CN115779288A - 一种适用于空间非合作目标捕获的可收口自主机动绳网 - Google Patents

Abstract

本发明为一种适用于空间非合作目标捕获的可收口自主机动绳网。包括多边形柔性绳网，多边形柔性绳网的每一个角处均设有一个与自主机动单元连接的连接绳，每一个自主机动单元均配设连接绳切断机构，多边形柔性绳网的每一个边外均设有牵拉绳，牵拉绳的两端分别与两侧的自主机动单元连接，牵拉绳中部穿过柔性绳网边上设置的绳环，多边形柔性绳网每个边的两端部均设有单向锁止卡扣，每一个牵拉绳的两端分别穿过一个单向锁止卡扣与自主机动单元连接，单向锁止卡扣使得牵拉绳单向运动、即使得每一个牵拉绳上的两个单向锁止卡扣可以相对的相向运动。本发明具有可收口、收口后不会再次张开的特点，具有能够防止捕获到的空间碎片发生逃逸现象的优势。

Description

一种适用于空间非合作目标捕获的可收口自主机动绳网

技术领域

本发明属于空间碎片清理领域，具体涉及一种适用于空间非合作目标捕获的可收口自主机动绳网。

背景技术

非合作目标指被探测目标的真实位置信息除了传感器可以直接量测之外，再无任何其他技术手段能够获取目标的准确位置，例如失效或故障航天器、敌方航天器、空间碎片等。到目前为止，人类完成了超过五千次的航天发射任务。然而，随着航天器老化、发生碰撞受损，越来越多失去功能的航天器及其碎片被滞留在太空中，占据了大量宝贵的轨道资源。同时，也大大增加了其他正常卫星遭受撞击的风险，因此清理空间碎片刻不容缓。在空间碎片清理领域，空间柔性绳网捕捉离轨是一种新兴的清理技术。此技术以一张柔性绳网包裹目标物并通过绳索与自主机动单元形成可靠的组合体，之后自主机动单元拖曳目标物执行离轨清理的任务。在清理任务过程中，柔性绳网的四角分别固定在四个自主机动单元上，自主机动单元带动绳网向目标空间碎片靠近，并将绳网的展开面积尽可能拉大，利用柔性绳网对目标空间碎片进行捕获，之后在自主机动单元的拖曳下完成清理任务。

之前的捕获方案是柔性绳网通过四根连接绳直接固定在自主机动单元上，绳网捕获到空间碎片后，绳网对空间碎片起承托作用，并推动空间碎片完成离轨。

但是此方案存在以下两个问题：

1、绳网仅对空间碎片起到承托作用，绳网无法完成收口动作，进而没有对空间碎片起到位置限制的作用，在离轨的过程中有可能出现空间碎片逃逸的现象，给其他轨道上卫星的正常运行带来风险。

2、绳网仅通过四根连接绳与自主机动单元直接连接组成组合体，该连接方式缺少过渡缓冲，当绳网捕捉到空间碎片时，撞击带来的扰动会影响到自主机动单元的姿态稳定性，这会给自主机动单元的姿轨控策略带来困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于空间非合作目标捕获的可收口自主机动绳网。本发明利用单向锁止卡扣保证绳网完成收口动作，并保证收口后绳网不会再次张开，进而保证空间碎片在拖曳离轨过程中不会发生逃逸现象；另外，绳网与自主机动单元之间除了通过连接绳直接连接固定外，还通过牵拉绳将绳网与自主机动单元进行间接连接，在绳网将要与空间碎片发生撞击时，自主机动单元能够将连接绳切断，进而减小因撞击带来的扰动对自主机动单元姿态稳定性的影响。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种适用于空间非合作目标捕获的可收口自主机动绳网，包括多边形柔性绳网，多边形柔性绳网的每一个角处均设有一个与自主机动单元连接的连接绳，每一个自主机动单元均配设连接绳切断机构，多边形柔性绳网的每一个边外均设有牵拉绳，牵拉绳的两端分别与两侧的自主机动单元连接，牵拉绳中部穿过柔性绳网边上设置的绳环，多边形柔性绳网每个边的两端部均设有单向锁止卡扣，每一个牵拉绳的两端分别穿过一个单向锁止卡扣与自主机动单元连接，单向锁止卡扣使得牵拉绳单向运动、即使得每一个牵拉绳上的两个单向锁止卡扣可以相对的相向运动，不可以相对的背离运动。

