CN111015720A - 一种用于空间碎片捕获清除的超大柔性捕获装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于空间碎片捕获清除的超大柔性捕获装置，包括固定台、柔性抓手和驱动机构；固定台安装在服务飞行器上；固定台包括板式结构件和导向管，导向管为中空管状结构，对柔性抓手进行导向，对捕获目标进行辅助约束；柔性抓手为仿生柔性体结构，其一端置入固定台导向管的中空管中，其余部分露出中空管；沿柔性体轴线以一定偏心角度穿孔，当驱动机构从底部拉拽绳索时，偏心力作用柔性体发生弯曲变形，实现柔性抓手的展开释放和收拢；驱动机构可控制单个柔性体展开释放和收拢，也可同时控制柔性抓手展开释放和收拢。

Description

一种用于空间碎片捕获清除的超大柔性捕获装置

技术领域

本发明属于航天器在轨服务技术领域，涉及一种用于空间碎片捕获清除的超大柔性捕获装置。

背景技术

随着人类航天活动日益频繁，航天器发射数量不断增加，由此产生了大量的空间碎片，包括运载工具、失效载荷以及由空间物体碰撞产生的碎片等。近年来，已编目的在轨空间碎片已达2.3万个，空间碎片问题已经成为人类必须面对的环境问题。空间碎片的主要危害在于：会对在轨正常运行的航天器造成严重威胁，可能发生碰撞致使正常运行使航天器损伤甚至粉碎性解体，同时产生更多空间碎片；空间碎片会占据地球静止轨道宝贵的轨位资源。正是由于空间碎片的危害性巨大，许多国家采取了相应的解决措施，其中，空间碎片清除是解决此类问题的一种重要手段。

目前国内外常用的空间目标捕获方式可分为刚性与柔性两种类型，其中刚性捕获方式包括机械臂、锥杆等对接方式，柔性捕获方式包括飞网、飞爪等捕获方式。

传统刚性捕获技术虽然在合作目标对接任务中较为成熟，但对于具有一定的姿态机动能力或处于翻转状态的非合作目标，因捕获机构需要与预定捕获位置动态精确对准，这就对飞行器的相对运动(相对位置、速度、姿态、姿态角速度)控制能力提出了苛刻的要求。同时对于高度大于3万公里的GEO轨道，受测控精度、遥操作时延等因素影响，传统的刚性对接将面临很大的难度；另外，废弃卫星的整星自旋、以及太阳翼周期性转动也对捕获飞行器自身安全造成较大威胁。

飞爪、飞网等柔性捕获系统虽然作用距离远，对飞行器本体控制能力要求低，但也有其不足之处：飞爪系统面临着对目标卫星表面情况的依赖性较强等问题；而飞网系统规模庞大，易遭受结构破坏等问题，并且受目标外形影响较大，难以对不同的空间目标均实施有效抓捕。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种用于空间碎片捕获清除的超大柔性捕获装置，通过柔性捕获装置的多只柔性抓手的多段联动，实现针对大目标的搂抱式捕获，由柔性捕获装置的单只柔性抓手的末段，实现针对小目标的缠绕式捕获。

本发明解决技术的方案是：

一种用于空间碎片捕获清除的超大柔性捕获装置，包括固定台、柔性抓手和驱动机构；

固定台安装在服务飞行器上，与服务飞行器上的阻尼消旋装置连接；

固定台包括板式结构件和导向管，两个部分一体构型，驱动机构安装在固定台板式结构件上，导向管为中空管状结构，对柔性抓手进行导向，对捕获目标进行辅助约束，管状结构在360°方向均匀布置，至少为3个；

柔性抓手为仿生柔性体结构，截面为矩形，其一端置入固定台导向管的中空管中，其余部分露出中空管，露出长度为置入长度的2-4倍；在露出部分的柔性体上均匀开三角形槽；

沿柔性体轴线以一定偏心角度穿孔，偏心距为15-25mm，绳索穿入每个柔性体孔内，绳索在柔性体顶端固定，绳索另一端从柔性体底部穿出并与驱动机构连接，当驱动机构从底部拉拽绳索时，偏心力作用柔性体发生弯曲变形，实现柔性抓手的展开释放和收拢；驱动机构可控制单个柔性体展开释放和收拢，也可同时控制柔性抓手展开释放和收拢。

