CN108248897B - 一种面向翻滚目标的电磁消旋储能装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种面向翻滚目标的电磁消旋储能装置及方法，装置包括内壁横截面呈圆形的筒体，固定在筒体内壁上消旋磁铁，通过两端滚动轴承与筒体同轴转动连接的导向轴，导向轴上套设的消旋电磁线圈，以及储能单元；所述装置的一端通过筒体的端部与机械抓手连接，另一端通过导向轴的端部与空间机械臂连接；所述储能单元连接消旋电磁线圈，用于驱动消旋磁铁带动筒体旋转至翻滚目标角速度，或者存储消旋电磁线圈和消旋磁铁相对转动产生的电能。本发明利用电磁转换效应实现对空间翻滚目标进行消旋，同时能够将空间碎片的旋转动能转化为电能加以利用。

Description

一种面向翻滚目标的电磁消旋储能装置及方法

技术领域

本发明涉及航天技术领域，具体为一种面向翻滚目标的电磁消旋储能装置及方法。

背景技术

随着人类空间活动的日益频繁，在航天器发射过程中所产生的空间碎片和航天器由于零部件的损坏或燃料耗尽而成为空间碎片以及航天器之间的碰撞所产生的空间碎片存在日益增多的趋势。特别是在近地轨道上空间碎片的密度更大，空间正常工作的航天器与空间碎片之间发生碰撞的概率显著增加，对人类未来的航天活动造成潜在的巨大影响。因此，采用主动清除的方式对空间碎片进行清除是一种高效快捷的方法。

在空间碎片的主动清除过程中，由于空间碎片是一种典型的非合作目标并且处于翻滚状态。目前，对翻滚目标进行消旋的方法主要采用以下两种：第一种方法是主动航天器首先与空间碎片进行姿态同步，然后进行抓捕。当翻滚目标的旋转角速度较大时，采用姿态同步的方式进行抓捕，主动航天器将消耗大量的燃料。当航天器与空间碎片之间无法达到完全姿态同步时，将造成主动航天器的抓捕机构与空间碎片发生碰撞，对航天器造成损坏。第二种方法是采用非接触式的电磁消旋方法，通过在主动航天器上安装消磁线圈，通电后产生的磁场将在空间碎片中产生涡流来进行消旋，该方法也存在很多局限性。如果在航天器上安装单个线圈则产生的磁场强度较低，消旋效果较差，消旋时间过长。如果在航天器上安装多个线圈则对空间碎片的外形及尺寸不具有适应性。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种面向翻滚目标的电磁消旋储能装置及方法，利用电磁转换效应实现对空间翻滚目标进行消旋，同时能够将空间碎片的旋转动能转化为电能加以利用。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种面向翻滚目标的电磁消旋储能装置，包括内壁横截面呈圆形的筒体，固定在筒体内壁上消旋磁铁，通过两端滚动轴承与筒体同轴转动连接的导向轴，导向轴上套设的消旋电磁线圈，以及储能单元；

所述装置的一端通过筒体的端部与机械抓手连接，另一端通过导向轴的端部与空间机械臂连接；

所述储能单元连接消旋电磁线圈，用于驱动消旋磁铁带动筒体旋转至翻滚目标角速度，或者存储消旋电磁线圈和消旋磁铁相对转动产生的电能。

优选的，消旋电磁线圈滑动设置在导向轴上，导向轴内设置有电磁推进组件，储能单元还连接电磁推进组件，用于驱动消旋电磁线圈沿着导向轴的移动。

进一步的，还包括锁死机构，锁死机构包括与消旋电磁线圈固定的锁死内齿轮和固定安装在筒体上的锁死外齿圈；锁死内齿轮沿导向轴移动设置；当锁死内齿轮移动到锁死外齿圈内时，两者啮合锁死。

