CN113905950A - 适于捕获轨道物体的捕获系统，特别是出于脱离轨道的目的 - Google Patents

适于捕获轨道物体的捕获系统，特别是出于脱离轨道的目的 Download PDF

Info

Publication number
CN113905950A
CN113905950A CN201980096000.7A CN201980096000A CN113905950A CN 113905950 A CN113905950 A CN 113905950A CN 201980096000 A CN201980096000 A CN 201980096000A CN 113905950 A CN113905950 A CN 113905950A
Authority
CN
China
Prior art keywords
capture
foldable sheet
capturing
configuration
sheet structure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201980096000.7A
Other languages
English (en)
Inventor
穆里尔·理查德-诺卡
皮埃尔-艾伦·毛斯里
迈克尔·佩勒特
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ecole Polytechnique Federale de Lausanne EPFL
Original Assignee
Ecole Polytechnique Federale de Lausanne EPFL
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ecole Polytechnique Federale de Lausanne EPFL filed Critical Ecole Polytechnique Federale de Lausanne EPFL
Publication of CN113905950A publication Critical patent/CN113905950A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/222—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles for deploying structures between a stowed and deployed state
    • B64G1/2221—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles for deploying structures between a stowed and deployed state characterised by the manner of deployment
    • B64G1/2222—Folding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/62—Systems for re-entry into the earth's atmosphere; Retarding or landing devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/10—Artificial satellites; Systems of such satellites; Interplanetary vehicles
    • B64G1/1078—Maintenance satellites
    • B64G1/1081—Maintenance satellites for debris removal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/222—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles for deploying structures between a stowed and deployed state
    • B64G1/2221—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles for deploying structures between a stowed and deployed state characterised by the manner of deployment
    • B64G1/2222—Folding
    • B64G1/2224—Folding about multiple axes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/222—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles for deploying structures between a stowed and deployed state
    • B64G1/2229—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles for deploying structures between a stowed and deployed state characterised by the deployment actuating mechanism

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Catching Or Destruction (AREA)
  • Tents Or Canopies (AREA)

Abstract

描述了一种捕获系统(100)，其适于捕获轨道物体(2000)，特别是出于脱离轨道的目的。捕获系统(110)包括：(i)可展开的捕获结构(110)，该可展开的捕获结构(110)被设计成可在待机构型和完全展开的打开构型之间展开，在完全展开的打开构型中捕获结构(110)限定具有开口(110A)的捕获体积，开口(110A)的尺寸被设计成接纳和捕获选定轨道物体(2000)，(ii)展开平台(200)，该展开平台(200)被设计成展开该捕获结构(110)，以及(iii)闭合机构(300)，该闭合机构(300)被设计成使捕获结构(110)围绕位于所述捕获体积内的选定轨道物体(2000)闭合。捕获结构(110)由捕获封套构成，该捕获封套包括多个可折叠片状结构(115、115.1‑115.3)，每个可折叠片状结构被构造成根据捕获结构(110)的展开的功能而可逆地折叠和解开。每个可折叠片状结构(115、115.1‑115.3)被设计成采用第一构型以及至少第二构型，在第一构型，可折叠片状结构(115、115.1‑115.3)自身折叠以形成捕获结构(110)的待机构型，在第二构型，可折叠片状结构(115、115.1‑115.3)被解开和延伸以形成捕获结构(110)的完全展开的打开构型。每个可折叠片状结构(115、115.1‑115.3)展现折叠模式(MF、VF)，该折叠模式在第二构型限定了交替的凸形节段和凹形节段，该凸形节段和凹形节段适于在缩回捕获结构(110)时自动地将一个折叠在另一个之上。