进一步的，导向管弧度为45°-90°，张开角范围为30°-160°。

进一步的，三角形槽的开槽角为20°-40°，槽与槽间距为20-40mm。

进一步的，柔性抓手抓取后与抓取对象间面接触。

进一步的，柔性抓手采用变截面的结构形式，从底端至顶端抓手截面面积逐渐减小，单个柔性体分三段，包括顶段、中段和末段，每段长度一致。

进一步的，柔性抓手以等角距分布固定在固定台一侧，在无抓取目标时，牵拉绳索，顶段最先产生弯曲变形，且变形超过180°；继续牵引绳索，至中段和末段产生弯曲变形，且变形也超过180°，此时抓手顶端转动的角度超过360°，形成闭合缠绕效果，实现柔性抓手的完整收拢。

进一步的，柔性抓手弯曲时，所在二维平面与固定台对角线夹角为β，5°≤β≤10°。

进一步的，所述驱动机构包括由驱动电机、绳索、变向滑轮，绳索通过分段配置实现分段牵拉，驱动电机和变向滑轮安装在固定台上。

进一步的，绳索分段配置实现分段牵拉，每一段绳索一端固定在柔性抓手对应段的顶部，每一段绳索另一端穿过柔性抓手底部，并通过变向滑轮缠绕在电机转子驱动轴上。

进一步的，单个柔性体顶端蜷缩最小直径为30cm，柔性抓手几何空间包络最大直径为2m。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明中的超大柔性捕获装置主要由固定台、柔性抓手、驱动机构组成，电机牵拉偏心配置的绳索驱动柔性抓手按照要求实现想要的弯曲变形角度，捕获机理简单，设计上具有很强的灵活性，结构上易于实现，操作方便；

(2)本发明中超大柔性捕获装置的柔性抓手能够实现对非合作目标的捕获，对被捕获目标的目标尺寸、目标表面形貌等状态具备很强的适应性；

(3)本发明中超大柔性捕获装置能够极大提高捕获容差，捕获可靠性高，对于大目标，利用柔性抓手包络空间形成的几何约束提高捕获可靠性；对于小目标，利用单只柔性抓手的缠绕方式提高捕获可靠性；

(4)本发明中超大柔性捕获装置可收拢，便于装星和使用，在资源需求较少的情况下实现了目标捕获和装置收展的功能复合，既可以实现裹紧目标的功能，又可以实现装置收拢的功能，节省了驱动资源；

(5)本发明中的超大柔性捕获装置可提供较大的锁紧力和承载能力，捕获稳定性高，捕获响应快、捕获迅速。

附图说明

图1是本发明中捕获装置结构示意图；

图2是本发明中固定台结构示意图；

图3是本发明中柔性抓手截面及锯齿形态示意图；

图4是本发明中单只柔性抓手拉线配置示意图；

图5是本发明中柔性抓手布局及收展状态示意图；

图6是本发明中柔性抓手防干涉固定方式示意图；

图7是本发明中驱动机构示意图；

图8是本发明中跨尺度目标捕获应用模式示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

如图1所示，一种用于空间碎片清除的超大柔性捕获装置，包括固定台1、柔性抓手2、驱动机构3。

如图2所示，固定台安装在服务飞行器上，与服务飞行器上的阻尼消旋装置连接，主要作为各零部件安装定位的支撑。固定台为圆形的板式结构件与四个导向管组成，用于固定柔性抓手，同时起到对柔性抓手的导向作用，以及捕获目标的辅助约束作用。固定台材料为绝缘耐热性好、强度刚度高、质量较轻的碳纤维复合材料制作。

