CN110435935A - 一种可重复穿透和固定碎片的飞锚 - Google Patents

Abstract

一种可重复穿透和固定碎片的飞锚，它涉及一种空间碎片清除装置，它包括锚头、滑块、套筒、锚尾、转块和电机；锚头一端与套筒一端连接，套筒另一端与锚尾连接，滑块、转块和电机布置在套筒内，电机固定在套筒上，转块的一侧定位于锚头上并能相对锚头转动，转块的另一侧安装在电机的输出轴上；滑块一端滑动设置在锚头一端面上，滑块的另一端滑动设置于转块的另一侧面上，滑块上还设置有向外突的倒刺部，所述套筒一端开设有引导孔，滑块被转块驱动在锚头的径向上作滑动运动，倒刺部在该引导孔内被轴向限位而在径向上自由滑动。本发明控制简单，操作方便，控制飞锚的收缩和展开状态实现对多个空间碎片的穿透和固定。

Description

一种可重复穿透和固定碎片的飞锚

技术领域

本发明涉及一种空间碎片清除装置，特别涉及一种具有可重复穿透和固定碎片的飞锚。属于机械电子工程领域。

背景技术

随着人类空间活动的增多，空间碎片的数量也以惊人的速度增长着。据统计，截至2017年，直径10cm以上在轨的空间碎片数量多达将近16000个，而直径小于10cm的空间碎片数量则数以亿计。而看似尺寸不大的空间碎片可能会对航天器造成毁灭性的影响。同时空间碎片的自然衰减过程相当缓慢，并且已存在的空间碎片之间又会不断发生碰撞，从而产生新的碎片，最终可能会使得轨道资源无法再被利用。因此，要想改善空间环境，必须尽快进行空间碎片的主动清除工作。

目前，空间碎片主动移除技术仍然是全世界航天界共同面临的挑战和难题，也是研究的热点问题。相对来说，国外这方面的研究起步较早，部分研究重心已向技术验证转移，而国内则仍正处于概念研究阶段。根据主动移除碎片原理的不同，主动移除技术主要可以分为抓捕式(机械臂法、绳网法、太空鱼叉法)、增阻式(电动力绳系法、静电力法、泡沫法)和推移式(激光法、离子束法、太阳帆法)等。其中抓捕式和推移式清除方法适用于清除任意轨道的碎片，而增阻式清除方法由于要依靠大气阻力，因此只适用于清除近地轨道的碎片；有些清除方法目前还只是概念性的研究，技术成熟度较低，离真正的实际应用还有很长的一段路要走，比如激光法、离子束法等；而有些清除方法虽已具备了较高的技术成熟度，但仍未进行在轨碎片的移除工作，究其原因，还是与空间碎片运动的复杂性和欠观测性有很大的关系，还有一些关键的技术难题需要攻破，如机械臂抓捕法、太阳帆法等。相比较来说，抓捕式清除技术中的绳网抓捕和太空鱼叉抓捕等还是目前实施空间碎片移除的优先技术选择手段。但由于绳网抓捕法和太空鱼叉抓捕法两者技术和结构(太空鱼叉一般直径较小，多为二三十毫米的范围)方面的限制，它们都只能进行碎片的单次抓捕工作，即清除一次碎片后便不能够再次使用，没有考虑到碎片的多次抓捕问题，清除效率很低。就太空鱼叉抓捕法而言，限制其清除效率的一个原因在于其尺寸较小(一般鱼叉直径在二三十毫米的范围内)，如何设计一个结构使得鱼叉穿透目标碎片后和碎片实现稳定的固定连接仍然是一个难题。

目前国内尚未进行有关研究，而国外的研究主要集中在文献[1]和[2]中。然而文献[1]和[2]仅仅考虑的是鱼叉单次穿透碎片后和碎片的固定连接问题，依旧针对的是单次使用的问题，并没有进行鱼叉多次使用方面的考虑，碎片清除效率很低。

[1]Dudziak R,Tuttle S,Barraclough S.Harpoon technology developmentfor the active removal of space debris[J].Advances in Space Research，2015，56(3):509-527(都济亚克，塔特尔，巴克洛夫.空间碎片主动清除中鱼叉技术发展现状[J].空间研究进展，2015 56(3):509-527)。

[2]Forshaw J L,Aglietti G S,Navarathinam N,et al.RemoveDEBRIS:An in-orbit active debris removal demonstration mission[J].Acta Astronautica，2016，127:448-46(福肖，阿格列蒂，纳瓦拉辛南.碎片清除：一种在轨主动碎片清除演示任务[J].航天学报，2016，127:448-463)。