Description

适于捕获轨道物体的捕获系统，特别是出于脱离轨道的目的
技术领域
本发明总体上涉及捕获系统，其适于捕获轨道物体，即绕地球运行的物体，特别是出于脱离轨道的目的。
发明背景
对于卫星发射和空间任务来说，轨道碎片正成为一个越来越为难的问题。过去几十年间的大部分工作侧重于预测避免碎片和监测碎片，但大多数(如果不是所有的话)主要空间机构现在都声称需要主动清除碎片(ADR)。2011年，约有14000个大于10厘米的碎片被记录为处于近地轨道(LEO)上，并且其中约2000个是运载火箭残骸以及10000个源自非运行卫星。
近年来一个特别引人注目的事件是2009年2月10日两颗人造卫星(分别于1997年和1993年发射的Iridium 33通信卫星和Kosmos-2251通信卫星)之间的意外碰撞。碰撞发生时，Iridium 33仍在运行，而Kosmos-2251已于发射两年后在1995年报告退役。这是首次报道的两颗人造卫星之间的超高速碰撞。碰撞摧毁了两颗卫星，并产生了相当大数量的轨道碎片。在2011年美国航天局估计，仅这一次卫星碰撞就产生了超过2000个大于10厘米的碎片，以及许多更小的碎片(例如，参见《Orbital Debris(轨道碎片)》，季刊，第15卷，第3期，2011年7月)。
近年来发起了若干倡议，研究主动清除碎片(ADR)的可能解决方案，其中有由
Figure BDA0003331913820000011
Polytechnique Fédérale de Lausanne(EFPL)负责的CleanSpace One(CSO)项目。CSO项目背后的动机是提高技术准备水平(technology readiness level)，并开始通过负责任的行动和主动从轨道清除碎片来减轻对空间环境的影响。CSO项目的主要目标是提升对轨道碎片问题的意识，开发和测试用于非合作交会的技术，并作为示范，使SwissCube-1(一颗由EPFL运行至2011年12月的瑞士卫星)脱离轨道。SwissCube-1是单一单元CubeSat(立方卫星，U级航天器)，重量不到1千克，且具有100x100x113.5mm3的尺寸，以及展开的长度分别为约等于610mm和180mm的甚高频(VHF)和超高频(VHF)通信天线。
作为2012年发起的CSO项目的一部分，EPFL开发了一种原型捕获系统，以提供能够捕获SwissCube-1并将其清除出轨道的航天器(或“CSO驱逐器”)。
CSO捕获系统的第一次迭代版(first iteration)公开在“Developing areliable capture system for CleanSpace One(开发用于CSO的可靠捕获系统)”(MurielRichard-Noca等人，第67届国际宇航大会(IAC)，墨西哥瓜达拉哈拉，2016年9月26日至30日，IAC-16.A6.5.2，论文ID 35817(以下简称[Richard-Noca2016]))中，并且其第二次迭代版在“Simulation and prototyping of the CleanSpace One capture system(CSO捕获系统的模拟分析和原型设计)”(Xavier Collaud等人，第68届国际宇航大会(IAC)，澳大利亚阿德莱德，2017年9月25日至29日，IAC-17-A6.6.5，论文ID 36911(以下简称[Collaud2017]))中，这两份出版物通过引用以其整体据此并入。
在[Richard-Noca2016]和[Collaud2017]中公开的CSO捕获系统的两次迭代版是基于包括三个主要元件的通用系统架构，即(i)所谓的“吃豆人(Pac-Man)”网状物，(ii)展开平台，该展开平台包括多个(即五个)展开单元(DU)，用于支撑“吃豆人”网状物的可展开吊杆(boom)的展开，以及(iii)闭合机构。“吃豆人”网状物附接于五个双稳态可卷绕复合材料(bi-stable reelable composite，BRC)吊杆并由该五个BRC吊杆展开。在展开和打开时，BRC吊杆和网状物在捕获体积的入口处共同形成开口。每个吊杆由碳纤维复合材料制成，并且该吊杆可以通过相应的一个展开单元在卷轴(spool)上卷起或从卷轴上铺开而缩回或延伸。这五个展开单元按照围绕位于中心的传感器系统(其用于跟踪和交会操作)的五边形布置附接到CSO驱逐器的X+面上。每个展开单元还被构造成可围绕卷轴的轴线枢转，以使吊杆定向并产生闭合操作。所有展开单元共用的第一致动驱动器用于控制可展开吊杆的展开，并且同样地，所有展开单元共用的第二致动驱动器用于控制可展开吊杆的打开和闭合。
图11A-图11F是在[Richard-Noca2016]和[Collaud2017]中公开的CSO捕获系统的图示，整体上用附图数字1表示。附图数字10大体上表示前述的“吃豆人”网状物，其由包括五个展开单元210(图11E中的210.1至210.5)的展开平台200展开，每个展开单元包括可展开的BRC吊杆250。附图数字11和12(尤其参见图11A和图11B)分别表示下部和上部伸缩加强结构，用于在展开时引导网状物10。如图11A可见，网状物10在上部端部处附接到每个吊杆250的远侧端部，并且部分地围绕吊杆250交织。网状物10还在下部端部处附接到展开平台200的基座。保护性网状物15(特别参见图11B和图11F)也被提供并附接到展开平台200的基座，以充当对展开单元210的致动部分以及位于展开平台200的中心部分的传感器系统的保护，该保护性网状物15位于由展开单元210(210.1至210.5)形成的五边形布置内部。
如图11E中示意性描绘的，BRC吊杆250的展开由第一致动驱动器205控制，第一致动驱动器205通过使展开单元210.1-210.5相互连接的一系列(即四个)柔性轴206来驱动每个展开单元210.1-210.5的卷轴211的旋转运动，导致BRC吊杆250的卷起或铺开。每个展开单元210.1-210.5围绕卷轴211的轴线的枢转(以及因此闭合或打开CSO捕获系统1)由闭合机构300控制，闭合机构300包括第二致动驱动器305，第二致动驱动器305通过由滑轮307引导的缆绳306传动连接到展开单元210.1-210.5。缆绳306附接到每个展开单元210.1-210.5的外部壳体215的一部分215A，以造成其围绕卷轴211的轴线的枢转运动。固定到壳体215的是吊杆引导支撑件216，其相应地与壳体215一起枢转，造成每个吊杆250的枢转运动，并且从而闭合或打开网状物10。图11E中的附图数字217表示一对安装支撑件，用于将展开单元210.1-210.5安装在展开平台200的表面上。
用CSO捕获系统的原型实现的测试已经将使用上述“吃豆人”网状物产生的潜在问题突出，包括该网状物与CSO捕获系统的其他部件，特别是展开单元的部分的不期望的缠绕。此外，不期望的吊杆偏转或变形是由制造公差和网状物的几何形状造成的。此外，由于网状物的无支撑的区域基本上可以自由运动，因此在展开或缩回时不可能精确控制网状物的几何形状和行为。这些问题可能尤其为难，因为CSO捕获系统的相关功能要求和性能规范的重要部分是在捕获失败时重复捕获操作的能力，这意味着捕获系统的操作必须是可逆的。
因此，需要改进的解决方案。
发明概述
本发明的总体目标是弥补现有技术的上述缺点。
更准确地说，本发明的目的是提供一种捕获系统，其捕获结构可完全可逆地展开，使得，如果需要，该捕获系统可以进行多个捕获操作。
本发明的另一目的是提供这样一种捕获系统，其更加稳健和可靠，同时维持相当简单和成本有效的构造。
本发明的又一个目的是提供这样一种捕获系统，其理想地适合于执行轨道物体的捕获，特别是出于脱离轨道的目的。
本发明的目的还在于提供这样一种捕获系统，其可以充分地固定到轨道驱逐器上，其目的是执行脱离轨道任务。
本发明的又一个目的是提供一种捕获轨道物体以及使这种轨道物体脱离轨道的合适方法。
由于权利要求中限定的解决方案，这些目的得以实现。
因此，提供了一种捕获系统，其特征在权利要求1中叙述，即捕获系统适于捕获轨道物体，特别是出于脱离轨道的目的，该捕获系统包括：
-可展开的捕获结构，该可展开的捕获结构被设计成可在待机构型和完全展开的开放构型之间展开，在完全展开的开放构型，捕获结构限定了具有开口的捕获体积，该开口的尺寸被设计为接纳和捕获选定轨道物体；
-展开平台，该展开平台被设计成展开捕获结构；以及
-闭合机构，该闭合机构被设计成使捕获结构围绕位于所述捕获体积内的选定轨道物体闭合。
根据本发明，捕获结构由捕获封套构成，该捕获封套包括多个可折叠片状结构(foldable sheet-like structure)，每个可折叠片状结构被构造成根据捕获结构的展开的功能而可逆地折叠和解开，每个可折叠片状结构被设计成采用第一构型以及至少第二构型，在第一构型，可折叠片状结构自身折叠以形成捕获结构的待机构型，在第二构型，可折叠片状结构被解开和延伸以形成捕获结构的完全展开的打开构型。每个可折叠片状结构展现折叠模式，该折叠模式限定了交替的第二构型中凸形节段和凹形节段，该凸形节段和凹形节段适于在缩回捕获结构时自动将一个折叠在另一个之上。
本发明的一个相当大的优点在于，每个可折叠片状结构以完全可逆的方式形成了能够可靠地缩回和展开的稳健又柔性的结构。折叠模式还具有在展开时赋予每个片状结构一定水平的结构刚度的效果，这有利于更精确地控制最终捕获封套的整体几何形状。事实上，在展开和缩回期间，捕获结构的整个运动学行为完全保持可控，因此不会出现缠绕问题。
根据本发明的特别有利的实施例，折叠模式被选定以允许可折叠片状结构被折叠平坦，这导致捕获结构在缩回、未展开状态处于非常紧凑的布置。
在该优选实施例的情况下，折叠模式可以特别地被选定以限定横向于可折叠片状结构的展开方向延伸的一系列可折叠结构带，每个可折叠结构带展现了在限定顶点处接合多个山形折叠(mountain fold)和多个谷形折叠(valley fold)，该限定顶点沿着所述可折叠结构带的边界定位，该山形折叠和谷形折叠横跨每个可折叠结构带并沿着可折叠结构带之间的边界延伸，以形成基本上三角形带节段或梯形带节段。
该一系列可折叠结构带尤其可以包括交替的第一可折叠结构带和第二可折叠结构带，每个第一可折叠结构带是每个第二可折叠结构带的镜像图像。
优选地，多个山形折叠和多个谷形折叠沿着每个可折叠结构带形成多个梯形(包括锐角和/或钝角梯形)带节段。特别地，多个山形折叠和多个谷形折叠可以形成一系列梯形带节段和三角形带节段。
有利地，每个可折叠片状结构被构造成当处于捕获结构的完全展开的打开构型时大体上向外弯曲。由于折叠模式的适当设计，可以容易地产生这种向外的曲率。
根据本发明的另一方面，展开平台包括至少三个展开单元，这些展开单元以多边形布置定位，每个展开单元被构造成允许展开可展开吊杆以引起捕获结构的展开，并且捕获封套包括至少三个所述可折叠片状结构，每个可折叠片状结构联接在相关联的一对所述可展开吊杆之间，以形成外围封闭的捕获封套。特别地，可以提供三到五个展开单元和相应数量的所述可折叠片状结构。
展开单元的数量尤其可以减少到只有三个，这降低了捕获系统的复杂性和成本。在这种特定情况下，第一可折叠片状结构联接在第一展开单元的可展开吊杆和第二展开单元的可展开吊杆之间，第二可折叠片状结构联接在第二展开单元的可展开吊杆和第三展开单元的可展开吊杆之间，并且第三可折叠片状结构联接在第三展开单元的可展开吊杆和第一展开单元的可展开吊杆之间。
有利地，每个可折叠片状结构在其下部端部部分处的标称解开宽度可以小于每个可折叠片状结构在其上部端部部分处的标称解开宽度。这进一步提高了捕获结构的集成度和紧凑性。
此外，每个可折叠片状结构的第一侧向端部和第二侧向端部可以各自设置有沿其长度分布的多个环圈(eyelet)，该多个环圈适于分别沿第一可展开吊杆和第二可展开吊杆滑动。这同样确保了每个可折叠片状结构对相关联的可展开吊杆的充分支撑以及捕获结构的稳健展开。
在该后一种情况下，每个可展开吊杆的端部部分尤其可以向内弯曲，并且沿着每个可折叠片状结构的第一侧向端部和第二侧向端部的长度的多个环圈的分布可以使得在第一侧向端部和第二侧向端部的与每个可展开吊杆的向内弯曲端部部分重合的部分处设置更高密度的环圈。
优选地，每个可折叠片状结构可以包括附接条带(attachment strip)，该附接条带远离所述第一侧向端部和第二侧向端部延伸，并形成可折叠片状结构的集成部分(integral part)，该附接条带固定到所述环圈。特别地，通过使附接条带的端部部分穿过相关联的环圈，并且通过穿过在附接条带旁边的可折叠片状结构上形成的至少两个连续的孔交织附接条带的端部部分，每个附接条带可以固定到相关联的一个所述环圈上。
此外，每个可折叠片状结构的下部端部部分可以固定到支撑元件，该支撑元件固定到展开平台的基座。
