CN110615124A

CN110615124A - 一种缠绕式空间捕获装置

Info

Publication number: CN110615124A
Application number: CN201910936036.3A
Authority: CN
Inventors: 康国华; 刘奇弦; 吴佳奇; 王强; 张琪; 张文豪; 张晗; 徐伟证
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2019-09-29
Filing date: 2019-09-29
Publication date: 2019-12-27
Anticipated expiration: 2039-09-29
Also published as: CN110615124B

Abstract

本发明公开了一种缠绕式空间捕获装置，涉及空间捕获装置领域，能够在刚性与柔性状态之间切换，准确捕获航天器。本发明包括：软绳、卡口、弹簧、柱状节、质量块。柱状节为圆柱状，并沿中心轴设置通孔，柱状节的两端一端为凸台，另一端设置与所述凸台形状大小相匹配的沉孔。软绳穿过若干柱状节中心的通孔，相邻柱状节的凸台和沉孔首尾相接，软绳上还串连弹簧，软绳的两端一端穿过卡口，另一端连接质量块。柱状节、弹簧、软绳共同组成用于缠绕目标物的缠绕体。本发明在不同的运动状态时采取不同的外形状态，综合了刚性装置和柔性装置的优点，在空间目标捕获作业中能够准确捕捉到物体，提高工作效率。

Description

一种缠绕式空间捕获装置

技术领域

本发明涉及空间捕获装置领域，尤其涉及一种缠绕式空间捕获装置。

背景技术

太空中存在太空垃圾，主要包括失效航天器等，随时间推移，太空垃圾越来越多，占用轨道资源并威胁其他航天器的安全，因此需要对这些目标进行捕获从而实现回收的目的。目前主要的捕获方案有机械臂捕获目标航天器特定结构，飞网或飞爪捕获目标航天器以及利用电磁对接机构捕获等方案。

1997年，日本发射了工程试验卫星-7（ETS-VII），进行空间自主交会对接和机械臂操作关键技术验证，通过安装于服务星上的六自由度的空间机械臂，成功实现了服务星和目标星的分离和在轨捕获。美国国防预先研究计划局（DARPA）发起了全能轨道操纵飞行器（SUMO）项目，采用多支机械臂与视频立体成像相互配合，利用目标卫星的星箭连接口（如适配器对接环及其螺栓孔）进行捕获。英国萨里大学开展了Remove Debris计划，该计划使用名为Remove Debris的卫星平台，该平台分别搭载飞网和飞爪装置，对空间碎片的捕获关键技术进行验证。2018年，Remove Debris卫星成功发射飞网捕获了一立方星，2019年，成功进行了“鱼叉”飞爪的试验，利用该飞爪成功击中并刺入一个系在卫星伸杆末端的乒乓球拍大小的铝板。

然而，上述捕获方式存在一些缺点。机械臂为刚性机械装置，机械臂捕获方式对接触条件要求较高，容易产生碰撞问题，不适合对自旋或翻滚中的目标航天器直接进行捕获。飞网与飞爪为柔性绳系装置，在空间失重环境下释放与回收控制难度较高。电磁捕获方式依赖电磁力，随着距离的增加，电磁力迅速衰减，需要较大电流，耗电量较大。

发明内容

本发明提供一种缠绕式空间捕获装置，能够在刚性与柔性状态之间切换，准确捕获航天器。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种缠绕式空间捕获装置，包括：软绳、卡口、弹簧、柱状节、质量块。

柱状节为圆柱状，并沿中心轴设置通孔，柱状节的两端一端为凸台，另一端设置与所述凸台形状大小相匹配的沉孔。软绳穿过若干柱状节中心的通孔，相邻柱状节的凸台和沉孔首尾相接，软绳上还串连弹簧，软绳的两端一端穿过卡口，另一端连接质量块。柱状节、弹簧、软绳共同组成用于缠绕目标物的缠绕体。

