CN113148245A - 一种可重复抓取大型空间碎片的末端执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可重复抓取大型空间碎片的末端执行器，所述末端执行器包括侵彻结构、变形锚固机构、自锁机构、阻尼装置和发射回收结构，其中：所述侵彻结构由锚尖和锚体组成；所述变形锚固机构由斜滑道、水平滑道、倒刺结构、套筒组成；所述自锁结构由滑块、滑块弹簧、开关、开关弹簧、自锁杆、开关盒组成；所述阻尼装置由阻尼弹簧、锚体底座组成；所述发射回收装置由发射杆、回收杆和环形磁性材料组成。在捕获空间碎片的时候，仅需识别大型空间碎片的自转轴与进动轴交点中心位置作为入射点即可，很大程度上避免了由于大型空间碎片的进动、章动造成的合作目标难以捕获的难题。

Description

一种可重复抓取大型空间碎片的末端执行器

技术领域

本发明属于空间碎片主动清除技术领域，涉及一种可以重复使用的抓取空间碎片的末端执行器，用于空间碎片主动清除。

背景技术

自1957年第一颗人造地球卫星发射以来，航天技术迅速成为科学领域的焦点，航天技术快速发展的同时，“空间碎片”也越来越多。“空间碎片”是人类空间活动的产物，包括完成任务的火箭箭体和卫星本体、空间物体之间碰撞产生的碎块等。“空间碎片”对于在轨运行的航天器具有很大的威胁，当高速撞击航天器时，可导致航天器失效、解体或爆炸。例如2009年2月，美国的在役卫星铱星33号就在西伯利亚上空撞上了俄罗斯失控卫星宇宙2251号，产生了超过2100个直径超过10cm的“空间碎片”。对于“空间碎片”的处理，尤其是大型的具有进动、章动等复杂姿态运动规律失效航天器的处理是目前以及未来的研究热点。

1978年，Kessler和Burt Cour-Palais从理论上证明了Kessler效应，迅速得到了世界范围内的关注。所谓的Kessler效应，即轨道中不受控制的空间碎片间的碰撞是无法避免的，碰撞引发的链式反应导致即使不向空间发射新的航天器，空间中的碎片数量仍会缓慢而不可避免的增加。因此，主动清除空间碎片才是解决空间碎片威胁的根本办法。美国航空航天局NASA、欧航局ESA、法国航天局CNES、德国宇航中心DLR和日本JAXA等均对空间碎片的主动清除技术开展了研究。因此，研制我国自主的空间碎片回收及清理技术无论是从空间发展战略上还是从军事及商业前景上都具有重大意义。

有研究表明，每年至少需要移除五至十个大型目标以稳定轨道环境，而这些空间碎片均属于非合作目标。目前对于空间碎片主动清除的研究有：德国宇航中心DEOS（Deutsche Orbital Servicing Mission）、美国FREND（Front-end Robotics EnablingNear-term Demonstration）等刚性捕获方法，该类方法中末端执行器捕获容差小、需要特定的捕获点，而且需要配合机械臂复杂的反馈控制实现捕获。另一类则有欧空局ROGER（Robotics Geostationary Orbit Restorer）飞网、飞爪，该类方法中末端执行器在捕获过程中难以控制。还有利用静电力、激光、离子束等改变碎片轨道，实现碎片离轨清除的非接触方法，但是过程中可能会产生新的碎片，并且耗能较大。还有一些比较新型的清除方法，比如终结绳索、泡沫法、纤维法等。

目前没有一种方法可以解决所有的碎片问题，受到碎片大小、轨道高低、能量消耗、辨识技术、控制技术等限制，任何捕获和离轨清除方法都有其优点和缺点。所提出方法有的只是概念性的研究，有的虽然具备了较高的技术成熟度，但仍未进行在轨碎片移除工作，这与在轨碎片移除的复杂性(尤其大型空间碎片，如不移除未来碰橦会产生超过几个数量级的空间碎片)和非合作目标的欠观测性具有很大关系，但同时又对新的捕获方法和技术的研究带来机遇，不断有新的碎片清除概念和科学问题产生，在该方向开展研究对于保证航天器安全运行、可持续利用轨道空间、新技术验证和控制空间具有重要意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种新式的可重复抓取大型空间碎片的末端执行器，飞锚通过火工品发射，侵彻大型空间碎片前不发生变形，侵彻之后发生变形，将空间碎片收回卫星之后，可恢复原型，准备下一次发射，完成重复使用，消耗能量较低、使用效率高、经济效益高。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种可重复抓取大型空间碎片的末端执行器，包括侵彻结构、变形锚固机构、自锁机构、阻尼装置和发射回收结构，其中：

