CN110979755A - 一种空间多功能自主机动柔性体装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间多功能自主机动柔性体装置，包括主动力模块、主推发动机、主拖绳索、牵引固件、多层功能柔性体、辅助拖绳索、辅推动力模块单元、锁定挂钩、辅推发动机和辅推姿态调整MEMS发动机；主动力模块配备两主推发动机，主推发动机尾部中心与一主推绳索的一侧固连，单个辅推动力模块单元设置有两辅推发动机，辅推动力模块单元内部设置有信息收发单元，每个辅推动力模块单元的外壳体朝向多层功能柔性体几何中心一面分别设置一个锁定挂钩。本发明通过设置自主机动模块及多功能柔性体层，达到灵活快捷实现空间碎片的收集及清理，提供一种针对敌方抵近侦查、骚扰、喷涂类小型飞行器的防护与反制有效的手段。

Description

一种空间多功能自主机动柔性体装置

技术领域

本发明涉及一种空间多功能自主机动柔性体装置，属于防护系统的复合多功能应用、增强技术领域。

背景技术

近年来，随着空间碎片急剧增加，一旦发生撞击会对航天器产生严重的损伤和破坏，空间碎片的收集与清除定会成为在轨航天器长期而关键的防护任务。与此同时，我国在轨的高价值航天器存在敌方航天器抵近侦查、骚扰、干扰的潜在威胁，当前阶段尚未见有效的预警、反制、打击等应对措施。尤其是将空间碎片收集、清除及对空间抵近侦查为一体综合防护装置的发展具有极为重要的研制意义。

涉及可以用于空间碎片清理的方式主要有以下几类：化学推进清理方式：采用机械臂、捕捉爪收集碎片后，通过化学动力推进等将碎片拖至废弃轨道或者大气层内烧毁；增大大气阻力和太阳辐射压的装置方式：利用气囊、太阳帆等质量轻、横截面积大的机构,增加大气阻力的方式对捕捉后的碎片进行清理；大功率激光器清理方式：采用地基或天基激光推进(烧蚀)法清除废弃目标，现有技术中存在如下问题：

1、化学推进清理方式：此类型整体装置质量大，整体机械结构及控制模块相对较为复杂，对空间碎片抓捕探测、控制的技术难度高，并且抓捕效率差，费用昂贵。

2、增大大气阻力和太阳辐射压的装置方式：此类型装置的清理所需时间长，且很难得到有效控制，不容易实现特定区域及某一指定的安全轨道区域进行精确高效率清除。

3、大功率激光器清理方式：此类型主要包含地基及天基两种形式，地基形式的主要问题在于受气象条件的影响较为严重，同时仅能对低轨碎片进行清除，且对探测及跟瞄系统的精度要求非常高；天基形式主要问题为激光器需要配备大功率的电源，电源自身的质量与体积巨大，会带来超大的发射成本，同时大功率电源工作时会对航天器上其它载荷的电磁兼容性带来巨大的挑战。

4、当前公布的空间碎片收集、捕捉、清理手段中，尚未提出过可以兼具对敌方抵近侦查、干扰破坏的微小型航天器的反制与消除威胁等多功能复合功能的形式。

至于对抵近侦查、操控、干扰、喷涂类小型空间飞行器的防御及反制，当前尚未有资料进行公开报道。

发明内容

本发明的技术解决问题是：为克服现有技术的不足，本发明提供了一种空间多功能自主机动柔性体装置，其一为清理出某一特定空间领域空间碎片，为后期在该轨道运行的航天器提供干净、安全的太空环境；其二为当敌方抵近侦查类、喷涂类小型飞行器靠近我方高价值航天器时，在主体平台释放，在主推进器机动带动下逐渐靠近来犯飞行器，并且通过主体平台提供的来犯飞行器的位置信息，主推进器进行实时响应的姿态与位置调整，最后将来犯目标进行包覆、捕获，使其暂时失去侦查及破坏的功能。

