CN115367161B - 一种用于空间碎片可靠转移存储的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于空间碎片可靠转移存储的装置，包括：基架、气动人工肌肉和储存盒；其中，所述气动人工肌肉设置于所述基架上；并且所述气动人工肌肉的内部与所述基架的内部气路相连通；所述基架的底座与储存盒相连接；所述基架的内部气路与气泵相连通；所述气泵通过所述基架的内部气路给所述气动人工肌肉充气；所述气动人工肌肉通过交替运动完成蠕动，将空间碎片转移到储存盒的内部。本发明可以实现对空间碎片的有效转移、可靠存储及快速清除，为航天器的在轨运行提供安全的空间环境。

Description

一种用于空间碎片可靠转移存储的装置

技术领域

本发明属于空间碎片的自动化清除技术领域，尤其涉及一种用于空间碎片可靠转移存储的装置。

背景技术

空间碎片主要来源于大型火箭末级和失效卫星，及其碰撞所产生的次级碎片。据统计地球轨道上现漂浮着约上亿块大小不一的碎片，可以说百分之五的航天器生活在百分之九十五的碎片中。这些碎片的存在已经严重威胁到在轨航天器的安全。碎片的在轨清除需要经历捕获、转移、存储、清除四个步骤。但目前主要的研究围绕碎片捕获技术，对可靠转移和存储的研究相对较少。

目前主要的用于空间碎片清除的方式有：飞爪/飞网抓捕、电动力绳索移除、电动碎片清除、激光清除及微粒云雾离子束移除。

其中飞爪/飞网抓捕中比较著名的是2001年欧空局设计的地球静止轨道清理机器人ROGER[X]，该机器人在距离目标约15米处，柔性网将被释放，通过展开、覆盖、收口三个过程来完成对目标的捕获，然后利用连接的系绳将目标运输到废弃轨道。哈尔滨工业大学在此基础上，研制了一套包括飞行平台与弹射捕获装置的飞网在轨捕获系统，当目标进入飞网捕获有效距离内，飞网将进行弹射、展开、收口一系列动作，完成捕获操作，之后可进行变轨操作。整个系统包括自由飞行平台和网捕获模块。平台设计成六面体，围绕在四周的是4个夹层的太阳能电池板，可为其他组件提供支持。该系统采用的是直接抛射飞网的简单形式，使用弹射装置将飞网弹出，并用质量块牵引飞网抛射展开。飞网捕获主要存在两方面问题：1.动力学模型复杂，现有的建模方法准确度不够导致整个系统难以控制。2.飞网在展开过程中容易发生翻滚缠绕，展开过程不可控，展开后网形不易控制，具有不确定性。

电动力绳索移除技术是移除系统接近碎片，将其携带的金属绳索的一端安装在要移除的碎片上，并释放金属绳索的另一端，利用地球磁场产生的拖拽力改变碎片轨道，从而达到移除目的。这种方法同样存在缆绳展开及动力学控制问题，且磁场产生的拖拽力较小，空间碎片的移除时间通常比较长，效率低下。

电动碎片清除器主要运行在低地球轨道上，利用电动力学原理，通过太阳电池翼转化电能，在导线中形成电流，由其中一端的电子发射器发射电子，飞行器另一端的裸露铝导线收集电子，形成电流回路。由于电动碎片清除器处于地磁场中，所以通过磁场作用便会施加洛伦兹力在导线上，力的大小决定于导线的长度、电流以及磁场的局部场强和方向。这种方式需要事先在飞行器上安装清除器，对于已存在的空间碎片及碰撞产生的碎片没办法很好的实现清除。

