CN112061428B - 一种用于空间目标表面附着的自适应贯入展开附着装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于空间目标表面附着的自适应贯入展开附着装置，包括：头锥、矛体骨架、倒刺轴、第一倒刺、第二倒刺、挡板套筒、限位顶杆、后端盖、扭簧；头锥尾部安装在矛体骨架内；倒刺轴从矛体骨架一侧的销轴孔传入，穿过第二倒刺的端部安装孔、扭簧和第一倒刺的端部安装孔，进入矛体骨架另一侧的销轴孔中；矛体骨架直径小的一端插入挡板套筒中且能够在挡板套筒中滑动，挡板套筒端部的耳片挡住第一倒刺和第二倒刺的端部；限位顶杆从挡板套筒另一端穿入，安装在矛体骨架直径小的一端端部，后端盖装入挡板套筒另一端端口。本发明解决了大型空间碎片、故障卫星在轨维修和离轨操作的微损伤捕获问题。

Description

一种用于空间目标表面附着的自适应贯入展开附着装置

技术领域

本发明属于空间碎片清理、故障星在轨维护救助等在轨服务和空间操作应用领域，涉及一种自适应贯入展开附着装置。

背景技术

空间碎片、故障卫星、废弃卫星等空间目标日益增多，空间飞行器的在轨安全运行受到严重的威胁，采用传统的主动规避方法将越来越难应对，并且会大大降低空间飞行器的寿命；采用被动防护方法也只能应对部分类型的空间目标。另一方面，大型空间飞行平台设施将突出在轨维护维修服务功能，如故障卫星实施救助或维修，需要完成对其进行近距抓捕任务。而早期发射的卫星很可能没有对接接口，即使有接口也因其故障(如姿态失控)而不可用，采用传统操作机械臂来完成此项任务是困难的。从非合作空间目标在轨安全运行的角度考虑，世界各国需要发展空间目标抓捕技术，同时它兼备近距防御功能。

目前采用类似飞矛装置对目标表面贯入后展开产生附着力最终实现捕获的方案应用较少，类似的方案有欧空局的渔叉装置，国内研究的动能吸附式捕获装置，以及小行星微重力锚定附着装置。其中渔叉装置适用于碎片清除任务，清除对象为运载火箭子级、大卫星等大质量目标，其贯入目标大多为铝合金壁板表面，因此贯入动能大，不适用普遍卫星的蜂窝夹层结构，会造成穿透破坏。动能吸附式捕获装置采用弹簧锁舌机构来实现自主展开附着的目标，但锁舌展开面积小，锁舌个数有限，捕获附着力有限，主要目标是箱板式废弃卫星壁板，多为铝蜂窝夹层结构。锚定附着装置适用于小行星微重力硬质表面附着，贯入动能较大，展开机构为有源动力展开方式，需用到火工装置进行解锁动作，不适用于碎片、卫星等的捕获，会造成目标的穿透及破坏，违背了在轨救助与维修的初衷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提出了一种用于空间目标表面附着的自适应贯入展开附着装置，通过锥形矛头侵彻贯入目标表面，尾部挡板消除贯入动能，利用矛头惯性力解除头部倒刺约束，从而达到倒刺在目标表面内侧自主展开提供附着力的设计方法实现产品设计，解决了大型空间碎片、故障卫星在轨维修和离轨操作的微损伤捕获问题，由于该装置体积小、结构简单、目标适应能力强，可同时携带多发用于多种任务，提高任务成功率。

本发明所采用的技术方案是：一种用于空间目标表面附着的自适应贯入展开附着装置，包括：头锥、矛体骨架、倒刺轴、第一倒刺、第二倒刺、挡板套筒、限位顶杆、后端盖、扭簧；

矛体骨架包括两段直径不同的圆柱结构，直径大的一段圆柱结构中部沿径向开有关于矛体骨架中心轴对称的矩形孔，形成空腔，空腔两侧的壁面上对称设置有销轴孔；头锥尾部安装在矛体骨架直径大的一端端面内；倒刺轴从矛体骨架一侧的销轴孔传入，穿过第二倒刺的端部安装孔、扭簧和第一倒刺的端部安装孔，进入矛体骨架另一侧的销轴孔中，第一倒刺、第二倒刺和扭簧位于矛体骨架的空腔内；挡板套筒一端的侧壁上沿轴向开有关于挡板套筒的中心轴对称的方形槽，形成对称的耳片；矛体骨架直径小的一端插入挡板套筒中且能够在挡板套筒中滑动，挡板套筒端部的耳片挡住第一倒刺和第二倒刺的端部，使得第一倒刺和第二倒刺相对收拢压入挡板套筒，形成倒刺收拢状态；限位顶杆从挡板套筒另一端穿入，安装在矛体骨架直径小的一端端部，后端盖装入挡板套筒另一端端口。

