CN111169661B - 一种可用于柔性绳网的协同收放装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可用于柔性绳网的协同收放装置，包括拖曳卫星端的收放装置和柔性绳网的收放装置。拖曳卫星端的收放装置主要负责收放线，通过调整引导绳的长度、引导绳中的预紧力来完成对柔性绳网的控制。柔性绳网的收放装置主要负责绳网的张口和收口，通过接收拖曳卫星的指令，协调调整收放装置在引导绳上的位置，完成对绳网网口的收放控制。通过协同收放装置，有效隔绝了捕获目标后的冲击，提高了抓捕目标的成功率，保证空间围捕的可靠性。

Description

一种可用于柔性绳网的协同收放装置

技术领域

本发明属于机械设计与控制领域，涉及一种可用于柔性绳网的协同收放装置技术。

背景技术

鉴于空间碎片、故障卫星、失效航天器等的快速增长，自20世纪末起，在轨服务与维护成为空间技术重要的发展方向之一。此类目标的特性为信息无沟通、特征不明确、行为不配合。对此类目标进行自主捕获是开展后续操控的前提。近年来，国外尤其是美国、德国、日本等进行了多次航天器在轨捕获相关的技术试验，并规划了多个利用不同技术手段针对非合作目标的演示验证项目，例如XSS-10、XSS-11、ETS-VII、DART、轨道快车、MiTex计划、RSGS项目、凤凰计划等。国内也开展了与在轨服务相关的技术试验与预先研究，如“空间维护技术与科学试验任务”等。

综合国内外的研究现状，已有的非合作目标捕获技术一般以机械臂为主要的抓捕手段，如果目标存在高动态的运动，快速调整机械臂抓捕非合作目标存在较大的风险性，可能会与目标发生碰撞，从而产生二级碎片。而且机械臂的抓捕能力受限于其工作空间，难以实现大范围的捕获。自21世纪初，各航天机构提出了系列采用系绳、绳网的在轨抓捕非合作目标方案。为了增加对非合作目标的捕获范围，欧空局提出了利用柔性绳网的捕获方案，通过带网的ROGER机器人运动到目标前方，发射柔性绳网，利用张开的绳网实现对目标的包络式围捕。但是该柔性绳网发射后不可控，无专门的主动收口装置。此后，日本的FUROSHIKI项目提出了一种空间飞网的概念，利用小型航天器置于柔性绳网的四角，实现对柔性绳网的控制，该方案可在大范围内对目标进行围捕，但对于捕获目标后的操控，小型航天器之间存在相互碰撞的风险，若目标存在机动与翻滚的运动，极易发生绳网缠绕，危及主动小型航天器。NASA于2016年提出了一种采用薄膜材料制备新概念二维航天器用于包覆非合作目标的方案。通过对已有技术方案的总结可以看出，利用柔性绳网/薄膜材料对空间非合作目标进行围捕是当前的研究热点，但是已有的方案存在发射后不可控的缺陷。所以，发展可控的、智能化的柔性绳网捕获系统，实现大范围、高可靠的非合作目标围捕是未来的趋势所在。本发明设计了一种可用于空间柔性绳网的协同收放装置方案。本发明的功能定位主要在于提供柔性绳网网口的展开与收口装置，从而实现隐蔽捕获、绳网发射后可控的目的。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，基于对空间非合作目标协同围捕的需求，本发明提出了一种可用于柔性绳网的协同收放装置，通过独立设计多个(拖曳卫星和柔性绳网网口分别布置3个)收放线机构，形成一整套在空间中可利用微小卫星拖曳的协同收放装置，从而实现对大型柔性绳网的快速张网与收口，实现多星协同围捕空间非合作目标。通过协同收放装置，有效隔绝了捕获目标后的冲击，提高了抓捕目标的成功率，保证空间围捕的可靠性。