如图3所示，柔性抓手是捕获装置的核心机构，为仿生软体机构，采用偏心牵拉与结构件侧边开槽的方式实现柔性抓手弯曲。将硅橡胶棒以一定偏心角度打贯穿孔，将绳索穿到孔内，并将绳索一端固定，另一端从底部穿出。当从底部拉拽绳索时，由于偏心力的作用，材料会产生弯曲变形。图中将弯曲一侧设计为锯齿状是为了降低抗弯截面系数，使在拉线力作用下，柔性抓手更容易产生弯曲变形。所述的柔性抓手为具有变形能力的硅橡胶柔性材料制成的结构件，为矩形截面、三角形开槽形式。

如图4所示，单只柔性抓手分为等长的三段。柔性抓手采用变截面的功能梯度设计，即从固定端至末端抓手截面面积逐渐减小。绳索1主要驱动顶段抓手变形，绳索2主要驱动中段抓手变形，绳索3主要驱动末段抓手变形。

如图5所示，柔性抓手共四组，以等角距分布固定在固定台一侧。在无抓取目标时，牵拉上图中的绳索1，由于柔性抓手的变截面设计，顶段的抗弯截面系数最小，最先产生弯曲变形，且变形超过180°，此时，中段和末段也会产生弯曲，但是相对于顶段弯曲角度较小，可忽略不计；在给绳索1施加拉力的基础上，牵拉绳索2和绳索3，中段和末段产生弯曲变形，且变形也超过180°，此时抓手顶端转动的角度超过360°，形成闭合缠绕效果，即实现柔性抓手的完整收拢，如图5(a)所示。

柔性抓手的展开过程是收拢过程的逆过程。首先，给驱动电机反向供电，与收拢顺序相反，依次释放绳索3、绳索2、绳索1的三根牵拉线；其次，柔性抓手在自身弹性势能的作用下展开，成待抓捕状态，如图5(b)所示。

如图6所示，为了保证抓取效果、避免四爪在抓取过程中的干涉现象，抓手弯曲时所在二维平面与固定台对角线应当有一定夹角β，5°≤β≤10°。

如图7所示，驱动机构由驱动电机31、绳索32、变向滑轮33组成。驱动电机和变向滑轮安装在固定台上。绳索通过分段配置实现分段牵拉，每一段绳索一端固定在柔性抓手对应段的顶部，每一段绳索另一端穿过柔性抓手根部通过变向滑轮缠绕在电机转子驱动轴上。所述的柔性抓手在绳索拉力作用下发生弯曲变形，并可实现柔性抓手的展开释放和收拢。完全控制四爪三段式驱动的柔性抓手需要12个驱动电机。考虑驱动机构的可靠性和可控性，选取交流调速减速电机作为柔性捕获装置的驱动器。交流调速减速电机可以实现正、反转控制，便于控制装置的抓、放行为；电机的调速器可以协助控制柔性捕获装置的抓、放速度。

如图8所示，柔性捕获装置有两种应用模式：由柔性捕获装置的多只柔性抓手，多段联动，实现针对大目标的搂抱式捕获模式；由柔性捕获装置的单只柔性抓手末段，实现针对小目标的缠绕式捕获模式。本设计在以大型空间碎片目标捕获清除为主的基础上，兼顾了小尺度目标的捕获，提高了对不同尺度目标的捕获适应能力，同时针对小目标的缠绕式捕获模式提高了小目标捕获的可靠性。

柔性捕获装置平时收拢,进行碎片捕获清除时展开，当抵近目标一定距离时，柔性捕获装置由收拢状态变为展开状态。实施的具体操作过程如下：

(1)当服务飞行器逼近目标m级范围时，飞行器对目标随动跟飞，使两者处于相对静止状态。

(2)飞行器进一步接近目标，由飞行器跟踪与测量子系统确定目标处于柔性捕获装置的包络范围。

(3)驱动柔性捕获装置多只或单只柔性抓手弯曲，形成对目标的随形搂抱式捕获或缠绕式捕获。

(4)由柔性捕获装置柔性抓手上布置的力传感器判断出对目标裹紧后，即形成组合体，启动飞行器姿控推力器，飞行器自身的阻尼消旋装置配合，对目标进行主动消旋。

(5)当组合体趋于稳定后，实施对目标拖拽离轨。

(6)当组合体抵达废弃轨道后，柔性捕获装置抓手张开并脱离目标。

(7)柔性捕获装置抓手收拢至初始状态后，服务飞行器在废弃轨道等待执行下一次任务。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于空间碎片捕获清除的超大柔性捕获装置，其特征在于，包括固定台(1)、柔性抓手(2)和驱动机构(3)；