激光清除及微粒云雾离子束移除技术目前正处于理论研究层面，尚不具备工程实践的能力。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于空间碎片可靠转移存储的装置，可以实现对空间碎片的有效转移、可靠存储及快速清除，为航天器的在轨运行提供安全的空间环境。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种用于空间碎片可靠转移存储的装置，包括：基架、气动人工肌肉和储存盒；其中，所述气动人工肌肉设置于所述基架上；并且所述气动人工肌肉的内部与所述基架的内部气路相连通；所述基架的底座与储存盒相连接；所述基架的内部气路与气泵相连通；所述气泵通过所述基架的内部气路给所述气动人工肌肉充气；所述气动人工肌肉通过交替运动完成蠕动，将空间碎片转移到储存盒的内部。

上述用于空间碎片可靠转移存储的装置中，所述基架为长方体框架，其中，长方体框架的第一框架和第二框架均设置有框架网格单元；所述第一框架和所述第二框架相对；所述第一框架和所述第二框架均设置有n列框架网格单元，每列框架网格单元中的框架网格单元数量相等；其中，n为正整数。

上述用于空间碎片可靠转移存储的装置中，所述气动人工肌肉包括若干个气动人工肌肉单元；其中，每个气动人工肌肉单元设置于与每个气动人工肌肉单元相对应的框架网格单元；每个气动人工肌肉单元通过气管与所述框架网格单元的内部气路相连通；设置在所述第一框架或所述第二框架的相邻两列气动人工肌肉单元交错布置；设置在所述第一框架的每列气动人工肌肉单元与设置在所述第二框架的每列气动人工肌肉单元一一对应；设置在所述第一框架或所述第二框架上的相邻两列气动人工肌肉单元充气状态相反，设置在所述第一框架的每列气动人工肌肉单元和与设置在所述第一框架的每列气动人工肌肉单元一一对应的设置在所述第二框架的每列气动人工肌肉单元充气状态相同，从而将空间碎片转移到储存盒的内部。

上述用于空间碎片可靠转移存储的装置中，每个气动人工肌肉单元均包括：进/出气口、网状气动结构、伸缩滑块和固定装置；其中，所述网状气动结构和所述伸缩滑块均套设于所述固定装置的外表面，所述网状气动结构的一端与所述固定装置的一端相连接，所述网状气动结构的另一端与所述伸缩滑块相连接，所述伸缩滑块能够沿着固定装置的中部进行滑动；所述固定装置的另一端开设有进/出气口；所述进/出气口通过气管与所述框架网格单元的内部气路相连通；所述固定装置为内部中空结构；所述固定装置中位于所述网状气动结构内部的部分开设有通孔，用于向所述网状气动结构内部充气。

上述用于空间碎片可靠转移存储的装置中，所述网状气动结构包括气囊和编织网；其中，所述气囊的外表面附有所述编织网。

上述用于空间碎片可靠转移存储的装置中，所述固定装置包括法兰A、法兰B和圆柱体；其中，所述网状气动结构和所述伸缩滑块均套设于所述圆柱体；所述法兰A与所述圆柱体的一端相连接，所述法兰B与所述圆柱体的另一端相连接；所述网状气动结构的一端与所述法兰B相连接；所述伸缩滑块能够沿着所述圆柱体的长度方向进行滑动；

所述圆柱体的另一端开设有通孔，用于向所述网状气动结构内部充气。

上述用于空间碎片可靠转移存储的装置中，所述进/出气口设置有气阀，气阀打开时网状气动结构的充气状态为舒张状态，气阀关闭时网状气动结构的充气状态为收缩状态。

上述用于空间碎片可靠转移存储的装置中，所述储存盒与所述基架的底座相连接的部位设置有开关门。

上述用于空间碎片可靠转移存储的装置中，所述气囊为橡胶气囊。

上述用于空间碎片可靠转移存储的装置中，所述编织网为纤维编织网。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明通过气动人工肌肉的输送结构可以实现对空间碎片的可靠转移，为空间碎片的清除提供了一种新的可行之法；

(2)本发明选用气动人工肌肉作为蠕动空间碎片的动力执行元件，气动人工肌肉具有输出功率大、输出力/自重比大、良好的柔顺性及冲击性、重量轻机构简单等特点，且输送效率相比于传统的碎片清除的方法较高；