所述侵彻结构由锚尖和锚体组成；

所述变形锚固机构由斜滑道、水平滑道、倒刺结构、套筒组成；

所述自锁结构由滑块、滑块弹簧、开关、开关弹簧、自锁杆、开关盒组成；

所述阻尼装置由阻尼弹簧、锚体底座组成；

所述发射回收装置由发射杆、回收杆和环形磁性材料组成；

所述斜滑道、水平滑道、倒刺结构设置在锚体内部，套筒套装在锚体的外部，倒刺结构两端具有滑块，滑块分别与斜滑道、水平滑道中的滑道连接，套筒与水平滑道固连，斜滑道与锚尖固连，套筒带动水平滑道上下运动，倒刺结构可在斜滑道和水平滑道中同时滑动，从而完成倒刺的展开和收回；

所述自锁结构的滑块位于锚体底座矩形槽内，滑块弹簧位于滑块和锚体底座之间，开关盒固连在锚体底座上，开关位于开关盒内，开关一端触点与滑块斜面接触，开关弹簧位于开关和锚体底座之间，自锁杆的上端和水平滑道固连，且穿过开关、开关盒；

所述阻尼弹簧套装在自锁杆上，且位于水平滑道和锚体底座之间；

所述发射杆的上端与自锁杆的下端固连，回收杆与发射杆固连，环形磁性材料设置在锚体底座上。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、在捕获空间碎片的时候，仅需识别大型空间碎片的自转轴与进动轴交点中心位置作为入射点即可，很大程度上避免了由于大型空间碎片的进动、章动造成的合作目标难以捕获的难题。

2、一次性可以捕捉一个失效卫星整体，避免失效卫星在轨解体产生更多的碎片。

3、单个飞锚可以多次完成空间碎片捕获任务，经济效益高。

4、锚体变形结构中无电机等动力源，整体结构强度高、轻巧灵活，不需进行电路设计，使用可靠性高。

5、质量轻、体积小，方便卫星携带，使用简单。

6、变形结构强度高，捕获空间碎片后可以承受较大拖拽力。

附图说明

图1为末端执行器的主视图；

图2为图1的A-A剖面图；

图3为图2的B-B剖面图；

图4为倒刺展开图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种可重复抓取大型空间碎片的末端执行器，如图1-4所示，所述末端执行器由侵彻结构、变形锚固机构、自锁机构、阻尼装置和发射回收结构组成，其中：

所述侵彻结构由锚尖A1和锚体A2组成，通过对侵彻力学的研究，锚尖A1选择最优锚尖形状，即侵彻空间碎片时使飞锚所受阻力最小的锚尖形状，减少侵彻能量消耗，减少新的碎片产生；锚体A2主要起支撑和连接的作用。

所述变形锚固机构由斜滑道B1、水平滑道B2、倒刺结构B3、套筒B4组成，倒刺结构B3的两端具有滑块，分别与斜滑道B1、水平滑道B2中的滑道连接，套筒B4与水平滑道B2固连，斜滑道B1与锚尖A1固连，套筒B4带动水平滑道B2上下运动，倒刺结构B3可在斜滑道B1和水平滑道B2中同时滑动，从而完成倒刺的展开和收回。

所述自锁结构由滑块C1、滑块弹簧C2、开关C3、开关弹簧C4、自锁杆C5、开关盒C6组成，滑块C1位于锚体底座D2的矩形槽内，滑块弹簧C2位于滑块C1和锚体底座D2之间，开关盒C6固连在锚体底座D2上，开关C3位于开关盒C6内，开关一端触点与滑块C1斜面接触，开关弹簧C4位于开关C3和锚体底座D2之间，自锁杆C5和水平滑道B2固连且穿过开关C3、开关盒C6。自锁杆C5上有齿状结构，当自锁杆C5随水平滑道B2向下滑动时，滑块C1在滑块弹簧C2的作用下限制自锁杆C5向上移动，开关C3在开关弹簧C4的作用下被限制在开关盒C6内，按动开关C3，滑块C1将水平移动，不在限制自锁杆C5向上运动，从而解锁。

所述阻尼装置由阻尼弹簧D1、锚体底座D2组成，阻尼弹簧D1套装在自锁杆C5上，且位于水平滑道B2和锚体底座D2之间。套筒B4在锚体A2上滑动时，有摩擦力，阻尼弹簧D2对水平滑道B2有一个向上的推力，从而吸收侵彻剩余的能量，锚体底座D2限制套筒B4最大位移。

