CN107685881B - 一种空间柔性捕获装置以及其捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空间柔性捕获装置以及其捕获方法，仅采用2根具有黏贴部的甩绳缠绕目标物，从而实现对在轨目标物的捕获。与现有机械臂抓捕方式相比，该抓捕方式操作距离较远，适用对象较广，在抓捕过程中对测量系统和轨控精度要求低。

Description

一种空间柔性捕获装置以及其捕获方法

技术领域

本发明涉及空间捕获技术领域，具体的涉及一种空间柔性捕获装置以及其捕获方法。

背景技术

随着空间技术的发展，空间垃圾数量急剧增加，为了进一步开发空间资源需对现存于空间轨道的各种空间碎片、废弃卫星等非合作目标实施在轨抓捕。

目前在轨空间非合作目标的抓捕方式：

1.以机械臂为代表的抓捕方式：机械臂抓捕通过末端执行机构，抓捕目标的特定部位(如喷管、对接环、星箭对接口等)。该类装置的代表有美国的FREND(“近期能演示验证的空间机器人技术”)，它针对航天器上通用的星箭对接口进行抓捕，该项抓捕技术对星载计算机视觉处理性能要求较高，且难以用于对有自转角速度的目标进行抓捕。此外，采用机械臂抓捕还受限于抓捕距离，需要抓捕的卫星与目标之间需要达到很近的停泊距离才能实施抓捕。轨道调整时间长，抓捕周期也因此延长。

2.以绳网为代表的柔性抓捕方式：柔性抓捕主要通过绳网、口袋、鱼叉等装置实现对目标的抓捕，不需要考虑特定的抓捕位置，可适应不同形状和尺寸的目标抓捕。代表性的项目有欧洲航天局的ROGER(“机器人地球静止轨道复位器项目”)，分为飞网型和飞爪型。飞爪型抓捕需要较高标准的测量系统和姿态稳定控制系统，而飞网型抓捕方式虽然测量系统的要求低，但由于飞网面积大，极容易对抗方拦截，不适用于抓捕对抗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空间柔性捕获装置以及其捕获方法，该发明解决了现有柔性捕获方法所用飞网展开面积大，飞爪对测量和姿态控制稳定性检测装置要求高的技术问题。

本发明提供一种空间柔性捕获装置包括用于回收所述空间柔性捕获装置的系绳、用于缠绕捕获目标物的甩绳、用于甩出所述甩绳的两根甩杆和用于收纳所述甩杆的机架，所述机架的第一端设置用于驱动所述甩杆转动的电机，第二端通过所述系绳与抓捕卫星相连接，所述机架的第二端面上设置用于将所述空间柔性捕获装置推离抓捕卫星的推进器；

所述甩杆容纳于所述机架的两相对侧，所述甩杆的一端与所述电机的输出端相连接，另一端与所述甩绳相连接；

所述甩绳的另一端为自由端，所述甩绳的外表面设置黏贴部。

进一步地，机架的中部侧面设置用于收纳所述甩杆的通槽。

进一步地，甩杆与所述甩绳铰接；所述系绳与所述机架铰接。

进一步地，甩杆包括第一甩杆和第二甩杆，所述第一甩杆与所述甩绳通过第一球铰接相连接；所述第二甩杆与所述甩绳通过第二球铰接相连接。

进一步地，系绳上间隔套设多个用于固定所述甩绳的压扣，所述压扣中心处设置用于所述系绳通过的通孔，所述压扣的两相对端面上设置用于容纳甩绳的扣槽。

进一步地，甩绳中心为加强材料层；

所述黏贴部包括分设于所述甩绳的两相对面上的魔术贴正面和魔术贴反面。

本发明的另一方面还提供了一种空间柔性捕获卫星，包括如上述空间柔性捕获装置。

进一步地，表面设置用于容纳如上述空间柔性捕获装置的凹槽。

一种用于如上述空间柔性捕获装置的捕获方法，包括以下步骤：

步骤S100：抓捕卫星进入抓捕目标所在轨道，并进入所述抓捕目标的捕获范围；

步骤S200：所述抓捕卫星向所述抓捕目标发射所述空间柔性捕获装置，所述空间柔性捕获装置运动至系绳拉直后，启动电机展开甩杆并将甩绳甩向所述抓捕目标并缠绕所述抓捕目标；

