CN109178358A - 一种基于喷管的航天器柔性捕获系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽通用性、强适应性和弱冲击性的基于喷管的航天器柔性捕获系统，属于非合作航天器捕获技术领域。本发明包括气囊装置和定位装置；定位装置，与气囊装置连接，用于检测气囊装置在航天器喷管喉部的位置，并带动气囊捕获装置进入航天器喷管喉部；气囊装置，用于将未充气的气囊伸入航天器喷管喉部，对所述气囊充气，充气后的气囊锁紧喷管喉部，实现捕获。所述气囊装置中的气囊包括锁紧气囊和缓冲气囊；捕获时，锁紧气囊位于喷管喉部前扩展段，缓冲气囊位于喷管喉部的后扩展段。大多数航天器都具有喷管结构，本发明采用气囊充气展开捕获喷管，对喷管尺寸具有强适应性。

Description

一种基于喷管的航天器柔性捕获系统

技术领域

本发明涉及非合作航天器捕获技术领域，特别涉及一种基于喷管的航天器柔性捕获系统。

背景技术

进入二十一世纪之后，随着空间技术的蓬勃发展，世界各国开发和探索深空的频率越来越高，航天系统越来越复杂。然而，航天技术的风险性非常高，在带来巨大效益的同时也会因航天器的发射失败、轨道运行故障和航天器寿命有限等造成巨大的损失。因此，为了尽可能降低航天器发生故障或者失效造成的损失，就需要开展诸多以延长航天寿命、清除轨道垃圾(如废弃的航天器和空间碎片)等空间任务为目标在轨服务技术研究。

空间在轨服务是指在太空中通过航天员、机器人(或机器人卫星)，或者航天员和机器人共同协作来完成包括延长卫星、服务平台、空间站附属舱以及空间运载器的寿命和能力的装配、维护和服务等太空任务，因而空间目标的捕获和操纵是是未来航天技术的重要发展方向，是在轨服务的重要组成部分。

目前有美国的轨道快车方案，以及正在研究中的“轨道延寿飞行器”的太空拖车。此外德国航空航天科技院提出“试验服务卫星”(EES)，应用空间机器人技术，针对非合作目标星的在轨维护。

现有的卫星捕获方式有机械臂捕获和雌雄同体式捕获对接，但这些捕获机构成本普遍较高，且都是针对合作目标星。

可用于非合作目标星捕获的绳系捕获对接也因其高容错率和低成本逐渐成为研究重点。但是这种捕获装置的适应性差及冲击性强，容易造成损伤。

发明内容

针对上述不足，本发明提供一种宽通用性、强适应性和弱冲击性的基于喷管的航天器柔性捕获系统。

本发明的基于喷管的航天器柔性捕获系统，所述系统包括气囊装置和定位装置；

定位装置，与气囊装置连接，用于检测气囊装置在航天器喷管喉部的位置，并带动气囊捕获装置进入航天器喷管喉部；

气囊装置，用于将未充气的气囊伸入航天器喷管喉部，对所述气囊充气，充气后的气囊锁紧喷管喉部，实现捕获。

优选的是，所述气囊装置中的气囊包括锁紧气囊3和缓冲气囊6；

捕获时，锁紧气囊3位于喷管1喉部前扩展段，缓冲气囊6位于喷管1喉部的后扩展段。

优选的是，所述气囊装置还包括传动机构7、供气系统8、气瓶10和驱动装置12；

在驱动装置12的驱动下，传动机构7带动锁紧气囊3深入到喷管1的喉部前扩展段；

供气系统8用于实现对紧气囊3和缓冲气囊6进行充放气，所述气瓶10与供气系统8连接，用于存储气体。

优选的是，所述系统还包括外壳13，锁紧气囊3位于外壳13的前端，缓冲气囊6分布在外壳13的外侧。

优选的是，所述气囊装置还包括气囊储放机构2，用于存储锁紧气囊3，所述气囊储放机构2一端位于外壳13前端，另一端位于壳体内部，传动机构7与气囊储放机构2连接，带动气囊储放机构2运动，用于实现带动气囊深入到喷管1的喉部。