本发明的技术解决方案是：

一种空间多功能自主机动柔性体装置，包括主动力模块、主推发动机、主拖绳索、牵引固件、多层功能柔性体、辅助拖绳索、辅推动力模块单元、锁定挂钩、辅推发动机和辅推姿态调整MEMS发动机；

主动力模块配备两主推发动机，主推发动机尾部中心与一主推绳索的一侧固连，主推绳索的另一侧与牵引固件固连，牵引固件外周均布铆钉，用于与多层功能柔性体固连，多层功能柔性体为正八边形，其每个顶点分别分别与辅助拖绳索的一端固连，各辅助拖绳索的另一端分别配有一辅推动力模块单元；单个辅推动力模块单元设置有两辅推发动机，且在辅推发动机的头部与尾部上沿圆周方向阵列方式固连辅推姿态调整MEMS发动机，辅推动力模块单元内部设置有信息收发单元，每个辅推动力模块单元的外壳体朝向多层功能柔性体几何中心一面分别设置一个锁定挂钩。

进一步的，主动力模块与辅推动力模块单元内部均设置有信息收发单元，可在50km范围以内与主平台进行实时通信。

进一步的，主动力模块单个主推发动机的比冲为100-200s，辅推动力模块单元单个发动机比冲为10-20s，辅推姿态调整MEMS发动机每个单元可提供不超过1N推力。

进一步的，多层功能柔性体依次包括：高机械性能柔性网层、遮光柔性体层、吸波材料柔性体层、保温隔热柔性体层和高机械性能柔性体层，各柔性体层展开后均呈正八边形。

进一步的，高机械性能柔性网层、高机械性能柔性体层采用对位芳香族聚酰胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维、芳香族杂环类纤维中的任意一种。

进一步的，强度在4.2Gpa-5.5Gpa之间，弹性模量在125Gpa-160Gpa之间，断裂伸长率在3.4-4.0之间，其厚度具体由捕捉对象所决定，在10mm以内。

进一步的，光柔性体层材料采用涂层遮光布、织造遮光布、阻燃遮光布、压花遮光布、印花遮光布、提花遮光布中的任意一种，其厚度在4mm以内。

进一步的，吸波材料柔性体层采用铁磁性吸波材料涂层溅射吸附在0.5mm的锡箔纸上，铁磁性材料的厚度为0.4-0.8mm之间。

进一步的，保温隔热柔性体层采用聚酰亚胺薄膜基体，在其内部喷覆保温隔热涂料，厚度在2mm以内。

进一步的，各多层功能柔性体层之间采用柔性体胶，胶点均匀规律分布。

本发明有益效果：

(1)本发明实现了一种防护装置多功能复用，克服传统的飞网装置仅能对空间碎片进行收集，不能对抵近侦查、骚扰、喷涂类小型飞行器的防护与反制问题，显著地增大了高价值航天器平台的安全性及保密度；

(2)本发明采用了自主机动收集碎片功能，可以在空间发生突发撞击状况下按预定指令自主清理出一条干净的轨道区域，为主体平台提供一不受污染的安全通道，避免较大的空间碎片对主体平台造成威胁；

(3)本发明采用了多层功能柔性体，可以遮蔽来犯飞行器的相机镜头、可以包覆喷涂类飞行器的雾液，甚至是其在前期已经侦查到信息，对其进行包覆后将会屏蔽掉与外界通信功能，为高价值航天器提供一种新型可靠的防护技术手段；

(4)本发明具有结构简单、可靠性较高、自主机动性强的特点，装配固定连接时均为常规零件，拆装方便、无需特制，而且便于维修和更换，大幅降低了生产成本；

(5)本发明由于利用多功能柔性体层进行作用，作用面积相对较大，故不需要对探测及制导系统做过高精度的要求；

(6)本发明能够充分实现在常规时期，进行空间碎片的收集、清除，在遇到抵近类威胁时刻可以进行主动防御与反制，填补此类威胁下防御反制手段的空白，为急剧增长太空垃圾的空间环境提供一种有效的收集、清除手段，故具有广阔的市场前景和应用价值。