(3)本发明的气动人工肌肉输送结构具有可叠加性与多样性，在空间碎片的可靠转移与储存中可独立存在并进行不同单元协同工作，可以很好的适应大小不一、形状各异的空间碎片；

(4)本发明通过储存盒可以实现对空间碎片的有效储存，储存盒的快速更换可以实现整套装置的重复使用；

(5)本发明整个装置的气路为闭环状态，正常工作下不会有气体的外泄，维护方便，且不容易对装置的位姿控制造成干扰。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的用于空间碎片可靠转移存储的装置的结构示意图；

图2(a)是本发明实施例提供的泄气状态的气动人工肌肉单元的结构示意图；

图2(b)是本发明实施例提供的充气状态的气动人工肌肉单元的结构示意图；

图3是本发明可输送转移空间碎片最大包络范围说明图；

图4是本发明实施例提供的空间碎片蠕动传送工作原理示意图；

图5是本发明实施例提供的交错布置的气动肌肉单元示意图

图6是本发明实施例提供的空间碎片连续输送过程的主视图；

图7是本发明实施例提供的空间碎片连续输送过程的左视图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明实施例提供的用于空间碎片可靠转移存储的装置的结构示意图。如图1所示，该用于空间碎片可靠转移存储的装置，其特征在于包括：基架1、气动人工肌肉2和储存盒3；其中，气动人工肌肉2设置于基架1上；并且气动人工肌肉2的内部与基架1的内部气路相连通；基架1的底座与储存盒3相连接；基架1的内部气路与气泵相连通；气泵通过基架1的内部气路给气动人工肌肉2充气；气动人工肌肉2通过交替运动完成蠕动，将空间碎片转移到储存盒3的内部。

其中基架1构成整套装置的基本框架，主要有两个方面的作用：搭载气动人工肌肉单元2；基架内部设计有气路通道，可以保证每个气动人工肌肉单元可以就近获得气源。气动人工肌肉通过交错分布、交替运动完成蠕动，实现对空间碎片的可靠转移。储存盒3用来储存收纳空间碎片，同时具有标准接口可以实现快速拆装和更换。

如图1和图7所示，基架1为长方体框架，其中，长方体框架的第一框架、第二框架、第三框架和第四框架均设置有框架网格单元；第一框架和第二框架相对，第三框架和第四框架相对；第一框架和第二框架均设置有n列框架网格单元，每列框架网格单元中的框架网格单元数量相等。具体的，第一框架为图1中的左框架，第二框架为图1中的右框架，第三框架为图1中的前框架，第四框架为图1中的后框架。第三框架和第四框架均可以设置或不设置框架网格单元，优选的，第三框架和第四框架均设置有m列框架网格单元。

如图3所示，长方体框架的长度、宽度为：

a＝n·Δx

b＝m·Δx

式中为a长方体框架的长度，b为长方体框架的宽度；n为第一、第二网路框架网格单元的列数，m为第三、第四网路框架网格单元的列数；Δx为单个网格单元的宽度。长方体框架的长、宽确定了所能转移及存储碎片的最大包络空间，即碎片在二维平面内的投影面积应该≤a·b。长方体框架中的每一个网络单元都是模块化的，可以实现快速的的更换加装，因此合理的设计长方体框架的长宽尺寸可以使其适应不同大小的空间碎片，实现对大小不一、形状各异碎片的通用转移及存储。

基架1采用铝合金加工而成且中央留有气路，可以保证每个气动热工肌肉的就近供气。储存盒3用于储存通过蠕动输送来的空间碎片。储存盒的开口与基架的底座大小相适配，且配备有开关门，可以保证在气动人工肌肉单元不工作的时候，整个储存盒是封闭的，防止已进入的空间碎片发生逃逸。

