一种用于废弃航天器捕获的飞网弹射捕获装置的制作方法

专利名称：一种用于废弃航天器捕获的飞网弹射捕获装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于废弃航天器捕获的飞网弹射捕获装置，特别涉及用于废弃航天器在轨捕获与轨道重置的飞网弹射捕获装置，属于空间机构设计领域。
背景技术：
近年来，随着在轨废弃航天器相互撞击事件的不断发生，空间碎片问题越来越受到各国的重视。空间碎片是指宇宙空间当中除了正常工作的航天器以外的滞留与空间的人造物体。空间碎片处于不可控的高速飞行状态，对正常工作的航天器构成致命的威胁。空间碎片产生模式分析表明，废弃航天器(包括使用寿命耗尽以及故障航天器、火箭末级等)在空间碎片总数当中所占的比例虽小，但却是空间碎片增长的关键源头。为了有效降低废弃航天器对空间碎片数量增长的推动作用，从源头上抑制空间碎片数量的增长，各国航天机构主要采取了以下措施a、航天器的钝化。即运载火箭和卫星在任务结束时排净剩余的燃料，避免发生燃料储筒爆炸。b、航天器自主离轨。自主离轨会增加航天器的燃料消耗。C、航天器轨道重置。航天器在寿命末期采取轨道机动策略，使自身轨道降低到一定高度，使其在较短时间内自然陨落。但轨道机动措施会使卫星机动能力和燃料方面付出过高的代价，事实上难以实施。为减少废弃航天器在轨滞留的数量，有效抑制空间环境的恶化趋势，就必须寻求和发展一种废弃航天器主动清理技术，而空间机器人系统则因其具备的目标抓捕功能受到了闻度的关注。空间机器人是指一类具备在轨自主操作功能的航天器的总称，一般由飞行平台和在轨操作执行机构组成，世界各国已经发射升空和在研的空间机器人系统在轨操作执行机构以空间机械臂为主，空间机械臂的末端装有具备目标抓捕功能的空间机械手，依靠自由飞行基座空间机器人系统能够完成对在轨目标的近距离交会与停靠保持，进而依靠空间机械臂及其末端空间机械手实现对在轨目标的抓捕。然而，若将空间机械手应用于废弃航天器的在轨捕获与清理任务，则存在着极高的难度风险。这是因为废弃航天器为非合作目标，无法与空间机器人系统进行通信协同，且其结构特征呈多样性，找到适于空间机械手抓捕的通用机械接口十分困难，此外废弃航天器一般处于姿态失控的翻滚状态，相对姿态的运动使空间机械手无法实现对废弃航天器特定部位的抓捕。上述分析表明，以空间机械臂为抓捕执行机构的空间机器人系统难以适应废弃航天器在轨抓捕任务的要求，因此必须设计新型抓捕执行机构替代空间机械臂。为了降低废弃航天器抓捕操作的技术难度和任务风险，新型抓捕执行机构应该具备抓捕距离远、误差冗余能力强，无需特定的抓捕机械接口等特点。为了清理地球静止轨道的失效卫星，德国EADS在“Roger”项目当中提出了一种弹簧式飞网弹射捕获装置的构想方案。该装置可以分为飞网和飞网弹射装置两部分，其中飞网主要由本体和四个质量块组成(两个质量块为缠绕电机)，弹射装置主要由飞网储筒，本体结构和储能弹簧组成。飞网在弹射前以压紧状态存储在飞网储筒内，弹簧压紧并储备一定的弹性势能，飞网弹射时弹簧将其势能转换为质量块的动能，使质量块以一定的速度弹出并将飞网带出展开。当飞网包络目标后，缠绕电机启动并开始缠绕网口绳以收紧网口，最终完成目标的捕获。“Roger”的飞网弹射装置优点在于实现了飞网和弹射装置同轴式设计，结构紧凑，便于系统的整体布局。但上述方案仍然存在以下明显缺陷1)上述方案并没有给出如何判断飞网已经完全包络目标。2)缠绕电机收口速度慢，容易造成目标脱靶。3)在空间微重力的条件下，电机的转动会造成自身的翻滚，从而造成飞网的缠绕。4)弹簧压紧释放装置的设计较为复杂，且任何一个发生故障都会导致捕获失败，因此可靠性较低。