步骤S300：所述抓捕卫星通过系绳将所述空间柔性捕获装置及所述抓捕目标拖至坟墓轨道后，切断系绳。

本发明的技术效果：

本发明提供的空间柔性捕获装置，仅采用2根具有黏贴部的甩绳缠绕目标物，从而实现对在轨目标物的捕获。与现有机械臂抓捕方式相比，该抓捕方式操作距离较远，适用对象较广，在抓捕过程中对测量系统和轨控精度要求低。

本发明提供的空间柔性捕获装置，通过推进器将该装置发射至目标附件实施抓捕，并通过与卫星相连接的系绳实现对目标的回收。与飞网抓捕方式相比，该装置的操作距离更远，还能有效避免现有飞网在撒网过程中被对抗方拦截的问题。

本发明提供的抓捕卫星，具有在轨抓捕功能，抓捕卫星整体质量较小，有利于降低发射成本。

本发明提供的空间柔性捕获装置捕获方法，抓捕过程高效简洁，降低在空间对抗中被对抗方破坏的可能。

具体请参考根据本发明的空间柔性捕获装置以及其捕获方法提出的各种实施例的如下描述，将使得本发明的上述和其他方面显而易见。

附图说明

图1是本发明优选实施例提供的空间柔性捕获装置使用状态立体示意图；

图2是本发明优选实施例提供的空间柔性捕获装置的等轴侧视示意图；

图3是图2中A、B和C点的放大示意图，其中a)为图2中A点的放大示意图；b)为图2中B点的放大示意图；c)为图2中C点的放大示意图；

图4是图1中D点的放大示意图；

图5是图4中B-B向剖视示意图；

图6是甩绳纵向剖面示意图；

图7是本发明仿真算例所得第一系列时刻系统示意图；其中a)初始时刻系统状态；b)0.47秒系统状态；

图8是本发明仿真算例所得第二系列时刻系统示意图；其中a)0.81秒系统状态；b)1.17秒系统状态；

图9是本发明仿真算例所得第三系列时刻系统示意图；其中a)1.36秒系统状态；b)1.61秒系统状态；

图10是本发明仿真算例中抓捕过程系绳最大轴向应变与轴向应力变化示意图，其中a)表示系绳的最大轴向应变；b)表示系绳的最大轴向应力；

图11是本发明仿真算例中抓捕过程中甩绳最大轴向应变与轴向应力变化示意图，其中a)表示甩绳的最大轴向应变；b)表示甩绳的最大轴向应力；

图12是本发明仿真算例中抓捕过程中甩绳最大曲率和最大弯曲应力变化示意图，其中a)表示甩绳的最大曲率变化；b)表示甩绳的最大应力；

图13是本发明仿真算例中抓捕过程甩绳与目标之间的最大碰撞力变化示意图。

图例说明：

100、系绳；200、机架；210、推进器；211、第二球铰接；220、电机；300、甩绳；330、黏贴部；340、加强材料层；310、压扣：320、甩杆；321、第一球铰接。

具体实施方式

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

参见图1，本发明提供的空间柔性捕获装置，包括用于回收所述空间柔性捕获装置的系绳100、用于缠绕捕获目标物的甩绳300、用于甩出所述甩绳300的甩杆320和用于收纳所述甩杆320的机架200。所述机架200的第一端设置用于驱动所述甩杆320转动的电机220，第二端通过所述系绳100与抓捕卫星相连接。所述机架200的两相对侧容纳设置两根甩杆320。所述甩杆320的一端与所述电机220的输出端相连接，另一端与所述甩绳300相连接。所述甩绳300外表面设置黏贴部330。所述机架200的第二端面上设置用于将所述空间柔性捕获装置推离所述抓捕卫星的推进器210。

采用该装置，仅需2根甩绳300的相互缠绕和黏贴即可实现对目标物的捕获，简化了捕获装置结构，降低了捕获装置对测控定位准确性的要求。整个装置体积较小，不会给抓捕卫星增加过多质量。张开后面积较小，适用于空间对抗。该装置中的系绳100和甩绳300整齐收纳于抓捕卫星中。上述的机架200的收纳方式可以为多种，可以为机架200的两相对侧面分别设置容纳槽。电机220的安装方式按现有方法进行。

