CN110979754A - 一种基于充气结构的空间碎片弹射与捕获装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于充气结构的空间碎片弹射与捕获装置及方法，包括柱形弹射气囊、锥形捕获气囊及供气系统，外围设备为工作飞行器；柱形弹射气囊和锥形捕获气囊分别固定于工作飞行器的前、后表面，工作前，所述柱形弹射气囊和锥形捕获气囊处于压缩状态；供气系统安装在工作飞行器内，同时供气系统的供气管路分别与柱形弹射气囊和锥形捕获气囊连接；弹射时，柱形弹射气囊充气展开，柱形弹射气囊端面与目标碎片碰撞完成弹射；捕获时，锥形捕获气囊充气展开，大端朝外，此时锥形捕获气囊端面未封闭，当捕获目标碎片后，继续充气将锥形捕获气囊端面封闭完成捕获。本发明能够实现空间碎片的弹射及捕获，对轨道进行柔性清理，减少冲击。

Description

一种基于充气结构的空间碎片弹射与捕获装置及方法

技术领域

本发明涉及航天工程技术领域，具体涉及一种基于充气结构的空间碎片弹射与捕获装置及方法。

背景技术

空间碎片的存在严重地威胁着在轨运行航天器的安全，碎片与航天器的碰撞可直接改变航天器的表面性能，造成器件损伤，导致航天器系统故障，对航天器正常运行带来极大的危害。同时空间碎片的不断产生对有限的轨道资源构成了严重威胁，尤其是当某轨道高度的空间碎片密度达到一个临界密度时，碎片之间的链式碰撞过程将会造成轨道资源的永久性破坏。目前主流的清理方法是采用机械臂与碎片进行位姿匹配、消旋、抓捕，刚性碰撞过程对工作飞行器影响较大，因此需要一种减少冲击的柔性清理方案。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于充气结构的空间碎片弹射与捕获装置及方法，能够实现空间碎片的弹射及捕获，对轨道进行柔性清理，减少冲击。

本发明采取的技术方案如下：

一种基于充气结构的空间碎片弹射与捕获装置，包括柱形弹射气囊、锥形捕获气囊及供气系统，外围设备为工作飞行器；

柱形弹射气囊和锥形捕获气囊分别固定于工作飞行器的前、后表面，工作前，所述柱形弹射气囊和锥形捕获气囊处于压缩状态；供气系统安装在工作飞行器内，同时供气系统的供气管路分别与柱形弹射气囊和锥形捕获气囊连接；

弹射时，所述柱形弹射气囊充气展开，柱形弹射气囊端面与目标碎片碰撞完成弹射；捕获时，所述锥形捕获气囊充气展开，大端朝外，此时锥形捕获气囊端面未封闭，当捕获目标碎片后，继续充气将锥形捕获气囊端面封闭完成捕获。

进一步地，所述柱形弹射气囊四周采用聚酰亚胺薄膜材料，碰撞端面采用凯夫拉织物材料。

进一步地，所述锥形捕获气囊包括锥形主体和圆环封头，所述圆环封头设置在锥形主体大端，并与锥形主体连通；锥形主体采用聚酰亚胺薄膜材料，圆环封头采用橡胶。

一种基于充气结构的空间碎片弹射与捕获方法，采用上述弹射及捕获装置，方法如下：

弹射时，识别出目标碎片种类、方向、距离及速度，估算碎片质量，确定是否进行弹射，若不进行弹射，则工作飞行器保持状态；若进行弹射，则工作飞行器继续操作；

充气展开柱形弹射气囊，并加压到指定弹射气压；

调整姿态，使目标碎片与柱形弹射气囊在一定的相对速度下正向碰撞，完成弹射；

捕获时，识别出目标碎片种类、方向、距离及速度，判断目标碎片大小是否在锥形捕获气囊的容纳范围内，若目标碎片大小不在锥形捕获气囊的容纳范围内，则工作飞行器保持状态；若目标碎片大小在锥形捕获气囊的容纳范围内，则工作飞行器继续操作；

充气展开锥形捕获气囊，此时锥形捕获气囊端面未封闭；

通过姿态调整，使锥形捕获气囊正向对准目标碎片，当目标碎片完全进入锥形捕获气囊内后，继续加压，使锥形捕获气囊端面封闭，完成捕获。

进一步地，所述柱形弹射气囊四周采用聚酰亚胺薄膜材料，碰撞端面采用凯夫拉织物材料。

进一步地，所述锥形捕获气囊包括锥形主体和圆环封头，所述圆环封头设置在锥形主体大端，并与锥形主体连通。

有益效果：

本发明利用柱形弹射气囊、锥形捕获气囊的柔性结构实现空间碎片的弹射及捕获，对轨道进行柔性清理，减少冲击，避免了使用机械臂方式带来的工作飞行器与碎片之间的刚性碰撞危险和危害，提高了传统碎片清理方式的可靠性和安全性。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构示意图；

图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)为本发明碎片弹射过程实施方式示意图；

图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)为本发明碎片捕获过程实施方式示意图。

其中，1-柱形弹射气囊、2-锥形捕获气囊、3-工作飞行器、4-目标碎片。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种基于充气结构的空间碎片弹射与捕获装置，包括柱形弹射气囊1、锥形捕获气囊2及供气系统，外围设备为工作飞行器3，目标为目标碎片4。

柱形弹射气囊1四周采用聚酰亚胺薄膜材料，碰撞端面采用凯夫拉织物材料，且上表面及倒角边进行强度加强处理。

锥形捕获气囊2包括锥形主体和圆环封头，圆环封头设置在锥形主体大端，并与锥形主体连通；锥形主体采用聚酰亚胺薄膜材料，圆环封头采用橡胶，锥形捕获气囊2与工作飞行器3固定底部采用凯夫拉织物材料。

