CN108372941A - 一种具有能量吸收功能的空间碎片抓捕装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及空间碎片抓捕领域，具体是指一种具有能量吸收功能的空间碎片抓捕装置，包括空间碎片抓捕机构以及振动冲击能量吸收装置。所述空间碎片抓捕机构是三指爪型机构，该机构在抓捕过程中，通过形成固定的空间包络限制空间碎片的运动，因此不需要固定的抓捕点；振动冲击能量吸收装置是由三点对称X构型连接的振动能量吸收装置。抓捕装置在抓捕碎片的过程中，能最大程度上吸收振动能量，减小碎片抓捕对本体基座的振动影响。与主动振动控制相比，该装置采用被动振动能量吸收的方法来消除振动，其过程中不消耗燃料，易于组装，能够实现空间碎片抓捕以及振动能量吸收。

Description

一种具有能量吸收功能的空间碎片抓捕装置
技术领域
本发明涉及空间碎片抓捕清理领域，具体是一种具有能量吸收功能的空间碎片抓捕装置。
背景技术
由于外界的扰动，大多数空间碎片在空间中漂浮自旋。因此在抓捕过程中，空间碎片和抓捕机构之间会有相对运动，因而无法确定空间碎片的抓捕点。而传统的采用指端抓捕方式无法对空间碎片实施有效抓捕。另外，在抓捕过程中，机械臂会受到冲击振动。而这种振动会直接传递到航天器本体，可能会导致航天器故障。目前针对该问题，主要采用主动控制方法来解决。将在抓捕过程中对本体的产生的振动视为扰动，通过本体航天器主动控制来抵消干扰力。主动振动控制方法存在以下的弊端：其一，主动振动抑制需要消耗燃料，无论是对振动力矩的主动控制抑制，还是对振动力的主动控制抑制，都需要本体航天器执行机构产生相反的力或者力矩来抵消，因此会消耗本体航天器的燃料。其二，由于执行机构的限制，主动振动抑制往往无法完全抵消本体航天器振动扰动。
针对空间碎片抓捕过程中所存在的问题，本专利提出一种具有被动振动能量吸收的抓捕装置。首先，本专利提出的抓捕机构，通过对空间碎片形成一个外包络，进而限制空间碎片运动范围，随着外包络的收缩，最终实现抓捕。其次，通过设计抓捕机构结构参数，增大整个系统非线性阻尼，将抓捕过程振动能量吸收存储。该方法不仅可完全吸收振动能量，抵消振动对本体航天器的影响，而且不需要消耗任何能量，因此明显优于主动振动控制方法。
发明内容
本发明目的是提供一种具有能量吸收功能的空间碎片抓捕装置，在实施空间碎片抓捕过程中，能够吸收冲击振动的能量，从而减小冲击对主动航天器的扰动影响。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种具有能量吸收功能的空间碎片抓捕装置，包括空间碎片抓捕机构和振动冲击能量吸收装置；所述的空间碎片抓捕机构设置在振动冲击能量吸收装置上，空间碎片抓捕机构由能够抓捕空间碎片的三指爪型结构组成，每只爪型结构均有两个关节，三指爪型结构围成固定的包络空间用于约束空间碎片运动，实现空间碎片抓捕；所述的振动冲击能量吸收装置为三点对称的X构型；三点对称的X构型在空间碎片抓捕机构抓捕碎片时发生形变产生非线性阻尼用于减弱或消除空间碎片抓捕过程中对抓捕航天器的振动能量。
所述的X构型包括两个面板，上面板与抓捕手爪固连，下面板与机械臂固连，两个面板之间为X减震构型。
所述的X减震构型包括中心对称的多个减震组件，每个减震组件包括由四根杆件围成菱形结构，菱形的一组相对的端点分别与上、下面板连接，菱形的两个对角线上分别设置有水平弹簧和竖向弹簧。
X构型的两个面板均为等边三角形结构，减震组件数量为3个，3个菱形的固定点为两个面板的三个顶点处。
所述的三指爪型结构在上面板上中心对称设置。
所述的X构型的上面板中心处设置有通孔。
所述的X构型上面板的结构参数满足振动抑制比为零，振动抑制比表述为：
式中，Bx0为振动源的振幅，Ωx为振动的频率，a0为振动模态基向量，a1,θ1为一阶模态的振幅和相位角；a2,θ2为二阶模态的振幅和相位角。