优选的，为了降低整体重量，所述机架200的中部侧面设置用于收纳所述甩杆320的通槽。

参见图2～3，为了避免使用中甩绳300的运动受到甩杆320等刚性构件的阻碍。优选的所述甩杆320与甩绳300铰接；所述系绳100与所述机架200铰接。更优选点，甩杆320包括第一甩杆320和第二甩杆320，第一甩杆320与甩绳300通过第一球铰接321相连接；所述第二甩杆320与所述甩绳300通过第二球铰接211相连接。

优选的，所述推进器210的喷气口设置于所述机架200的第二端面上。通过喷气式推进器210，能有效快速的将该抓捕装置送入预定位置。

参见图4～5优选的，所述系绳100上间隔套设多个用于固定甩绳300的压扣310，所述压扣310中心处设置用于系绳100通过的通孔，压扣310的两相对端面上设置用于容纳甩绳300的扣槽。通过压扣310能实现整理收拢甩绳300与系绳100，甩绳300被固定于扣槽内，无法随意移动，避免使用前绳子打结的问题，便于收纳。采用该结构的压扣310，既能保证使用时甩绳300快速离开系绳100，又能保证收纳时系绳100和甩绳300相互不发生缠绕。

参见图6，优选的，为了保证甩绳300的使用寿命和捕获效果，甩绳300中心为加强材料层340；所述黏贴部330包括魔术贴正面和魔术贴反面，魔术贴的正面和魔术贴反面分设于所述甩绳300的两相对面上。更优选的，黏贴部330位魔术贴，魔术贴的正、反面分别设置于加强材料层340的两相对表面。使用时，通过2根甩绳300的相互缠绕实现了对目标物的捕获。

本发明的另一方面还提供了一种空间柔性捕获卫星，包括如上述空间柔性捕获装置。

进一步地，表面设置用于容纳如上述空间柔性捕获装置的凹槽。该凹槽内部设置推送装置，开口可根据需要进行开闭。既能携带保护上述空间柔性捕获装置，在使用时，又能将其快速推出，提高捕获效率。

该抓捕卫星具有在轨抓捕功能，抓捕卫星整体质量较小，有利于降低发射成本。

本发明的另一方面还提供了一种用于上述空间柔性捕获装置的捕获方法，包括以下步骤：

步骤S100：抓捕卫星进入抓捕目标所在轨道，并进入所述抓捕目标的捕获范围；

步骤S200：所述抓捕卫星向所述抓捕目标发射所述空间柔性捕获装置，所述空间柔性捕获装置运动至系绳拉直后，启动电机展开甩杆并将甩绳甩向所述抓捕目标并缠绕所述抓捕目标。系绳是否处于拉直状态，可以通过设置于机架上的力传感器检测系绳是否存在应力进行确定。

在甩绳发射装置将甩绳甩出后，甩绳将与抓捕目标发生碰撞，由于惯性的作用甩绳能缠绕抓捕目标多圈。缠绕于抓捕目标表面的甩绳表面所存在的黏贴部相黏贴，从而实现甩绳与抓捕目标粘合在一起达并固定抓捕目标。

步骤S300：所述抓捕卫星通过系绳将所述空间柔性捕获装置及所述抓捕目标拖至坟墓轨道后，切断系绳。

通过该捕获方法，能在仅使用2根甩绳的情况下实现对目标物的捕获，减小了抓捕卫星的负重，提高捕获效率。

以下结合具体的仿真具体算例，进行详细说明。

根据建立的系统的动力学方程，我们初步设计了系统的各个部件，得到仿真需要的各个刚性部件的质量与转动惯量矩阵，如表1～2所示。初步选择了系绳、甩绳的材料与尺寸，计算了绳子的截面惯性矩。在进行了几次初步迭代计算后，选择在0-1.3s内给甩杆施加15Nm的力矩，其余时间的力矩为0，以满足抓捕需要(由于仿真计算一次的时间较长，目前只是通过几次计算，手动选取了满足抓捕要求的力矩大小)。抓捕目标为一卫星，其主体为棱长为0.8m的立方体，抓捕过程中，甩绳的碰撞缠绕截面为该立方体。

表1 刚体部件的主要参数表

(说明：质心位置指的是本体系x坐标最小的点到质心的距离)