进一步的，多边形柔性绳网每个边上的绳环设置在两个单向锁止卡扣之间，绳环的数量至少为一个，当大于一个时，均匀设置。

进一步的，自主机动单元的数量和多边形柔性绳网的边数相同，均为四。

进一步的，单向锁止卡扣包括壳体、扭簧和压块；

壳体相对的两端分别设置了可供牵拉绳以及多边形柔性绳网的边绳穿过的孔洞，扭簧一端固定设置在壳体的孔洞上，扭簧另一端伸入压块的孔洞内，且扭簧处于自然状态时，扭簧一端在压块的孔洞内限位；壳体供边绳穿过的孔洞上与压块相配合的位置设有缺口，压块底端通过缺口压在边绳上，压块另一端通过轴承设置在壳体上；

由于扭簧的限制作用，压块可绕轴承顺时针转动，使边绳向绳网中心运动，当边绳有远离绳网中心抽出的趋势时，由于扭簧的限制，压块紧压边绳使之无法抽出，保证边绳只能单向抽出，保证柔性绳网在收口过程中及收口动作完成后绳网不会张开。

一种采用上述的可收口自主机动绳网进行目标捕获的方法，包括如下步骤：

步骤(1)：在抵近阶段为整体机动状态，柔性绳网随机构整体进行机动，在承受提供加速度的力的同时保持形状，通过连接绳将柔性绳网接连在自主机动单元上；

步骤(2)：机构完成对非合作目标的对轴任务后，机构开始加速以靠近非合作目标，与非合作目标相对速度达到设定值后关闭动力模块，匀速靠近非合作目标，在匀速阶段期间，自主机动单元主动切断柔性绳网的连接绳，柔性绳网处于预变形状态；

步骤(3)：机构在与非合作目标接触后，柔性绳网开始收缩，柔性绳网的边绳沿着牵拉绳向中间滑移，开始收口过程，边绳两端的单向锁止卡扣在边绳向中间滑移过程中起绳环的作用，若边绳有再次松开的趋势时，则进行单向锁止，防止收口后因网口再次张开导致非合作目标逃逸；

步骤：可收口自主机动绳网完成收口任务，非合作目标在柔性绳网内无法逃逸，机构完成对非合作目标的在轨捕获任务。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明采用4个自主机动单元保证了机构具有高精度的自主机动能力，相比于传统绳网捕获非合作目标方案具有捕获精度高的优势；同时，通过调整自主机动单元的姿态、位置，即可调整绳网的展开面积，相比于传统绳网机构具有展开率高的优势；

(2)本发明设计的可收口自主机动绳网具有可收口、收口后不会再次张开的特点，相比于传统的自主机动绳网，具有能够防止捕获到的空间碎片发生逃逸现象的优势；

(3)本发明设计的可收口自主机动绳网在柔性绳网与空间碎片发生接触、碰撞之前，自主机动单元能够切断柔性绳网的连接绳，进而柔性绳网与自主机动单元之间不再有直接连接，只有通过牵拉绳建立的间接连接，在柔性绳网与空间碎片发生碰撞后，与不剪断连接绳的传统方案相比，所产生的扰动对自主机动单元姿态稳定性的影响显著减小。