优选的是，所述定位装置包括全局相机4、轴向测距装置5、径向测距装置9、姿态推力装置11、推进推力装置14和捕获控制器；

全局相机4，用于对喷管11成像；

轴向测距装置5，用于测量气囊装置与喷管1的距离；

径向测距装置9，用于测量气囊装置与喷管1的轴线偏差；

姿态推力装置11，用于检测气囊装置的姿态；

推进推力装置14，用于将气囊装置推入喷管1内；

捕获控制器，用于根据全局相机4的成像对喷管1进行识别，当进入喷管1，通过径向测距装置9测量的轴线偏差获得气囊装置在喷管1中的径向位置，并通过控制姿态推力装置11工作，使气囊装置与喷管11同轴；通过轴向测距装置5测量的距离获得气囊装置在喷管1中的轴向位置，并通过推进推力装置14将气囊装置调整到与喷管1喉部的设定距离位置，进而气囊装置进入喷管喉部，控制驱动装置和供气系统8工作，利用气囊实现捕获。

优选的是，所述系统还包括对接装置15，与气囊装置固定连接，用于与服务航天器对接。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

本发明的有益效果在于：

(1)宽通用性：大多数航天器都具有喷管结构，因此，本发明的柔性捕获系统具有宽通用性；

(2)强适应性：采用气囊充气展开捕获喷管，对喷管尺寸具有强适应性；

(3)弱冲击：气囊展开锁紧喷管的过程，是渐进和柔性挤压的过程，相对于刚性抓捕，没有明显碰撞，具有弱冲击的特点。

(4)多传感器感知：采用全局相机、测距等多个传感器对捕获机构和喷管之间的位置姿态的关系进行测量监控。

(5)自主捕获控制：捕获系统具有姿态控制能力和推进能力，可以根据传感器的测量信息实现捕获过程的自主控制。

附图说明

图1为本发明实施例的基于喷管的航天器柔性捕获系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的基于喷管的航天器柔性捕获系统的捕获过程示意图。

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的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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施方式的一种基于喷管的航天器柔性捕获系统，包括气囊装置和定位装置；

定位装置，与气囊装置连接，用于检测气囊装置在航天器喷管喉部的位置，并带动气囊捕获装置进入航天器喷管喉部；

气囊装置，用于将未充气的气囊伸入航天器喷管喉部，对所述气囊充气，充气后的气囊锁紧喷管喉部，实现捕获。

在对非合作航天器进行捕获时，本实施方式先利用定位装置带动气囊装置进入喷管喉部，然后对气囊装置中的未充气的气囊充气，随着气囊内气体越来越多，气囊渐进、柔性挤压喷管内壁面，最终锁紧，实现捕获。

优选实施例中，本实施方式气囊装置中的气囊包括锁紧气囊和缓冲气囊；

捕获时，锁紧气囊位于喷管喉部前扩展段，缓冲气囊位于喷管喉部的后扩展段。

针对横截面积沿流向先收敛后扩散的喷管，锁紧气囊在喷管喉部前扩展段膨胀锁紧，对喷管喉部前端产生很大的压力，本实施方式设置了缓冲气囊，位于喷管喉部的后扩展段，缓解锁紧气囊对喷管喉部产生的压力，不会对喷管造成损伤。

优选实施例中，本实施方式的气囊装置还包括传动机构、供气系统、气瓶和驱动装置；

本实施方式设置驱动装置驱动传动机构带动气囊运动至喷管喉部，然后采用供气系统将气瓶内的气体充入到气囊内，捕获目标后，驱动装置通过传动机构带动气囊收缩，供气系统还用于将气囊内的气体压缩，该气体存放在气瓶内。