发明内容

本发明是为克服现有技术的不足，提供一种操作简单、可实现对空间碎片多次可重复穿透和固定的飞锚。

本发明的技术方案是：

一种可重复穿透和固定碎片的飞锚，它包括锚头、滑块、套筒、锚尾、转块和电机；

锚头一端与套筒一端连接，套筒另一端与锚尾连接，滑块、转块和电机布置在套筒内，电机固定在套筒上，转块的一侧定位于锚头上并能相对锚头转动，转块的另一侧安装在电机的输出轴上；滑块一端滑动设置在锚头一端面上，滑块的另一端滑动设置于转块的另一侧面上，滑块上还设置有向外突的倒刺部，所述套筒一端开设有引导孔，滑块被转块驱动在锚头的径向上作滑动运动，倒刺部在该引导孔内被轴向限位而在径向上自由滑动。

进一步地，所述滑块的主体为一杆状结构，杆的一端在锚头一端面上的滑槽内滑动，杆的另一端在转块另一侧面上的导向槽孔内滑动。

进一步地，三个所述滑槽在锚头的端面呈三角形布置，且三个滑槽相互连通。

进一步地，六个所述滑槽在猫头的端面沿周向均布设置，且六个滑槽不相交。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本发明在小尺寸的飞锚结构上采用一种电机驱动转块带动滑块旋转的可重复伸缩的方式来实现飞锚对多个碎片的穿透和固定。可重复伸缩的滑块结构展开过程是由电机控制，因此，可以通过控制电机的正反转来多次控制飞锚的收缩和展开状态(不少于100次)，从而实现飞锚对多个空间碎片的穿透和固定(不少于100个)。

本发明控制简单，操作方便，可重复伸缩结构的响应时间取决于电机转速，只要电机转速够高，其响应时间可以很短(1s以下)；整个飞锚的质量较轻，体积较小，方便使用，锚尾最大直径有限制，主要目的是限位，防止整根飞锚穿透，目标碎片。

仿真试验表面，可重复伸缩的滑块结构展开后的伸展比可以达到50％，同时可以提供和目标碎片之间不小于10000N的固定连接力(即可以拉动至少1000kg的物体)。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

附图说明

图1为一个实施例的可重复穿透和固定碎片的飞锚结构图；

图2为图1的侧视图；

图3是沿图2中B-B线的剖视图；

图4是另一个实施例的可重复穿透和固定碎片的飞锚结构图；

图5为图4的侧视图；

图6是沿图5中C-C线的剖视图；

图7为一个实施例中锚头的主视图；

图8为一个实施例中锚头的侧视图；

图9是沿图8中D-D线的剖视图；

图10为一个实施例中滑块的主视图；

图11为一个实施例中滑块的立体图；

图12为图10的俯视图；

图13为一个实施例中转块的主视图；

图14为一个实施例中转块的侧视图；

图15是沿图14中E-E线剖视图；

图16为另一个实施例中锚头的主视图；

图17为另一个实施例中锚头的侧视图；

图18是沿图17中F-F线剖视图；

图19为另一个实施例中滑块的主视图；

图20为另一个实施例中滑块的侧视图；

图21为另一个实施例中滑块的俯视图；

图22为另一个实施例中转块的主视图；

图23为另一个实施例中转块的侧视图；

图24是沿图23中K-K线的剖视图；

图25为减震胶垫套的侧视图；

图26是沿图25中H-H线的剖视图；

图27为锚尾的主视图；

图28为锚尾的侧视图；

图29是沿图28中N-N线的剖视图；

图30为套筒的主视图；

图31为图30的主剖视图；

图32是沿图31中M-M线剖视图。

具体实施方式

参加图1-图6和图25-图29所示，本实施方式的一种可重复穿透和固定碎片的飞锚，它包括锚头1、滑块2、套筒3、锚尾4、转块5和电机7；

锚头1一端与套筒3一端连接，套筒3另一端与锚尾4连接，滑块2、转块5和电机7布置在套筒3内，电机7固定在套筒3上，转块5的一侧定位于锚头1上并能相对锚头1转动，转块5的另一侧安装在电机7的输出轴上；

滑块2一端滑动设置在锚头1一端面上，滑块2的另一端滑动设置于转块5的另一侧面上，滑块2上还设置有向外突的倒刺部21，所述套筒3一端开设有引导孔31，滑块2被转块5驱动在锚头1的径向上作滑动运动，倒刺部21在该引导孔31内被轴向限位而在径向上自由滑动。