优选地，展开平台还包括共用展开驱动单元，以控制所有可展开吊杆的展开。特别地，共用展开驱动单元可以联接到展开单元中的第一个，并且剩余的展开单元可以通过柔性轴依次传动连接到所述第一展开单元。
有利的是，每个可展开吊杆可以由适于选择性地在卷轴上卷起或从卷轴上铺开的双稳态可卷绕复合材料(BRC)吊杆构成。
优选地，闭合机构被构造成围绕枢转轴线枢转每个展开单元。特别地，枢转轴线可以与前述卷轴的旋转轴线重合。
特别地，闭合机构可以包括共用闭合驱动单元，以控制所有展开单元围绕它们各自的枢转轴线的枢转运动。共用闭合驱动单元尤其可以通过缆绳和滑轮装置控制展开单元的枢转运动。
根据本发明的特别优选的实施例，捕获系统被构造成最初采用收起发射位置(stowed launch positon)，在收起发射位置每个可折叠片状结构采用相应的收起构型，并且随后被切换到待机位置，在待机位置每个可折叠片状结构采用待机构型。
前述闭合机构尤其可以被构造成通过每个展开单元的枢转运动引起捕获系统从收起发射位置切换到待机位置。在这种情况下，每个展开单元还可以包括支护机构，该支护机构被构造成将可折叠片状结构保持在收起构型。特别的，该支护机构可以包括一个或更多个支护构件，每个支护构件被构造成将可折叠片状结构的选定部分保持在收起构型，每个支护构件被构造成在从收起构型切换到待机构型时自动释放可折叠片状结构的选定部分。支护机构还可以包括一个或更多个指状构件，每个指状构件被构造成将可折叠片状结构的选定部分维持在收起构型。每个指状构件还可以被构造成辅助可折叠片状结构从收起构型切换到待机构型。
根据本发明的另一个实施例，本发明的捕获系统还可以包括传感器系统，该传感器系统被设计用于辅助对选定轨道物体的跟踪和交会操作。传感器系统尤其可以沿着捕获结构的中心线定位在展开平台的中心部分。在这种情况下，待机构型优选地是打开构型，其中闭合机构被操作以打开捕获结构，并且使得捕获结构不妨碍传感器系统的视场。
在后一种情况下，每个可展开吊杆的远侧端部优选地设置有保持构件，该保持构件包括第一臂和第二臂，该第一臂和第二臂被构造成将相关联的一对所述可折叠片状结构保持在待机构型，并防止传感器系统的视场受到妨碍。保持构件的第一臂被构造成在待机构型保持所述相关联的一对可折叠片状结构的第一可折叠片状结构的第一上部部分，而保持构件的第二臂被构造成在待机构型保持所述相关联的一对可折叠片状结构的第二可折叠片状结构的第二上部部分。这确保了可折叠片状结构被适当地保持在待机构型，并且不会妨碍传感器系统的视场。
优选地，每个可折叠片状结构由柔性材料的片材或箔制成。特别地，每个可折叠片状结构可以由聚酰亚胺(PI)材料(诸如Kapton)制成或者由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)材料，特别是双轴定向聚对苯二甲酸乙二醇酯(BoPET)材料(诸如Mylar)制成。
此外，每个可折叠片状结构优选地被涂覆以防止被原子氧(ATOX)腐蚀。每个可折叠片状结构尤其可以是被铝涂覆的。
每个可折叠片状结构的厚度可以进一步包括在100微米和150微米之间。
权利要求39中所限定的航天器也要求保护，该航天器包括根据本发明的捕获系统。在这种情况下，捕获系统优选地位于航天器的X+面上。
还提供了一种通过上述航天器捕获轨道物体的方法，该捕获方法的特征在权利要求41中叙述，即这种方法包括以下步骤：
(a)操作捕获系统以将捕获结构变到待机构型；
(b)定位待捕获的选定轨道物体，并且操纵航天器以执行与选定轨道物体的交会；
(c)操作捕获系统以将捕获结构变到完全展开的打开构型；
(d)操纵航天器将选定轨道物体带入捕获结构的捕获体积内；
(e)操作捕获系统以闭合捕获结构；
(f)操作捕获系统以缩回捕获结构；
(g)检查捕获系统对选定轨道物体的恰当捕获；以及
(h)在捕获失败的情况下，操作捕获系统以打开捕获结构，并重复步骤(c)至(h)。
优选地，在第一次捕获尝试之前，在步骤(c)操作展开平台，以将捕获结构从待机构型变到部分展开的打开构型，并且然后从部分展开的打开构型变到完全展开的打开构型。此外，在步骤(e)操作闭合机构以将捕获结构从完全展开的打开构型变到完全展开的闭合构型，在步骤(f)操作展开平台以将捕获结构从完全展开的闭合构型变到部分缩回的闭合构型，并且在捕获失败的情况下，在步骤(h)操作闭合机构以将捕获结构从部分缩回的闭合构型变回部分展开的打开构型。
有利地，在航天器发射期间，捕获系统可以被构造成最初采用收起发射位置，在收起发射位置每个可折叠片状结构采用相应的收起构型，并且捕获系统可以随后被重新配置成将捕获系统从收起发射位置切换到待机位置，在待机位置每个可折叠片状结构采用待机构型。
还提供了一种使轨道物体脱离轨道的方法，其特征在权利要求44中叙述，即这种方法包括根据前述捕获方法通过航天器捕获轨道物体，并操纵航天器使捕获的轨道物体脱离轨道。
使用可展开的捕获结构来捕获轨道物体也要求保护，特别是出于脱离轨道的目的，其特征在权利要求45中叙述，即可展开的捕获结构的这种使用，该捕获结构由捕获封套构成，该捕获封套包括多个可折叠片状结构，每个可折叠片状结构根据捕获结构的展开的功能而可逆地折叠和解开，每个可折叠片状结构被设计成采用第一构型以及至少第二构型，在第一构型，可折叠片状结构自身折叠以形成捕获结构的待机构型，在第二构型，可折叠片状结构解开并延伸以形成捕获结构的完全展开的打开构型。每个可折叠片状结构展现折叠模式，该折叠模式限定了第二构型中交替的凸形节段和凹形节段，该凸形节段和凹形节段适于在缩回捕获结构时自动将一个折叠在另一个之上。
本发明的其他有利实施例形成从属权利要求的主题，并在下文讨论。
附图简述
根据阅读仅通过非限制性示例呈现并通过附图示出的本发明的实施例的以下的详细描述，本发明的其他特征和优点将变得更清楚，在附图中：
图1是根据本发明的捕获系统的示意性透视图，示出了捕获系统的以完全展开的打开构型展开的可展开的捕获结构；
图1A是捕获结构完全展开后得到的捕获体积的示意性侧视图；
图2是根据本发明的实施例的捕获系统的展开平台的一个展开单元的局部透视图，该展开单元被构造成允许由双稳态可卷绕复合材料(BRC)吊杆构成的可展开吊杆的展开；
图2A是双稳态可卷绕复合材料(BRC)吊杆的照片图示；
图2B是图2的展开单元的相关部件的示意性功能图；
图3是包括根据本发明的捕获系统的航天器或“轨道驱逐器”的示意图，为了解释起见，没有示出其捕获结构；
图4是在捕获选定轨道物体(这里显示为SwissCube-1)期间轨道驱逐器和相关联的捕获系统的优选展开方案的示意图；
图5A是可折叠片状结构和相关联折叠模式的示意图，示出了在本发明的情况下使用的基本原理，该基本原理是为了设计相应的可折叠片状结构以充当捕获系统的捕获结构的一部分的目的；
图5B是图5A的可折叠片状结构折叠成平坦构型的示意图；
图5C是图5A的可折叠片状结构处于部分折叠/解开构型的示意性透视图；
图6A是根据本发明一个实施例的展现限定折叠模式的可折叠片状结构的示意图；
图6B是图6A的可折叠片状结构折叠成平坦构型的示意图；
图6C是根据本发明另一个实施例的展现限定折叠模式的可折叠片状结构的示意图；
图7是根据本发明的实施例的可折叠片状结构的各种示例的示意图；
图8A是安装在两个展开的BRC吊杆之间的可折叠片状结构的原型以打开构型示出的照片图示；
图8B是图8A的原型以闭合构型示出的照片图示；
图9A是根据本发明一个实施例的可折叠片状结构的侧向端部的一部分的照片图示，该侧向端部提供有用于附接到相关联环圈的附接条带；
图9B是图9A的附接条带附接到相关联环圈的照片图示；
图9C是附接到环圈的附接条带的示意性剖视图；
图10A是根据本发明另一实施例的捕获系统的渲染图的俯视图，该捕获系统示出为处于收起发射位置；
图10B是图10A的捕获系统的放大局部透视图；
图10C是同样示出为处于收起发射位置的图10A的捕获系统的一个展开单元的透视图；
图10D是在捕获系统从收起发射位置切换到待机位置之后，图10A的捕获系统的俯视图；
图10E是图10D的捕获系统处于待机位置的透视图；
图10F是处于待机位置的图10D的捕获系统的侧视局部透视图；
图11A是[Richard-Noca2016]和[Collaud2017]中公开的已知的CSO捕获系统的原型的照片图示；
图11B是图11A的原型在没有所谓的“吃豆人”网状物时的照片图示；
图11C是图11A的原型被示出为处于收起构型的照片图示；
图11D是从上方看到的图11A的原型处于收起构型的照片图示；
图11E是图11A的原型的展开平台的示意图，示出了处于收起位置的各个展开单元；以及
图11F是图11A的原型被示出为处于待机构型的照片图示。
本发明的实施例的详细描述
将结合各种说明性实施例来描述本发明。应当理解，本发明的范围包括本文公开的实施例的特征的所有的组合和子组合。
如本文所述，当两个或更多个零件或部件被描述为彼此连接、附接、固定或联接时，它们可以直接地或通过一个或更多个中间零件彼此连接、附接、固定或联接。
图1和图1A是根据本发明的捕获系统的实施例的示意图，该捕获系统整体上由附图数字100表示。以类似于本文前序部分中讨论的已知的CSO捕获系统的方式(再次参见图11A-图11F)，捕获系统100包括可展开的捕获结构110，这里示出为完全展开的打开构型，其中捕获结构110限定了具有开口110A的捕获体积，开口110A的尺寸被设计为接纳和捕获选定轨道物体。虽然在图1和图1A中没有具体示出，但是捕获结构110被设计成在待机构型和所示的完全展开的打开构型之间是可展开的。通过阅读下文的描述将会理解，捕获结构110可以采用另外的构型，包括待机构型和完全展开的打开构型之间的一个或更多个中间构型，以及优选地在航天器(捕获系统固连到其上)的发射期间采用的收起发射构型。捕获结构110另外被构造成选择性地闭合和打开。
将在捕获SwissCube-1的特定背景下描述本发明的实施例，但是应当理解，本发明的捕获系统不限于任何特定类型的轨道物体。显然，捕获系统和捕获结构的几何形状和尺寸应适于待捕获的轨道物体的几何形状和尺寸。SwissCube-1是相对较小的物体，并且附图中所示的捕获系统100被相应地设计尺寸和构造。可以使用类似的捕获系统构造捕获较大的轨道物体，该类似的捕获系统构造的尺寸和几何形状将相应地进行调整，而不会影响本文所述的捕获系统的基本原理。
图1和图1A示意性示出的捕获系统100还包括被设计成展开捕获结构110的展开平台200，以及在图1和图1A中未具体示出的闭合机构，该闭合机构被设计成使捕获结构110围绕位于捕获体积内的选定轨道物体闭合。
从功能上讲，展开平台200和捕获系统100的闭合机构可以类似于结合已知的CSO捕获系统使用的展开平台200和闭合机构300(特别参见图11E)。因此，应当理解，展开平台和闭合机构的操作是完全可逆的，即，如果需要，展开平台适于展开、缩回和重新展开捕获结构110，而若有必要执行多次捕获尝试的话，闭合机构类似地适于闭合和重新打开捕获结构110。
通过阅读下文的描述将会理解，本发明不同于已知的CSO捕获系统的地方主要在于捕获结构110的设计和构造。也就是说，新的捕获结构110还导致了展开平台和闭合机构的相应适应性变化和改进，这些适应性变化和改进将在下文中讨论。
图1中的附图数字1000整体上表示航天器，下文称为“轨道驱逐器”，捕获系统100固连在该航天器上。优选地，捕获系统100设置在轨道驱逐器的X+面上。
如图1中另外示出的，传感器系统500也优选地被提供来辅助对选定轨道物体的跟踪和交会操作。此处示出的传感器系统500沿着捕获结构110的中心线(CL)定位在展开平台200的中心部分。
参考图1，可以注意到展开平台200在此包括三个展开单元210，即第一展开单元210.1、第二展开单元210.2和第三展开单元210.3(在图1中不可见)。展开单元210.1、210.2、210.3被定位成多边形布置(即，在所示示例中的三角形布置)，并且每个展开单元被构造成允许展开相关联的可展开吊杆250，即，分别为第一可展开吊杆250.1、第二可展开吊杆250.2和第三可展开吊杆250.3。
已经可以理解的是，与已知的CSO捕获系统相比，三个展开单元210可能足够执行捕获结构110的展开，而不是已知的CSO捕获系统的五个展开单元。这是可能的，部分是由于本发明的捕获结构110的特殊性质，本发明的捕获结构110在展开构型中至少部分是自支撑的。这已经说明了本发明的一个关键优点，如下详细所述。
也就是说，本发明的捕获系统的展开平台可以潜在地包括三个或更多个展开单元。从更一般的角度来看，展开平台200可以包括三个或四个展开单元210，或者如果需要，甚至可能包括五个(或更多个)。
