CN110040264B - 一种消旋抓捕一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种消旋抓捕一体化装置，包括抓捕机构、联轴器和消旋机构，所述的消旋机构包括发电机，安装在服务航天器上；所述的抓捕机构和消旋机构之间通过联轴器连接，当抓捕机构抓捕到目标后，目标的旋转带动消旋机构进行发电，进而消除目标转动。本发明结构紧凑，自动定心，夹紧可靠，能耗低，接口适用性广，用于高速自旋或平旋状态且回转体形的对接口位于回转轴上的目标，可以实现对此类目标的连续抓捕和释放，保证目标的稳定性和姿态的精确性，在失控卫星的修复、辅助入轨、离轨等空间操作任务中具有较大的应用价值。

Description

一种消旋抓捕一体化装置

技术领域

本发明涉及航天技术，具体涉及一种利用快速锁死机构对高速自旋或平旋非合作目标进行抓捕的装置。

背景技术

人类对外太空的探索活动逐渐增加，带来效益的同时也对空间环境也产生了持续深远的影响，太空中残留的火箭末级、失效卫星、航天器任务抛弃物、航天器解体及碰撞衍生物等大量空间碎片对人类航天事业的发展已构成了巨大威胁。因此，空间碎片的主动移除技术已成为目前航天领域研究的热点。空间碎片主动移除的首要关键是实施在轨捕获，而空间碎片大多是非合作目标，由于目标已失去姿态调整能力，且长期处于失控状态运行，受太阳光压、重力梯度等摄动力矩及失效前自身残余角动量的影响，往往会出现复杂的旋转运动，乃至最终趋向于自由翻滚运动。若能做到抓捕前将其转速减慢或直至静止，即消旋处理将有利于后续的直接捕获及回收处理。

对翻滚非合作目标消旋是指利用外部控制力矩来衰减目标角速度ω→0，实现方式按作用力是否与目标接触分为接触式和非接触式两种。(1)接触式又可以细分为以机械臂抓捕为代表的刚性抓捕和以减速刷、飞网、飞爪，绳系等为代表的柔性抓捕。刚性抓捕对目标的合作性要求较高，而飞网、飞爪对目标速度和目标大小的要求比刚性抓捕要宽松一些，但是抓捕后很难开展对目标的维修、检测以及再利用。(2)非接触式方法则是采用气体冲击、静电力、电磁力、激光等非接触力对目标进行消旋，可以有效减少碰撞风险，在安全距离外作用消除目标的三轴转速，但是消旋过程持续时间较长。

就非合作目标运动形式而言，在空间摄动力矩作用下，目标往往会表现出复杂的翻滚运动形式，其典型运动形式可分为三种：绕最小惯量轴的自旋运动(图1中(a))、绕最大惯量轴的平旋运动(图1中(b))以及存在章动角的翻滚运动(图1中(c))。

目前在轨服务航天器精确控制能力有限，尚没有实际针对非合作/失效目标开展机械臂精密操作的在轨任务，且受航天器控制弧长和任务周期的限制，消旋时间不能过长。目前设计的非合作目标抓捕机构在目标旋转或翻滚速度较高时，现有的接触式抓捕方式和非接触式抓捕方式均有一定的弊端。

其中，接触式抓捕方法中的刚性抓捕和柔性抓捕在高速自旋或平旋的失控卫星的消旋和抓捕过程中，均会对服务航天器造成较大影响，甚至会导致其本身与高速自旋目标发生碰撞，致损服务航天器且产生大量空间碎片，并且柔性抓捕连接刚度差捕获可靠性较差，不利于抓捕后对目标的精密操作，所以不适用。

其中，非接触式抓捕方法在高速自旋或高速平旋失控卫星的消旋和抓捕过程中耗能大、消旋过程持续时间长且一般都需要磁场发生装置和抓捕装置两套独立的装置分别用于消旋操作和抓捕操作，这在无形中增加了服务航天器的复杂性，同时也增加了空间失效目标消旋抓捕任务的复杂性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种对高速自旋或平旋非合作目标进行抓捕的一体化装置，结构复杂性和任务复杂性低，控制要求低，能耗低同时可靠性高，且消旋过程可控。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种消旋抓捕一体化装置，包括抓捕机构、联轴器和消旋机构；所述的消旋机构包括发电机，安装在服务航天器上；所述的抓捕机构和消旋机构之间通过联轴器连接，当抓捕机构抓捕到目标后，目标的旋转带动消旋机构进行发电，进而消除目标转动。

所述的消旋机构还包括抱闸调速机构，发电机转子连接抱闸调速机构，通过使用抱闸调速机构改变转子轴上所受摩擦阻力矩的大小，调节消旋所耗时间。

所述的抓捕机构包括液压缸、活塞杆和若干个夹头，所述的夹头一端铰接在液压缸外壁，另一端通过连杆与活塞杆铰接，液压缸推动活塞杆运动，带动夹头张开或收拢。

所述的夹头与目标接触部位配有柔性耐磨防滑垫。

所述的夹头上安装有压力传感器，测量夹头与目标接触部位的压力，进而控制液压缸的电动液压泵的溢流阀，通过控制溢流阀的开度，确保刚性抓捕的同时又不会损坏目标对接部位。

所述的液压缸安装在内壳体上；所述的内壳体通过双列圆锥滚子轴承安装在服务航天器机械臂末端内壁中；内壳体通过弹性柱销联轴器与发电机转子连接。

所述液压缸的电动液压泵对称布置在内壳体上。

本发明的有益效果是：

(1)前端的抓捕部分的结构设计紧密，只需通过简单的液压缸直线运动就可以实现四个夹头的良好的自定心夹紧效果，具有结构简单对称、便于旋转、自锁稳定性高的特点。

(2)后端的消旋部分的发电机转子与前端抓捕部分中的锁紧机构连接，使得锁紧机构带动发电机转子转动，转子的底部通过轴承与发电机壳体连接，从而发电机壳体和转子转速之间始终存在转速差，所以目标航天器系统的动能最终会转变为服务航天器储存的电能、耗散的热能，从而达到消旋目的。

(3)后端的消旋部分由发电机组件和抱闸式调速组件构成。发电机转子尾部可设有转速调节装置，通过使用抱闸调速机构改变转子轴上所受摩擦阻力矩的大小来适时地调节消旋所耗时间。调速机构施加摩擦阻力矩加大将导致在转化后的能量中以热能形式散失的比例增多，而以电能形式储存下来的比例降低，消旋所用时间也将减少；反之，转化后的能量中以热能形式散失的比例减小，而以电能形式储存下来的比例增多，消旋所用时间变长。如此，从而达到消旋耗时可控的目的。

(4)空间非合作目标往往是具有一定运动速度(线速度和角速度)的目标，因此，抓捕后组合体的动量将发生突变，有可能引起空间机器人基座的失稳。通常情况下，抓捕完成后，空间机器人需要计算组合体的中心，并对组合体进行稳定调整。但开启飞轮进行控制，由于飞轮本身所能吸收的角动量和控制力矩很有限，无法有效稳定基座；开启喷气进行姿态控制，将消耗宝贵的燃料。因此，组合体的稳定往往需要通过协调控制来完成。与以往不同的是，本发明中由于服务航天器和非合作目标两者之间通过轴承连接，二者必然存在转速差，整个系统是趋于稳定的，故在服务航天器被目标带动变为自旋状态后，也无需再主动进行消旋稳定调整，只需要保证服务航天器其余部分与非合作目标保持一定安全距离不发生碰撞即可。本发明极大地降低了消旋抓捕过程中的能耗和控制系统的复杂性。

附图说明

图1是非合作目标三种典型的运动形式示意图；

图2是张开极限工位示意图；

图3是合拢极限工位示意图；

图4是以抓捕AKM喷管为实例的实际抓捕示意图；

图5是液压缸和夹头组件三维示意图(未包含柔性耐磨防滑套)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明的思路在于：既然目标具有旋转的动能，与其按照以往的消旋方式被白白浪费掉，不如顺势而用之。利用本发明可将目标的动能最终转化为服务航天器储存的电能和耗散的热能，且转化后两种能量的比例可人为控制。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种对高速自旋或平旋非合作目标进行抓捕的一体化装置，该装置包括内壳体、电机液压泵组件、双列圆锥滚子轴承、液压缸、夹头组件、柔性耐摩防滑垫、作为失控卫星对接接口的AKM喷管、联轴器、发电机组件、抱闸式转速调节机构、机械臂壳体。

该装置安装在服务航天器空间机械臂末端臂上。装置前端的连杆机构为抓捕部分，后端的发电机组件和抱闸调速组件为消旋部分。前抓捕部分通过弹性柱销联轴器与后消旋部分连接，达到抓捕后发电储能和消旋的目的。抓捕部分通过控制液压缸活塞杆的伸缩来驱动连杆机构使得夹头组件合拢或扩张，达到抓捕或释放效果。由于夹头组件中的四个夹头成包络形分别铰接与均布的液压缸缸体上的四个吊耳中，整个抓捕结构具备自动定心性。由于夹紧头部位配有柔性耐磨防滑垫，可对非合作目标的多种回转体形类型的对接口进行稳定抓捕，具有一定的自适应性。

所述液压缸缸体外周均布有四个吊耳，并通过螺栓固连于内壳体上。缸体内部的前端轴向壁厚较宽，用以削弱抓捕过程中振动对液压缸封闭性的影响。

所述夹头组件为类似四叶草形状布置，包含夹头数量一般不少于3个。夹头组件中的四个夹头成包络形分别铰接与均布的液压缸缸体上的四个吊耳中，整个抓捕结构具备自动定心性。如此的设计使整个简单的夹头组件具有类似于三爪卡盘(蜗轮蜗杆原理)一样良好的自动定心性。

所述发电机壳体和轴承的外圈均与该末端臂外壳固连。夹头右端伸出于该末端臂。

所述柔性耐磨防滑套的存在可以确保夹头与多种形状对接口的紧密接触，使得抓捕机构具有一定的自适应性，同时借助于夹头处压力传感器可作为反馈信号控制液压缸组件动作，在设定的夹紧力下可以实现抓捕机构和对接口近似的刚性连接。

所述电动液压泵组件处设置有溢流阀，通过夹头上的压力传感器来控制溢流阀的开度，可确保近似刚性抓捕的同时，又不会损坏对接口。

本发明的实施例提供了一种新型的利用快速锁死机构对高速自旋或平旋非合作目标进行抓捕的装置，该装置被安装于服务航天器空间机械臂的末端，分为前端的抓捕部分和后端的消旋部分。两部分组合构成此消旋抓捕一体化装置。

如图2所示，所述四个夹头为四叶草形状布置。当运动到张开极限工位时，夹头组件呈放射状。图中四个夹头的右端均装配有柔性耐磨防滑套。

如图3所示，所述四个夹头为四叶草形状布置。当运动到夹紧极限工位时，夹头组件成包络状。

如图5所示，连杆尺寸和位置的设计决定了到整个夹头组件张开的极限开度，可依据需求而设定。

非合作目标对接技术与合作目标对接技术不同，它的对接目标是没有安装特定的对接接口的卫星。现役的大量地球同步轨道通信卫星，在发射以后要进入预定轨道，需要使用远地点发动机来推动。而通常情况下，卫星是要进入地球同步轨道的，因此，运载火箭会将卫星送入同步转移轨道(Geostationary Transfer Orbit)。GTO轨道的远地点在GEO，它的近地点在低地球轨道(LEO)上。GTO是一个椭圆形的。地球同步卫星为了到达同步轨道(GEO)就需要使它的轨道变成圆形，需要通过远地点反冲发动机在远地点完成。此外活动在近地空间的大量侦察卫星，为了具备较强的空间机动能力、灵活的攻防性能、良好的隐蔽性能更需要卫星较好的变轨能力，需要安装变轨发动机。因此选择发动机喷管作为非合作目标对接接口具有广泛的应用前景。一般多选择卫星的远地点反冲发动机(AKM)喷管作为对接接口，对于该类自旋失控卫星而言，该喷管位于旋转轴上。

下面本发明的具体工作过程如下：(以该类高速自旋卫星的此类对接口为例)

服务航天器发现目标后，进行路径规划，不断接近目标，到达一定安全区域后进行停驻，随后在视觉系统的辅助下进行机械臂操作的控制。

如图4所示，本发明的实施例包括内壳体1、电动液压泵组件2、双列圆锥滚子轴承3、液压缸4、夹头组件5、柔性耐摩防滑垫6、作为失控卫星对接接口的AKM喷管7、联轴器8、发电机组件9、抱闸式转速调节机构10、机械臂壳体11。该装置安装在服务航天器空间机械臂末端臂上。装置前端的连杆机构为抓捕部分，后端的发电机组件和抱闸调速组件为消旋部分。前抓捕部分通过弹性柱销联轴器与后消旋部分连接，达到抓捕后发电储能和消旋的目的。抓捕部分通过控制液压缸活塞杆的伸缩来驱动连杆机构使得夹头组件合拢或扩张，达到抓捕或释放效果。

所述液压缸缸体外周均布有四个吊耳，并通过螺栓固连于内壳体1上。缸体内部的前端轴向壁厚较宽，用以削弱抓捕过程中振动对液压缸封闭性的影响。

所述两个电动液压泵组件对称布置固连于内壳体上，便于前端抓捕机构旋转，延长双列圆锥滚子轴承3的使用寿命。

所述的夹头组件5为类似四叶草形状布置，包含夹头数量一般不少于3个。

所述的夹头组件由通过销钉铰接的四个夹头组成，四个夹头成包络状，其尾部分别铰接于均布在液压缸缸体上的四个吊耳中。如此的设计使整个简单的夹头组件具有类似于三爪卡盘(蜗轮蜗杆原理)一样良好的自动定心性。

所述的夹紧头部位配有柔性耐磨防滑垫，可对非合作目标的多种回转体形类型的对接口进行稳定抓捕，具有一定的自适应性。

所述的发电机壳体和轴承3的外圈均与机械臂壳体11固连。夹头右端伸出于机械臂壳体。

在机械臂末端动作过程中，首先液压缸活塞杆开始伸出，夹头随之张开，直到夹头完全包络AKM喷管恰当位置时，控制系统控制液压缸活塞杆开始回缩，夹头组件随之合拢。在液压缸组件处设置有溢流阀，通过夹头和耐磨防滑垫之间上的压力传感垫片把夹紧力作为反馈信号来控制电动液压泵溢流阀的开度，可确保稳定抓捕的同时，又不会损坏喷管对接口。

抓捕机构后接的发电机组件和调速组件实现后序发电储能与可控性消旋操作。此处，与以往不同的是，借助于本发明，由于服务航天器和非合作目标两者之间通过轴承连接，二者必然存在转速差，整个系统是趋于稳定的，故基座失稳后也无需再主动进行稳定调整。本发明极大地降低了能耗和控制系统的复杂性。

目标被消旋后，服务航天器就可以开始根据需求对该目标实施诸如失控卫星的在轨修复、燃料加注、辅助入轨、离轨等一系列空间操作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，依据本发明技术实质所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种消旋抓捕一体化装置，包括抓捕机构、联轴器和消旋机构，其特征在于：所述的消旋机构包括发电机，安装在服务航天器上；所述的抓捕机构和消旋机构之间通过联轴器连接，当抓捕机构抓捕到目标后，目标的旋转带动消旋机构进行发电，进而消除目标转动；

所述的抓捕机构包括液压缸、活塞杆和若干个夹头，所述的夹头一端铰接在液压缸外壁，另一端通过连杆与活塞杆铰接，液压缸推动活塞杆运动，带动夹头张开或收拢，所述的液压缸安装在内壳体上，内壳体通过双列圆锥滚子轴承安装在服务航天器机械臂末端壁中；内壳体通过弹性柱销联轴器与发电机转子连接，发电机壳体和双列圆锥滚子轴承的外圈均与服务航天器机械臂末端壁的壳体固连；

所述的消旋机构还包括抱闸调速机构，发电机转子连接抱闸调速机构，通过使用抱闸调速机构改变转子轴上所受摩擦阻力矩的大小，调节消旋所耗时间。

2.根据权利要求1所述的消旋抓捕一体化装置，其特征在于：所述的夹头与目标接触部位配有柔性耐磨防滑垫。

3.根据权利要求1所述的消旋抓捕一体化装置，其特征在于：所述的夹头上安装有压力传感器，测量夹头与目标接触部位的压力，进而控制液压缸的电动液压泵的溢流阀，通过控制溢流阀的开度，确保刚性抓捕的同时又不会损坏目标对接部位。

4.根据权利要求1所述的消旋抓捕一体化装置，其特征在于：所述液压缸的电动液压泵对称布置在内壳体上。

Images