优选的，筒体与机械抓手连接的一端依次设置有法兰体和抓捕机构接口，另一端设置密封法兰；导向轴伸出密封法兰的一端设置空间机械臂接口与空间机械臂连接。

优选的，导向轴的两端分别设置有用于轴向限位且分别与滚动轴承锁死的限位环。

优选的，导向轴呈阶梯设置，储能单元设置在导向轴的大径端的内部，消旋电磁线圈设置在导向轴的小径端外侧。

一种面向翻滚目标的电磁消旋储能方法，基于上述任一电磁消旋储能装置，其包括，

当航天器逼近翻滚目标后，将储能单元转化为同步模式对消旋电磁线圈提供电流，通过消旋电磁线圈与消旋磁铁之间的相互作用使筒体旋转，最终使筒体与翻滚目标的相对角速度等于零，并对翻滚目标进行抓捕；

当对翻滚目标进行抓捕后，将储能单元转换为消旋储能模式，消旋磁铁和消旋电磁线圈之间的相对转动使得消旋电磁线圈中产生电流对储能单元进行充电充能，将翻滚目标的转动动能转化为电能进行储存。

优选的，还包括锁死的步骤，对翻滚目标进行抓捕后当消旋磁铁与消旋电磁线圈之间的相对转动角速度等于零时，通过锁死机构，将筒体和导向轴锁死，通过空间机械臂将翻滚目标移除。

优选的，还包括通过电磁推进组件控制消旋电磁线圈在导向轴上的移动，调节消旋磁铁与消旋电磁线圈之间的重合度，调整消旋电磁线圈中的电流，进而调节所述电磁消旋储能装置产生的旋转力矩与连接空间机械臂的航天器所能提供的稳定力矩进行平衡，保持航天器的姿态稳定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所述的装置，通过转动设置的筒体和导向轴分别连接抓捕机构和空间机械臂，实现两者能够绕轴向的转动连接；在通过消旋电磁线圈和消旋磁铁的相互运动将翻转目标的动能最终转换为电能存储到储能单元中，一方面降低了航天器在抓捕翻转目标时的燃料消耗，另一方面储能单元还能够利用储能单元中的电能，为下一次的消旋任务储备能量，提高了航天器上的电能供给。

进一步的，通过由于采用了可移动的消旋电磁线圈，降低了翻滚目标对航天器姿态稳定性的影响，并扩大了对翻滚目标旋转角速度的适应范围。该装置能够满足较大旋转角速度的消旋任务，能够耐受较大的冲击力，且使用可靠，操作方便简洁。

进一步的，通过两端的接口分别与抓捕机构和空间机械臂相连，在对翻滚目标抓捕后实现消旋及能量的转化，有效节省航天器的燃料消耗，并可多次执行翻滚目标的消旋任务。

本发明所述的方法由储能单元的同步模式提供电能，通过消旋电磁线圈和消旋磁铁的相互作用使抓捕机构旋转，最终使得抓捕机构与翻滚目标的相对旋转角速度等于零，可以降低航天器的燃料消耗。由储能单元的消旋储能模式，可以将翻滚目标的转动动能转化为电能，提高了航天器上的电能供给，同时为下一次的消旋任务储备能量。

附图说明

图1为本发明实例中所述装置的整体结构示意图。

图2为本发明实例中所述装置的移动装置示意图。

图3为本发明实例中所述装置的导向轴的安装示意图。

图4为本发明实例中所述装置的筒体与法兰体的连接示意图。

图中：1筒体，2消旋磁铁，3导向轴，4消旋电磁线圈，5电磁推进组件，6空间机械臂的接口，7抓捕机构的接口，8储能单元，9锁死外齿圈，10锁死内齿轮，11滚动轴承，12限位环，13密封法兰，14法兰体。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种面向翻滚目标的电磁消旋储能装置，如图1所示，包括消旋磁铁2、消旋电磁线圈4、储能单元8、电磁推进组件5以及锁死机构。横截面为圆形的筒体1内壁上固定安装有消旋磁铁2，在导向轴3上安装有消旋电磁线圈4以及实施移动和锁死的电磁推进组件5，筒体1的空腔中安装有消旋电磁线圈4，该消旋电磁线圈4与储能单元8相连，并且可沿导向轴3移动一定距离，采用电磁推进组件5进行移动和锁死，筒体1的右端为连接空间机械臂的接口6，用于连接空间机械臂用来移动消旋装置到达确定的抓捕位置，左端为连接抓捕机构的接口7，用于连接机械抓手用来抓捕翻滚目标，并在筒体1的端面上设置有具有密封特性和润滑特性的法兰装置，法兰装置包括密封法兰13和法兰体14。