附图说明

图1为本发明的可收口自主机动绳网组成示意图。

图2为本发明的单向锁止卡扣结构示意图；其中图(a)为三维示意图，(b)为二维示意图，(c)为限位细节放大图。

图3为可收口自主机动绳网工作流程示意图；其中图(a)为抵近阶段，(b)绳网预变形阶段，(c)绳网收口阶段，(d)空间碎片捕获完成状态。

附图标记说明：

1-自主机动单元，2-单向锁止卡扣，3-柔性绳网，4-牵拉绳，5-绳环，6-连接绳，7-单向锁止卡扣壳体，8-扭簧，9-压块。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案：

如图1所示，本发明所述的一种适用于空间非合作目标捕获的可收口自主机动绳网，它由自主机动单元1，单向锁止卡扣2，柔性绳网3，牵拉绳4，绳环5等组成。柔性绳网3是整个机构的主体部分，柔性绳网3的4条边界绳称为边绳，在每条边绳的中点设置了一个绳环5，在每条边绳的两端设置了2个单向锁止卡扣2，连接绳6是柔性绳网3的一部分，每条连接绳6分别与一个自主机动单元1相连；每个自主机动单元1底部能连接固定3根绳索，这3根绳索分别是一根连接绳6与两根牵拉绳4，四个自主机动单元1通过四根连接绳6与柔性绳网3直接连接；牵拉绳4一端固定在一个自主机动单元1上，另一端先穿过边绳上距离最近的单向锁止卡扣2，再穿过同一根边绳上的绳环5，再穿过同一根边绳上的另一个单向锁止卡扣2，最后与相邻的自主机动单元1相连，剩余的3根牵拉绳4按上述方法设置，便完成了自主机动单元1-牵拉绳4-柔性绳网3之间的间接连接关系。在连接绳6未被剪断之前，整个机构同时存在直接连接与间接连接。

如图2所示，所述的单向锁止卡扣2包括壳体7、扭簧8、压块9；所述的壳体7在上、下两端分别设置了可供牵拉绳4、边绳穿过的孔洞，在左端设置了限制扭簧8位置的孔洞；所述的扭簧8一端伸入壳体7中，另一端伸入压块9中，并与压块9的缺口的左侧壁面相切；所述的压块9底端压着边绳，由于扭簧8的限制作用，压块9只能绕轴承做较小幅度的顺时针转动，使边绳可以向左抽出，当边绳有向右抽出的趋势时，由于扭簧8的限制，压块9会紧紧压住边绳使之无法抽出，保证了边绳只能单向抽出，进而保证了柔性绳网3在收口过程中及收口动作完成后绳网不会张开；

如图3(a)所示，机构在抵近阶段为整体机动状态，柔性绳网3随机构整体进行机动，需要在承受提供加速度的力的同时保持形状，所以通过连接绳6将柔性绳网3直接连在自主机动单元1上以避免柔性绳网3自身缠绕；

如图3(b)所示，机构在抵近阶段调整好自身姿态后，即机构完成对非合作目标的对轴任务后，机构开始加速以靠近非合作目标，与非合作目标相对速度达到设定值后关闭动力模块，以此相对速度匀速靠近非合作目标，在匀速阶段期间，自主机动单元1主动切断柔性绳网3四角的连接绳6，此时柔性绳网3处于预变形状态，这样处理的原因是：在柔性绳网接触到非合作目标的一瞬间，会对柔性绳网3产生冲击，若非合作目标自身旋转，冲击则更加剧烈，切断连接绳6，即断开柔性绳网3与自主机动单元1的直接连接，可以减少冲击给自主机动单元1造成的影响，匀速运动期间柔性绳网3不再受力，切断连接绳6的情况下仍可保持形状；

如图3(c)所示，机构在与非合作目标接触后，柔性绳网3开始收缩，柔性绳网3的4根边绳沿着牵拉绳4向中间滑移，开始收口过程，边绳两端的单向锁止卡扣2在边绳向中间滑移过程中起绳环6的作用，若边绳有再次松开的趋势时，则进行单向锁止，防止收口后因网口再次张开导致非合作目标逃逸；