附图说明

图1为本发明结构图；

图2为本发明侧视图；

图3为本发明第一涂层的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

一种空间多功能自主机动柔性体装置，如图1所示，包括主动力模块1、主推发动机2、主拖绳索3、牵引固件4、多层功能柔性体5、辅助拖绳索6、辅推动力模块单元7、锁定挂钩8、辅推发动机9、高机械性能柔性网层10、遮光柔性体层11、吸波材料柔性体层12、保温隔热柔性体层13、高机械性能柔性体层14、辅推姿态调整MEMS发动机15；

主动力模块1配备主推两发动机2，并在其尾部中心固连一主推绳索3；主推绳索3的另一侧与牵引固件4固定连接；牵引固件4外周8×45°均布与多层功能柔性体5间进行铆接固连，多层功能柔性体5间采用干化后的呈柔性状的胶体进行粘结；多层功能柔性体5设计为正八边形，正八边形的每个顶点分别都各固连一辅助拖绳索6；各辅助拖绳索6的另一端分别固连一辅推动力模块单元7；单个辅推动力模块单元同样设置有两辅推发动机9，如图3所示，在头部与尾部上预置缠绕胶接固连辅推姿态调整MEMS发动机15，内部设置有信息收发单元，用来与平台及其它辅推动力模块单元7进行信息交互，此外，每个辅推动力模块单元7的外壳体朝向多层功能柔性体几何中心一面分别设置一个锁定挂钩8，用于将目标物包裹后进行锁紧固定。

在上述的一种空间多功能自主机动柔性体装置中，主动力模块1与辅推动力模块单元7内部均设置有信息收发单元，可在50km范围以内与主平台进行实时通信，其中主动力模块的1单个主推发动机2的比冲为100-200s，辅推动力模块单元7单个发动机比冲为10-20s；辅推姿态调整MEMS发动机15每个单元可提供不超过1N推力。

如图2所示，多层功能柔性体5依次包括：高机械性能柔性网层10、遮光柔性体层11、吸波材料柔性体层12、保温隔热柔性体层13和高机械性能柔性体层14，各柔性体层展开后均呈正八边形。

高机械性能柔性网层10及高机械性能柔性体层14可采用对位芳香族聚酰胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维、芳香族杂环类纤维等，其强度在4.2Gpa-5.5Gpa之间，弹性模量在125Gpa-160Gpa之间，断裂伸长率在3.4-4.0之间，其厚度具体由捕捉对象所决定，一般在10mmm以内。

遮光柔性体层11材料采用遮光布，包含涂层遮光布、织造遮光布、阻燃遮光布、压花遮光布、印花遮光布、提花遮光布等，其厚度在4mm以内；吸波材料柔性体层12采用铁磁性吸波材料涂层溅射吸附在0.5mm的锡箔纸上，铁磁性材料的厚度为0.4-0.8mm之间；保温隔热柔性体层13采用聚酰亚胺薄膜基体，在其内部喷覆保温隔热材料，厚度在2mm以内。主拖绳索与辅助拖绳索均采用Zylon纤维构成的PBO材料；各层之间采用柔性体胶，胶点均匀规律分布。

高机械性能柔性网层10、高机械性能柔性体层14具有高强度、高模量、低密度和高的能量吸收能力等优良的物理机械性能，其一般用于纤维制成的防弹衣、防弹背心、降落伞以及其它的军事用布；保温隔热柔性体层13一般用于解决航天飞行器传热控制问题，并后续推广应用在建筑和工业设施中；吸波材料柔性体层12的材料一般用于飞机、坦克、导弹的隐身技术，利用吸波特性防止高功率雷达、通信机等设备的电磁辐射与泄漏、保护操作人员的身体健康；现有技术没有提供组合应用上述技术解决空间自主防护系统手段匮乏等问题的启示。