本实施方式的捕获系统还包括外壳，所述外壳的前端面为锥面，锁紧气囊位于外壳的前端，缓冲气囊分布在锥面的外侧。

本实施方式的锁紧气囊和缓冲气囊均可以采用多个实现；

本实施方式的气囊装置还包括气囊储放机构，用于存储锁紧气囊，本实施方式的气囊储放机构一端位于外壳前端，另一端位于壳体喉部，传动机构与气囊储放机构连接，带动气囊储放机构运动，用于实现带动气囊深入到喷管的喉部。

本实施方式的定位装置包括全局相机、轴向测距装置、径向测距装置、姿态推力装置、推进推力装置和捕获控制器；

全局相机，用于对喷管成像；

轴向测距装置，用于测量气囊装置与喷管的距离；

本实施方式的轴向测距装置采用三个或三个以上的轴向测距仪实现，如激光测距仪；

径向测距装置，用于测量气囊装置与喷管的轴线偏差；

本实施方式的径向测距装置采用三个或三个以上的径向测距仪实现，如激光测距仪，轴向均匀分布；

姿态推力装置，用于检测气囊装置的姿态；

本实施方式的姿态推力装置采用四组姿态推力器实现，例如冷喷气推力器，周向均布在气囊装置的外部；

推进推力装置，用于将气囊装置推入喷管内；

本实施方式的推进推力装置采用多组姿态推力器实现，例如冷喷气推力器，设置在气囊装置的尾部；

捕获控制器，用于根据全局相机的成像对喷管进行识别，当进入喷管，通过径向测距装置测量的轴线偏差获得气囊装置在喷管中的径向位置，并通过控制姿态推力装置工作，使气囊装置与喷管同轴；通过轴向测距装置测量的距离获得气囊装置在喷管1中的轴向位置，并通过推进推力装置将气囊装置调整到与喷管喉部的设定距离位置，进而气囊装置进入喷管喉部，控制驱动装置和供气系统工作，利用气囊实现捕获。

本实施方式的系统还包括对接装置，与气囊装置固定连接，用于与服务航天器对接。

具体实施例：

参考图1，本实施例的基于喷管的航天器柔性捕获系统包括：气囊储放机构2、锁紧气囊3、全局相机4、三个轴向测距仪5、缓冲气囊6、传动机构7、供气系统8、三个径向测距仪9、气瓶10、姿态推力器11、驱动装置12、壳体13、推进推力器14、控制器和对接装置15。

其中，气囊储放机构2存储三个锁紧气囊3；轴向测距仪5和径向测距仪9采用激光测距仪；姿态推力器11和推进推力器14采用冷喷气推力器。

气囊储放机构2、锁紧气囊3、缓冲气囊6、传动机构7、供气系统8、气瓶10、驱动装置12、壳体13组成气囊装置；

壳体13的前端面为锥面，缓冲气囊6位于壳体13的前端面的外侧表面，气囊储放机构2的一端在壳体13内，另一端在壳体13外，锁紧气囊3设置在气囊储放机构2内，驱动装置12与传动机构7连接，传动机构7与气囊储放机构2连接，在驱动装置12的驱动下，传动机构7带动气囊储放机构2向外壳13的前端运动，直至深入到喷管1的喉部；气瓶10与供气系统8连接，供气系统8同时与锁紧气囊3和缓冲气囊6连通，供气系统用于实现对锁紧气囊3和缓冲气囊6进行充放气；

全局相机4位于壳体13的前端面上，三个轴向测距仪5沿圆周方向分布在气囊储放机构2外壳上，三个径向测距仪9分布在壳体13上，姿态推力器11设置在壳体13的外侧，推进推力器14和对接装置15设置在壳体13的尾部；