如图1、图5、图6和图7所示，气动人工肌肉2包括若干个气动人工肌肉单元；其中，每个气动人工肌肉单元设置于与每个气动人工肌肉单元相对应的框架网格单元；每个气动人工肌肉单元通过气管与框架网格单元的内部气路相连通。

设置在第一框架、第二框架、第三框架或第四框架的相邻两列气动人工肌肉单元交错布置；设置在第一框架的每列气动人工肌肉单元与设置在第二框架的每列气动人工肌肉单元一一对应。第三框架和第四框架可以不设置气动人工肌肉单元，也可以不设置气动人工肌肉单元。图1中第三框架和第四框架均设置了1列气动人工肌肉单元。设置在第三框架的每列气动人工肌肉单元与设置在第四框架的每列气动人工肌肉单元一一对应。

设置在第一框架或第二框架上的相邻两列气动人工肌肉单元充气状态相反，设置在第一框架的每列气动人工肌肉单元和与设置在第一框架的每列气动人工肌肉单元一一对应的设置在第二框架的每列气动人工肌肉单元充气状态相同，从而将空间碎片转移到储存盒3的内部。

进一步需要解释的是，图1中的第一框架和第二框架都设置了4列气动人工肌肉单元，如图5所示，相邻两列气动人工肌肉单元交错布置，第一列气动人工肌肉单元和第三列气动人工肌肉单元的布置一样，第二列气动人工肌肉单元和第四列气动人工肌肉单元的布置一样。第一框架的第一列气动人工肌肉单元与第二框架的第一列气动人工肌肉单元的布置一样，第一框架的第二列气动人工肌肉单元与第二框架的第二列气动人工肌肉单元的布置一样，第一框架的第三列气动人工肌肉单元与第二框架的第三列气动人工肌肉单元的布置一样，第一框架的第四列气动人工肌肉单元与第二框架的第四列气动人工肌肉单元的布置一样。

装置中的人工肌肉单元在气压驱动下产生收缩与舒张变形且具有较大的输出应力，在纵向及横变形的综合作用下完成蠕动动作，实现对空间碎片的可靠转移过程，其工作原理如图4所示。两交错布置的气动肌肉对空间碎片起到限位作用，其中气动肌肉B、C为收缩状态，在X方向上收缩在Y方向上舒张，气动肌肉A、D为舒张状态，在X方向上舒张在Y方向上收缩。在四个气动肌肉收缩力的作用下产生对空间碎片的推力，从而完成对空间碎片的输送过程。

如图2(a)和图2(b)所示，进/出气口21、网状气动结构22、伸缩滑块23和固定装置24；其中，网状气动结构22和伸缩滑块23均套设于固定装置24的外表面，网状气动结构22的一端与固定装置24的一端相连接，网状气动结构22的另一端与伸缩滑块23相连接，伸缩滑块23能够沿着固定装置24的中部进行滑动；固定装置24的另一端开设有进/出气口21；进/出气口21通过气管与框架网格单元的内部气路相连通；固定装置24为内部中空结构；固定装置24中位于网状气动结构22内部的部分开设有通孔，用于向网状气动结构22内部充气。网状气动结构22包括橡胶气囊和纤维编织网；其中，橡胶气囊的外表面附有纤维编织网。进/出气口21设置有气阀，气阀打开时网状气动结构22的充气状态为舒张状态，气阀关闭时网状气动结构22的充气状态为收缩状态。

气动人工肌肉工作原理如图2(a)和图2(b)所示，可以划分为进/出气口21、网状气动结构22、伸缩滑块23、固定装置24四部分。进/出气口21通过气阀的控制实现进出气；网状气动结构22包含橡胶气囊和纤维编织网两部分，橡胶气囊外附纤维编织网，其中橡胶气囊充气胀大，纤维编织网受力会发生弯曲，使得整个网状气动结构在每次充气时都可以发生固定样式的变形。网状气动结构泄气时如图2(a)所示，充气时如图2(b)所示，固定装置通过机械连接的方式将气动人工肌肉固定在基架上；伸缩滑块23可以沿着固定装置24进行滑动，充气时网状气动结构中的纤维编织网受力发生弯曲，牵引整个伸缩滑块23沿着固定装置24滑动。