所述发射回收装置由发射杆E1、回收杆E2和环形磁性材料E3组成，发射杆E1的上端与自锁杆C5的下端固连，直接与卫星上发射筒接触，承受火工品爆炸产生的推力，推动锚体发射，回收杆E2与发射杆E1固连，可以系绳，用于拖拽飞锚。环形磁性材料E3用于大型空间碎片回收之后卫星回收平台对飞锚的定位，通过环形磁铁吸附环形磁性材料E3完成定位，以便于下一次捕捉，环形磁性材料E3位于锚体底座D2之上。

工作原理：

发射前，锚固机构处于收缩状态，发射杆E1位于发射筒内部，回收杆E2通过绳索与卫星连接，通过火工品爆炸在发射筒内产生推力，推动发射杆E1实现飞锚的发射。

飞锚锚尖A1首先与空间碎片接触，开始侵彻，锚尖首先穿过碎片，之后空间碎片开始与套筒B4接触，推动套筒B4向锚体底座D2方向运动，带动倒刺结构B3两端滑块在水平滑道B2和斜滑道B1中滑动，从而将倒刺展开，从而勾连空间碎片。阻尼弹簧D1压缩和套筒B4在锚体A2上摩擦吸收多余能量，锚体底座D2可以限制套筒B4最大位移，直至飞锚与空间碎片相对静止，从而完成整个飞锚侵彻空间碎片以及二者的连接工作。在侵彻过程中，自锁结构C通过对自锁杆C5施力从而对锚固机构B有一个锁定的作用，限制倒刺结构展开之后收回。

之后，卫星上的缠绕机构开始收回绳索，通过绳索拉动飞锚，将空间碎片推拽至卫星上。

飞锚连同空间碎片被推拽到卫星上之后，卫星上有环形磁铁通过磁吸方式吸附环形磁性材料E3对飞锚进行定位，卫星上有结构按动开关C3带动滑块C1将水平移动，不在限制自锁杆C5向锚尖A1方向运动，并且推动发射杆E1从而带动水平滑道B2向锚尖A1方向运动，倒刺结构B3收合。将空间碎片回收至卫星指定位置之后，将飞锚发射杆E1重新放至卫星发射筒之内，准备下次发射回收空间碎片。

替换结构说明：目前变形结构呈倒刺状展开，也可更换斜滑道B1和水平滑道B2的位置，变形结构水平展开。目前变形结构采取被动方式展开，也可将自锁结构更换为电动推杆，实现变形结构的自动展开。

Claims (3)

1.一种可重复抓取大型空间碎片的末端执行器，其特征在于所述末端执行器包括侵彻结构、变形锚固机构、自锁机构、阻尼装置和发射回收结构，其中：

所述侵彻结构由锚尖和锚体组成；

所述变形锚固机构由斜滑道、水平滑道、倒刺结构、套筒组成；

所述自锁结构由滑块、滑块弹簧、开关、开关弹簧、自锁杆、开关盒组成；

所述阻尼装置由阻尼弹簧、锚体底座组成；

所述发射回收装置由发射杆、回收杆和环形磁性材料组成；

所述斜滑道、水平滑道、倒刺结构设置在锚体内部，套筒套装在锚体的外部，倒刺结构两端具有滑块，滑块分别与斜滑道、水平滑道中的滑道连接，套筒与水平滑道固连，斜滑道与锚尖固连，套筒带动水平滑道上下运动，倒刺结构可在斜滑道和水平滑道中同时滑动，从而完成倒刺的展开和收回；

所述自锁结构的滑块位于锚体底座的矩形槽内，滑块弹簧位于滑块和锚体底座之间，开关盒固连在锚体底座上，开关位于开关盒内，开关一端触点与滑块斜面接触，开关弹簧位于开关和锚体底座之间，自锁杆的上端和水平滑道固连，且穿过开关、开关盒；

所述阻尼弹簧套装在自锁杆上，且位于水平滑道和锚体底座之间；

所述发射杆的上端与自锁杆的下端固连，回收杆与发射杆固连，环形磁性材料设置在锚体底座上。

2.根据权利要求1所述的可重复抓取大型空间碎片的末端执行器，其特征在于所述锚尖A1的形状为侵彻空间碎片时使飞锚所受阻力最小的锚尖形状。

3.根据权利要求1所述的可重复抓取大型空间碎片的末端执行器，其特征在于所述自锁杆上有齿状结构。

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