实际使用时：

第一阶段，初始状态时，当我方地基或天基探测系统，发现敌方小型飞行器或者较大空间碎片(10cm及以上)缓慢抵近至我国高价值航天器一定距离时，将该位置信息传递给高价值航天器平台，平台对其中一枚空间多功能自主机动柔性体装置进行机械解锁，然后在其主动力模块1的牵引下，通过主推绳索3带动整个装置逐渐靠近来犯飞行器或空间碎片。如果是来犯飞行器进行了主动规避并且逃离，则使其在动力模块1牵引下缓慢返回至平台，重新进行锁定并终止本次任务。

第二阶段，当空间多功能自主机动柔性体装置接近至来犯飞行器2m时，来犯飞行器未停止对我方高价值航天器的侦查与骚扰行为，主动力模块1的主推发动机2进行熄火，通过8台辅推动力模块单元7的协同工作，实现将多层功能柔性体5的高机械性能柔性体层13一面正对来犯飞行器或较大空间碎片，并同时带动多层柔性体5及主动力模块1一起逼近来犯飞行器或较大空间碎片。

面对来犯的飞行器分两种情况：当来犯航天器体积较小时，利用8台辅推动力模块单元7的协同动作将其包裹，并通过辅推动力模块单元7上面的锁定挂钩8搭挂在多层功能柔性体5的高机械性能柔性网层10上，使目标物被包裹后并锁紧不会脱落。然后主动力模块1工作，将目标物携带至坟墓轨道或者拖至大气层进行焚毁；当来犯航天器体积相对较大时，利用8台辅推动力模块单元7的协同动作将其功能模块包裹，如小型飞行器为抵近侦查类则将其相机镜头或通信天线进行包裹锁紧；

多层功能柔性体5的遮光柔性体层11可造成光学相机无法正常工作；保温隔热柔性体层13可导致红外相机无法正常工作；吸波材料柔性体层12可造成微波相机及通信天线无法正常工作；高机械性能柔性网层10及高机械性能柔性体层14为抓捕目标物提供足够的机械强度。

第三阶段，若敌方来犯飞行体在我方空间多功能自主机动柔性体装置靠近的过程中，未实现了逃离，将捕捉到的来犯飞行器(或空间碎片)带离到指点轨道，则将下一组空间多功能自主机动柔性体装置移动到待工作位置，准备下一次的防护任务。

本发明的工作原理是：

利用利用主机动模块及导引信息靠近来犯飞行器目标，然后利用辅助动力模块单元协同工作，使多层功能柔性体覆盖、包裹、锁定来犯目标，通过多功能柔性体层的对不同类型目标产生抑制破坏作用，使空间碎片被收集，其它来犯目标失去功效，最后在主机动模块的牵引下一同拖离当前威胁我方高价值航天器的轨道。可以大大地提高我方高价值航天器的安全性，以及为净化空间环境提供一种行之有效的手段。

本发明主要针对两种工况形式，其一为清理出某一特定空间领域空间碎片，为后期在该轨道运行的航天器提供干净、安全的太空环境；其二为当敌方抵近侦查类、喷涂类小型飞行器靠近我方高价值航天器时，在主体平台释放，在主推进器机动带动下逐渐靠近来犯飞行器，并且通过主体平台提供的来犯飞行器的位置信息，主推进器进行实时响应的姿态与位置调整，最后将来犯目标进行包覆、捕获，使其暂时失去侦查及破坏的功能。根据实际情况，来确定最后是推离轨道还是携带入坟墓轨道或者带入大气层烧毁。