人工肌肉单元结构如图2(a)和图2(b)所示，主要进/出气口、网状气动结构、伸缩滑块及固定装置组成，其中网状气动结构由内部橡胶气囊及外部尼龙纤维网组成，尼龙纤维具有很好的耐磨性、回弹性、耐热性等优良性能。

当气动结构充气时，橡胶气囊因弹性变形压迫外部编织网，由于编织网刚度很大，限制其只能径向变形，直径变大，长度缩短；反之，当放气时气动人工肌肉弹性回缩，直径变细，长度增加，在气动人工肌肉伸缩的过程中，由于伸缩滑块的限制作用，故其只能做径向伸缩移动。该设计的气动人工肌肉单元在工作过程中皆为间歇性往复运动，为保证对空间碎片的连续运输转移，故采用对人工肌肉呈列交错布置。

如图5为交错布置的气动肌肉单元，其中：1-4为相位不同的人工肌肉输送列，工作时，气囊工作压力符合各自的控制规律，通过气动肌肉交错布置的方法来避免蠕动的间歇性缺陷，从而实现空间碎片蠕动输送的连续性，且相隔两列气动肌肉实现同步作用，从而保证对碎片输送的稳定性要求。

人工肌肉单元作为执行元件做间歇性往复运动，采用交错布置方式实现对空间碎片的连续性输送，其连续工作过程如图5和图6所示。碎片蠕动输送工作时，左右相邻气动肌肉组处在相反的收缩舒张状态，左右相隔气动肌肉组处在相同工作状态，通过气动肌肉交替伸缩舒张对空间碎片产生连续的推力作用，保证碎片在任何状态下具有四个收缩的人工肌肉对其产生限位作用，从而完成对碎片的蠕动连续输送过程，保证输送可靠性及连续性。

如图2(a)和图2(b)所示，固定装置24包括法兰A241、法兰B242和圆柱体243；其中，网状气动结构22和伸缩滑块23均套设于圆柱体243；法兰A241与圆柱体243的一端相连接，法兰B242与圆柱体243的另一端相连接；网状气动结构22的一端与法兰B242相连接；伸缩滑块23能够沿着圆柱体243的长度方向进行滑动；圆柱体243的另一端开设有通孔，用于向网状气动结构22内部充气。

本发明通过气动人工肌肉的输送结构可以实现对空间碎片的可靠转移，为空间碎片的清除提供了一种新的可行之法；本发明选用气动人工肌肉作为蠕动空间碎片的动力执行元件，气动人工肌肉具有输出功率大、输出力/自重比大、良好的柔顺性及冲击性、重量轻机构简单等特点，且输送效率相比于传统的碎片清除的方法较高；本发明的气动人工肌肉输送结构具有可叠加性与多样性，在空间碎片的可靠转移与储存中可独立存在并进行不同单元协同工作，可以很好的适应大小不一、形状各异的空间碎片；本发明通过储存盒可以实现对空间碎片的有效储存，储存盒的快速更换可以实现整套装置的重复使用；本发明整个装置的气路为闭环状态，正常工作下不会有气体的外泄，维护方便，且不容易对装置的位姿控制造成干扰。

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 (8)