发明内容
本发明为进一步提高废弃航天器捕获装置的可靠性及安全性，提出一种用于废弃航天器在轨捕获的飞网弹射捕获装置。所述飞网弹射捕获装置，包括飞网、飞网弹射装置和绳索释放与控制机构。I)所述飞网采用多面体设计，网口为一多边形，飞网的尺寸大小根据待捕获轮廓尺寸进行调整。飞网的组成包括飞网本体、多个单向通卡(四个以上)、多个连接起爆器、多条紧口绳和多个质量块；其中，连接起爆器、紧口绳和质量块的数量相同；飞网本体采用高强度，高韧性纤维材料编织而成；多个紧口绳相互独立，分别通过单向通卡与飞网本体的网口连接，紧口绳与网口的连接点安装一个连接起爆器，另一端安装一个质量块，单向通卡固定安装在网口上，每边数量相同且均匀分布。单向通卡保证紧口绳收紧行程的单向性，且网口收紧后不再松开；具体组成包括紧口绳导向管、多个限位卡钉和多个限位弹簧；紧口绳导向管中空部分为紧口绳通孔，外壁上设有网口绳通孔，每个限位卡钉分别和一个限位弹簧连接，安装在导向管一端。紧口绳表面带有限位凸起，在限位弹簧和限位卡钉的配合作用下只能单向通过单向通卡。连接起爆器包括本体结构、起爆药柱和起爆电极；起爆药柱置于本体结构内，起爆电极位于本体结构下端，与起爆药柱相连；其功能是在飞网展开过程中连接质量块和飞网网口，保证质量块在飞行过程中引导飞网网口逐渐展开，同时使紧口绳避免受力而保持松弛状态。当飞网包络目标后连接起爆器起爆断裂，使紧口绳在质量块剩余动能的引导下迅速收紧网口。质量块的作用为导引飞网飞向目标并逐渐展开。质量块要有较大的质量和外形尺寸一致性，以保证各质量块发射初速度相同。在工程制造过程当中，对质量块和发射筒内表面做钝化和润滑处理，减小质量块与发射筒内表面之间的摩擦，同时防止空间冷焊现象的发生。2)飞网弹射装置采用发射筒与储筒分离的布局，采用火工品发射的方式；其主要功能是定向弹射飞网的质量块，保证飞网质量块在弹射过程中的同步性和弹射速度的一致性，使飞网在质量块的导引下飞向目标并逐渐展开。采用该种方案使飞网储筒部分与质量块弹射机构部分在结构上较为简洁、界面清晰，避免了两者一体化设计带来的结构机构及布局的耦合；此外偏置式飞网弹射装置采用火工品发射质量块，避免了复杂的弹射机构的设计，同时也大大提高了发射过程的可靠性。飞网弹射装置包括发射筒和飞网储筒两部分。其中发射筒包括底座、气腔、排气微孔、多个发射口和发射药柱；多个发射口环绕排气微孔，共同位于底座上方，底座中心为气腔。收紧态飞网本体置于飞网储筒内，每个质量块分别置于一个发射口内，多个发射药柱安装在底座上、气腔中，质量块和发射药柱之间由紧固绳索连接。发射筒中心轴与质量块发射轴向有一定偏角。飞网储筒底端有一通孔，供绳索释放与控制机构的连接绳索通过，并与飞网末端相连。在发射筒中心的发射轴上设计排气微孔，弹射装置在发射入轨过程中逐渐放气，使筒内气压与空间环境气压保持一致，消除内外气压差；紧固绳索保证发射筒内的质量块在未发射之前保持原始安装位置，并在发射药柱点燃瞬间燃断以释放质量块；发射药柱有两个并互为备份，下端分别有两路独立的点火电极，以增加发射装置的可靠性。