如图3(d)所示，可收口自主机动绳网完成收口任务，非合作目标在柔性绳网3内无法逃逸，机构完成对非合作目标的在轨捕获任务。

Claims (5)

1.一种适用于空间非合作目标捕获的可收口自主机动绳网，其特征在于，包括多边形柔性绳网(3)，多边形柔性绳网(3)的每一个角处均设有一个与自主机动单元(1)连接的连接绳(6)，每一个自主机动单元(1)均配设连接绳切断机构，多边形柔性绳网(3)的每一个边外均设有牵拉绳(4)，牵拉绳(4)的两端分别与两侧的自主机动单元(1)连接，牵拉绳(4)中部穿过柔性绳网(3)边上设置的绳环(5)，多边形柔性绳网(3)每个边的两端部均设有单向锁止卡扣(2)，每一个牵拉绳(4)的两端分别穿过一个单向锁止卡扣(2)与自主机动单元(1)连接，单向锁止卡扣(2)使得牵拉绳(4)单向运动、即使得每一个牵拉绳上的两个单向锁止卡扣(2)可以相对的相向运动，不可以相对的背离运动。

2.根据权利要求1所述的可收口自主机动绳网，其特征在于，多边形柔性绳网(3)每个边上的绳环(5)设置在两个单向锁止卡扣(2)之间，绳环(5)的数量至少为一个，当大于一个时，均匀设置。

3.根据权利要求2所述的可收口自主机动绳网，其特征在于，自主机动单元(1)的数量和多边形柔性绳网(3)的边数相同，均为四。

4.根据权利要求3所述的可收口自主机动绳网，其特征在于，单向锁止卡扣(2)包括壳体(7)、扭簧(8)和压块(9)；

壳体(7)相对的两端分别设置了可供牵拉绳(4)以及多边形柔性绳网(3)的边绳穿过的孔洞，扭簧(8)一端固定设置在壳体的孔洞上，扭簧(8)另一端伸入压块(9)的孔洞内，且扭簧处于自然状态时，扭簧一端在压块的孔洞内限位；壳体供边绳穿过的孔洞上与压块相配合的位置设有缺口，压块(9)底端通过缺口压在边绳上，压块(9)另一端通过轴承设置在壳体上；

由于扭簧(8)的限制作用，压块(9)可绕轴承顺时针转动，使边绳向绳网中心运动，当边绳有远离绳网中心抽出的趋势时，由于扭簧(8)的限制，压块(9)紧压边绳使之无法抽出，保证边绳只能单向抽出，保证柔性绳网(3)在收口过程中及收口动作完成后绳网不会张开。

5.一种采用权利要求1-4任一项所述的可收口自主机动绳网进行目标捕获的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)：在抵近阶段为整体机动状态，柔性绳网(3)随机构整体进行机动，在承受提供加速度的力的同时保持形状，通过连接绳(6)将柔性绳网(3)接连在自主机动单元(1)上；

步骤(2)：机构完成对非合作目标的对轴任务后，机构开始加速以靠近非合作目标，与非合作目标相对速度达到设定值后关闭动力模块，匀速靠近非合作目标，在匀速阶段期间，自主机动单元(1)主动切断柔性绳网(3)的连接绳(6)，柔性绳网(3)处于预变形状态；

步骤(3)：机构在与非合作目标接触后，柔性绳网(3)开始收缩，柔性绳网的边绳沿着牵拉绳(4)向中间滑移，开始收口过程，边绳两端的单向锁止卡扣(2)在边绳向中间滑移过程中起绳环的作用，若边绳有再次松开的趋势时，则进行单向锁止，防止收口后因网口再次张开导致非合作目标逃逸；

步骤(4)：可收口自主机动绳网完成收口任务，非合作目标在柔性绳网(3)内无法逃逸，机构完成对非合作目标的在轨捕获任务。

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