技术方案

一种可用于柔性绳网的协同收放装置，其特征在于包括拖曳卫星端的收放装置和柔性绳网的收放装置；所述的拖曳卫星端的收放装置包括引导绳线轮、第一驱动电机、第一传动机构、第一通信模块和第一柔性阻尼齿轮；引导绳线轮用于收纳引导绳；第一驱动电机用于同步驱动引导绳线轮和第一柔性阻尼齿轮，并通过第一驱动电机的调速完成对引导绳的收放以及预紧力调整；第一传动机构的输入端与第一驱动电机相连，输出端分别与引导绳线轮、第一柔性阻尼齿轮相连，通过设计两套第一传动机构，完成引导绳线轮与第一柔性阻尼齿轮的同步，防止引导绳在卫星内发生缠绕；第一通信模块用于提供通信信道，用于与其他拖曳卫星和柔性绳网上的收放装置进行通信，协调各拖曳卫星及柔性绳网上收放装置的收放动作；第一柔性阻尼齿轮用于约束引导绳的运动，使其不在拖曳卫星内部摆动，引导绳在空间中的指向，且控制引导绳收放的速度，从而保证拖曳卫星的安全；所述的柔性绳网端的收放装置包括收放装置外壳、第二驱动电机、第二传动机构、第二通信模块和第二柔性阻尼齿轮；收放装置外形结构为倒Y字形，内部中空，两端开口，一端封闭，引导绳穿过第二柔性阻尼齿轮从开口的两端延伸，封闭的一端用于固定另一根引导绳；因此，柔性绳网端的3个收放装置对应了3根引导绳，通过调整收放装置在引导绳上的位置，实现柔性绳网的张口与收口；第二驱动电机用于驱动第二柔性阻尼齿轮，并通过第二驱动电机的调速完成对引导绳的收放以及预紧力调整；第二传动机构的输入端与第二驱动电机相连，输出端与第二柔性阻尼齿轮相连，通过设计第二传动机构，完成拖卫星端与柔性绳网端两套第二柔性阻尼齿轮的同步，防止引导绳处于过张紧和缠绕状态；第二通信模块用于提供通信信道，用于与拖曳卫星端和柔性绳网上的收放装置进行通信，协调各拖曳卫星及柔性绳网上收放装置的收放动作；第二柔性阻尼齿轮用于约束引导绳的运动，使其安全柔顺地穿过收放装置，稳定引导绳在空间中的指向，且控制引导绳收放的速度，从而保证围捕过程的安全性和可靠性。

有益效果

本发明提出的可用于柔性绳网的协同收放装置方案能够实现柔性绳网在空间站的张开与收口，通过调整引导绳可快速完成对围捕目标的张口方向，且由于引导绳的存在，有效隔绝了目标运动对柔性绳网的影响，保证了空间围捕的安全性与可靠性。

本发明中基于协同收放原理设计了空间柔性绳网的张口与收口装置，结构简单，柔性绳收放过程柔顺，实现可靠，绳网可快速调整网口完成对非合作目标的围捕及围捕目标后的快速收口。