一种用于空间目标表面附着的自适应贯入展开附着装置，还包括固定销钉，固定销钉依次穿入挡板套筒和后端盖侧壁，将挡板套筒和后端盖固定连接。

一种用于空间目标表面附着的自适应贯入展开附着装置，还包括缓冲垫，挡板套筒外壁中部设置侧板，侧板表面粘贴缓冲垫。

一种用于空间目标表面附着的自适应贯入展开附着装置，还包括缓冲垫圈，缓冲垫圈安装在限位顶杆和矛体骨架之间。

后端盖留有绳索系留孔，限位顶杆后端圆柱体外侧壁留有绳索嵌入槽，与绳索组装形成柔性捕获装置。

所述自适应贯入展开附着装置击中目标时，头锥贯入目标表面并持续深入目标内部，当挡板套筒外壁向外伸出的侧板与缓冲垫结合体撞击到目标表面后，矛体骨架与挡板套筒开始相对运动，产生相对位移，当第一倒刺、第二倒刺约束部分全部滑出挡板套筒后，在扭簧的作用下，第一倒刺、第二倒刺向外展开卡在目标被贯穿部位内表面上，用于拖拽。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明能够捕获具有一定相对速度、自转、章动甚至具有自主机动能力的目标，可适应于蜂窝夹层结构或铝合金壁板结构的目标表面。本发明的装置以一定速度射向被捕获目标表面，以惯入式射入表面，但在其尾部设计挡板安装缓冲组件，用于降低装置射入过程中速度，防止击穿表面或使目标表面破碎。装置前端设计可展开倒刺，惯入目标前倒刺收在装置结构内，惯入目标后由尾部缓冲组件的相对动作及变形使机构展开，实现可靠连接和固定。

(2)本发明在空间在轨服务与操作应用技术领域，该装置配合绳索可形成柔性空间目标抓捕系统，克服了空间机械臂和空间对接机构不能抓捕高动态非合作空间目标的技术难题，同时作为近距主动防御技术可以解决空间碎片和失效卫星等非合作空间目标对在轨维护维修平台安全运行的威胁问题，具有适用对象范围广、操作精度要求低、允许容差大、制造成本低廉和使用方便等优点。

(3)本发明可应用于空间碎片清除、目标在轨维护等任务的目标捕获附着事件上。本发明采用嵌套式结构之间的摩擦阻力实现展开机构的自锁，利用嵌入结构的惯性力实现展开机构的解锁，采用锥体头部形状贯入目标表面，相比较半球头、圆柱平头，锥体头部形状需要贯入动能较小，同样贯入动能情况下，获得更好的贯入效果。

附图说明

图1为本发明的自适应贯入展开附着装置组成图；

图2为本发明的自适应贯入展开附着装置三维示意图；

图3(a)为本发明的装置击中贯入目标表面示意图；

图3(b)为本发明的装置中倒刺约束解除状态示意图；

图3(c)为本发明的装置中倒刺完全展开状态示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

实施例1

空间目标表面的自适应贯入展开附着装置组成示意图如图1、图2所示，包括：头锥1、矛体骨架2、倒刺轴3、第一倒刺4、第二倒刺5、挡板套筒6、限位顶杆7、后端盖8、固定销钉9、扭簧10、缓冲垫11、缓冲垫圈12，

矛体骨架2包括两段直径不同的圆柱结构，直径大的一段圆柱结构中部沿径向开有关于矛体骨架2中心轴对称的矩形孔，形成空腔，空腔两侧的壁面上对称设置有销轴孔；

其中头锥1尾部通过螺纹连接拧入矛体骨架2内，倒刺轴3从矛体骨架2一侧的销轴孔传入，穿过第二倒刺5、第一倒刺4、扭簧10，最后拧入矛体骨架2另一侧的螺纹孔中，将第一倒刺4、第二倒刺5和扭簧10收纳于矛体骨架2的空腔内，形成了完整的矛体结构。

矛体骨架2尾部，即矛体骨架2直径小的一端，插入挡板套筒6，挡板套筒6圆柱形侧壁具有两片矩形侧板，侧板表面粘贴缓冲垫11，第一倒刺4和第二倒刺5相对收拢压入挡板套筒6，形成倒刺收拢态，限位顶杆7从挡板套筒6后端穿入，通过螺纹拧入矛体骨架2的尾端，缓冲垫圈12垫于限位顶杆7和矛体骨架2之间，后端盖8装入挡板套筒6尾端，固定销钉9依次穿入挡板套筒6和后端盖8侧壁，将挡板套筒6和后端盖8进行固定连接，后端盖8留有绳索系留孔，限位顶杆后端圆柱体外侧壁留有绳索嵌入槽，该装置可与细绳组装形成柔性捕获装置。