如图1中示意性示出的，捕获结构110包括捕获封套，该捕获封套包括多个，即三个可折叠片状结构(或“可折叠箔”)115，即第一片状结构115.1(定位于第一展开单元210.1和第二展开单元210.2和相关联的吊杆250.1、250.2之间)、第二片状结构115.2(定位于第二展开单元210.2和第三展开单元210.3和相关联的吊杆250.2、250.3之间)以及第三片状结构115.3(定位于第三展开单元210.3和第一展开单元210.1和相关联的吊杆250.3、250.1之间)。换句话说，每个可折叠片状结构115.1、115.2、115.3联接在相关联的一对可展开吊杆250(即分别为可展开吊杆250.1/250.2、250.2/250.3和250.3/250.1)之间，以形成如图1示意性所描绘的外围封闭的捕获封套。
每个可折叠片状结构115被构造成根据捕获结构110的展开功能而可逆地折叠和解开。出于说明的目的，图1和图1A将处于展开构型的可折叠片状结构115示意性地示出为弯曲平滑结构，但是应当理解，每个可折叠片状结构115实际上展现的折叠模式限定了展开构型中的交替的凸形节段和凹形节段，该凸形节段和凹形节段适于在缩回捕获结构110时自动地将一个折叠在另一个之上。处于完全展开构型的片状结构115的更具代表性的图示如例如在图8A-图8B的照片图示中所示。
根据本发明，每个可折叠片状结构115被设计成采用第一构型和至少第二构型，在第一构型中可折叠片状结构115自身折叠以形成捕获结构110的待机构型，在至少第二构型中可折叠片状结构被解开并延伸以形成捕获结构110的完全展开的打开构型。值得强调的是，在捕获结构110的完全展开的打开构型中，可折叠片状结构115以可折叠片状结构115可以被再次折叠的方式来解开和延伸。在这方面，片状结构115不是完全解开的，而是保留凸形节段和凹形节段的独特交替，例如如图8A-图8B所描绘的。这也为片状结构115提供了一定水平的结构刚度，片状结构115实质上变成自支撑的。
优选地，选择每个可折叠片状结构115的折叠模式，以允许可折叠片状结构115被折叠平坦。下文将参照图5A-图5C、图6A-图6C和图7更详细地解释如何获得这种平坦的折叠。通过观察本发明的实施例将会理解，每个可折叠片状结构115的第一构型不必要是平坦的(例如，参见图10D-图10F)，但是片状结构115自身折叠以形成折叠平坦布置，然后可以进一步弯曲以符合需要。特别地，在捕获结构110的待机构型中，每个可折叠片状结构115可以以第一构型被折叠平坦并且稍微弯曲(如图10D-图10F示意性所示)。此外，捕获系统100可以有利地采用另外的收起发射构型(参见例如图10A-图10E)，其中每个可折叠片状结构115采用相应的收起构型，在该收起构型可折叠片状结构115仍然是折叠平坦的，但是被进一步折弯和/或弯曲以占据更少的空间。这说明了本发明的又一个优点，即每个可折叠片状结构115具有采用多种构型以满足不同需要的能力，没有这一优点会损害对每个可折叠片状结构115的实际几何形状和展开行为的控制。
图2示出了可结合本发明使用的可能的展开单元210的示例，该展开单元210与已经在[Collaud2017]中描述的展开单元相同。该展开单元210基本上包括可枢转的外部壳体215，该外部壳体215适于围绕轴线A(或“枢转轴线”)枢转，并且固定到吊杆引导支撑件216，从而为可展开吊杆250的展开提供引导和支撑。吊杆250本身优选地由适于选择性地卷到卷轴211上或从卷轴211上铺开的双稳态可卷绕复合材料(BRC)吊杆构成。卷轴211可旋转地支撑在外部壳体215上，以允许卷轴211围绕与外部壳体215和吊杆引导支撑件216的枢转轴线同轴的旋转轴线旋转。换句话说，外部壳体215和相关联的吊杆引导支撑件216的枢转轴线与卷轴211的旋转轴线是同一个轴线，即轴线A。图2中的附图数字217表示一对安装支撑件，用于将展开单元210安装在展开平台200的表面上，外部壳体215可枢转地支撑在安装支撑件217上。
图2中的附图数字212表示卷轴211的与轴线A同轴的驱动轴。该驱动轴212可以方便地由相关联的致动驱动机构驱动旋转，该致动驱动机构可以类似于结合已知的CSO捕获系统使用的致动驱动机构。更准确地说，可以设置共用的展开驱动单元(例如马达)205，其充当控制所有展开单元210的可展开吊杆250的展开的致动驱动器，该驱动单元205同样可以联接到展开单元210中的第一个210.1，而剩余的展开单元210.2、210.3等通过柔性轴206依次被传动连接到第一展开单元210.1(再次参见图11E所示的驱动布置，其原理仍然适用)。
图2中的附图数字215A表示外部壳体215的一部分，该部分215被构造成以类似于已经结合例如图11E所示的已知的CSO捕获系统1描述的方式(也参见[Richard-Noca2016]和[Collaud2017])固定到缆绳中的致动缆绳和闭合机构的滑轮装置上。在这点上，应该理解的是，闭合机构可以特别地以与例如图11E中所描绘的已知的CSO捕获系统的闭合机构300基本上相同的方式设计，即具有共用闭合驱动单元305，该闭合驱动单元305控制所有展开单元210围绕它们各自的枢转轴线A的枢转运动，优选地通过缆绳和滑轮装置306/307来控制。然而，可以设想其他解决方案来引起外部壳体215和相关联的吊杆引导支撑件216的枢转运动。
图2A是用作可展开吊杆250的双稳态可卷绕复合材料(BRC)吊杆的照片图示。从该照片图示中可以明显看出，吊杆250可以自身卷起成第一稳态卷绕构型，并且也可以铺开成第二稳态构型，在第二稳态构型中吊杆250采用基本上圆柱形形状。此处将不详细讨论双稳态可卷绕复合材料(BRC)吊杆的结构，因为在这方面可以直接参考[Richard-Noca2016]和[Collaud2017]，其中包含的信息具有直接相关性。
图2B是图2的展开单元210的相关部件的示意性功能图，即卷轴211、其驱动轴212、外部壳体215和安装支撑件217。吊杆引导支撑件216在图2B中没有具体示出，但是被理解为固定到外部壳体215，以便与其一起枢转运动。BRC吊杆250也没有在图2B中示出，但是被理解为卷到卷轴211上。
图3是包括根据本发明的捕获系统100的轨道驱逐器1000的示意图，为了简化起见，没有示出其捕获结构。在图3中，展开平台200被示出为包括五个展开单元210和相关联的吊杆250(这里以部分展开构型示出)，但是展开单元210的实际数量(优选范围是三个到五个)可以根据需要而变化。
图4是轨道驱逐器1000和相关捕获系统100在捕获选定轨道物体(这里示出了SwissCube-1并由附图数字2000表示)期间的优选展开方案的示意图。为了简化起见，捕获结构110及其可折叠片状结构115仍然没有在图4中描绘。
根据图4所示的优选展开方案，轨道驱逐器1000被发射到轨道中，其中捕获系统100被构造成最初采用收起发射位置a)(也参见图10A-图10C)。一旦轨道驱逐器1000已经到达其期望的轨道，捕获系统100随后被切换到待机位置b)(也参见图10D-图10F)。有利的是，通过操作闭合机构以引起展开单元210围绕它们各自的枢转轴线A的枢转运动，执行从收起发射构型a)到待机构型b)的切换，并从而使捕获结构110，即每个可折叠片状结构115，从相应的收起构型变到其待机构型(例如，从图10A所示的构型变到图10D所示的构型)。
轨道驱逐器1000的待机构型b)是轨道驱逐器1000在捕获尝试之前被放置的常规构型。只要没有执行捕获尝试，轨道驱逐器1000将优选地维持在该待机构型b)。一旦待捕获的选定轨道物体被定位并且轨道驱逐器1000已经被操纵以进行与选定轨道物体的交会，捕获系统100将被操作以将捕获结构110带到完全展开的打开构型d)。在图4中，优选地执行的是，在第一次捕获尝试之前，通过操作展开平台200将可展开吊杆250和相关联的捕获结构110从待机构型b)带到部分展开的打开构型c)，并且然后从该部分展开的打开构型c)带到完全展开的打开构型d)。
一旦捕获结构110已经完全展开，轨道驱逐器1000可以被操纵以将选定轨道物体带入捕获结构110的捕获体积内，并且捕获系统100可以随后被操作以闭合捕获结构110，即通过操作闭合机构以将已展开的吊杆250和相关联的捕获结构110从完全展开的打开构型d)变到完全展开的闭合构型e)。
捕获系统100然后可以被操作以缩回可展开吊杆250和相关联的捕获结构110。更准确地说，展开平台200优选地被操作以将吊杆250和捕获结构110从完全展开的闭合构型e)变到部分缩回的闭合构型，基于此来检查是否成功执行对轨道物体2000的捕获。
在这个阶段，两种结果基本上是可能的：
(i)如图4中f*)所示，已成功捕获该选定轨道物体2000；或者
(ii)捕获尝试不成功，如图4中的f)所示，并且需要执行另一次捕获尝试。
在捕获失败的情况下，操作捕获系统100以打开捕获结构110，在此基础上重复捕获程序。优选执行的是，通过操作闭合机构以将吊杆250和相关联的捕获结构110从部分缩回的闭合构型f)变回部分展开的打开构型c)，之后该程序可以再次重复。
在捕获成功的情况下，随后可以执行脱离轨道操作。优选地，可以再次操作捕获系统100，以牢固地锁定被捕获的物体2000，并确保它不能在封闭的捕获系统100内进一步运动。特别地，可以采用适当的措施来确定地将捕获系统100锁定在适当的位置，并防止以下任何风险：被捕获的物体2000可能逃逸或以其他方式运动，从而改变驱逐器-物体联接体(chaser-object couple)的质心或惯性，否则质心或惯性的改变可能干扰脱离轨道操作。
脱离轨道操作基本上可以以或多或少的受控方式执行，即操纵轨道驱逐器，使其受控降落，或使其变到较低轨道以与地球大气上层相互作用，从而导致其重新进入地球大气层和解体。然而，若期望例如在适当位置调查轨道物体发生故障导致其必须退役的可能原因，则可以采用特定的附加措施，以允许被捕获的物体以非破坏性方式重新进入大气层。在这方面，美国专利第US 5,511,748 A号和第US 5,421,540 A号的公开内容是关于破坏性或非破坏性脱离轨道方案的实施方式，通过引用将其整体并入本文。
现在转到图5A-图5C，将描述根据本发明的每个可折叠片状结构115的折叠模式的优选实施例的基本原理。这些基本原理受到折纸原理(Origami principle)的强烈启发，折纸原理是众所周知的纸张折叠艺术，如下所述。
在本发明的优选实施例的上下文中采取的折叠模式的一般设计基本上基于由在相关片状结构的表面上延伸的山形折叠(即，设计成由两个相连节段形成凸形结构的折叠)和谷形折叠(即，设计成由两个相连节段形成凹形结构的折叠)的组合形成的各节段的棋盘形布置(tessellation)。显然，这些概念(山形折叠与谷形折叠)依赖于相关的参考文献，并且是可互换的，即从相关片状结构的一侧看到的山形折叠对应于从该相关片状结构的相对侧看到的谷形折叠。
图5A是可折叠片状结构SS和相关折叠模式的示意图，该折叠模式由山形折叠MF(显示为粗的不间断线段)和谷形折叠VF(显示为粗的虚线线段)的组合构成，该组合将片状结构SS的相关表面细分为相连梯形节段T1、T2、T3、T4等的棋盘形布置。更准确地说，折叠模式被选定以限定由图5A中的附图数字BND1到BND4表示的一系列可折叠结构带，这些带BND1到BND4横向于方向D延伸，方向D在下文指可折叠片状结构SS的展开方向(或折叠方向)。出于说明的目的，图5A中仅示出了BND1到BND4的四个可折叠结构带，但是该原理适用于任何数量的带。
BND1至BND4的可折叠结构带由横向折叠(即，横向于展开方向D延伸的折叠)限定，如图5A所描绘的，横向折叠由交替的山形折叠MF和谷形折叠VF构成。横向折叠相应地沿着横向于展开方向D的方向延伸，并限定可折叠结构带之间的边界。
此外，通过设置交叉折叠(即横跨每个可折叠结构带、沿着既不横向于也不平行于展开方向D的方向延伸的折叠)，即相对于横向折叠有角度的山形折叠MF和谷形折叠VF，从BND1到BND4的每个可折叠结构带被细分为交替的梯形带节段T1、T2、T3、T4等。在所示的示例中，交叉折叠相应地横跨每个可折叠结构带BND1到BND4延伸以形成锐角和钝角梯形T1、T2、T3、T4等。在图5A中，角度β1和β2表示沿着例如第四带BND4的相连山形折叠MF之间形成的角度，而角度β3表示沿着第四带BND4的相连谷形折叠VF之间形成的角度。
如图5A所描绘的，山形折叠MF和谷形折叠VF在沿着可折叠结构带BND1到BND4的边界(包括片状结构SS的边界)定位的限定顶点处接合。在图5A中，为了区分起见，附图标记VRTXI表示形成在可折叠片状结构SS的边界内的内部顶点，并显示为白点(white dot)，而附图标记VRTXB表示沿着片状结构SS的边界形成的边界顶点，并显示为虚点(dashed dot)。