附图说明

图1空间多星协同围捕非合作目标示意图；

图2空间协同围捕过程示意图；

图3绳网装置及其协同收放装置示意图；

图4拖曳卫星端收放线装置的结构示意图；

图5单个网口收放线装置的外形结构示意图；

图6单个网口收放线装置的内部结构示意图；

图7柔性绳网的协同收放装置张口配置示意图；

图8柔性绳网的协同收放装置收口配置示意图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

基于对空间大型非合作目标进行围捕的任务需求，本发明提出一种可用于柔性绳网的协同收放装置方案，可实现对柔性绳网网口的有效控制，并完成对大型非合作目标的有效围捕。

一组空间协同围捕的子星由3-4颗模块化微小卫星及一套柔性绳网组成(图1)。对非合作目标的协同围捕流程如图2所示。围捕过程包括释放、逼近、围捕、在轨收网、拖曳离轨和回收利用等六个阶段。整个过程中，多星协同拖曳柔性绳网并对目标进行围捕是其中的关键阶段。一般情况下，3颗模块化微小卫星通过调节连接柔性绳网角端系绳的预紧力，可以有效控制空间柔性绳网朝向非合作目标的围捕构型。此外，为增加空间围捕的成功率，设立不少于1颗观测子卫星，多颗子星之间可以通过相互配合，同时围捕一个高价值目标，通过围捕子星、观测子星之间的相互协同，首先限制目标的轨道机动，而后根据当前的空间情形，选择最优的围捕构型完成对目标的协同围捕。因此整个过程中，需要重点关注两个阶段：围捕子星拖曳柔性绳网张口和围捕后柔性绳网的快速收口。本发明主要瞄准这两个阶段的任务，对柔性绳网进行有效控制。

协同收放装置如图3所示，它的结构包括两部分：拖曳卫星端的收放装置和柔性绳网的收放装置。拖曳卫星端的收放装置主要负责收放线，通过调整引导绳的长度、引导绳中的预紧力来完成对柔性绳网的控制。柔性绳网的收放装置主要负责绳网的张口和收口，通过接收拖曳卫星的指令，协调调整收放装置在引导绳上的位置，完成对绳网网口的收放控制。

拖曳卫星端的收放装置如图4所示，其包括引导绳线轮、驱动电机、传动机构、通信模块、柔性阻尼齿轮。引导绳线轮主要用于收纳引导绳，起到类似织布机上的纺线轮的作用，可将引导绳收纳在较小的空间内，且便于收放；驱动电机主要用于同步驱动引导绳线轮和柔性阻尼齿轮，并通过驱动电机的调速完成对引导绳的收放以及预紧力调整；传动机构的输入端与驱动电机相连，输出端分别与引导绳线轮、柔性阻尼齿轮相连，通过设计两套传动机构，完成引导绳线轮与柔性阻尼齿轮的同步，防止引导绳在卫星内发生缠绕；通信模块主要用于提供通信信道，用于与其他拖曳卫星和柔性绳网上的收放装置进行通信，协调各拖曳卫星及柔性绳网上收放装置的收放动作；柔性阻尼齿轮用于约束引导绳的运动，使其不在拖曳卫星内部摆动，稳定引导绳在空间中的指向，且控制引导绳收放的速度，从而保证拖曳卫星的安全。

柔性绳网端的收放装置如图6所示，其包括收放装置外壳、驱动电机、传动机构、通信模块、柔性阻尼齿轮。收放装置外形结构如图5所示，形状类似倒Y字形，内部中空，两端开口，一端封闭，引导绳穿过内部柔性阻尼齿轮从开口的两端延伸，封闭的一端用于固定另一根引导绳。因此，柔性绳网端的3个收放装置对应了3根引导绳，通过调整收放装置在引导绳上的位置，实现柔性绳网的张口与收口。驱动电机主要用于驱动柔性阻尼齿轮，并通过驱动电机的调速完成对引导绳的收放以及预紧力调整；传动机构的输入端与驱动电机相连，输出端与柔性阻尼齿轮相连，通过设计传动机构，完成拖卫星端与柔性绳网端两套柔性阻尼齿轮的同步，防止引导绳处于过张紧和缠绕状态；通信模块主要用于提供通信信道，用于与拖曳卫星端和柔性绳网上的收放装置进行通信，协调各拖曳卫星及柔性绳网上收放装置的收放动作；柔性阻尼齿轮用于约束引导绳的运动，使其安全柔顺地穿过收放装置，稳定引导绳在空间中的指向，且控制引导绳收放的速度，从而保证围捕过程的安全性和可靠性。