其中，消旋电磁线圈4与储能单元8相连，可将翻滚目标的转动动能转化为电能储存起来，同时消旋电磁线圈4可以沿着导向轴3左右移动，以便控制电磁线圈中产生的电流与航天器的姿态控制系统相匹配，保证航天器的姿态稳定。

如图1所示，锁死机构包括锁死外齿圈9和锁死内齿轮10。锁死内齿轮10与消旋电磁线圈4可沿导向轴3移动，锁死外齿圈9固定安装在筒体1上。如图2所示，电磁推进组件5也与储能单元8相连，以便通过电力驱动消旋电磁线圈4的移动，消旋电磁线圈4与锁死内齿轮10为一整体，通过移动实现锁死外齿圈9和锁死内齿轮10的相互锁死。

如图2所示，移动装置包括导向轴3、电磁推进组件5和储能单元8，如图3所示，导向轴3两端安装在固定于筒体1内的滚动轴承11上，左侧通过限位环12与滚动轴承11锁死，右侧穿过密封法兰13在端部连接空间机械臂的接口6。通过与航天器上的空间机械臂连接，使得电磁消旋装置可以移动到确定的抓捕位置。筒体1的左侧与法兰体14相连接，法兰体14的端部为连接抓捕机构的接口7。

如图4所示，筒体1的左侧与法兰体14相连接，法兰体14可以对筒体内的组件起到密封的作用，同时法兰体14的左端为连接抓捕机构的接口7，通过接口7与机械抓手相连，便于对空间翻滚目标进行抓捕。

在执行消旋任务时，首先，通过锁死机构将消旋磁铁2和消旋电磁线圈4连接为一体，当航天器逼近翻滚目标后，解锁并沿导向轴3移动消旋电磁线圈4并加电，使消旋磁铁2与翻滚目标之间的相对角速度等于零后进行抓捕；其次，通过电磁推进部件5缓慢推动消旋电磁线圈4沿导向轴3移动，进行消旋和能量的转化，直到翻滚目标与消旋电磁线圈4的相对旋转角速度减小为零，最后通过锁死机构将系统固连在一起，完成消旋储能任务。

具体的本发明使用时，首先，当航天器逼近翻滚目标后，将储能单元8转化为同步模式对消旋电磁线圈4提供电流，通过消旋电磁线圈4与消旋磁铁2之间的相互作用使筒体1旋转，最终使筒体1与翻滚目标的相对角速度等于零，并对翻滚目标进行抓捕。其次，将储能单元8转换为消旋储能模式，消旋磁铁2和消旋电磁线圈4之间的相对转动使得消旋电磁线圈4中产生电流对储能单元8进行充电充能，将翻滚目标的转动动能转化为电能储存起来以便进行下一次的消旋任务，当消旋磁铁2与消旋电磁线圈4之间的相对转动角速度等于零时，通过锁死机构，将该装置锁死，以利于将翻滚目标移除。由于，消旋电磁线圈4可以沿着导向轴3左右移动，通过消旋磁铁2与消旋电磁线圈4之间的重合度可以调整消旋电磁线圈4中的电流，进而调节装置所产生的旋转力矩与航天器所能提供的稳定力矩进行平衡，便于航天器的姿态稳定。