优选地，如图5A所示，该一系列可折叠结构带BND1到BND4包括交替的第一可折叠结构带和第二可折叠结构带，即“奇数”带BND1和BND3以及“偶数”带BND2和BND4。“奇数”带BND1、BND3是相同的，即展现相同的山形折叠MF和谷形折叠VF的分布。类似地，“偶数”带BND1、BND3是相同的，但是展现的山形折叠MF和谷形折叠VF的分布是“奇数”带BND1、BND3的镜像图像，即这些折叠相对于水平轴线(即横向于展开方向D延伸的轴线)呈镜像。
图5A中所示的山形折叠MF和谷形折叠VF的布置被选定，以确保片状结构SS可以被折叠平坦，如图5B中示意性所示。这是通过满足关于折叠模式的某些设计规则来实现的。
第一个设计规则(也称为“Maekawa定理”)规定，围绕内部顶点VRTXI的山形折叠MF的数量NMF和谷形折叠VF的数量NVF之间的绝对差值必须等于2：
|NMF-NVF|＝2 (1)
第二个设计规则(也称为“Kawasaki定理”)，为了使片状结构SS平坦可折叠，必须满足该设计规则，该设计规则规定围绕内部顶点VRTXI的折叠之间的角度的交替和(alternating sum)必须等于零：
Figure BDA0003331913820000201
其中Na是围绕相关内部顶点VRTXI的角度的数量，而αi是围绕内部顶点VRTXI的相关角度。
为了说明该第二设计规则的目的，在图5A中示出了角度α1至α4，其围绕位于带BND1和BND2之间的边界上的选定内部顶点VRTXI。在该说明性示例中，角度Na的数量为四，并且四个角度的交替和，即(α1-α2)+(α3-α4)，由于相关折叠的镜像布置，实际上为零。
只要上述两个设计规则(1)和(2)都得到遵守，并且通过利用折叠之间的相关角度和沿着每个结构带的折叠分布，片状结构SS可以被折叠平坦，如通过图5B的图示所描绘的。
折叠平坦的片状结构SS的最终形状直接取决于选定折叠的布置。特别地，由折叠分布产生的折叠之间的角度和带节段的相关长度将是决定性的。为了说明起见，除了角度β1到β3之外，带BND2和BND3之间的相关横向折叠的长度l1到l4在图5A中示出并且也反应在图5B中。
图5C是图5A的可折叠片状结构SS处于部分折叠/解开构型的示意性透视图，该透视图突出了所产生的凸形节段和凹形节段的交替。
根据本发明的一个特别优选的实施例，上述原理被应用于实践中，以为本发明的捕获系统100的每个可折叠片状结构115生成相关的折叠模式。
图6A示出了根据上述原理设计的可能折叠模式的说明性示例。图6A中所示的相关折叠模式同样被选定来限定一系列可折叠结构带115i，可折叠结构带115i横向于可折叠片状结构115的展开方向D延伸，每个可折叠结构带115i展现多个山形折叠MF和多个谷形折叠VF，这些折叠在沿着可折叠结构带115i的边界定位的限定顶点处接合，该山形折叠MF和谷形折叠VF横跨每个可折叠结构带115i并沿着可折叠结构带115i之间的边界延伸，以形成基本上三角形带节段或梯形带节段。在这点上，三角形带节段可以被同化为锐角梯形节段的极端情况，其中梯形的两个平行区段中较短的一个被减少到零。
以类似于图5A所示的折叠模式的方式，图6A所示的一系列可折叠结构带115i分别包括交替的第一(“奇数”)和第二(“偶数”)可折叠结构带115i.1、115i.2，其中每个第一可折叠结构带115i.1是每个第二可折叠结构带115i.2的镜像图像。
图6B示出了图6A的可折叠片状结构115在被折叠平坦时的最终构型。可以注意到，在图示的示例中，交叉折叠被选定成相对于展开方向D基本上以+45度或-45度延伸，导致基本上平行的带节段在折叠平坦构型中并列。
为了解释起见，图6A和图6B中的附图标记115A和115B表示可折叠片状结构115的第一上部端部部分和第二上部端部部分。这些上部端部部分115A、115B将被利用于附接到用于展开该结构115的相关联的吊杆250的远侧端部。相反，附图标记115C表示可折叠片状结构115的下部端部部分，该下部端部部分将被固定到展开平台200的基座。最后，附图标记115D表示可折叠片状结构115的侧向端部，该侧向端部将被可滑动地固定到相关联的吊杆250，如下所述。
图6C示出了根据前述原理设计的可能折叠模式的另一个说明性示例。与图6A的示例相反，在解开状态下，片状结构115展现出下部节段具有比片状结构115的上部节段更小的横向宽度(或“标称解开宽度”)。两个节段同样地展现出一系列可折叠结构带115i*(115i.1*、115i.2*)，分别满足与上述115i(115i.1、115i.2)相同的设计规则。实际上，图6C所示的折叠模式基本上与图6A所示的相同，唯一的区别在于片状结构115的边界形状。这个形状不会影响片状结构115被折叠平坦的能力，图6C的片状结构115在被折叠平坦时的最终构型维持类似于图6B所示的最终构型。
图6C所示的可折叠片状结构115优于图6A所示的可折叠片状结构115的优点在于，片状结构115的下部端部部分115C处的材料的量减少，从而在片状结构115被固定的展开平台200的基座处所必需的容纳空间较小。
显然，在如何实施所期望的折叠模式方面有很大的灵活性。图7示出了根据本发明的实施例的可折叠片状结构115的九个不同示例(1)至(9)。图7中所示的第二个示例(2)基本上对应于上面参考图6A-图6C讨论的示例。在图7中，左列(A)示出了被折叠平坦时的相关可折叠片状结构115，中间列(B)示出了被部分解开时的相关结构115，以及右列(C)示出了几乎完全解开时的相关结构115。
图7特别示出了，根据选定的折叠模式，不同的构型和曲率可以被赋予可折叠片状结构115。特别地，可折叠片状结构115可以以这种方式构造，即当处于捕获结构110的完全展开构型时大体上向外弯曲。
图8A-图8B是安装在展开平台200的相应的第一展开单元210.1和第二展开单元210.2的第一BRC吊杆250.1和第二BRC吊杆250.2之间的可折叠片状结构115的原型的照片图示。为了说明起见，图8A-图8B所示的可折叠片状结构115基本上对应于图7的示例(2)。
图8A示出了从捕获体积内部看到的处于完全展开的打开构型的可折叠片状结构115(仅示出了一个可折叠片状结构115)。片状结构115的第一上部端部部分115A和第二上部端部部分115B分别附接到相关联的吊杆250.1、250.2的远侧端部，同时可折叠片状结构115的第一和第二侧向端部115D可滑动地固定到每个吊杆250.1、250.2。这优选通过设置在侧向端部115D上并沿其长度分布的多个环圈260来实现，该多个环圈260适于在展开时分别沿第一可展开吊杆250.1、第二可展开吊杆250.2滑动。
图8B示出了从捕获体积的外部看到的处于完全展开的闭合构型的可折叠片状结构115。这说明可折叠片状结构115在吊杆250.1、250.2的闭合(在被闭合机构闭合时)后充分地闭合捕获体积。
优选地，如图1A的示意性图示所示，每个可展开吊杆250被构造成在完全展开时展现基本上直线的第一节段250A，随后是向内弯曲的第二节段250B。在这点上，多个环圈260沿着每个可折叠片状结构115的第一和第二侧向端部115D的长度的分布优选地使得在第一和第二侧向端部115D的与每个可展开吊杆250的向内弯曲的端部部分250B重合的部分处设置更高密度的环圈260。该措施确保可折叠片状结构115将充分地跟随已展开的吊杆250的闭合，目的在于确保捕获结构110的恰当闭合。
图9A-图9C示出了优选解决方案，用于沿着片状结构115的第一和第二侧向端部115D提供和固定环圈260。
如图9A所示，附接条带160优选地沿着侧向端部115D的长度设置，该附接条带160分别远离片状结构115的第一和第二侧向端部115D延伸。实际上附接条带160的延伸方向基本上垂直于展开方向D。附接条带160理想地形成可折叠片状结构115的集成部分，这确保了环圈260附接的最佳可靠性。
如图9A中另外所示，两个长形孔115d(实际上可以设置多于两个这样的孔115d)形成在可折叠片状结构115上并靠近每个附接条带160。优选地设置这些孔115d，以便将附接条带160恰当地固定到相关联的环圈260上，如图9B-图9C所示。
如图9B-图9C所示，通过使附接条带160的端部部分160A穿过相关联的环圈260并且使端部部分160A穿过前述长形孔115d连续地交织，环圈260被固定到附接条带160。那么，端部部分160A通过充分的措施固定到片状结构115的相邻部分。图9C中的附图数字161例如表示插入端部部分160A和可折叠片状结构115的表面之间的粘合材料(例如双面胶带)。另一方面，图9B-图9C中的附图数字165表示在环圈260旁边包围附接条带160的固定带(诸如Kapton粘合胶带)。
根据本发明的优选实施例，每个可折叠片状结构115由柔性材料的片材或箔制成。可以考虑不同的柔性材料，但是聚酰亚胺(PI)材料(诸如Kapton)或者聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)材料，特别是双轴定向聚对苯二甲酸乙二醇酯(BoPET)材料(诸如Mylar)是特别合适的。Mylar(或类似的BoPET材料)是尤其令人关注的候选材料。
考虑到特别的任务可能需要轨道驱逐器和相关联的捕获系统在轨道上保持一段时间，进一步有利的是对每个可折叠片状结构115进行涂覆以防止被原子氧(ATOX)腐蚀。在这点上，可以特别考虑铝涂层。
关于每个可折叠片状结构的厚度，优选确保该厚度理想地包括在100微米和150微米之间，这确保了折叠操作的足够的灵活性以及足够的稳健性和抗撕裂性。
图10A-图10F是根据本发明的另一个实施例的捕获系统的渲染图，同样整体上由附图数字100表示。图10A-图10F中所示的捕获系统100同样包括展开平台200，该展开平台200包括总共三个展开单元210，即第一至第三展开单元210.1、210.2、210.3，每个展开单元被设计成允许相关联的可展开吊杆250的展开，即分别为第一至第三可展开吊杆250.1、250.2、250.3。
每个展开单元210.1、210.2、210.3具有与图2所示的展开单元210相似的构造，并且在图10A-图10F中使用相同的附图数字211、212、215、215A、216、217来表示每个展开单元210.1、210.2、210.3的相同功能部件，因此没有必要再次描述这些功能部件。图10A-图10F中的附图数字206同样表示一对柔性轴，其依次将展开单元210.1、210.2、210.3互连，以确保所有卷轴211之间的传动连接的目的，并从而确保相关联的可展开吊杆250.1、250.2、250.3的共同展开(或缩回)。
如图10A-图10F所示，捕获结构110同样包括多个，即三个，可折叠片状结构115.1、115.2、115.3，每个可折叠片状结构115.1、115.2、115.3分别联接在相关联的一对所述可展开吊杆250.1/250.2、250.2/250.3、250.3/250.1之间。可折叠片状结构115.1、115.2、115.3在图10A-图10F中以折叠的未展开构型示出。这在图10D和图10E中尤其可见，可折叠片状结构115.1、115.2、115.3基本上对应于与图7的示例(4)基本上相同的设计，该设计针对收起构型的可折叠性进行了优化。
图10A-图10C示出了处于收起发射构型的捕获系统100，其中展开单元210.1、210.2、210.3每个都枢转到相应的位置(如图10C中单独示出的)，其中展开单元朝向展开平台200的中心定向，并且其中每个可折叠片状结构115.1、115.2、115.3采用相应的收起构型。在该收起构型中，每个可折叠片状结构115.1、115.2、115.3特定地被定位并且部分折弯和弯曲，以采用比待机构型更紧凑的构型。
图10D-图10F示出了处于待机构型的捕获系统100，其中展开单元210.1、210.2、210.3每个都从收起发射位置向外枢转到相应的待机位置。这在图10D中清晰可见，待机构型是打开构型，其中各个可折叠片状结构115.1、115.2、115.3不妨碍位于展开平台200的中心部分的传感器系统500的视场。
以类似于其他先前描述的实施例的方式，通过每个展开单元210.1、210.2、210.3围绕它们各自的枢转轴线的枢转运动来执行捕获系统100从收起发射位置到待机位置的切换，同样地该枢转轴线与卷轴211的旋转轴线重合。虽然相关的闭合机构没有在图10A-图10F中具体示出，但是应当理解，展开单元210.1、210.2、210.3的枢转运动同样可以通过闭合机构的操作来控制，该闭合机构类似于结合已知的CSO捕获系统已经描述的闭合机构300(再次参见图11E)。