当发射药柱点燃瞬间，气腔内的气压瞬间增大，同时紧固绳索被燃断，从而将质量块以一定的初速度射出，发射的初速度通过调节发射药柱的装药量进行控制。3)绳索释放与控制机构完成飞网连接绳索的释放与控制，绳索释放与控制机构包括支架、电机、连接绳索、绕轮、码盘计数器和火工切割器；电机安装在支架一侧与绕轮同轴连接安装，连接绳索缠绕在绕轮上，码盘计数器与绕轮同轴安装在其一端，火工切割器安装在支架上端，连接绳索经火工切割器上的通孔与飞网末端连接。在绳索释放过程中电机通过转速控制，实现对绳索张力控制的目的，防止绳索因张力过大发生断裂；码盘计数器具有转数累加功能，且能够间接计算得到绳索释放长度。火工切割器主要功能是当目标在捕获后失控时起爆，切断连接绳索并使目标与系统分离，以避免发生碰撞。本发明的飞网弹射捕获装置的工作流程为1、当失效航天器进入到捕获范围之内时，飞网弹射装置的点火电极通电，发射药柱点燃。2、弹射装置气腔内的压力瞬间增大，紧固绳索燃断，质量块在腔内气压的作用下脱离发射口并飞向失效航天器，码盘计数器同时计算绕轮转过的圈数，质量块引导飞网逐渐展开。3、若飞网包络失效航天器，随后安装在飞网上的连接起爆器起爆断开，在质量块残余动能的牵引下，紧口绳索迅速收紧网口并完成目标捕获；4、若飞网没有包络失效航天器，则当连接绳索释放长度超过设定值后，火工切割器起爆切断连接绳索，使飞网与飞行平台断开并漂离。有益效果本发明的捕获装置采用火工品抛射，在飞向目标的过程当中，飞网能够自行展开并进行构型保持；当飞网完成对目标的包络之后，引导飞网展开的质量块通过自身的残余动能自主收紧网口并锁紧目标，同时进行了安全性设计和可靠性冗余设计，能够保证捕获系统自身安全。相对于现有技术的目标捕获机构，本发明具有以下几个特点a、抓捕距离远，有效作业范围广，无需空间机器人系统过于接近废弃航天器；b、误差冗余能力强，无需特定的抓捕机械接口 、捕获动作迅速，捕获过程安全；d、捕获执行机构与飞行基座的动力学耦合形式简洁；e、质量轻、体积小，便于实现模块化设计。能够作为空间机器人系统的在轨目标捕获执行机构，特别适用于废弃航天器的在轨捕获清理任务。


图1为本发明的飞网弹射捕获装置整体安装结构示意图；图2a为飞网弹射装置的结构示意图；图2b为飞网弹射装置中发射筒的剖面图；图3a为飞网的组成示意图；图3b为飞网的单向通卡的结构示意图；图4为连接系绳的释放控制机构的结构示意图；图5为具体实施方式
中的飞网完成目标捕获的过程示意图；图6为具体实施方式
中的飞网捕获目标后的系统构型；标号说明1_飞网抛射装置，2-连接绳索释放与控制机构，3-第一安装板，4-第二安装板，5-质量块，6-收紧态飞网，7-飞网储筒盖，8-飞网储筒，9-飞网末端的连接绳索，10-排气微孔，11-飞网发射筒与发射轴向的偏角，12-发射药柱，13-抛射装置火工品的起爆电极，14-气腔，15-质量块紧固绳，16-单向通卡，17-连接起爆器，18-飞网本体，19-紧口绳，20-销钉，21-销钉压紧弹簧，22-紧口绳索通孔，23-网口绳索连接孔，24-紧口绳导向管，25-绳系释放控制电机，26-支架，27-绕轮，28-码盘计数器，29-火工切割器，30-火攻切割器走线孔。
具体实施例方式为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明的技术方
