CN109250159B - 一种用于捕获空间碎片的仿生飞网系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于捕获空间碎片的仿生飞网系统，包括驱动机构、传动机构、中心刚体与仿生柔性网；中心刚体为柱状结构，中心刚体上设有轴向贯穿中心刚体的轴孔，中心刚体的一端通过传动机构与驱动机构转动相连，仿生柔性网连接在中心刚体的另一端；仿生柔性网包括若干呈放射状分布的第一捕捉索，每相邻的两个第一捕捉索之间通过若干间隔的第二捕捉索相连以使得仿生柔性网构成蜘蛛网结构；各第一捕捉索朝内的一端呈环形间隔连接在中心刚体对应端，朝外的一端均连接有质量块。能够有效地提高网体结构的稳定性并加快捕获空间碎片后的能量耗散，同时解决了仿生柔性网展开过程中的网体缠绕问题以及展开后的构型保持问题。本发明应用于空间绳网系统。

Description

一种用于捕获空间碎片的仿生飞网系统

技术领域

本发明涉及空间绳网系统，尤其涉及一种用于捕获空间碎片的仿生飞网系统。

背景技术

空间碎片是指轨道上的或重返大气层的无功能人造物体，包括其残块和组件。截止2017年4月4日，美国空间监测网编目的10cm以上的空间碎片数量为16888个，其中，低轨空间的空间碎片数量约为12000个。

在低地球轨道中，空间碎片的运行速度范围为6.9～7.7km/s，与航天器的碰撞速度可达10km/s以上，将严重毁伤航天器甚至导致结构解体等灾难性后果。2007年6月7日，国际空间站(International Space Station，ISS)FGB舱遭受碎片撞击，导致热毯表面损伤面积达30mm×60mm。截止2016年底，国际空间站ISS共进行了20次针对空间碎片的规避机动，每次约耗费数十千克燃料。2009年2月11日，美国“铱星33”与俄罗斯失效卫星“宇宙2251”在西伯利亚上空发生碰撞，导致卫星解体。近年来，空间碎片日益增多，增长速度加快，严重威胁航天器的安全运行。美国空间监测网采用低轨-静止轨道空间碎片环境模型(LEO-to-GEOEnvironment Debris，LEGEND)预测，若不采取任何主动清除或减缓措施，100年后低轨空间碎片数量将翻一番。

技术成熟度较高，可操控性较强，然而这种捕获方式存在以下不足：1)机械臂在进行大量低价值目标捕获任务时需要进行多次机动，燃料消耗大、所需成本高；2)机械臂捕获通常适用于有对接抓捕接口的合作目标，且难以捕获自旋或翻滚目标，通用性受限。激光清除是指利用激光束照射碎片表面，使辐照区材料产生热物质射流并向外喷出，从而产生反向作用力而改变碎片轨道。激光清除的应用局限是：1)激光器耗能高，地基激光在大气中传播时能量损耗大，天基激光的能量来源和存储都难以解决；2)激光清除空间碎片需要极高精度的对准能力，目前相关技术难题尚未突破。绳网捕获是当前的国际研究热点，其工作过程为：首先空间拖船机动接近空间碎片；然后向目标抛射展开绳网，绳网包裹目标并形成复合体；最后利用空间拖船推力器实现复合体离轨。与机械臂捕获和激光清除方式相比，绳网式捕获具有安全性高、容错性强等优点，但是传统的绳网捕获一般是通过质量块牵引抛射的方式实现网体展开，其系统结构为“柔性网+质量块+系绳+网体弹射装置”，质量块由网体弹射装置弹出，利用质量块的惯性运动牵引系绳展开柔性网，这种结构配置虽然简单易实现，但是存在以下不足：1)网体展开过程中易发生缠绕；2)网体展开后难以保持其空间构型。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种用于捕获空间碎片的仿生飞网系统，根据蜘蛛网的几何构型、联结方式和力学特性仿生设计，通过第一捕捉索与第二捕捉索组成类似于蜘蛛网结构的仿生柔性网，能够有效地提高网体结构的稳定性并加快捕获空间碎片后的能量耗散，同时以旋转的方式释放仿生柔性网，解决了仿生柔性网展开过程中的网体缠绕问题以及展开后的构型保持问题。