在图10A-图10F所示的实施例中，已经实施了捕获系统100的进一步适应性变化和改进。
第一种适应性变化在于提供支护机构，该支护机构被构造成将片状结构115.1-115.3保持在收起构型。在图示的示例中，支护机构有利地包括设置在每个展开单元210.1-210.3上的成对的支护构件220A、220B和指状构件225A、225B，如下所述。
如图10C所示，该对支护构件220A、220B固定到展开单元210的外部壳体215，用于与外部壳体215一起枢转运动。更准确地，第一支护构件220A位于展开单元210的一侧，以与每个可折叠片状结构115.1、115.2、115.3的选定部分配合并保持该选定部分(如图10A和图10B所示)，并且第二支护构件220B位于展开单元210的另一侧，以同样地与每个可折叠片状结构115.1、115.2、115.3的另一选定部分配合并保持该选定部分(再次如图10A和图10B所示)。在图示的示例中，第一支护构件220A和第二支护构件220B被具体设计成通过与存在于折叠平坦的片状结构115.1、115.2、115.3的侧面附近的两个较大的延伸部配合来将片状结构115.1、115.2、115.3保持在收起构型。在收起构型中，如图10A和图10B所示，相关节段相对于片状结构115.1、115.2、115.3的弯曲成U形构型的中心部分向侧面折弯大约90度。当从收起构型切换到待机构型时，支护构件220A、220B与展开单元210.1-210.3的外部壳体215一起枢转，并自动释放片状结构115.1、115.2、115.3的选定部分。
如图10C另外所示，该对指状构件225A、225B同样固定到展开单元210的外部壳体215上，以便与外部壳体215一起枢转运动。每个指状构件225A、225B被构造成将可折叠片状结构115.1、115.2、115.3的选定部分维持在收起构型。更准确地，第一指状构件225A位于展开单元210的一侧，以从第一侧与每个可折叠片状结构115.1、115.2、115.3的选定部分配合并维持该选定部分(如图10B所示)，并且第二指状构件225B位于展开单元210的另一侧，以同样从另一侧与每个可折叠片状结构115.1、115.2、115.3的选定部分配合并维持该选定部分(再次如图10B所示)。在图示的示例中，如图10B所示，每个指状构件225A、225B的远侧端部与片状结构115.1、115.2、115.3的弯曲成U形构型的中心部分配合，从而将片状结构115.1、115.2、115.3维持在收起构型。此外，在图示的示例中，指状构件225A、225B在收起构型中延伸到片状结构115.1、115.2、115.3的选定部分下方，该选定部分被支护构件220A、220B保持。
在示出的示例中，第一指状构件225A和第二指状构件225B还被构造成辅助可折叠片状结构115.1-115.3从收起构型切换到待机构型。实际上，在从收起构型切换到待机构型时，指状构件225A、225B与展开单元210.1-210.3的外部壳体215一起枢转，从而解放可折叠片状结构115.1-115.3的中心部分，并确保其部分从支护构件220A、220B恰当释放。指状构件225A、225B因此确保可折叠片状结构115.1-115.3从收起构型到待机构型的可靠释放和切换。
设置前述支护机构在确保捕获系统100能够维持在紧凑的收起位置以用于发射目的方面特别有用。
第二种适应性变化在于在每个可展开吊杆250的远侧端部处设置保持构件230，该保持构件230包括第一臂230A和第二臂230B(参见图10C和图10F)，该第一臂230A和第二臂230B被构造成在待机构型中保持相关联的一对可折叠片状结构115.1/115.3、115.2/115.1、115.3/115.2。这些保持构件230在图10A-图10F中可见，设置在吊杆250.1、250.2、250.3的远侧端部处。每个保持构件230通过中心附接点230C(参见图10C)分别附接到相关吊杆250.1、250.2、250.3的远侧端部。如图10D-图10F所示，保持构件230的第一臂230A被构造成在待机构型中分别保持第一可折叠片状结构115.1、115.2、115.3的第一上部部分，而保持构件230的第二臂230B被构造成在待机构型中分别保持第二可折叠片状结构115.3、115.2、115.1的第二上部部分。保持构件230确保可折叠片状结构115.1、115.2、115.3被适当地保持在待机构型，并且不妨碍传感器系统500的视场。
第三种适应性变化在于设置支撑元件235，该支撑元件235固定到每个可折叠片状结构115.1、115.2、115.3的下部端部部分115C，以确保该支撑元件235支撑展开平台200的基座并与该基座附接。这些支撑元件235尤其可以采用柔性支撑带(例如由Kapton粘合胶带制成)的形式，该支撑元件235固定到每个可折叠片状结构115.1、115.2、115.3的下部端部部分115C，该柔性支撑带在两端部处固定到展开单元210.1、210.2、210.3的相应部分，即固定到其外部壳体215的一部分。从图10B中可以看出，支撑元件235优选地设置在片状结构115.1、115.2、115.3的下侧，以这种方式与指状元件225A、225B的远侧端部配合并形成承载肩部，以确保片状结构115.1、115.2、115.3在收起构型的可靠支护。
可以对上述实施例做出各种修改和/或改进，而不偏离本发明的如由所附权利要求限定的范围。例如，应当理解，本发明的捕获系统的捕获结构可以包括任意数量的可折叠片状结构。
此外，尽管本文公开的实施例示出了适于捕获SwissCube-1的捕获系统，但是该捕获系统可以适于捕获任何其他轨道物体。
此外，限定凸形节段和凹形节段交替(其适于在缩回本发明的捕获结构时自动地将一个折叠在另一个之上)的相关折叠模式可以不同于本文公开的实际实施例，并且在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以设想折叠模式的其他构型。事实上，本文讨论的折纸原理(尤其是Maekawa定理和Kawasaki定理)可以应用于生成其他类型的折叠模式，同时仍然满足上文讨论的基本原理。
同样应当理解的是，本文公开的捕获封套的实际形状可以变化，并且例如在完全展开的打开构型中几乎是圆柱形的。
此外，展开平台和闭合机构的实际结构或构型可以不同于本文公开的实施例，并且可以设想任何合适的展开平台和闭合机构，只要它们充分允许捕获结构的可逆展开和捕获结构的可逆闭合。在这方面，使用BRC吊杆是特别优选的，但不是必要的。这同样适用于将多个可折叠片状结构附接到展开平台的各个部件，该附接可以以不同于本文具体公开的其他方式进行。
本文中使用的附图数字和附图标记列表
1 CSO捕获系统(现有技术–图11A-图11F)
10 CSO捕获系统1的“吃豆人”网状物
11 “吃豆人”网状物10的下部加强结构
12 “吃豆人”网状物10的上部加强结构
15 保护性网状物
100 CSO捕获系统(本发明的实施例)
110 可展开的捕获结构
110A 已展开的捕获结构110(打开构型)的开口
115 可折叠片状结构(共同形成捕获结构110)
115A 可折叠片状结构115的(第一)上部端部部分，用于附接到(第一)吊杆250的远侧端部
115B 可折叠片状结构115的(第二)上部端部部分，用于附接到(第二)吊杆250的远侧端部
115C 可折叠片状结构115的下部端部部分
115D 可折叠片状结构115的侧向端部
115d 可折叠片状结构115上的长形孔，用于穿过附接条带160
115i 可折叠片状结构115的可折叠结构带
115i.1 形成可折叠结构带115i的一部分的第一可折叠结构带
115i.2 形成可折叠结构带115i的一部分的第二可折叠结构带(可折叠结构带115i.1的镜像图像)
115i* 可折叠片状结构115的在可折叠片状结构115的下部端部部分115C处的可折叠结构带(图6C的实施例)
115i.1* 形成可折叠结构带115i*的一部分的第一可折叠结构带
115i.2* 形成可折叠结构带115i*的一部分的第二可折叠结构带(可折叠结构带115i.1*的镜像图像)
115.1 (第一)可折叠片状结构
115.2 (第二)可折叠片状结构
115.3 (第三)可折叠片状结构
160 用于环圈260的附接条带，形成可折叠片状结构115的集成部分
160A 附接条带160的端部部分，设计成穿过孔115d交织
161 粘合材料(例如双面胶带)，用于将附接条带160的端部部分160A固定到可折叠片状结构115的表面
165 固定带，在环圈260旁边包围附接条带160(例如Kapton粘合胶带)
200 展开平台
205 (第一)致动驱动器，控制可展开吊杆250的展开(共用展开驱动单元，例如马达)
206 柔性轴，与展开单元210的卷轴211的驱动轴212相互连接
210 (多个)展开单元/(DU)
210.1 (第一)展开单元
210.2 (第二)展开单元
210.3 (第三)展开单元
210.4 (第四)展开单元
210.5 (第五)展开单元
211 展开单元210的卷轴，用于分别卷起和铺开双稳态可卷绕复合材料(BRC)吊杆250/可围绕轴线A旋转
212 卷轴211的驱动轴
215 展开单元210的外部壳体/可独立于卷轴211的旋转围绕轴线A枢转
215A 外部壳体215的部分，固定到闭合机构300的致动缆绳306
216 吊杆引导支撑件，固定到外部壳体215/可与外部壳体215一起围绕轴线A枢转
217 外部壳体215的安装支撑件
220A (第一)支护构件，用于将折叠片状结构115、115.1-115.3的选定部分保持在收起构型(图10A-图10C)
220B (第二)支护构件，用于将折叠片状结构115、115.1-115.3的选定部分保持在收起构型(图10A-图10C)
225A (第一)指状构件，用于辅助折叠片状结构115、115.1-115.3从收起构型切换到待机构型(图10A-图10F)
225B (第二)指状构件，用于辅助折叠片状结构115、115.1-115.3从收起构型切换到待机构型(图10A-图10F)
230 保持构件，固定到吊杆250、250.1-250.3的远侧端部，并被构造成在待机构型保持可折叠片状结构115、115.1-115.3的上部部分
230A 保持构件230的(第一)臂，被构造成保持可折叠片状结构115、115.1-115.3中的第一个的上部部分
230B 保持构件230的(第二)臂，被构造成保持可折叠片状结构115、115.1-115.3中的第二个的上部部分
230C 保持构件230与吊杆250、250.1-250.3的远侧端部的附接点
235 (下部)支撑元件，固定到展开平台200的基座以及可折叠片状结构115、115.1-115.3的下部端部部分115C
250 可展开吊杆/双稳态可卷绕复合材料(BRC)吊杆
250A 已展开的吊杆250的直线节段
250B 已展开的吊杆250的弯曲节段
250.1 (第一)可展开吊杆
250.2 (第二)可展开吊杆
250.3 (第三)可展开吊杆
260 环圈，固定到可折叠片状结构115的侧向端部/可沿着可展开吊杆250滑动
300 闭合机构
305 (第二)致动驱动器，控制可展开吊杆250的闭合/打开，并因此控制捕获结构110的闭合/打开(共用闭合驱动单元)
306 致动闭合机构300的缆绳/传动连接到展开单元210的外部壳体215
307 引导致动缆绳306的滑轮
500 用于跟踪和交会操作的传感器系统
1000 航天器(或“轨道驱逐器”)
2000 待捕获的轨道物体(例如SwissCube-1)
A 卷轴211的旋转轴线/外部壳体215和吊杆引导支撑件216的枢转轴线
BND1-4 可折叠结构带
CL 捕获结构110的中心线
D 可折叠片状结构115的展开方向
MF 相应可折叠片状结构SS和115上的山形折叠(折叠模式的一部分)
SS 可折叠片状结构(图5A-图5C)
T1-T4 梯形带节段，沿可折叠结构带BND1-BND4形成(图5A-图5C)
VF 相应可折叠片状结构SS和115上的谷形折叠(折叠模式的一部分)
VRTXB 边界顶点，沿相应可折叠片状结构SS和115的边界形成
VRTXI 内部顶点，在相应可折叠片状结构SS和115的边界内形成
l1-l4 顶点VRTXB和VRTXI之间的距离，沿可折叠结构带BND2和BND3之间的边界
α1-α4 围绕内部顶点VRTXI的角度，在相邻的山形折叠MF和谷形折叠VF之间形成
β1 相连山形折叠MF之间形成的角度(图5A-图5C)
β2 相连山形折叠MF之间形成的角度(图5A-图5C)
β3 相连谷形折叠VF之间形成的角度(图5A-图5C)。