所述飞锚还包括减震胶垫套6；电机7布置在减震胶垫套6内，减震胶垫套6布置在套筒3内。减震胶垫套6是为了在飞锚与目标碎片撞击穿透的过程中给微型减速电机7提供一个缓冲减震的作用。进一步地，电机7和减震胶垫套6通过两个螺钉固定在套筒3内；同时电机7直接和转块5的D形孔进行配合，带动其转动。电机7可选用微型减速电机。

更进一步地，如图3和图6所示，转块5一侧中部具有延伸柱，该延伸柱和锚头1之间采用轴孔配合的形式，使得转块5可以绕其中心轴线进行旋转；如图3、图6、图9、图18、图29和图32所示，锚头1一端与套筒3一端螺纹连接，套筒3另一端与锚尾4螺纹连接。螺纹连接方便快捷可靠。

较佳地，所述滑块2的主体为一杆状结构，杆的一端在锚头1一端面上的滑槽11内滑动，杆的另一端在转块5另一侧面上的导向槽孔51内滑动。作为一种优选方案，如图10-图12所示，杆的一端可做成方形体，杆的另一端可做成圆柱体。

在一个实施例中，如图2、图3、图8、图14以及图30-图32所示，所述滑块2、导向槽孔51、滑槽11以及引导孔31的数量相同且均为3个。如图11所示，杆上的倒刺部21可做成一外侧面具有圆弧面，两侧面为直面的截面渐变的板状结构，该板状结构与引导孔31配合。如图7-图9所示，三个所述滑槽11在锚头1的端面呈三角形布置，且三个滑槽11相互连通。

如图13-图15所示，每个所述导向槽孔51在转块5侧面开口并向内延伸，该导向槽孔51的截面为U形，相邻两个导向槽孔51的中心线夹角为β，β＝120°。方形体在锚头1的滑槽11内进行滑动。圆柱体在转块5的U形槽内进行滑动。120°夹角的设置，保证了三个滑块2在各自滑槽11和导向槽孔51内的同步运行。

当飞锚侵彻目标碎片之前，电机7通过控制转块5旋转从而带动三个滑块2在锚头1内的滑槽11内滑动，进而收缩，飞锚可以顺利地穿透目标碎片，其收缩后三个倒刺部21分别位于引导孔31内；当飞锚穿透目标碎片之后，电机7又通过控制转块5逆方向旋转从而带动三个滑块2在锚头1内的滑槽11内逆方向滑动，进而展开，以达到飞锚和目标碎片固定连接的作用，进而为后续目标碎片的拖拽和清除等任务做准备，其展开后的整体结构如图2和图3所示。待一次清除任务完成之后，电机7又通过控制转块5旋转从而带动滑块2收缩，如此往复，即可实现飞锚对多个目标碎片的穿透和固定的目的。

在另一个实施例中，如图4-图6、图17和图23所示，所述滑块2、导向槽孔51、滑槽11以及引导孔31的数量相同且均为6个。如图20所示，杆上的倒刺部21可做成一外侧面具有圆弧面，两侧面为直面的扇形板状结构，该板状结构与引导孔31配合。如图16-图18所示，六个所述滑槽11在猫头1的端面沿周向均布设置，且六个滑槽11不相交，滑槽11沿径向开设，但没有与锚头1的中心孔相贯通。如图22-图24所示，每个所述导向槽孔51在转块5端面开孔，该导向槽孔51的截面呈腰形，相邻两个导向槽孔51的长度方向夹角为θ，θ＝60°。该实施例中，导向槽孔51在砖块5端面开孔是指该孔两端没有贯通转块5外周侧面和中心孔。杆的方形体在锚头1的滑槽11内进行滑动。圆柱体在转块5的腰形孔内进行滑动。60°夹角的设置，保证了六个滑块2在各自滑槽11和腰形孔内的同步运行。

当飞锚侵彻目标碎片之前，电机7通过控制转块5旋转从而带动六个滑块2在锚头1内的滑槽11内滑动，进而收缩，飞锚可以顺利地穿透目标碎片，其收缩后六个倒刺部21分别位于引导孔31内；当飞锚穿透目标碎片之后，电机7又通过控制转块5逆方向旋转从而带动六个滑块2在锚头1内的滑槽11内逆方向滑动，进而展开，以达到飞锚和目标碎片固定连接的作用，进而为后续目标碎片的拖拽和清除等任务做准备，其展开后的整体结构如图5和图6所示。待一次清除任务完成之后，电机7又通过控制转块5旋转从而带动滑块2收缩，如此往复，即可实现飞锚对多个目标碎片的穿透和固定的目的。