以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已经以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种面向翻滚目标的电磁消旋储能装置，其特征在于，包括内壁横截面呈圆形的筒体(1)，固定在筒体(1)内壁上消旋磁铁(2)，通过两端滚动轴承(11)与筒体(1)同轴转动连接的导向轴(3)，导向轴(3)上套设的消旋电磁线圈(4)，以及储能单元(8)；

所述装置的一端通过筒体(1)的端部与机械抓手连接，另一端通过导向轴(3)的端部与空间机械臂连接；

所述储能单元(8)连接消旋电磁线圈(4)，用于驱动消旋磁铁(2)带动筒体(1)旋转至翻滚目标角速度，或者存储消旋电磁线圈(4)和消旋磁铁(2)相对转动产生的电能。

2.根据权利要求1所述的一种面向翻滚目标的电磁消旋储能装置，其特征在于，消旋电磁线圈(4)滑动设置在导向轴(3)上，导向轴(3)内设置有电磁推进组件(5)，储能单元(8)还连接电磁推进组件(5)，用于驱动消旋电磁线圈(4)沿着导向轴(3)的移动。

3.根据权利要求2所述的一种面向翻滚目标的电磁消旋储能装置，其特征在于，还包括锁死机构，锁死机构包括与消旋电磁线圈(4)固定的锁死内齿轮(10)和固定安装在筒体(1)上的锁死外齿圈(9)；锁死内齿轮(10)沿导向轴(3)移动设置；当锁死内齿轮(10)移动到锁死外齿圈(9)内时，两者啮合锁死。

4.根据权利要求1所述的一种面向翻滚目标的电磁消旋储能装置，其特征在于，筒体(1)与机械抓手连接的一端依次设置有法兰体(14)和抓捕机构的接口(7)，另一端设置密封法兰(13)；导向轴(3)伸出密封法兰(13)的一端设置空间机械臂的接口(6)与空间机械臂连接。

5.根据权利要求1所述的一种面向翻滚目标的电磁消旋储能装置，其特征在于，导向轴(3)的两端分别设置有用于轴向限位且分别与滚动轴承(11)锁死的限位环(12)。

6.根据权利要求1所述的一种面向翻滚目标的电磁消旋储能装置，其特征在于，导向轴(3)呈阶梯设置，储能单元(8)设置在导向轴(3)的大径端的内部，消旋电磁线圈(4)设置在导向轴(3)的小径端外侧。

7.一种面向翻滚目标的电磁消旋储能方法，其特征在于，基于权利要求1-5中任意一项所述的电磁消旋储能装置，其包括，

当航天器逼近翻滚目标后，将储能单元(8)转化为同步模式对消旋电磁线圈(4)提供电流，通过消旋电磁线圈(4)与消旋磁铁(2)之间的相互作用使筒体(1)旋转，最终使筒体(1)与翻滚目标的相对角速度等于零，并对翻滚目标进行抓捕；

当对翻滚目标进行抓捕后，将储能单元(8)转换为消旋储能模式，消旋磁铁(2)和消旋电磁线圈(4)之间的相对转动使得消旋电磁线圈(4)中产生电流对储能单元(8)进行充电充能，将翻滚目标的转动动能转化为电能进行储存。

8.根据权利要求7所述的一种面向翻滚目标的电磁消旋储能方法，其特征在于，还包括锁死的步骤，对翻滚目标进行抓捕后当消旋磁铁(2)与消旋电磁线圈(4)之间的相对转动角速度等于零时，通过锁死机构，将筒体(1)和导向轴(3)锁死，通过空间机械臂将翻滚目标移除。

9.根据权利要求7所述的一种面向翻滚目标的电磁消旋储能方法，其特征在于，还包括通过电磁推进组件(5)控制消旋电磁线圈(4)在导向轴(3)上的移动，调节消旋磁铁(2)与消旋电磁线圈(4)之间的重合度，调整消旋电磁线圈(4)中的电流，进而调节所述电磁消旋储能装置产生的旋转力矩与连接空间机械臂的航天器所能提供的稳定力矩进行平衡，保持航天器的姿态稳定。