固定台(1)安装在服务飞行器上，与服务飞行器上的阻尼消旋装置连接；

固定台(1)包括板式结构件和导向管，两个部分一体构型，驱动机构(3)安装在固定台(1)板式结构件上，导向管为中空管状结构，对柔性抓手进行导向，对捕获目标进行辅助约束，管状结构在360°方向均匀布置，至少为3个；

柔性抓手(2)为仿生柔性体结构，截面为矩形，其一端置入固定台(1)导向管的中空管中，其余部分露出中空管，露出长度为置入长度的2-4倍；在露出部分的柔性体上均匀开三角形槽；

沿柔性体轴线以一定偏心角度穿孔，偏心距为15-25mm，绳索穿入每个柔性体孔内，绳索在柔性体每段顶端固定，绳索另一端从柔性体底部穿出并与驱动机构(3)连接，当驱动机构(3)从底部拉拽绳索时，偏心力作用柔性体发生弯曲变形，实现柔性抓手的展开释放和收拢；驱动机构(3)可控制单个柔性体展开释放和收拢，也可同时控制柔性抓手(2)展开释放和收拢。

2.根据权利要求1所述的一种用于空间碎片捕获清除的超大柔性捕获装置，其特征在于：导向管弧度为45°-90°，张开角范围为30°-160°。

3.根据权利要求1所述的一种用于空间碎片捕获清除的超大柔性捕获装置，其特征在于：三角形槽的开槽角为20°-40°，槽与槽间距为20-40mm。

4.根据权利要求1所述的一种用于空间碎片捕获清除的超大柔性捕获装置，其特征在于：柔性抓手(2)抓取后与抓取对象间面接触。

5.根据权利要求1所述的一种用于空间碎片捕获清除的超大柔性捕获装置，其特征在于：柔性抓手(2)采用变截面的结构形式，从底端至顶端抓手截面面积逐渐减小，单个柔性体分三段，包括顶段、中段和末段，每段长度一致。

6.根据权利要求1所述的一种用于空间碎片捕获清除的超大柔性捕获装置，其特征在于：柔性抓手(2)以等角距分布固定在固定台(1)一侧，在无抓取目标时，牵拉绳索，顶段最先产生弯曲变形，且变形超过180°；继续牵引绳索，至中段和末段产生弯曲变形，且变形也超过180°，此时抓手顶端转动的角度超过360°，形成闭合缠绕效果，实现柔性抓手的完整收拢。

7.根据权利要求1所述的一种用于空间碎片捕获清除的超大柔性捕获装置，其特征在于：柔性抓手(2)弯曲时，所在二维平面与固定台对角线夹角为β，5°≤β≤10°。

8.根据权利要求5所述的一种用于空间碎片捕获清除的超大柔性捕获装置，其特征在于：所述驱动机构(3)包括由驱动电机(31)、绳索(32)、变向滑轮(33)，绳索(32)通过分段配置实现分段牵拉，驱动电机(31)和变向滑轮(33)安装在固定台上。

9.根据权利要求8所述的一种用于空间碎片捕获清除的超大柔性捕获装置，其特征在于：绳索(32)分段配置实现分段牵拉，每一段绳索一端固定在柔性抓手对应段的顶部，每一段绳索另一端穿过柔性抓手底部，并通过变向滑轮(33)缠绕在电机转子驱动轴上。

10.根据权利要求1所述的一种用于空间碎片捕获清除的超大柔性捕获装置，其特征在于：单个柔性体顶端蜷缩最小直径为30cm，柔性抓手(2)几何空间包络最大直径为2m。

Images