Claims (45)

1.一种捕获系统(100)，适于捕获轨道物体(2000)，特别是出于脱离轨道的目的，所述捕获系统(100)包括：
-可展开的捕获结构(110)，所述可展开的捕获结构(110)被设计成能够在待机构型和完全展开的打开构型之间展开，在所述完全展开的打开构型，所述捕获结构(110)限定了具有开口(110A)的捕获体积，所述开口(110A)的尺寸被设计为接纳和捕获选定轨道物体(2000)；
-展开平台(200)，所述展开平台(200)设计成展开所述捕获结构(110)；以及
-闭合机构(300)，所述闭合机构(300)被设计成使所述捕获结构(110)围绕位于所述捕获体积内的所述选定轨道物体(2000)闭合，
其特征在于，所述捕获结构(110)由捕获封套构成，所述捕获封套包括多个可折叠片状结构(115、115.1-115.3)，每个所述可折叠片状结构(115、115.1-115.3)被构造成根据所述捕获结构(110)的展开的功能而可逆地折叠和解开，每个可折叠片状结构(115、115.1-115.3)被设计成采用第一构型以及至少第二构型，在所述第一构型，所述可折叠片状结构(115、115.1-115.3)自身折叠以形成所述捕获结构(110)的所述待机构型，在所述第二构型，所述可折叠片状结构(115、115.1-115.3)解开并延伸以形成所述捕获结构(110)的所述完全展开的打开构型，
并且每个可折叠片状结构(115、115.1-115.3)展现折叠模式(MF，VF)，所述折叠模式在所述第二构型中限定了交替的凸形节段和凹形节段，所述凸形节段和所述凹形节段适于在缩回所述捕获结构(110)时自动将一个折叠在另一个之上。
2.根据权利要求1所述的捕获系统(100)，其中，所述折叠模式(MF，VF)被选定为允许所述可折叠片状结构(115、115.1-115.3)被折叠平坦。
3.根据权利要求2所述的捕获系统，其中，所述折叠模式(MF，VF)被选定为限定横向于所述可折叠片状结构(115、115.1-115.3)的展开方向(D)延伸的一系列可折叠结构带(115i、115i*)，每个所述可折叠结构带(115i、115i*)展现多个山形折叠(MF)和多个谷形折叠(VF)，所述多个山形折叠(MF)和所述多个谷形折叠(VF)在沿着所述可折叠结构带(115i、115i*)的边界定位的限定顶点(VRTXI、VRTXB)处接合，所述山形折叠(MF)和所述谷形折叠(VF)横跨每个所述可折叠结构带(115i、115i*)并沿着所述可折叠结构带(115i、115i*)之间的边界延伸，以形成基本上三角形带节段或梯形带节段。
4.根据权利要求3所述的捕获系统(100)，其中，所述一系列可折叠结构带(115i、115i*)包括交替的第一可折叠结构带(115i.1、115i.1*)和第二可折叠结构带(115i.2、115i.2*)，
并且其中，每个所述第一可折叠结构带(115i.1、115i.1*)是每个所述第二可折叠结构带(115i.2、115i.2*)的镜像图像。
5.根据权利要求3或4所述的捕获系统(100)，其中，所述多个山形折叠(MF)和所述多个谷形折叠(VF)沿着每个所述可折叠结构带(115i、115i*)形成多个梯形带节段，包括锐角和/或钝角梯形。
6.根据权利要求5所述的捕获系统(100)，其中，所述多个山形折叠(MF)和所述多个谷形折叠(VF)形成一系列梯形带节段和三角形带节段。
7.根据前述权利要求中任一项所述的捕获系统(100)，其中，所述可折叠片状结构(115、115.1-115.3)中的每一个被构造成当处于所述捕获结构(110)的所述完全展开的打开构型时大体上向外弯曲。
8.根据前述权利要求中任一项所述的捕获系统(100)，其中，所述展开平台(200)包括以多边形布置定位的至少三个展开单元(210、210.1-210.3)，每个展开单元(210、210.1-210.3)被构造成允许可展开吊杆(250、250.1-250.3)的展开，从而引起所述捕获结构(110)的展开，
并且其中，所述捕获封套包括至少三个所述可折叠片状结构(115、115.1-115.3)，每个可折叠片状结构(115、115.1-115.3)联接在相关联的一对所述可展开吊杆(250.1/250.2、250.2/250.3、250.3/250.1)之间，以形成外围封闭的捕获封套。
9.根据权利要求8所述的捕获系统(100)，包括三到五个展开单元(210、210.1-210.3)和相应数量的所述可折叠片状结构(115、115.1-115.3)。
10.根据权利要求8所述的捕获系统(100)，包括第一至第三展开单元(210.1-210.3)和第一至第三可折叠片状结构(115.1-115.3)，
其中所述第一可折叠片状结构(115.1)联接在所述第一展开单元(210.1)的所述可展开吊杆(250.1)和所述第二展开单元(210.2)的所述可展开吊杆(250.2)之间，
其中所述第二可折叠片状结构(115.2)联接在所述第二展开单元(210.2)的所述可展开吊杆(250.2)和所述第三展开单元(210.3)的所述可展开吊杆(250.3)之间，
并且其中所述第三可折叠片状结构(115.3)联接在所述第三展开单元(210.3)的所述可展开吊杆(250.3)和所述第一展开单元(210.1)的所述可展开吊杆(250.1)之间。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的捕获系统(100)，其中，每个可折叠片状结构(115、115.1-115.3)在其下部端部部分(115C)处的标称解开宽度小于每个可折叠片状结构(115、115.1-115.3)在上部端部部分(115A、115B)处的标称解开宽度。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的捕获系统(100)，其中，每个可折叠片状结构(115、115.1-115.3)的第一和第二侧向端部(115D)各自设置有沿其长度分布的多个环圈(260)，所述多个环圈(260)适于分别沿第一可展开吊杆和第二可展开吊杆(250.1、250.2、250.3)滑动。
13.根据权利要求12所述的捕获系统(100)，其中，每个可展开吊杆(250、250.1、250.2、250.3)的端部部分(250B)向内弯曲，并且其中，所述多个环圈(260)的沿着每个可折叠片状结构(115、115.1-115.3)的所述第一和第二侧向端部部(115D)的长度的分布使得在所述第一和第二侧向端部(115D)的与每个可展开吊杆(250、250.1、250.2、250.3)的所述向内弯曲的端部部分(250B)重合的部分处设置有更高密度的环圈(260)。
14.根据权利要求12或13所述的捕获系统(100)，其中，每个可折叠片状结构(115、115.1-115.3)包括附接条带(160)，所述附接条带远离所述第一和第二侧向端部(115D)延伸并形成所述可折叠片状结构(115、115.1-115.3)的集成部分，所述附接条带(160)固定到所述环圈(260)。
15.根据权利要求14所述的捕获系统(100)，其中，通过使所述附接条带(160)的端部部分(160A)穿过相关联的环圈(260)并且通过所述附接条带(160)的所述端部部分(160A)穿过至少两个连续的孔(115d)交织，将每个附接条带(160)固定到所述环圈(260)中的相关联的一个，所述至少两个连续的孔(115d)形成在所述附接条带(160)旁边的所述可折叠片状结构(115、115.1-115.3)上。
16.根据权利要求8至15中任一项所述的捕获系统(100)，其中，每个可折叠片状结构(115、115.1-115.3)的下部端部部分(115C)固定到支撑元件(235)，所述支撑元件(235)固定到所述展开平台(200)的基座。
17.根据权利要求8至16中任一项所述的捕获系统(100)，其中，所述展开平台(200)还包括共用展开驱动单元(205)，以控制所有所述可展开吊杆(250、250.1-250.3)的展开。
18.根据权利要求17所述的捕获系统(100)，其中，所述共用展开驱动单元(205)联接到所述展开单元(210、210.1-210.3)中的第一展开单元(210.1)，并且其中，剩余的展开单元(210.2-210.3)经由柔性轴(206)依次传动连接到所述第一展开单元(210.1)。
19.根据权利要求8至18中任一项所述的捕获系统(100)，其中，每个可展开吊杆(250、250.1-250.3)由双稳态可卷绕复合材料(BRC)吊杆构成，所述双稳态可卷绕复合材料(BRC)吊杆适于选择性地在卷轴(211)上卷起或从卷轴(211)上铺开。
20.根据权利要求8至19中任一项所述的捕获系统(100)，其中，所述闭合机构(300)被构造成围绕枢转轴线(A)枢转每个展开单元(210、210.1-210.3)。
21.根据权利要求19所述的捕获系统(100)，其中，所述闭合机构(300)被构造成围绕枢转轴线(A)枢转每个展开单元(210、210.1-210.3)，所述枢转轴线(A)与所述卷轴(211)的旋转轴线重合。
22.根据权利要求20或21所述的捕获系统(100)，其中，所述闭合机构(300)包括共用闭合驱动单元(305)，以控制所有所述展开单元(210、210.1-210.3)围绕他们各自的枢转轴线(A)的枢转运动。
23.根据权利要求22所述的捕获系统(100)，其中，所述共用闭合驱动单元(305)通过缆绳和滑轮装置(306、307)控制所述展开单元(210、10.1-210.3)的枢转运动。
24.根据前述权利要求中任一项所述的捕获系统(100)，其中，所述捕获系统(100)被构造成最初采用收起发射位置，在所述收起发射位置每个可折叠片状结构(115、115.1-115.3)采用相应的收起构型，并且随后被切换到待机位置，在所述待机位置每个可折叠片状结构(115、115.1-115.3)采用所述待机构型。
25.根据权利要求20至23中任一项所述的捕获系统(100)，其中，所述捕获系统(100)被构造成最初采用收起发射位置，在所述收起发射位置每个可折叠片状结构(115、115.1-115.3)采用相应的收起构型，并且随后被切换到待机位置，在所述待机位置每个可折叠片状结构(115、115.1-115.3)采用所述待机构型，
并且其中，所述闭合机构(300)被构造成通过每个展开单元(210、210.1-210.3)的枢转运动引起所述捕获系统(100)从所述收起发射位置切换到所述待机位置。
26.根据权利要求25所述的捕获系统(100)，其中，每个展开单元(210、210.1-210.3)还包括支护机构(220A、220B、225A、225B)，所述支护机构被构造成将所述可折叠片状结构(115、115.1-115.3)保持在所述收起构型。
27.根据权利要求26所述的捕获系统(100)，其中，所述支护机构(220A、220B、225A、225B)包括一个或更多个支护构件(220A、220B)，每个所述支护构件被构造成将所述可折叠片状结构(115、115.1-115.3)的选定部分保持在所述收起构型，
每个支护构件(220A，220B)被构造成在从所述收起构型切换到所述待机构型时自动释放所述可折叠片状结构(115、115.1-115.3)的所述选定部分。
28.根据权利要求26或27所述的捕获系统(100)，其中，所述支护机构(220A、220B、225A、225B)包括一个或更多个指状构件(225A、225B)，每个所述指状构件被构造成将所述可折叠片状结构(115、115.1-115.3)的选定部分维持在所述收起构型。
29.根据权利要求28所述的捕获系统(100)，其中，每个指状构件(225A、225B)还被构造成辅助所述可折叠片状结构(115、115.1-115.3)从所述收起构型切换到所述待机构型。
30.根据前述权利要求中任一项所述的捕获系统(100)，还包括传感器系统(500)，所述传感器系统(500)被设计成辅助对所述选定轨道物体(2000)的跟踪和交会操作。
31.根据权利要求30所述的捕获系统(100)，其中，所述传感器系统(500)沿着所述捕获结构(110)的中心线(CL)定位在所述展开平台(200)的中心部分。
32.根据权利要求31所述的捕获系统(100)，其中，所述待机构型是打开构型，在所述打开构型，所述闭合机构(300)被操作以打开所述捕获结构(110)，并且使得所述捕获结构(110)不妨碍所述传感器系统(500)的视场。
33.根据权利要求32所述的捕获系统(100)，其中，每个可展开吊杆(250、250.1-250.3)的远侧端部设置有保持构件(230)，所述保持构件包括第一臂和第二臂(230A、230B)，所述第一臂和第二臂被构造成将相关联的一对所述可折叠片状结构(115.1/115.3、115.2/115.1、115.3/115.2)保持在所述待机构型，并防止所述传感器系统(500)的所述视场受到妨碍，
其中所述保持构件(230)的所述第一臂(230A)被构造成将所述相关联的一对可折叠片状结构(115.1/115.3、115.2/115.1、115.3/115.2)的第一可折叠片状结构(115.1、115.2、115.3)的第一上部部分保持在所述待机构型，
并且其中，所述保持构件(230)的所述第二臂(230B)被构造成将所述相关联的一对可折叠片状结构(115.1/115.3、115.2/115.1、115.3/115.2)的第二可折叠片状结构(115.3、115.1、115.2)的第二上部部分(115B)保持在所述待机构型。
34.根据前述权利要求中任一项所述的捕获系统(100)，其中，每个可折叠片状结构(115、115.1-115.3)由柔性材料的片材或箔制成。
35.根据权利要求34所述的捕获系统(100)，其中，每个可折叠片状结构(115、115.1-115.3)由聚酰亚胺(PI)材料(诸如Kapton)制成或者由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)材料制成，特别是双轴定向聚对苯二甲酸乙二醇酯(BoPET)材料，诸如Mylar。
36.根据前述权利要求中任一项所述的捕获系统(100)，其中，每个可折叠片状结构(115、115.1-115.3)被涂覆以防止被原子氧(ATOX)腐蚀。
37.根据权利要求36所述的捕获系统(100)，其中，每个可折叠片状结构(115、115.1-115.3)是被铝涂覆的。
38.根据前述权利要求中任一项所述的捕获系统(100)，其中，每个可折叠片状结构(115、115.1-115.3)的厚度包括在100微米和150微米之间。
39.一种航天器(1000)，所述航天器(1000)包括根据前述权利要求中任一项所述的捕获系统(100)。
40.根据权利要求39所述的航天器(1000)，其中，所述捕获系统(100)位于所述航天器(1000)的X+面上。
41.一种通过根据权利要求39或40所述的航天器(1000)捕获轨道物体(2000)的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)操作所述捕获系统(100)以将所述捕获结构(110)变到所述待机构型；
(b)定位待捕获的选定轨道物体(2000)，并操纵所述航天器(1000)以执行与所述选定轨道物体(2000)的交会；
(c)操作所述捕获系统(100)以将所述捕获结构(110)变到所述完全展开的打开构型；
(d)操纵所述航天器(1000)以将所述选定轨道物体(2000)带入所述捕获结构(110)的所述捕获体积内；
(e)操作所述捕获系统(100)以闭合所述捕获结构(110)；
(f)操作所述捕获系统(100)以缩回所述捕获结构(110)；
(g)检查所述捕获系统(100)对所述选定轨道物体(2000)的恰当捕获；以及
(h)在捕获失败的情况下，操作所述捕获系统(100)以打开所述捕获结构(110)并重复步骤(c)至(h)。
42.根据权利要求41所述的方法，其中，在第一次捕获尝试之前，在步骤(c)操作所述展开平台(200)以将所述捕获结构(110)从所述待机构型变到部分展开的打开构型，然后从所述部分展开的打开构型变到所述完全展开的打开构型，
其中所述闭合机构(300)在步骤(e)被操作以将所述捕获结构(110)从所述完全展开的打开构型变到完全展开的闭合构型，
其中在步骤(f)操作所述展开平台(200)以将所述捕获结构(110)从所述完全展开的闭合构型变到部分缩回的闭合构型，
并且其中，在捕获失败的情况下，在步骤(h)操作所述闭合机构(300)以将所述捕获结构(110)从所述部分缩回的闭合构型变回所述部分展开的打开构型。
43.根据权利要求41或42所述的方法，其中，在所述航天器(1000)的发射期间，所述捕获系统(100)被构造成最初采用收起发射位置，在所述收起发射位置每个可折叠片状结构(115、115.1-115.3)采用相应的收起构型，
并且其中，所述捕获系统(100)随后被重新配置以将所述捕获系统(100)从所述收起发射位置切换到待机位置，在所述待机位置，每个可折叠片状结构(115、115.1-115.3)采用所述待机构型。
44.一种使轨道物体(2000)脱离轨道的方法，包括：
-根据权利要求41至43中任一项所述的方法，通过航天器(1000)捕获所述轨道物体(2000)；和
-操纵所述航天器(1000)以使所捕获的轨道物体(2000)脱离轨道。
45.一种可展开的捕获结构(110)的用途，用于捕获轨道物体(2000)，特别是出于脱离轨道的目的，所述捕获结构(110)由捕获封套构成，所述捕获封套包括多个可折叠片状结构(115、115.1-115.3)，每个所述可折叠片状结构被构造成根据所述捕获结构(110)的展开的功能而可逆地折叠和解开，每个可折叠片状结构(115、115.1-115.3)被设计成采用第一构型以及至少第二构型，在所述第一构型，所述可折叠片状结构(115、115.1-115.3)自身折叠以形成所述捕获结构(110)的待机构型，在所述第二构型，所述可折叠片状结构(115、115.1-115.3)解开并延伸以形成所述捕获结构(110)的完全展开的打开构型，
每个可折叠片状结构(115、115.1-115.3)展现折叠模式(MF，VF)，所述折叠模式在所述第二构型中限定了交替的凸形节段和凹形节段，所述凸形节段和凹形节段适于在缩回所述捕获结构(110)时自动将一个折叠在另一个之上。
CN201980096000.7A 2019-03-01 2019-03-01 适于捕获轨道物体的捕获系统，特别是出于脱离轨道的目的 Pending CN113905950A (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/IB2019/051666 WO2020178614A1 (en) 2019-03-01 2019-03-01 Capture system adapted to capture orbital objects, in particular for deorbiting purposes