本发明采用的技术方案是：一种用于捕获空间碎片的仿生飞网系统，包括驱动机构、传动机构、中心刚体与仿生柔性网；

所述中心刚体为柱状结构，所述中心刚体内设有轴向贯穿中心刚体的轴孔，所述中心刚体的一端通过传动机构与驱动机构转动相连，所述仿生柔性网连接在中心刚体的另一端；

所述仿生柔性网包括若干呈放射状分布的第一捕捉索，每相邻的两个第一捕捉索之间通过若干间隔的第二捕捉索相连以使得仿生柔性网构成蜘蛛网结构；

各第一捕捉索朝内的一端均连接在中心刚体的端部并构成环形结构，各第一捕捉索朝外的一端均连接有质量块，所述第一捕捉索与第二捕捉索均由柔性材料制成。

作为上述技术方案的进一步改进，所述中心刚体为多棱柱结构，所述中心刚体的棱柱数量与第一捕捉索的数量相等，各第一捕捉索朝内的一端连接在中心刚体对应端上对应各棱的位置。

作为上述技术方案的进一步改进，所述传动机构包括传动轴与飞轮，所述飞轮固定连接在轴孔内，所述传动轴的一端转动连接在驱动机构上，所述飞轮套设在传动轴的另一端并与传动轴传动相连。

作为上述技术方案的进一步改进，所述传动轴为伸缩杆。

作为上述技术方案的进一步改进，所述驱动机构包括安装槽、电源、电机与旋转支座，所述电源与电机均设在安装槽内，所述旋转支座转动连接在安装槽内，所述电机与电源电性相连，所述旋转支座与电机传动相连，所述传动轴的端部固定连接在旋转支座上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述中心刚体八棱柱结构。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一捕捉索与第二捕捉索均由PBO材料制成。

作为上述技术方案的进一步改进，所述中心刚体由铝合金制成。

本发明的有益技术效果：

本发明通过柔性材料制成的第一捕捉索与第二捕捉索组成蜘蛛网结构的仿生柔性网，能够有效地提高网体结构的稳定性并加快捕获空间碎片后的能量耗散，并在展开前仿生柔性网盘绕在中心刚体的轴孔内，并在第一捕捉索的端部设置质量块，使得仿生柔性网能够在中心刚体旋转的过程中以旋转的方式展开并保持构型，解决了仿生柔性网展开过程中的网体缠绕问题以及展开后的构型保持问题。

附图说明

图1是本实施例结构示意图；

图2是仿生柔性网展开后的结构示意图。

具体实施方式

为了便于本发明的实施，下面结合具体实例作进一步的说明。

如图1-2所示的一种用于捕获空间碎片的仿生飞网系统，包括驱动机构、传动机构、中心刚体1与仿生柔性网2。

仿生柔性网2包括若干呈放射状分布的第一捕捉索21，每相邻的两个第一捕捉索21之间通过若干间隔的第二捕捉索22相连以使得仿生柔性网2构成类似于蜘蛛网的结构，第一捕捉索21与第二捕捉索22均由柔性材料制成，本实施例中，第一捕捉索21与第二捕捉索22均由PBO纤维(聚对苯撑苯并二噁唑纤维，Poly-p-phenylene benzobisoxazole)材料制成。

本实施例中第一捕捉索21的数量为八条，使得仿生柔性网2构成八边形构型的蜘蛛网结构，蜘蛛网结构的仿生柔性网2能够有效地提高网体结构的稳定性并加快捕获空间碎片后的能量耗散。

本实施例中，中心刚体1为铝合金制成柱状结构，在保持中心刚体1高强度的同时减少了中心刚体1的重量。中心刚体1内设有轴向贯穿中心刚体1的轴孔，中心刚体1的一端通过传动机构与驱动机构转动相连，仿生柔性网2在未释放时盘绕在中心刚体1的另一端的轴孔内。各第一捕捉索21朝内的一端均连接在中心刚体1的端部并构成环形结构，各第一捕捉索21朝外的一端均连接有质量块23。使得仿生柔性网2能够在中心刚体1旋转的过程中在旋转离心力的作用下以旋转的方式展开并保持构型，解决了仿生柔性网2展开过程中的网体缠绕问题以及展开后的构型保持问题。

进一步优选的，中心刚体1为多棱柱结构，中心刚体1的棱柱数量与第一捕捉索21的数量相等，本实施例中的中心刚体1为八棱柱结构，各第一捕捉索21朝内的一端连接在中心刚体1对应端上对应各棱柱的位置，使得仿生柔性网2在旋转释放的过程中每一第一捕捉索21都能均由受力，进一步的防止了仿生柔性网2展开过程中网体的缠绕，并保持仿生柔性网2展开后的构型。