案作进一步说明。飞网的组成如图3a所示。本实施例中飞网采用五面体设计，网口为一正方形，飞网本体18的尺寸大小可以根据待捕获轮廓尺寸进行调整，飞网本体采用凯夫拉纤维编织而成，具有强度大、质量轻等特点；整个飞网共装有四条紧口绳19和四个连接起爆器17，相互之间是互为冗余备份关系，只要有一个起爆器打开就能保证飞网可靠收紧，从而提高了飞网的可靠性。单向通卡16的组成如图3b所示。弹射装置的最大捕获距离设计值为100m，发射筒发射方向与轴线间呈4°夹角，使飞网飞行IOOm后网口完全打开；本发明的飞网弹射捕获装置整体安装结构如图1所示，飞网抛射装置I置于第一安装板3上，连接绳索释放与控制机构2置于第二安装板4上。飞网抛射装置的结构如图2a所示，处于收紧状态的飞网6在弹射之前储藏在储筒8内，并由储筒盖7压紧，飞网末端的连接绳索9，连接绳索当中包含火工品的点火起爆的导线，用于输出连接起爆器的起爆电信号。飞网抛射装置的发射筒剖面如图2b所示，排气微孔10在发射入轨过程当中使气腔逐渐放气；飞网发射筒与发射轴向的偏角11大小根据捕获距离和目标的轮廓尺寸进行设计，以保证飞网飞向目标时逐渐展开；发射药柱12与抛射装置火工品的起爆电极13相连，质量块5位于气腔14内，质量块紧固绳15防止在抛射前质量块沿发射轴向发生位移；连接系绳的释放控制机构如图4所示，在飞网抛射过程中控制连接系绳的释放速度，系绳释放与控制机构主要由以下几部分组成绳系释放控制电机25、支架26、绕轮27、码盘计数器28和火工切割器29 ;绳系释放控制电机25对绳系的释放与回收速度进行控制，调节绳系张力；码盘计数器28通过记录绕轮27转动的角度换算得到系绳已经释放的长度；火工切割器29上有火攻切割器走线孔30。连接系绳通过火工切割器走线孔与飞网末端连接，若捕获后因目标姿态翻滚而导致系统失控，火工切割器可迅速切断连接系绳，使飞行平台飞离目标，以保证系统自身安全；飞网捕获目标的流程如图5所示当目标进入捕获范围后，飞网弹射装置指向目标弹射质量块，具有一定动能的质量块通过AB段引导飞网飞向目标并逐渐展开，当飞网在包络目标之前，连接起爆器电极加电起爆并断裂，此时质量块通过AC和AD段与紧口绳连接。当飞网包络目标后，由于飞网在飞行方向上受到目标阻力而减速，从而导致AC和AD段紧口绳在质量块的引导下迅速将网口收紧。飞网捕获目标后的系统构型如图6所示。
权利要求
1.一种用于废弃航天器捕获的飞网弹射捕获装置，其特征在于包括飞网、飞网弹射装置和绳索释放与控制机构；所述飞网包括飞网本体、多个单向通卡、多个连接起爆器、多条紧口绳和多个质量块; 其中，连接起爆器、紧口绳和质量块的数量相同；多个紧口绳相互独立，分别通过单向通卡与飞网本体的网口连接，紧口绳与网口的连接点安装一个连接起爆器，另一端安装一个质量块，单向通卡固定安装在网口上，每边数量相同且均匀分布；所述飞网弹射装置包括发射筒和飞网储筒，二者分离，采用火工品发射方式；其中发射筒包括底座、气腔、排气微孔、多个发射口和发射药柱；多个发射口环绕排气微孔，共同位于底座上方，底座中心为气腔；收紧态飞网本体置于飞网储筒内，每个质量块分别置于一个发射口内，多个发射药柱安装在底座上、气腔中，质量块和发射药柱之间由紧固绳索连接；飞网储筒底端有一通孔，绳索释放与控制机构的连接绳索通过该孔与飞网末端相连；所述绳索释放与控制机构包括支架、电机、连接绳索、绕轮、码盘计数器和火工切割器； 