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113905950A true CN113905950A (zh) 2022-01-07

Family

ID=65951831

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201980096000.7A Pending CN113905950A (zh) 2019-03-01 2019-03-01 适于捕获轨道物体的捕获系统，特别是出于脱离轨道的目的

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20220204187A1 (zh)
EP (1) EP3931104A1 (zh)
CN (1) CN113905950A (zh)
WO (1) WO2020178614A1 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4368519A4 (en) 2021-07-06 2024-07-31 Mitsubishi Electric Corp CAPTURE DEVICE AND SPACECRAFT
CN113955160B (zh) * 2021-12-10 2023-06-16 北京科技大学 用于深空探测的可折展捕获装置及其操控方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6360995B1 (en) * 2000-08-22 2002-03-26 Lockheed Martin Corporation Docking system & method for space travel vehicle
US20080220262A1 (en) * 2005-07-26 2008-09-11 Astrium Sas Coating for External Device for Thermo-Optical Control of Space Vehicles, Method for Forming Same by Micro-Arcs in Ionized Environment, and Device Coated with Same
US7730925B1 (en) * 2007-05-09 2010-06-08 Pereira Carlos E Collapsable screen and design method
CN103863580A (zh) * 2014-03-10 2014-06-18 中国空间技术研究院 一种适于分块方形支撑杆型太阳帆帆面的折叠方法
US9187191B1 (en) * 2014-12-01 2015-11-17 Duane Lowell Jensen Stretch skin receptacle for space object capture and release
CN105307939A (zh) * 2013-06-07 2016-02-03 空中客车防务和空间公司 用于感测空间目标且包括压力元件和位于空间目标上的至少两个可重新封闭元件的装置
EP3321190A1 (en) * 2016-11-10 2018-05-16 Korea Aerospace Research Institute Spacecraft for space debris removal
CN108327931A (zh) * 2017-11-30 2018-07-27 中国电子科技集团公司电子科学研究院 空间碎片捕捉机构及清除系统
WO2018172728A1 (en) * 2017-03-20 2018-09-27 Rtl Materials Ltd Tubular mast assembly methods for errecting and disassembling
CN108937509A (zh) * 2017-05-26 2018-12-07 陆文秀 一种全固定窗帘

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5421540A (en) 1992-08-26 1995-06-06 Ting; Paul C. Method and apparatus for disposal/recovery of orbiting space debris
US5511748A (en) 1993-11-12 1996-04-30 Scott; David R. Method for extending the useful life of a space satellite
DE10342954B4 (de) * 2003-09-17 2005-07-28 Eads Space Transportation Gmbh Bergungsvorrichtung
ATE472472T1 (de) * 2008-05-29 2010-07-15 Thales Alenia Space Italia S P Aufblasbare einfangeinrichtung
CN210598386U (zh) * 2019-01-15 2020-05-22 Jg和Am史密斯投资有限公司 便携式遮阳组件

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6360995B1 (en) * 2000-08-22 2002-03-26 Lockheed Martin Corporation Docking system & method for space travel vehicle
US20080220262A1 (en) * 2005-07-26 2008-09-11 Astrium Sas Coating for External Device for Thermo-Optical Control of Space Vehicles, Method for Forming Same by Micro-Arcs in Ionized Environment, and Device Coated with Same
US7730925B1 (en) * 2007-05-09 2010-06-08 Pereira Carlos E Collapsable screen and design method
CN105307939A (zh) * 2013-06-07 2016-02-03 空中客车防务和空间公司 用于感测空间目标且包括压力元件和位于空间目标上的至少两个可重新封闭元件的装置
CN103863580A (zh) * 2014-03-10 2014-06-18 中国空间技术研究院 一种适于分块方形支撑杆型太阳帆帆面的折叠方法
US9187191B1 (en) * 2014-12-01 2015-11-17 Duane Lowell Jensen Stretch skin receptacle for space object capture and release
EP3321190A1 (en) * 2016-11-10 2018-05-16 Korea Aerospace Research Institute Spacecraft for space debris removal
WO2018172728A1 (en) * 2017-03-20 2018-09-27 Rtl Materials Ltd Tubular mast assembly methods for errecting and disassembling
CN108937509A (zh) * 2017-05-26 2018-12-07 陆文秀 一种全固定窗帘
CN108327931A (zh) * 2017-11-30 2018-07-27 中国电子科技集团公司电子科学研究院 空间碎片捕捉机构及清除系统

Also Published As

Publication number Publication date
EP3931104A1 (en) 2022-01-05
WO2020178614A1 (en) 2020-09-10
US20220204187A1 (en) 2022-06-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3242377B2 (ja) 折り畳み可能な周辺トラス反射面
CN113905950A (zh) 适于捕获轨道物体的捕获系统，特别是出于脱离轨道的目的
US3690080A (en) Solar array with self-erecting, self-rigidizing roll-up sheets
US7782530B1 (en) Deployable telescope having a thin-film mirror and metering structure
US11142350B2 (en) Compact scalable drag sail deployment assembly
US4557097A (en) Sequentially deployable maneuverable tetrahedral beam
US20230406543A1 (en) Deployable System with Flexible Membrane
US6031178A (en) System to link the kinematics of neighboring panels in a panel assembly
US3698958A (en) Solar panel
JP2006229750A (ja) 宇宙用展開型アンテナ
US20220388694A1 (en) Solar sail attachment and deployment methods
EP1546492A2 (en) Stiffener reinforced foldable member
JPWO2019087236A1 (ja) リフレクタ、展開アンテナ、及び宇宙航行体
US20090184207A1 (en) Synchronously self deploying boom
GB2103011A (en) Deployable sheet assemblies
JP3878973B2 (ja) 展開型骨組構造体
SE501540C2 (sv) Bananordning för nödevakuering
CN110920855B (zh) 一种可以实现径向收缩的无人机机身隔框结构
JP2642591B2 (ja) 展開型アンテナ反射鏡
JP4877809B2 (ja) 展開型アンテナ
US8578663B2 (en) Cover for use with an inflatable modular structure
JP2021146854A (ja) 展開式太陽電池、展開構造物、及び、宇宙機
JP2513810B2 (ja) 展開構造物
RU2101811C1 (ru) Крупногабаритный космический складной рефлектор
JP2005195066A (ja) 中空伸展ブーム

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination