CN108382614B - 一种针对外形不确定的空间碎片外包络抓捕装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对外形不确定的空间碎片外包络抓捕装置，包括底板，以及安装在底板上的若干转动爪单元，转动爪单元的下方安装有缓冲机构和用于驱动转动爪单元动作的执行机构；执行机构为若干执行单元，每个执行单元均包括微动开关和万向节；第一个执行单元的前端设置有一个步进电机，最后一个执行单元的后端设置有用于实时显示转动爪的角度信号、状态监测和备份控制的旋转变压器；每个转动爪单元的外侧底部还安装有火工切割器。本发明在抓捕过程中发生碰撞时，通过爪‑扇机构的缓冲以及压缩弹簧延长冲击力作用时间，进而减小冲击力。另外，本发明还通过万向节和微动开关串联，使五个爪‑扇机构实现串联控制，大大减小了控制的复杂性，提高了控制的可靠性。

Description

一种针对外形不确定的空间碎片外包络抓捕装置

技术领域

本发明属于空间非合作目标抓捕领域，涉及一种针对外形不确定的空间碎片 外包络抓捕装置。

背景技术

近些年，随着航天活动的日益增多，空间碎片的数量呈几何级数增长。由于 外界扰动，大多数非合作目标在空间中漂浮自旋。与合作目标不同，非合作目标 无法确定抓捕点，因此无法采用传统接触点方式抓捕。另外，由于自身的分解或 者损伤，大多数空间碎片都具有几何不确定性。而且在包括引力摄动、太阳光压、 大气阻力等作用下，空间碎片一般会存在自旋等运动模态。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种针对外形不确定的空 间碎片外包络抓捕装置，该装置可以适应与旋转非合作目标的抓捕，能够减缓抓 捕过程中受到的碰撞冲击力，从而减小冲击对主动航天器的扰动影响。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种针对外形不确定的空间碎片外包络抓捕装置，包括底板，以及安装在底 板上的若干转动爪单元，转动爪单元的下方安装有缓冲机构和用于驱动转动爪单 元动作的执行机构；执行机构为若干执行单元，每个执行单元均包括微动开关和 万向节；第一个执行单元的前端设置有一个步进电机，最后一个执行单元的后端 设置有用于实时显示转动爪的角度信号、状态监测和备份控制的旋转变压器；每 个转动爪单元的外侧底部还安装有火工切割器。

本发明进一步的改进在于：

转动爪单元由转动爪龙骨和若干捕获抓面组成一个扇形外包络；转动爪龙骨 外侧底部设置有顶板，火工切割器安装于顶板上。

微动开关上设置有防护罩。

底板上设置有五套转动爪单元和四套微动开关，并且通过八个万向节相连； 当闭合的时候，五个转动爪单元构成半封闭的抓捕包络，防止抓捕目标逃逸。

微动开关包括用于对火工切割器解锁后、产品运动脱开状态进行监测的约束 位置微动开关以及用于对捕获开始位置状态和捕获结束位置状态的传感器触发、 给出开始捕获和结束捕获信号的捕获开始/结束位置微动开关。

缓冲机构包括扭簧和转动支架，转动支架安装于万向节上，扭簧设置于转动 支架与爪根部之间；在非合作目标抓捕过程中，当转动爪单元收拢闭合时，非合 作目标与抓捕爪碰撞，冲击载荷会带动扭簧扭转，进而起到缓冲效果。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过设计由五个爪-扇机构机构的张开和闭合，抓捕具有几何外形不 确定的空间碎片。当爪-扇机构闭合后，可以形成一个固定的外包络，该外包络 可以抑制非合作目标的运动范围，使其无法逃脱。爪-扇机构由柔性材料构成， 本发明在抓捕过程中发生碰撞时，通过爪-扇机构的缓冲以及压缩弹簧延长冲击 力作用时间，进而减小冲击力。另外，本发明还通过万向节和微动开关串联，使 五个爪-扇机构实现串联控制，大大减小了控制的复杂性，提高了控制的可靠性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的转动爪单元布局图；

图3为本发明捕获机构的轴侧图；

图4为本发明捕获机构的俯视图；

其中：1-转动爪单元；2-微动开关；3-步进电机；4-旋转变压器；5-防护罩； 6-火工切割器；7-扭簧；8-转动爪龙骨；9-捕获抓面。

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和图2，本发明针对空间碎片的抓捕装置，包括转动爪单元1，以 及执行机构，执行机构包括微动开关2、驱动单元、万向节、旋转变压器4、防 护罩5、底板以及火工切割器6。抓捕机构的驱动单元用于提供抓捕机构的运动 动力。抓捕机构的执行机构用于执行抓捕动作，执行机构部分由5套转动爪单元 1、4套微动开关2组成，彼此之间通过8个双万向节组成。微动开关2分两类， 火工切割器6约束位置微动开关2组件用于实现对火工切割器6解锁后、产品运 动脱开状态进行监测，捕获开始/结束位置微动开关2组件用于实现对捕获开始位 置状态和捕获结束位置状态的传感器触发，给出开始捕获和结束捕获的信号，作 为捕获过程的控制信号。旋转变压器4用于实时显示转动爪的角度信号，用于状 态监测和备份控制。转动爪单元1由转动爪龙骨8、捕获抓面9组成一个扇形外 包络。整个爪由五个扇形外包络构成。如图2和3所示，当闭合的时候，该五个 转动爪可构成半封闭的抓捕包络，防止抓捕目标逃逸。

缓冲机构包括扭簧7和转动支架，转动支架安装于万向节上，扭簧7设置于 转动支架与爪根部之间；在非合作目标抓捕过程中，当爪-扇机构收拢闭合时， 非合作目标与抓捕爪碰撞，冲击载荷会带动扭簧7扭转，进而起到缓冲效果。

转动爪单元1打开到位状态定义为展开零位位置，该状态作为发射状态暂定 位置。可以通过顶板上的火工切割器6，实现转动爪单元1与主星顶板之间固连。 入轨后火工切割器6起爆，转动爪单元1根据指令在驱动组件的带动下运动。

本发明的原理：

本发明针对外形不确定的空间碎片外包络抓捕装置，包括圆环结构的底板， 以及安装于底板上的转动爪单元1，具体包括五个均匀分布在底板上的爪-扇机 构；底板上设置有一个步进电机3，步进电机3通过驱动装置带动爪-扇机构转动， 进而改变爪-扇机构的张合角使五个爪-扇机构形成一个外部包络抱住非合作目 标。驱动装置包括布置在底板上的若干驱动单元，用于给爪-扇机构传输力矩以 便做出张开或者闭合的抓捕动作；每个驱动单元上设置有微动开关2和万向节， 当装配在底板的首端驱动单元工作后，会带动微动开关2，然后微动开关2带动 万向节，将步进电机3的力矩往下一个单驱动单元的微动开关2输出，从而带动 下一个单驱动单元。爪-扇机构与驱动装置的根部连接处装配的缓冲机构，缓冲 机构由扭簧7、转动支架组成；每根爪-扇机构通过限位销与微动开关2连接。爪 -扇机构机构的外包络几何尺寸能够使空间碎片无法逃脱。

由于空间碎片具有几何外形不确定、运动状态不确定性，在抓捕过程中很难 确定抓捕点。如图1所示，本发明是针对几何外形不确定空间碎片，在接近非合 作目标的过程中，通过闭合抓捕装置的爪-扇机构机构，形成一个抓捕外包络， 约束限制非合作目标的运动。设通过步进电机3输出力矩可以转动爪-扇机构机 构，进而改变其张合角，最终实现抓捕。

本发明的工作过程：

如图3和图4所示，整个抓捕过程为：发射状态为五个爪-扇机构打开状态。 入轨后通过顶板上的火工切割器6，实现转动爪单元1与主星顶板之间固连。入 轨后火工切割器6起爆，转动爪单元1根据指令在驱动组件的带动下运动。

给出抓捕执行，步进电机3向收拢方向运动，驱动万向节，带动爪-扇机构 闭合。当抓捕中发生碰撞，如果冲击力大于预定的阈值，则会带动爪-扇机构向 展开方向运动，进而压缩扭簧7，减缓冲击，对爪-扇机构实施保护。在这个过程 中步进电机3保持力矩，直至完成非合作目标的抓捕。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡 是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发 明权利要求书的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种针对外形不确定的空间碎片外包络抓捕装置，其特征在于，包括底板，以及安装在底板上的若干转动爪单元（1），转动爪单元（1）的下方安装有缓冲机构和用于驱动转动爪单元（1）动作的执行机构；执行机构为若干执行单元，每个执行单元均包括微动开关（2）和万向节；第一个执行单元的前端设置有一个步进电机（3），最后一个执行单元的后端设置有用于实时显示转动爪的角度信号、状态监测和备份控制的旋转变压器（4）；每个转动爪单元（1）的外侧底部还安装有火工切割器（6）；

转动爪单元（1）由转动爪龙骨（8）和若干捕获抓面（9）组成一个扇形外包络；转动爪龙骨（8）外侧底部设置有顶板，火工切割器（6）安装于顶板上；

微动开关（2）上设置有防护罩（5）；

底板上设置有五套转动爪单元（1）和四套微动开关（2），并且通过八个万向节相连；当闭合的时候，五个转动爪单元（1）构成半封闭的抓捕包络，防止抓捕目标逃逸；

微动开关（2）包括用于对火工切割器（6）解锁后、产品运动脱开状态进行监测的约束位置微动开关以及用于对捕获开始位置状态和捕获结束位置状态的传感器触发、给出开始捕获和结束捕获信号的捕获开始/结束位置微动开关。

2.根据权利要求1所述的针对外形不确定的空间碎片外包络抓捕装置，其特征在于，缓冲机构包括扭簧（7）和转动支架，转动支架安装于万向节上，扭簧（7）设置于转动支架与爪根部之间；在非合作目标抓捕过程中，当转动爪单元（1）收拢闭合时，非合作目标与抓捕爪碰撞，冲击载荷会带动扭簧（7）扭转，进而起到缓冲效果。

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