上述两个实施例中，可做成整个直径为30mm，锚尾处最大直径为50mm(其目的是限位，以防止整根飞锚穿透目标碎片)，长度为264mm，质量约为500g，体积小巧，质量较轻，方便使用的飞锚。

工作原理

该飞锚清除空间碎片的原理类似于太空鱼叉清除空间碎片的原理：即通过动力装置(如气缸等)给飞锚一个很高的发射速度，从而实现飞锚对目标空间碎片的穿透；然后控制飞锚的可变形结构部分进行展开，实现和目标空间碎片之间的稳定连接，以便为后续目标空间碎片的拖拽和清除等任务的执行做准备；在完成了一次目标空间碎片的捕获和拖拽任务之后，又控制飞锚的可变形结构部分恢复到原来的形状，从而使飞锚和目标空间碎片可以快速有效地进行分离，为下一次的碎片捕获任务做准备。如此反复，即可通过一个飞锚结构完成对多个空间碎片的捕获清除任务，极大地解决了现有空间碎片技术清除效率低的问题，具有很高的应用前景。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (10)

1.一种可重复穿透和固定碎片的飞锚，其特征在于：它包括锚头(1)、滑块(2)、套筒(3)、锚尾(4)、转块(5)和电机(7)；锚头(1)一端与套筒(3)一端连接，套筒(3)另一端与锚尾(4)连接，滑块(2)、转块(5)和电机(7)布置在套筒(3)内，电机(7)固定在套筒(3)上，转块(5)的一侧定位于锚头(1)上并能相对锚头(1)转动，转块(5)的另一侧安装在电机(7)的输出轴上；

滑块(2)一端滑动设置在锚头(1)一端面上，滑块(2)的另一端滑动设置于转块(5)的另一侧面上，滑块(2)上还设置有向外突的倒刺部(21)，所述套筒(3)一端开设有引导孔(31)，滑块(2)被转块(5)驱动在锚头(1)的径向上作滑动运动，倒刺部(21)在该引导孔(31)内被轴向限位而在径向上自由滑动。

2.根据权利要求1所述一种可重复穿透和固定碎片的飞锚，其特征在于：所述滑块(2)的主体为一杆状结构，杆的一端在锚头(1)一端面上的滑槽(11)内滑动，杆的另一端在转块(5)另一侧面上的导向槽孔(51)内滑动。

3.根据权利要求2所述一种可重复穿透和固定碎片的飞锚，其特征在于：所述滑块(2)、导向槽孔(51)、滑槽(11)以及引导孔(31)的数量相同且均为3个。

4.根据权利要求3所述一种可重复穿透和固定碎片的飞锚，其特征在于：三个所述滑槽(11)在锚头(1)的端面呈三角形布置，且三个滑槽(11)相互连通。

5.根据权利要求4所述一种可重复穿透和固定碎片的飞锚，其特征在于：每个所述导向槽孔(51)在转块(5)侧面开口并向内延伸，该导向槽孔(51)的截面为U形，相邻两个导向槽孔(51)的中心线夹角为β，β＝120°。

6.根据权利要求2所述一种可重复穿透和固定碎片的飞锚，其特征在于：所述滑块(2)、导向槽孔(51)、滑槽(11)以及引导孔(31)的数量相同且均为6个。

7.根据权利要求6所述一种可重复穿透和固定碎片的飞锚，其特征在于：六个所述滑槽(11)在猫头(1)的端面沿周向均布设置，且六个滑槽(11)不相交。

8.根据权利要求7所述一种可重复穿透和固定碎片的飞锚，其特征在于：每个所述导向槽孔(51)在转块(5)端面开孔，该导向槽孔(51)的截面呈腰形，相邻两个导向槽孔(51)的长度方向夹角为θ，θ＝60°。

9.根据权利要求8所述一种可重复穿透和固定碎片的飞锚，其特征在于：所述飞锚还包括减震胶垫套(6)；电机(7)布置在减震胶垫套(6)内，减震胶垫套(6)布置在套筒(3)内。

10.根据权利要求1至9任一项所述一种可重复穿透和固定碎片的飞锚，其特征在于：锚头(1)一端与套筒(3)一端螺纹连接，套筒(3)另一端与锚尾(4)螺纹连接。