本发明多功能复用的空间自主机动柔性体装置，通过主动力模块靠近目标，多个辅助动力模块单元协同作用将目标物(空间碎片或者敌方抵近飞行器)包覆并锁定，再通过主动力模块将目标物带离到指定位置。对于空间碎片收集、清除方面，可以克服传统方式的质量大、发射应用成本高、机动灵活性差、需要主体平台提供动力的缺点；对于反制抵近侦查、喷涂类飞行器方面，能够提供一种行之有效的技术手段，填补我国高价值航天器面对敌方飞行器抵近侦查、干扰无计可施的空白。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种空间多功能自主机动柔性体装置，其特征在于，包括主动力模块(1)、主推发动机(2)、主拖绳索(3)、牵引固件(4)、多层功能柔性体(5)、辅助拖绳索(6)、辅推动力模块单元(7)、锁定挂钩(8)、辅推发动机(9)和辅推姿态调整MEMS发动机(15)；

主动力模块(1)配备两主推发动机(2)，主推发动机(2)尾部中心与一主推绳索(3)的一侧固连，主推绳索(3)的另一侧与牵引固件(4)固连，牵引固件(4)外周均布铆钉，用于与多层功能柔性体(5)固连，多层功能柔性体(5)为正八边形，其每个顶点分别分别与辅助拖绳索(6)的一端固连，各辅助拖绳索(6)的另一端分别配有一辅推动力模块单元(7)；单个辅推动力模块单元设置有两辅推发动机(9)，且在辅推发动机(9)的头部与尾部上沿圆周方向阵列方式固连辅推姿态调整MEMS发动机(15)，辅推动力模块单元(7)内部设置有信息收发单元，每个辅推动力模块单元(7)的外壳体朝向多层功能柔性体几何中心一面分别设置一个锁定挂钩(8)。

2.根据权利要求1所述的一种空间多功能自主机动柔性体装置，其特征在于：主动力模块(1)与辅推动力模块单元(7)内部均设置有信息收发单元，可在50km范围以内与主平台进行实时通信。

3.根据权利要求2所述的一种空间多功能自主机动柔性体装置，其特征在于：主动力模块(1)单个主推发动机(2)的比冲为100-200s，辅推动力模块单元(7)单个发动机比冲为10-20s，辅推姿态调整MEMS发动机(15)每个单元可提供不超过1N推力。

4.根据权利要求1所述的一种空间多功能自主机动柔性体装置，其特征在于：多层功能柔性体(5)依次包括：高机械性能柔性网层(10)、遮光柔性体层(11)、吸波材料柔性体层(12)、保温隔热柔性体层(13)和高机械性能柔性体层(14)，各柔性体层展开后均呈正八边形。

5.根据权利要求4所述的一种空间多功能自主机动柔性体装置，其特征在于：高机械性能柔性网层(10)、高机械性能柔性体层(14)采用对位芳香族聚酰胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维、芳香族杂环类纤维中的任意一种。

6.根据权利要求5所述的一种空间多功能自主机动柔性体装置，其特征在于：强度在4.2Gpa-5.5Gpa之间，弹性模量在125Gpa-160Gpa之间，断裂伸长率在3.4-4.0之间，其厚度具体由捕捉对象所决定，在10mm以内。

7.根据权利要求4所述的一种空间多功能自主机动柔性体装置，其特征在于：光柔性体层(11)材料采用涂层遮光布、织造遮光布、阻燃遮光布、压花遮光布、印花遮光布、提花遮光布中的任意一种，其厚度在4mm以内。

8.根据权利要求4所述的一种空间多功能自主机动柔性体装置，其特征在于：吸波材料柔性体层(12)采用铁磁性吸波材料涂层溅射吸附在0.5mm的锡箔纸上，铁磁性材料的厚度为0.4-0.8mm之间。

9.根据权利要求4所述的一种空间多功能自主机动柔性体装置，其特征在于：保温隔热柔性体层(13)采用聚酰亚胺薄膜基体，在其内部喷覆保温隔热涂料，厚度在2mm以内。

10.根据权利要求4所述的一种空间多功能自主机动柔性体装置，其特征在于：各多层功能柔性体(5)层之间采用柔性体胶，胶点均匀规律分布。

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