进一步优选的，传动机构包括传动轴31与飞轮32，飞轮32固定连接在轴孔内，传动轴31的一端转动连接在驱动机构上，飞轮32套设在传动轴31的另一端并与传动轴31传动相连。驱动机构带动传动轴31转动，进而驱动飞轮32转动，最终使中心刚体1旋转释放仿生柔性网2，其中，飞轮32具有转动惯量，能够有效的减少中心刚体1转动过程中的速度波动，使得中心刚体1的转动更加稳定，从而提升释放仿生柔性网2的稳定性。

进一步优选的，传动轴31为类似于“鱼竿”的伸缩杆,传动轴31在初始时处于收缩状态，在驱动机构带动传动轴31转动时，由于传动轴31端部的中心刚体1以及质量块23的质量较大，传动轴31在旋转力的作用下即能伸长变为拉伸状态。在仿生柔性网2未释放时传动轴31处于收缩状态，有效的减小了仿生飞网系统的整体体积，节省了安装空间；在仿生柔性网2释放时传动轴31处于伸开状态，增加了中心刚体1与驱动机构之间的距离，避免了驱动机构对仿生柔性网2的释放造成干扰。

进一步优选的，驱动机构包括安装槽41、电源42、电机43与旋转支座44，电源42与电机43均设在安装槽41内，旋转支座44转动连接在安装槽41内，电机43与电源42电性相连，旋转支座44与电机43传动相连，传动轴31的端部固定连接在旋转支座44上，电机43驱动旋转支座44转动，进而带动传动轴31旋转，通过将安装槽41固定在卫星上以用于完成仿生飞网系统的安装。

以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (6)

1.一种用于捕获空间碎片的仿生飞网系统，其特征在于，包括驱动机构、传动机构、中心刚体与仿生柔性网；

所述中心刚体为柱状结构，所述中心刚体内设有轴向贯穿中心刚体的轴孔，所述中心刚体的一端通过传动机构与驱动机构转动相连，所述仿生柔性网连接在中心刚体的另一端，具体的：仿生柔性网在未释放时盘绕在中心刚体的另一端的轴孔内；

所述仿生柔性网包括若干呈放射状分布的第一捕捉索，每相邻的两个第一捕捉索之间通过若干间隔的第二捕捉索相连以使得仿生柔性网构成蜘蛛网结构；

各第一捕捉索朝内的一端均连接在中心刚体的端部并构成环形结构，各第一捕捉索朝外的一端均连接有质量块，所述第一捕捉索与第二捕捉索均由柔性材料制成；

所述传动机构包括传动轴与飞轮，所述飞轮固定连接在轴孔内，所述传动轴的一端转动连接在驱动机构上，所述飞轮套设在传动轴的另一端并与传动轴传动相连；

所述传动轴为伸缩杆，传动轴在初始时处于收缩状态，在驱动机构带动传动轴转动时，由于传动轴端部的中心刚体以及质量块的质量较大，传动轴在旋转力的作用下即能伸长变为拉伸状态。

2.根据权利要求1所述用于捕获空间碎片的仿生飞网系统，其特征在于，所述中心刚体为多棱柱结构，所述中心刚体的棱柱数量与第一捕捉索的数量相等，各第一捕捉索朝内的一端连接在中心刚体对应端上对应各棱的位置。

3.根据权利要求1所述用于捕获空间碎片的仿生飞网系统，其特征在于，所述驱动机构包括安装槽、电源、电机与旋转支座，所述电源与电机均设在安装槽内，所述旋转支座转动连接在安装槽内，所述电机与电源电性相连，所述旋转支座与电机传动相连，所述传动轴的端部固定连接在旋转支座上。

4.根据权利要求2至3任一项所述用于捕获空间碎片的仿生飞网系统，其特征在于，所述中心刚体八棱柱结构。

5.根据权利要求1至3任一项所述用于捕获空间碎片的仿生飞网系统，其特征在于，所述第一捕捉索与第二捕捉索均由PBO材料制成。

6.根据权利要求1至3任一项所述用于捕获空间碎片的仿生飞网系统，其特征在于，所述中心刚体由铝合金制成。

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