软绳靠近卡口的一端拉动柱状节和弹簧向卡口方向移动，当卡口将其卡住时，相邻的柱状节相互挤压，最终通过凸台和沉孔的配合相互连接，串在软绳上的柱状节从柔性状态变成了直线的刚性状态。同时，串联在软绳上的弹簧压缩。

当软绳末端释放时，压缩的弹簧释放，带动软绳向远离卡口的方向运动，同时柱状节重新变为柔性状态。

完成缠绕后，软绳再次拉动柱状节和弹簧向卡口方向移动，串在软绳上的柱状节再次从柔性状态展开为直线形的刚性状态，以解除缠绕。

进一步的，所述缠绕式的空间捕获装置还包括收纳舱，软绳穿过收纳舱，收纳舱靠近质量块的一侧开口，远离质量块的一侧上安装卡口。当柱状节处于柔性状态时，收纳在收纳舱中。

进一步的，软绳靠近卡口的一端固定缠绕在电机的输出轴上，由电机控制软绳的收紧或释放。

进一步的，柱状节的外表面上设置花纹。

进一步的，包含多个收纳舱，且多个收纳舱并列分布，每个收纳舱容纳一套由柱状节、弹簧、软绳共同组成的缠绕体，多个缠绕体可同时对同一目标进行缠绕。

进一步的，所述缠绕式空间捕获装置整体封装在盒体中。

进一步的，盒体外部设置直角连接头，直角连接头作为机械接口。

进一步的，盒体外部设置电机供电接口作为电气接口。

本发明的有益效果是：

柱状节、弹簧、软绳共同组成缠绕体，通过软绳和卡口的配合，缠绕体可以在柔性和刚性两种外形中来回切换。当向目标靠近时，缠绕体切换至刚性状态，避免缠绕打结；当对目标物体进行缠绕时，缠绕体切换至柔性状态对目标物体进行缠绕，还可以利用目标的自转加速缠绕过程。

电机仅在缠绕体切换至刚性状态时才加电运行，其余时间电机不耗电，平均功耗较低，对载荷平台供电要求较低。

多个收纳舱并列分布，从而多个缠绕体可同时对同一目标进行缠绕，提高了对目标缠绕的成功率。

装置采用封装式一体化设计，仅向外部提供必要的机械接口与电气接口，且接口数量少，形式简单，易于安装。

综上，本发明在不同的运动状态时采取不同的外形状态，综合了刚性装置和柔性装置的优点，在空间目标捕获作业中能够准确捕捉到物体，提高工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是柱状节的结构示意图；

图3是封装方案三维示意图；

图4是缠绕体柔性及刚性状态的示意图

图5是缠绕体又柔性转变为刚性过程的示意图；

图6是本发明实施例在空间中捕获目标的过程示意图。

1-质量块、2-柱状节、3-弹簧、4-软绳、5-卡口、6-电机、7-收纳室、8-直角连接头、9-电机供电接口、10-载荷平台、11-目标航天器。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明实施例提供一种缠绕式空间捕获装置，如图1所示，包括缠绕体、卡口5、电机6、收纳舱7、外部接口。缠绕体包括质量块1、柱状节2、弹簧3与软绳4。外部接口包括直角连接头8与电机供电接口9。

软绳4一端缠绕于电机6转轴上，穿过卡口5，另一端与质量块1相连，柱状节2与弹簧分布在卡口5和质量块1之间，软绳4贯穿柱状节2与弹簧3。柱状节2与弹簧3交替分布，多个弹簧2能够加速缠绕体由刚性变为柔性的形变速度。

柱状节2的结构如图2所示。柱状节2内部设置圆柱空腔，软绳4从圆柱空腔穿过。柱状节2外部设置细小凸起纹路，用于增加与被缠绕物体之间的摩擦力。柱状节2一端为凸台，另一端为沉孔，可以使不同柱状节2之间首尾相嵌，增加刚性状态下缠绕体的刚度。