所述的三指爪型结构的每个关节张开度为60°，上关节和下分关节的长度比值为1:2。
本发明的有益效果在于：
在碎片抓捕过程中，三指爪型机构可形成固定的空间包络，因此不需要固定的抓捕点即可对空间碎片实施抓捕。在抓捕过程中，当爪型机构受到冲击后，振动传递到能量吸收装置上，而下面板形变可以有效吸收振动能量，从而减弱或消除空间碎片抓捕过程中对航天器的振动作用，避免对主动抓捕航天器的扰动影响。该结构不仅可以完全吸收振动能量，抵消振动对本体航天器的影响，而且被动方法不需要消耗任何能量，因此明显优于主动振动控制方法。与主动振动控制相比，该装置采用被动振动能量吸收的方法来消除振动，不消耗燃料，易于组装，能够实现空间碎片抓捕以及振动能量吸收。该抓捕装置在抓捕碎片的过程中，能最大程度上吸收振动能量，减小碎片抓捕对本体基座的振动影响。
进一步，通过设计抓捕机构的结构参数，上面板的结构参数满足使得振动抑制比为零，增大整个系统的非线性阻尼，将抓捕过程中的振动能量吸收存储。
附图说明
图1为空间碎片抓捕及振动能量吸收装置示意图；
图2为空间碎片抓捕机构示意图；
图3为空间碎片抓捕振动能量吸收装置示意图；
图中，1.空间碎片抓捕机构，2.振动冲击能量吸收装置，11.爪型机构，21.X构型，22.竖向弹簧，23.横向弹簧。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明一种具有能量吸收功能的空间碎片抓捕装置，类似于人体的手指和手掌，由两部分组成，一部分为空间碎片抓捕机构1，其具有三指爪型机构11(详见图1)；另一部分为振动冲击能量吸收装置2(详见图2)。振动冲击能量吸收装置装配在三指爪型机构11的下面。三指爪型机构11的特征为：1)每只爪子由两个关节构成；2)两个关节的长度比为1:2；3)爪型关节的张开角度为60度；被动振动能量吸收装置2的特征为：(1)由对称的三个X构型21组成；(2)X构型21由对称的四根杆件24和两根弹簧构成，一根弹簧23水平连接，另一根弹簧22垂直连接。
具体的，如图2所示，所述空间碎片抓捕机构1是指能够抓捕空间碎片的三指爪型结构11，每只爪型结构由两个关节组成，每个关节张开度为六十度。上部分关节和下部分关节的长度比值为1:2。
如图3所示，所谓振动冲击能量吸收装置是指由三点对称X构型21连接的振动能量吸收装置。两个面板之间为X减震构型。X构型由四根杆件构成，有两个杆件与上面板固连，其余两个杆件和下面板固连；在上下面板与杆件连接的地方有垂直的弹簧连接，在左右两边杆件关节处有水平的弹簧连接。在碎片抓捕过程中，该装置的非线性阻尼可以有效的吸收振动能量，从而减弱或消除空间碎片抓捕过程中对抓捕航天器的振动作用。
在实际抓捕过程中，空间碎片对抓捕机构的振动和冲击会产地到振动抑制装置，而通过调整振动抑制机构的结构参数，最大程度增大装置的非线性阻尼，使该装置与抓捕机构连接的上层的振动无法传递到下层，从而保证与下层相连接的机械臂不会受到振动的影响。下面将详细分析抓捕过程中振动吸收装置的作用原理。
(1)动力学模型
假设振动抑制结构的上层板受到的冲击振动，产生的位移向量为其中Px,Py,Pz分别表示振动在X-Y-Z轴向产生的位置偏量；而表示冲击振动产生的角度矢量。而振动抑制系统的动力模型可表示为：
上式为六自由度强耦合的方程，其中m为系统质量；cx,cy,cz,cα,cβ,cγ为六个自由度的阻尼系数。而M44,M55,M66,M45,M56可表示为：
其中Ix,Iy,Iz为整体系统的转动惯量。为求解该方程，在此选择某一个自由度的微分方程，并假设其他的五个自由度方程对该自由度微分方程无任何影响。假定选择X轴位置变化为自变量，可知，
采用泰勒展开方法将函数Gi(Px)展开，可知
Gi(Px)＝a11Px+a12Px 2+a13Px 3 (3)