本发明中以多星协同围捕空间非合作目标为例，利用3个微小卫星作为拖曳卫星，协同拖曳一套柔性绳网完成对非合作目标的围捕。围捕过程中，利用本发明提出的柔性绳网的协同收放装置，通过在拖曳卫星端和柔性绳网端协同控制引导绳的长度、指向、预紧力等信息，可调整柔性绳网在空间中的指向、速度等运动状态，还可实现对柔性绳网网口的快速张口与收口动作，从而完成对柔性绳网的全过程控制。

协同收放装置的工作过程如下：主要用于如图2中所示的围捕和收网两个子过程之中。第一步，目标进入协同围捕柔性绳网的不可逃逸区后，拖曳子星将通过向外运动，并触发拖曳卫星端与柔性绳网端的协同收放装置，同步释放引导绳展开柔性绳网，实现对柔性绳网的张口动作。第二步，张网动作完成后，拖曳子星可通过控制拖曳卫星端收放装置的放线速度以及预紧力，控制柔性绳网网口在空间中的位置、指向、速度，从而实现对目标的对准与有效包络。第三步，拖曳子星拖动张口的柔性绳网实现对非合作目标的快速围捕，将目标套入柔性绳网内。第四步，围捕完成后，观测子星给出柔性绳网的收口指令，柔性绳网端与拖曳卫星端的收放装置再次被触发，柔性绳网端的收放装置沿着引导绳向内移动，实现对柔性绳网的收口动作，进而完成对非合作目标的围捕。协同收放装置应用于柔性绳网的张口和收口过程的配置示意如图7和8所示。

Claims (1)

1.一种可用于柔性绳网的协同收放装置，其特征在于包括拖曳卫星端的收放装置和柔性绳网的收放装置；所述的拖曳卫星端的收放装置包括引导绳线轮、第一驱动电机、第一传动机构、第一通信模块和第一柔性阻尼齿轮；引导绳线轮用于收纳引导绳；第一驱动电机用于同步驱动引导绳线轮和第一柔性阻尼齿轮，并通过第一驱动电机的调速完成对引导绳的收放以及预紧力调整；第一传动机构的输入端与第一驱动电机相连，输出端分别与引导绳线轮、第一柔性阻尼齿轮相连，通过设计两套第一传动机构，完成引导绳线轮与第一柔性阻尼齿轮的同步，防止引导绳在卫星内发生缠绕；第一通信模块用于提供通信信道，用于与其他拖曳卫星和柔性绳网上的收放装置进行通信，协调各拖曳卫星及柔性绳网上收放装置的收放动作；第一柔性阻尼齿轮用于约束引导绳的运动，使其不在拖曳卫星内部摆动，引导绳在空间中的指向，且控制引导绳收放的速度，从而保证拖曳卫星的安全；所述的柔性绳网端的收放装置包括收放装置外壳、第二驱动电机、第二传动机构、第二通信模块和第二柔性阻尼齿轮；收放装置外形结构为倒Y字形，内部中空，两端开口，一端封闭，引导绳穿过第二柔性阻尼齿轮从开口的两端延伸，封闭的一端用于固定另一根引导绳；因此，柔性绳网端的3个收放装置对应了3根引导绳，通过调整收放装置在引导绳上的位置，实现柔性绳网的张口与收口；第二驱动电机用于驱动第二柔性阻尼齿轮，并通过第二驱动电机的调速完成对引导绳的收放以及预紧力调整；第二传动机构的输入端与第二驱动电机相连，输出端与第二柔性阻尼齿轮相连，通过设计第二传动机构，完成拖卫星端与柔性绳网端两套第二柔性阻尼齿轮的同步，防止引导绳处于过张紧和缠绕状态；第二通信模块用于提供通信信道，用于与拖曳卫星端和柔性绳网上的收放装置进行通信，协调各拖曳卫星及柔性绳网上收放装置的收放动作；第二柔性阻尼齿轮用于约束引导绳的运动，使其安全柔顺地穿过收放装置，稳定引导绳在空间中的指向，且控制引导绳收放的速度，从而保证围捕过程的安全性和可靠性。

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