发杆簇13向下运动与触发挡块15接触，触发挡块15在触发杆簇13的轴向作用下，相对于铰链中心旋转。当触发挡块15完全收入弹簧触发器8之后，圆柱滑块4在伸缩弹簧6的作用下沿轴向急速滑动，带动捕获收纳仓1快速闭合。

由于整个触发过程在非常短的时间内完成，碎片在捕获收纳仓1闭合过程中来不及逃逸，在两个捕获收纳仓1的“挤压”作用下，碎片撞开三角形挡板7构成的舱门，进入捕获收纳仓1内部，随后三角形挡板7在扭簧作用下复位。

碎片完成捕获之后，触发杆簇13在弹簧21的作用下恢复至原来位置，并推动触发伞11复位。触发挡块15也在扭簧铰链的作用下到达初始位置。

此时，只需再次驱动电机，即可重复以上捕获机制，进行碎片的再次捕获。在完成捕获之后，为了防止碎片的逃逸，捕获装置应将碎片进行收纳，然后统一离轨。

Claims (10)

1.一种被动触发式空间碎片捕获装置，其特征在于，包括两个捕获收纳仓(1)，以及连接在两个捕获收纳仓(1)之间的触发系统(2)和基座(9)，触发系统(2)与基座(9)连接；

所述捕获收纳仓(1)包括收纳仓本体，以及与收纳仓本体连接的收纳仓连杆组件；收纳仓本体上设有收纳仓口(23)，收纳仓连杆组件和基座(9)连接；所述触发系统(2)包括电机、丝杠传动系统、滑块式开合系统及弹簧触发器(8)；电机与丝杠传动系统连接，丝杠传动系统上下端分别与弹簧触发器(8)和基座(9)连接，滑块式开合系统分别与弹簧触发器(8)和基座(9)以及收纳仓连杆组件连接。

2.根据权利要求1所述的一种被动触发式空间碎片捕获装置，其特征在于，所述两个捕获收纳仓(1)对称布置，所述收纳仓连杆组件包括连杆(5)和捕获收纳仓连杆(22)，连杆(5)两端分别与捕获收纳仓连杆(22)和滑块式开合系统通过铰链连接，捕获收纳仓连杆(22)和基座(9)通过铰链连接。

3.根据权利要求1所述的一种被动触发式空间碎片捕获装置，其特征在于，所述收纳仓口(23)为正八边形，收纳仓口(23)每个边上设置一块三角形的挡板(7)，收纳仓口(23)各边与挡板(7)通过扭簧铰链连接形成密闭开合的仓门。

4.根据权利要求1所述的一种被动触发式空间碎片捕获装置，其特征在于，所述触发系统(2)还包括套筒(24)，套筒(24)上下端分别与弹簧触发器(8)和基座(9)固连。

5.根据权利要求2所述的一种被动触发式空间碎片捕获装置，其特征在于，所述滑块式开合系统包括圆柱滑块(4)，圆柱滑块(4)内壁开设圆柱滑块卡槽(16)；圆柱滑块(4)两侧下端设有圆柱滑块连接件(17)，圆柱滑块连接件(17)通过铰链与连杆(5)连接，圆柱滑块(4)下方通过多个伸缩弹簧(6)与基座(9)连接，圆柱滑块卡槽(16)与弹簧触发器(8)形成卡紧机构。

6.根据权利要求4所述的一种被动触发式空间碎片捕获装置，其特征在于，所述弹簧触发器(8)包括触发伞(11)、固定支柱(12)、触发杆簇(13)、触发器外壳(14)、触发挡块(15)、固定杆盘形支架(19)、弹簧(21)；所述触发伞(11)与顶部呈半球形的固定支柱(12)形成球铰配合，触发伞(11)下表面与触发杆簇(13)接触；固定支柱(12)底部与触发器外壳(14)固连，固定支柱(12)与固定杆盘型支架(19)为一体，触发杆簇(13)在固定杆盘形支架(19)上的通孔中滑动，触发杆簇(13)底部与触发挡块(15)接触；触发器外壳(14)上面均匀开设多个舱口，每个舱口安装有可以转动的触发挡块(15)，触发器外壳(14)与套筒(24)固连，弹簧(21)套设在触发杆簇(13)上，且置于固定杆盘形支架(19)下方。

7.根据权利要求6所述的一种被动触发式空间碎片捕获装置，其特征在于，所述丝杠传动组件包括螺母(10)和丝杠(18)；螺母(10)与丝杠(18)构成螺旋副配合，所述螺母(10)为双翼构型，两翼穿过套筒(24)的滑移通道；所述丝杠(18)与电机固连，丝杠(18)顶部通过深沟球轴承与触发器外壳(14)连接，丝杠(18)底部通过轴承与基座(9)连接。

8.根据权利要求6所述的一种被动触发式空间碎片捕获装置，其特征在于，所述触发杆簇(13)由六根直杆和杆簇支架(20)组成一体结构，六根直杆顶端与触发伞(11)下表面接触，六根直杆下端分别与六个触发挡块(15)接触，杆簇支架(20)与触发器外壳(14)连接，杆簇支架(20)与固定杆盘形支架(19)之间设置六个弹簧(21)，弹簧(21)套设在在六根直杆上。

9.根据权利要求6所述的一种被动触发式空间碎片捕获装置，其特征在于，所述固定杆盘形支架(19)由两个上下平行的环形盘通过六根均匀设置的圆柱支架固连而成，六根圆柱支架贯穿上下环形盘形成六个通孔。

10.根据权利要求6所述的一种被动触发式空间碎片捕获装置，其特征在于，所述触发挡块(15)设计成“L”型，触发挡块(15)与触发器外壳(14)之间采用扭簧铰链连接。