其中a11,a12,a13为系统结构参数相关的待定系数。将(3)式带入到(2)式，可求得上层板受到振动后的位置变量随时间的变化微分方程。
(b)振动抑制效果分析
采用谐波平衡法求解公式(2)，在此保留二阶项，可得到
Px＝a0+a1cos(Ωxt+θ1)+a2cos(Ωxt+θ2) (4)
上式中，a0为振动模态基向量，a1,θ1为一阶模态的振幅和相位角；a2,θ2为二阶模态的振幅和相位角。在此定义参数振动抑制比，用来表述振动抑制的程度，该比值的定义为下层板受到的冲击振动产生的位移偏量，除以上层板受到的振动位置偏量。假定冲击振动的上层板的振动为余弦振动，则振动抑制比表述为：
上式中，Bx0为振动源的振幅，Ωx为振动的频率。由公式(5)可看出，由于振动抑制比与振动参数a0，a1,θ1，a2,θ2相关，而这些参数和该装置的高度H、上层板半径r、层级n等结构参数相关。因此通过调整这些结构参数，可以领振动抑制比为零，即抵消抓捕冲击产生的振动。
本发明的抓捕装置在抓捕碎片的过程中，能最大程度上吸收振动能量，减小碎片抓捕对本体基座的振动影响。与主动振动控制相比，该装置采用被动振动能量吸收的方法来消除振动，其过程中不消耗燃料，易于组装，能够实现空间碎片抓捕以及振动能量吸收。
以上，仅为本发明的较佳实施例，并非仅限于本发明的实施范围，凡依本发明专利范围的内容所做的等效变化和修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (8)

1.一种具有能量吸收功能的空间碎片抓捕装置，其特征在于，包括空间碎片抓捕机构(1)和振动冲击能量吸收装置(2)；所述的空间碎片抓捕机构(1)设置在振动冲击能量吸收装置(2)上，空间碎片抓捕机构(1)由能够抓捕空间碎片的三指爪型结构(11)组成，每只爪型结构均有两个关节，三指爪型结构(11)围成固定的包络空间用于约束空间碎片运动，实现空间碎片抓捕；所述的振动冲击能量吸收装置(2)为三点对称的X构型(21)；三点对称的X构型(21)在空间碎片抓捕机构(1)抓捕碎片时发生形变产生非线性阻尼用于减弱或消除空间碎片抓捕过程中对抓捕航天器的振动能量。
2.根据权利要求1所述的一种具有能量吸收功能的空间碎片抓捕装置，其特征在于，所述的X构型(21)包括两个面板，上面板与抓捕手爪固连，下面板与机械臂固连，两个面板之间为X减震构型。
3.根据权利要求2所述的一种具有能量吸收功能的空间碎片抓捕装置，其特征在于，所述的X减震构型包括中心对称的多个减震组件，每个减震组件包括由四根杆件(24)围成菱形结构，菱形的一组相对的端点分别与上、下面板连接，菱形的两个对角线上分别设置有水平弹簧(23)和竖向弹簧(22)。
4.根据权利要求3所述的一种具有能量吸收功能的空间碎片抓捕装置，其特征在于，X构型(21)的两个面板均为等边三角形结构，减震组件数量为3个，3个菱形的固定点为两个面板的三个顶点处。
5.根据权利要求2所述的一种具有能量吸收功能的空间碎片抓捕装置，其特征在于，所述的三指爪型结构(11)在上面板上中心对称设置。
6.根据权利要求2所述的一种具有能量吸收功能的空间碎片抓捕装置，其特征在于，所述的X构型(21)的上面板中心处设置有通孔。
7.根据权利要求2所述的一种具有能量吸收功能的空间碎片抓捕装置，其特征在于，所述的X构型(21)上面板的结构参数满足振动抑制比为零，振动抑制比表述为：
式中，Bx0为振动源的振幅，Ωx为振动的频率，a0为振动模态基向量，a1,θ1为一阶模态的振幅和相位角；a2,θ2为二阶模态的振幅和相位角。
8.根据权利要求1所述的一种具有能量吸收功能的空间碎片抓捕装置，其特征在于，所述的三指爪型结构(11)的每个关节张开度为60°，上关节和下分关节的长度比值为1:2。
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