装置的工作过程如下：

本发明中头锥1、矛体骨架2、倒刺轴3、第一倒刺4、第二倒刺5、限位顶杆7、扭簧10和缓冲垫圈12组成一个整体结构，以下将这个整体结构简称为矛体头部；挡板套筒6、后端盖8、固定销钉9和缓冲垫11组成另一部分整体结构，以下将这个整体结构简称为矛体尾部，两个整体结构嵌套并可产生相对运动。当该装置以一定速度击中目标时，头锥1贯入目标表面并持续深入目标内部，当挡板套筒6侧壁伸出板与缓冲垫11结合体撞击到目标表面后，因较大的阻力面积而被迫速度降至0，此时矛体尾部停止了相对于目标的运动，如图3(a)所示，矛体头部由于自身惯性继续贯入目标内部，矛体头部与矛体尾部开始相对运动，产生相对位移，当第一倒刺4、第二倒刺5约束部分全部滑出挡板套筒6后，如图3(b)所示，倒刺约束就完全解除，在扭簧10的作用下，第一倒刺4、第二倒刺5，如图3(c)所示的方向向外展开，最大可展开至180°，当目标捕获成功后再进行拖拽时，第一倒刺4、第二倒刺5形成的展开平面会卡在目标被贯穿部位内表面上，提供一定的附着力。

本发明采用相对收拢的双倒刺结构作为附着力产生的功能零件，展开后最大可达到180°，倒刺类似长方盒体。贯入目标厚度可适应于10mm～30mm的蜂窝夹层结构及小于2mm厚的铝合金壁板结构。采用缓冲垫作为缓冲手段，拓宽贯入目标时该装置的动能范围，适应于更广泛的空间目标表面结构。

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 (5)

1.一种用于空间目标表面附着的自适应贯入展开附着装置，其特征在于，包括：头锥(1)、矛体骨架(2)、倒刺轴(3)、第一倒刺(4)、第二倒刺(5)、挡板套筒(6)、限位顶杆(7)、后端盖(8)、扭簧(10)；

矛体骨架(2)包括两段直径不同的圆柱结构，直径大的一段圆柱结构中部沿径向开有关于矛体骨架(2)中心轴对称的矩形孔，形成空腔，空腔两侧的壁面上对称设置有销轴孔；

头锥(1)尾部安装在矛体骨架(2)直径大的一端端面内；倒刺轴(3)从矛体骨架(2)一侧的销轴孔穿 入，穿过第二倒刺(5)的端部安装孔、扭簧(10)和第一倒刺(4)的端部安装孔，进入矛体骨架(2)另一侧的销轴孔中，第一倒刺(4)、第二倒刺(5)和扭簧(10)位于矛体骨架(2)的空腔内；

挡板套筒(6)一端的侧壁上沿轴向开有关于挡板套筒(6)的中心轴对称的方形槽，形成对称的耳片；矛体骨架(2)直径小的一端插入挡板套筒(6)中且能够在挡板套筒(6)中滑动，挡板套筒(6)端部的耳片挡住第一倒刺(4)和第二倒刺(5)的端部，使得第一倒刺(4)和第二倒刺(5)相对收拢压入挡板套筒(6)，形成倒刺收拢状态；

限位顶杆(7)从挡板套筒(6)另一端穿入，安装在矛体骨架(2)直径小的一端端部，后端盖(8)装入挡板套筒(6)另一端端口；

所述自适应贯入展开附着装置采用相对收拢的双倒刺结构作为附着力产生的功能零件，展开后最大达到180°，贯入目标厚度适应于10mm～30mm的蜂窝夹层结构及小于2mm厚的铝合金壁板结构；

所述自适应贯入展开附着装置击中目标时，头锥(1)贯入目标表面并持续深入目标内部，当挡板套筒(6)外壁向外伸出的侧板与缓冲垫(11)结合体撞击到目标表面后，矛体骨架(2)与挡板套筒(6)开始相对运动，产生相对位移，当第一倒刺(4)、第二倒刺(5)约束部分全部滑出挡板套筒(6)后，在扭簧(10)的作用下，第一倒刺(4)、第二倒刺(5)向外展开卡在目标被贯穿部位内表面上，用于拖拽。

2.根据权利要求1所述的一种用于空间目标表面附着的自适应贯入展开附着装置，其特征在于，还包括固定销钉(9)，固定销钉(9)依次穿入挡板套筒(6)和后端盖(8)侧壁，将挡板套筒(6)和后端盖(8)固定连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于空间目标表面附着的自适应贯入展开附着装置，其特征在于，还包括缓冲垫(11)，挡板套筒(6)外壁中部设置侧板，侧板表面粘贴缓冲垫(11)。

4.根据权利要求3所述的一种用于空间目标表面附着的自适应贯入展开附着装置，其特征在于，还包括缓冲垫圈(12)，缓冲垫圈(12)安装在限位顶杆(7)和矛体骨架(2)之间。

5.根据权利要求4所述的一种用于空间目标表面附着的自适应贯入展开附着装置，其特征在于，后端盖(8)留有绳索系留孔，限位顶杆(7)后端圆柱体外侧壁留有绳索嵌入槽，与绳索组装形成柔性捕获装置。

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