1.一种用于空间碎片可靠转移存储的装置，其特征在于包括：基架(1)、气动人工肌肉(2)和储存盒(3)；其中，

所述气动人工肌肉(2)设置于所述基架(1)上；并且所述气动人工肌肉(2)的内部与所述基架(1)的内部气路相连通；

所述基架(1)的底座与储存盒(3)相连接；

所述基架(1)的内部气路与气泵相连通；

所述气泵通过所述基架(1)的内部气路给所述气动人工肌肉(2)充气；所述气动人工肌肉(2)通过交替运动完成蠕动，将空间碎片转移到储存盒(3)的内部；

所述基架(1)为长方体框架，其中，长方体框架的第一框架和第二框架均设置有框架网格单元；所述第一框架和所述第二框架相对；所述第一框架和所述第二框架均设置有n列框架网格单元，每列框架网格单元中的框架网格单元数量相等；其中，n为正整数；

所述气动人工肌肉(2)包括若干个气动人工肌肉单元；其中，

每个气动人工肌肉单元设置于与每个气动人工肌肉单元相对应的框架网格单元；

每个气动人工肌肉单元通过气管与所述框架网格单元的内部气路相连通；

设置在所述第一框架或所述第二框架的相邻两列气动人工肌肉单元交错布置；设置在所述第一框架的每列气动人工肌肉单元与设置在所述第二框架的每列气动人工肌肉单元一一对应；

设置在所述第一框架或所述第二框架上的相邻两列气动人工肌肉单元充气状态相反，设置在所述第一框架的每列气动人工肌肉单元和与设置在所述第一框架的每列气动人工肌肉单元一一对应的设置在所述第二框架的每列气动人工肌肉单元充气状态相同，从而将空间碎片转移到储存盒(3)的内部。

2.根据权利要求1所述的用于空间碎片可靠转移存储的装置，其特征在于：每个气动人工肌肉单元均包括：进/出气口(21)、网状气动结构(22)、伸缩滑块(23)和固定装置(24)；其中，

所述网状气动结构(22)和所述伸缩滑块(23)均套设于所述固定装置(24)的外表面，所述网状气动结构(22)的一端与所述固定装置(24)的一端相连接，所述网状气动结构(22)的另一端与所述伸缩滑块(23)相连接，所述伸缩滑块(23)能够沿着固定装置(24)的中部进行滑动；

所述固定装置(24)的另一端开设有进/出气口(21)；

所述进/出气口(21)通过气管与所述框架网格单元的内部气路相连通；

所述固定装置(24)为内部中空结构；

所述固定装置(24)中位于所述网状气动结构(22)内部的部分开设有通孔，用于向所述网状气动结构(22)内部充气。

3.根据权利要求2所述的用于空间碎片可靠转移存储的装置，其特征在于：所述网状气动结构(22)包括气囊和编织网；其中，所述气囊的外表面附有所述编织网。

4.根据权利要求2所述的用于空间碎片可靠转移存储的装置，其特征在于：所述固定装置(24)包括法兰A(241)、法兰B(242)和圆柱体(243)；其中，

所述网状气动结构(22)和所述伸缩滑块(23)均套设于所述圆柱体(243)；

所述法兰A(241)与所述圆柱体(243)的一端相连接，所述法兰B(242)与所述圆柱体(243)的另一端相连接；

所述网状气动结构(22)的一端与所述法兰B(242)相连接；

所述伸缩滑块(23)能够沿着所述圆柱体(243)的长度方向进行滑动；

所述圆柱体(243)的另一端开设有通孔，用于向所述网状气动结构(22)内部充气。

5.根据权利要求2所述的用于空间碎片可靠转移存储的装置，其特征在于：所述进/出气口(21)设置有气阀，气阀打开时网状气动结构(22)的充气状态为舒张状态，气阀关闭时网状气动结构(22)的充气状态为收缩状态。

6.根据权利要求1所述的用于空间碎片可靠转移存储的装置，其特征在于：所述储存盒(3)与所述基架(1)的底座相连接的部位设置有开关门。

7.根据权利要求3所述的用于空间碎片可靠转移存储的装置，其特征在于：所述气囊为橡胶气囊。

8.根据权利要求3所述的用于空间碎片可靠转移存储的装置，其特征在于：所述编织网为纤维编织网。