本实施例的喷管为横截面积沿流向先收敛后扩散。

利用捕获控制器实现目标航天器捕获，过程如下：

首先，通过径向测距仪9测量捕获系统在喷管1中的径向位置，并通过姿态推力器11将捕获系统调整到与喷管1同轴；通过轴向测距仪5测量捕获系统在喷管1中的轴向位置，并通过推进推力器14将捕获系统调整到与喷管1喉部设定距离位置。其次，驱动装置12通过传动机构7带动气囊储放机构2伸出并越过喷管1的喉部。再次，气瓶10通过供气系统8对锁紧气囊3和缓冲气囊6供气，锁紧气囊3和缓冲气囊6同时膨胀，并挤压喷管1的喉部前后扩展段，锁紧喷管1。

在捕获目标后，完成一定的操控任务，然后释放目标，释放过程为：供气系统8可回收锁紧气囊3和缓冲气囊6的气体并压缩存放到气瓶10；气体回收后，缓冲气囊6收拢，锁紧气囊3回收到气囊储放机构2；然后，驱动装置12通过传动机构7带动气囊储放机构2收缩，实现对捕获目标的释放。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (7)

1.一种基于喷管的航天器柔性捕获系统，其特征在于，所述系统包括气囊装置和定位装置；

定位装置，与气囊装置连接，用于检测气囊装置在航天器喷管喉部的位置，并带动气囊捕获装置进入航天器喷管喉部；

气囊装置，用于将未充气的气囊伸入航天器喷管喉部，对所述气囊充气，充气后的气囊锁紧喷管喉部，实现捕获。

2.根据权利要求1所述的基于喷管的航天器柔性捕获系统，其特征在于，所述气囊装置中的气囊包括锁紧气囊和缓冲气囊；

捕获时，锁紧气囊位于喷管喉部前扩展段，缓冲气囊位于喷管喉部的后扩展段。

3.根据权利要求2所述的基于喷管的航天器柔性捕获系统，其特征在于，所述气囊装置还包括传动机构、供气系统、气瓶和驱动装置；

在驱动装置的驱动下，传动机构带动锁紧气囊深入到喷管的喉部前扩展段；

供气系统用于实现对锁紧气囊和缓冲气囊进行充放气，所述气瓶与供气系统连接，用于存储气体。

4.根据权利要求3所述的基于喷管的航天器柔性捕获系统，其特征在于，所述系统还包括外壳，锁紧气囊位于外壳的前端，缓冲气囊分布在外壳的外侧。

5.根据权利要求4所述的基于喷管的航天器柔性捕获系统，其特征在于，所述气囊装置还包括气囊储放机构，用于存储锁紧气囊，所述气囊储放机构一端位于外壳前端，另一端位于壳体内部，传动机构与气囊储放机构连接，带动气囊储放机构运动，用于实现带动气囊深入到喷管的喉部。

6.根据权利要求5所述的基于喷管的航天器柔性捕获系统，其特征在于，所述定位装置包括全局相机、轴向测距装置、径向测距装置、姿态推力装置、推进推力装置和捕获控制器；

全局相机，用于对喷管成像；

轴向测距装置，用于测量气囊装置与喷管的距离；

径向测距装置，用于测量气囊装置与喷管的轴线偏差；

姿态推力装置，用于检测气囊装置的姿态；

推进推力装置，用于将气囊装置推入喷管内；

捕获控制器，用于根据全局相机的成像对喷管进行识别，当进入喷管，通过径向测距装置测量的轴线偏差获得气囊装置在喷管中的径向位置，并通过控制姿态推力装置工作，使气囊装置与喷管同轴；通过轴向测距装置测量的距离获得气囊装置在喷管中的轴向位置，并通过推进推力装置将气囊装置调整到与喷管喉部的设定距离位置，进而气囊装置进入喷管喉部，控制驱动装置和供气系统工作，利用气囊实现捕获。

7.根据权利要求2所述的基于喷管的航天器柔性捕获系统，其特征在于，所述系统还包括对接装置，与气囊装置固定连接，用于与服务航天器对接。