柱形弹射气囊1和锥形捕获气囊2分别以机械紧固密封方式固定于工作飞行器3的前、后表面，工作前，柱形弹射气囊1和锥形捕获气囊2处于压缩状态；供气系统安装在工作飞行器3内，同时供气系统的供气管路分别与柱形弹射气囊1和锥形捕获气囊2连接。

弹射实施步骤如下：

(1)碎片信息获得与判断：工作飞行器3接收到碎片弹射任务时，通过航天器上的配套载荷识别出目标碎片4种类、方向、距离及速度，估算目标碎片4质量，确定是否进行弹射，若不进行弹射，则工作飞行器3保持状态；若进行弹射，则工作飞行器3继续操作。

(2)气囊展开：若柱形弹射气囊1未展开，通过供气系统对柱形弹射气囊1进行充气展开，并充气加压到指定弹射气压。

(3)接近目标：航天器变轨机动至目标碎片4，调整姿态，使目标碎片4与柱形弹射气囊1在一定的相对速度下正向碰撞。

(4)碎片弹射：柱形弹射气囊1经过碰撞过程中受压变形，在气体作用下，目标碎片4速度减缓，后经柱形弹射气囊1恢复变形实现目标碎片4反弹，弹射过程示意图如图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)所示。

捕获实施步骤如下：

(1)碎片信息获得与判断：通过航天器上的配套载荷识别出目标碎片4种类、方向、距离及速度，判断目标碎片4大小是否在锥形捕获气囊2的容纳范围内，若目标碎片4大小不在锥形捕获气囊2的容纳范围内，则工作飞行器3保持状态；若目标碎片4大小在锥形捕获气囊2的容纳范围内，则工作飞行器3继续操作。

(2)气囊展开：先将锥形捕获气囊2中的锥形主体通过供气系统充气展开，后将圆环封头展开，充气气压的大小以锥形捕获气囊2展开成形、端面未封闭即可。

(3)接近目标：航天器变轨机动至目标碎片4附近，通过姿态调整使锥形捕获气囊2正向对准目标碎片4。

(4)包裹目标：目标碎片4在一定速度下飞向锥形捕获气囊2的圆环封头开口，当目标碎片4完全进入锥形捕获气囊2内后，对圆环封头继续加压，使其变形将开口封闭，对目标碎片4完成捕获，如图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)所示。

(4)释放目标：捕获目标碎片4后，通过航天器携带目标碎片4进行变轨，到达预定位置时，通过释放圆环封头中的气体，使其恢复原始形状，锥形捕获气囊2端面打开，航天器进行机动，将目标碎片4释放。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，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 (6)

1.一种基于充气结构的空间碎片弹射与捕获装置，其特征在于，包括柱形弹射气囊、锥形捕获气囊及供气系统，外围设备为工作飞行器；

柱形弹射气囊和锥形捕获气囊分别固定于工作飞行器的前、后表面，工作前，所述柱形弹射气囊和锥形捕获气囊处于压缩状态；供气系统安装在工作飞行器内，同时供气系统的供气管路分别与柱形弹射气囊和锥形捕获气囊连接；

弹射时，所述柱形弹射气囊充气展开，柱形弹射气囊端面与目标碎片碰撞完成弹射；捕获时，所述锥形捕获气囊充气展开，大端朝外，此时锥形捕获气囊端面未封闭，当捕获目标碎片后，继续充气将锥形捕获气囊端面封闭完成捕获。

2.如权利要求1所述的基于充气结构的空间碎片弹射与捕获装置，其特征在于，所述柱形弹射气囊四周采用聚酰亚胺薄膜材料，碰撞端面采用凯夫拉织物材料。

3.如权利要求1所述的基于充气结构的空间碎片弹射与捕获装置，其特征在于，所述锥形捕获气囊包括锥形主体和圆环封头，所述圆环封头设置在锥形主体大端，并与锥形主体连通；锥形主体采用聚酰亚胺薄膜材料，圆环封头采用橡胶。

4.一种基于充气结构的空间碎片弹射与捕获方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的弹射与捕获装置，方法如下：

弹射时，识别出目标碎片种类、方向、距离及速度，估算碎片质量，确定是否进行弹射，若不进行弹射，则工作飞行器保持状态；若进行弹射，则工作飞行器继续操作；

充气展开柱形弹射气囊，并加压到指定弹射气压；

调整姿态，使目标碎片与柱形弹射气囊在一定的相对速度下正向碰撞，完成弹射；

捕获时，识别出目标碎片种类、方向、距离及速度，判断目标碎片大小是否在锥形捕获气囊的容纳范围内，若目标碎片大小不在锥形捕获气囊的容纳范围内，则工作飞行器保持状态；若目标碎片大小在锥形捕获气囊的容纳范围内，则工作飞行器继续操作；

充气展开锥形捕获气囊，此时锥形捕获气囊端面未封闭；

通过姿态调整，使锥形捕获气囊正向对准目标碎片，当目标碎片完全进入锥形捕获气囊内后，继续加压，使锥形捕获气囊端面封闭，完成捕获。

5.如权利要求4所述的基于充气结构的空间碎片弹射与捕获方法，其特征在于，所述柱形弹射气囊四周采用聚酰亚胺薄膜材料，碰撞端面采用凯夫拉织物材料。

6.如权利要求4所述的基于充气结构的空间碎片弹射与捕获方法，其特征在于，所述锥形捕获气囊包括锥形主体和圆环封头，所述圆环封头设置在锥形主体大端，并与锥形主体连通。

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