电机安装在支架一侧与绕轮同轴连接安装，连接绳索缠绕在绕轮上，码盘计数器与绕轮同轴安装在其一端，火工切割器安装在支架上端，连接绳索经火工切割器上的通孔与飞网末端连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于废弃航天器捕获的飞网弹射捕获装置，其特征在于所述飞网为多面体，网口为多边形，采用高强度，高韧性纤维材料编织飞网本体，其尺寸大小根据待捕获轮廓尺寸设计。
3.根据权利要求1所述的一种用于废弃航天器捕获的飞网弹射捕获装置，其特征在于单向通卡使得紧口绳单向收紧，且网口收紧后不再松开；具体包括紧口绳导向管、多个限位卡钉和多个限位弹簧；紧口绳导向管中空部分为紧口绳通孔，外壁设有网口绳通孔，每个限位卡钉分别和一个限位弹簧连接，安装在导向管一端。
4.根据权利要求1所述的一种用于废弃航天器捕获的飞网弹射捕获装置，其特征在于紧口绳表面带有限位凸起，在限位弹簧和限位卡钉的作用下单向通过单向通卡。
5.根据权利要求1所述的一种用于废弃航天器捕获的飞网弹射捕获装置，其特征在于连接起爆器包括本体结构、起爆药柱和起爆电极；起爆药柱置于本体结构内，起爆电极位于本体结构下端，与起爆药柱相连；当飞网包络目标后连接起爆器起爆断裂，紧口绳在质量块剩余动能的引导下迅速收紧网口。
6.根据权利要求1所述的一种用于废弃航天器捕获的飞网弹射捕获装置，其特征在于质量块质量大和外形尺寸一致，各质量块发射初速度相同；飞网由质量块导引飞向目标并逐渐展开；质量块和发射筒内表面做钝化和润滑处理。
7.根据权利要求1所述的一种用于废弃航天器捕获的飞网弹射捕获装置，其特征在于发射筒中心轴与质量块发射轴向有偏角。
8.根据权利要求1所述的一种用于废弃航天器捕获的飞网弹射捕获装置，其特征在于排气微孔在发射入轨过程中逐渐放气，使筒内气压与空间环境气压保持一致；发射筒内的质量块在未发射之前由紧固绳索保持原始安装位置，紧固绳索在发射药柱点燃瞬间燃断，释放质量块；发射药柱有两个，互为备份，下端分别有两路独立的点火电极。
9.根据权利要求1所述的一种用于废弃航天器捕获的飞网弹射捕获装置，其特征在于绳索释放过程中，电机通过转速控制绳索张力；码盘计数器的转数累加，计算得到绳索释放长度；火工切割器在捕获目标后失控时起爆，切断连接绳索并使目标与系统分离。·
全文摘要
本发明涉及一种用于废弃航天器捕获的飞网弹射捕获装置，特别涉及用于废弃航天器在轨捕获与轨道重置的飞网弹射捕获装置，属于空间机构设计领域。具体包括飞网、飞网弹射装置和绳索释放与控制机构。本发明的捕获装置采用火工品抛射，在飞向目标的过程当中，飞网能够自行展开并进行构型保持；当飞网完成对目标的包络之后，引导飞网展开的质量块通过自身的残余动能自主收紧网口并锁紧目标，同时进行了安全性设计和可靠性冗余设计，保证捕获系统自身安全。具有质量轻、体积小的优点，便于实现模块化设计；能够作为空间机器人系统的在轨目标捕获执行机构，特别适用于废弃航天器的在轨捕获清理任务。
文档编号B64G4/00GK102991731SQ20121054796
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月17日 优先权日2012年12月17日
发明者翟光, 张景瑞, 张尧 申请人:北京理工大学