卡口5设置在收纳舱7壁上，收纳舱7的舱门设置在靠近质量块1的一侧，卡口5设置在远离质量块1的另一侧。

本发明的封装方案如图3所示，单台电机6与多个收纳舱7封装于一盒式结构中，多个收纳舱7并列布置，每个收纳舱容纳一套由柱状节2、弹簧3、软绳4共同组成的缠绕体。

并列布置的收纳舱7外围设置盒体，所述盒体与外部的机械接口有且仅有若干直角连接头8，与外部的电气接口有且仅有电机供电接口9。

本发明实现刚性到柔性状态转换的原理如图4所示，电机6加电转动，通过软绳4拉动质量块1向靠近卡口5的方向运动，同时卡口5阻碍柱状节2与弹簧3的运动，使得各柱状节2之间以及柱状节2与弹簧3之间相互挤压，缠绕体转变为刚性状态。

缠绕体释放过程如图5所示，在非工作状态时，缠绕体以卷曲形态存放于收纳舱7中，电机6加电后，电机轴转动，缠绕体刚性化时发生形变，形态转变为柱形，可依靠该过程的自身运动顶开收纳舱门。

本实施例可组合实用，多个缠绕体同向安装在同一个电机6上，如图5所示，每一个缠绕体释放前分别以卷曲形态存放于各收纳舱7。

本实施例用于空间目标捕获的过程如图6所示，缠绕式的空间捕获装置由载荷平台10携带，载荷平台10接近目标航天器11后，缠绕体释放并转变为刚性状态，采集缠绕体获取相对于目标航天器11的初速度，并且使缠绕体以该速度靠近目标航天器11。缠绕体与目标航天器11发生接触前，电机6断电，此时电机轴可自由转动，弹簧3将质量块1推离卡口5，各柱状节2与弹簧3之间不再挤压，缠绕体转变为柔性状态，在质量块1惯性作用下，缠绕体对目标航天器11进行缠绕，目标航天器11的自转会在一定程度上帮助缠绕体更快缠绕。

本发明的有益效果是：

柱状节、弹簧、软绳共同组成缠绕体，通过软绳和卡口的配合，缠绕体可以在柔性和刚性两种外形中来回切换。当向目标靠近时，缠绕体切换至刚性状态，避免缠绕打结；当对目标物体进行缠绕时，缠绕体切换至柔性状态对目标物体进行缠绕，还可以利用目标的自传加速缠绕过程。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种缠绕式空间捕获装置，其特征在于，包括：软绳（4）、卡口（5）、弹簧（3）、柱状节（2）、质量块（1）；

柱状节（2）为圆柱状，并沿中心轴设置通孔，柱状节（2）的两端一端为凸台，另一端设置与所述凸台形状大小相匹配的沉孔；

软绳（4）穿过若干柱状节（2）中心的通孔，相邻柱状节（2）的凸台和沉孔首尾相接，软绳（4）上还串连弹簧（3），软绳（4）的两端一端穿过卡口（5），另一端连接质量块（1）。

2.根据权利要求1所述的一种缠绕式空间捕获装置，其特征在于，还包括收纳舱（7），软绳（4）穿过收纳舱（7），收纳舱（7）靠近质量块（1）的一侧开口，远离质量块（1）的一侧上安装卡口（5）。

3.根据权利要求1所述的一种缠绕式空间捕获装置，其特征在于，软绳（4）靠近卡口（5）的一端固定缠绕在电机（6）的输出轴上。

4.根据权利要求1所述的一种缠绕式空间捕获装置，其特征在于，柱状节（2）的外表面上设置花纹。

5.根据权利要求1所述的一种缠绕式空间捕获装置，其特征在于，包含多个收纳舱（7），且收纳舱（7）并列布置。

6.根据权利要求1所述的一种缠绕式空间捕获装置，其特征在于，所述缠绕式空间捕获装置整体封装在盒体中。

7.根据权利要求6所述的一种缠绕式空间捕获装置，其特征在于，所述盒体外部设置直角连接头（8）。

8.根据权利要求6所述的一种缠绕式空间捕获装置，其特征在于，所述盒体外部设置电机供电接口（9）。