表2 柔性体的主要参数表

初步选择了一个满足动力要求的电机型号，如表3所示。

表3 电机型号与主要参数表

由于甩绳发射装置从抓捕卫星中发射出去的动力学过程较为简单，经过初步计算，甩绳发射装置在系绳完全伸直时具有2m/s的速度。仿真时间从系绳完全伸直时开始。仿真结果如图7～9所示。由图7可见，给定的电机扭转力矩能够带动甩绳，使甩绳从系绳上分离并以良好的发射角度发射出去。由图8所示可见，给定的电机扭转力矩能够在甩绳发射出去后，形成较大的包络区域来抓捕目标。由图9所示可见，给定的电机扭转力矩能够使得甩出的甩绳，在与目标发生碰撞后仍保证有足够的动能实现对目标的缠绕。说明本发明提供的空间柔性捕获装置能仅仅通过2根甩绳实现对目标物的包裹、黏贴和捕捉。

同时本算例中计算了系绳和甩绳上的应变和应力，验证了在抓捕过程中材料是否被破坏，所得结果如图10～12所示，通过计算结果来看，本发明提供的空间柔性捕获装置，各项性能均能满足在轨抓捕目标物的强度要求。说明采用本发明提供的空间柔性捕获装置在轨捕捉目标物时，能避免甩绳断裂无法将目标物拖拽至预定轨道的问题。

仿真算例计算了抓捕过程中的碰撞力，如图13所示。从图中数据可见，抓捕过程瞬时最大碰撞力平均在300N左右，根据实验可知，本发明提供的空间柔性捕获装置所产生的该碰撞力，可以完全满足魔术贴完全贴合在一起所需的压力；同时最大瞬时碰撞力小与800N，也能保证被捕捉目标结构不被破坏。

本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。

通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素，而不定冠词“一个”或“一种”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。

Claims (9)

1.一种空间柔性捕获装置，其特征在于，包括用于回收所述空间柔性捕获装置的系绳、用于缠绕捕获目标物的甩绳、用于甩出所述甩绳的两根甩杆和用于收纳所述甩杆的机架，所述机架的第一端设置用于驱动所述甩杆转动的电机，第二端通过所述系绳与抓捕卫星相连接，所述机架的第二端面上设置用于将所述空间柔性捕获装置推离抓捕卫星的推进器；

所述甩杆容纳于所述机架的两相对侧，所述甩杆的一端与所述电机的输出端相连接，另一端与所述甩绳相连接；

所述甩绳的另一端为自由端，所述甩绳的外表面设置黏贴部。

2.根据权利要求1所述的空间柔性捕获装置，其特征在于，所述机架的中部侧面设置用于收纳所述甩杆的通槽。

3.根据权利要求1所述的空间柔性捕获装置，其特征在于，所述甩杆与所述甩绳铰接；所述系绳与所述机架铰接。

4.根据权利要求3所述的空间柔性捕获装置，其特征在于，所述甩杆包括第一甩杆和第二甩杆，所述甩绳的数量为两根，所述第一甩杆与其中一根所述甩绳通过第一球铰接相连接；

所述第二甩杆与另一根所述甩绳通过第二球铰接相连接。

5.根据权利要求1所述的空间柔性捕获装置，其特征在于，所述系绳上间隔套设多个用于固定所述甩绳的压扣，所述压扣中心处设置用于所述系绳通过的通孔，所述压扣的两相对端面上设置用于容纳甩绳的扣槽。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的空间柔性捕获装置，其特征在于，所述甩绳中心为加强材料层；

所述黏贴部包括分设于所述甩绳的两相对面上的魔术贴正面和魔术贴反面。

7.一种空间柔性捕获卫星，其特征在于，包括如权利要求1～6中任一项所述空间柔性捕获装置。

8.根据权利要求7所述的空间柔性捕获卫星，其特征在于，表面设置用于容纳如权利要求1～6中任一项所述空间柔性捕获装置的凹槽。

9.一种用于如权利要求1～6中任一项所述空间柔性捕获装置的捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S100：抓捕卫星进入抓捕目标所在轨道，并进入所述抓捕目标的捕获范围；

步骤S200：所述抓捕卫星向所述抓捕目标发射所述空间柔性捕获装置，所述空间柔性捕获装置运动至系绳拉直后，启动电机展开甩杆并将甩绳甩向所述抓捕目标并缠绕所述抓捕目标；

步骤S300：所述抓捕卫星通过系绳将所述空间柔性捕获装置及所述抓捕目标拖至坟墓轨道后，切断系绳。