一种飞舌抓捕机构及空间目标捕获方法
【专利摘要】一种飞舌抓捕机构及空间目标捕获方法，机构包括驱动弹射机构（1）、飞舌捕获机构（2）、柔性索机构（3）、解锁释放机构（4）、轮转换装机构（5）、瞄校系统（6）、飞行器平台安装板（7）；整个机构通过飞行器平台安装板（7）与飞行器本体刚性连接；瞄校系统（6）确定捕获目标后，驱动弹射机构（1）推动飞舌捕获机构（2）带动柔性索机构（3）从飞舌弹射窗口弹出，飞舌捕获机构（2）捕获目标，需要丢弃目标时，由解锁释放机构（4）切断柔性索机构（3），驱动电机（53）的输出轴与转动内轮环（52）的中心轴连接，由驱动电机（53）带动转动内轮环（52）转动，进而带动下一个飞舌捕获机构（2）位于飞舌弹射窗口位置，进行下一次捕获。
【专利说明】一种飞舌抓捕机构及空间目标捕获方法
【技术领域】
[0001]本发明隶属于航天器总体设计【技术领域】。
【背景技术】
[0002]地球静止轨道(GEO)是稀缺的轨道资源，运行着大量具有战略意义的军用、民用卫星，但也存在着大量空间碎片和废弃卫星，对正常卫星的安全运行产生了严重威胁，能够对GEO空间碎片实施离轨清除的飞行器成为解决该问题的研究重点之一。
[0003]目前常用的空间目标捕获方式可分为刚性与柔性两种类型，其中刚性包括机械臂、锥杆等对接方式，柔性包括飞网、飞爪等。表I对比分析了几种空间捕获方式。
[0004]传统刚性捕获技术虽然在合作目标对接任务中较为成熟，但对于具有一定的姿态机动能力或处于翻转状态的非合作目标，因捕获机构需要与预定捕获位置动态精确对准，这就对飞行器的相对运动(相对位置、速度、姿态、姿态角速度)控制能力提出了苛刻的要求。同时对于高度大于3万公里的GEO轨道，受测控精度、遥操作时延等因素影响，传统的刚性对接将面临很大的难度；另外，废弃卫星的整星自旋、以及太阳翼周期性转动也对捕获飞行器自身安全造成较大威胁。
[0005]飞爪、飞网等柔性捕获系统虽然抓捕距离远，对飞行器本体控制能力要求低，但也有其不足之处:飞爪系统面临着对目标卫星表面情况的依赖性较强等问题；而飞网系统规模庞大，易遭受结构破坏等问题，并且受目标外形影响较大，难以对不同的GEO目标均实施有效抓捕。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题:克服现有技术的不足，提供一种飞舌抓捕机构及空间目标捕获方法。
[0007]本发明的技术方案:一种飞舌抓捕机构，包括驱动弹射机构、飞舌捕获机构、柔性索机构、解锁释放机构、轮转换装机构、瞄校系统、飞行器平台安装板；整个机构通过飞行器平台安装板与飞行器本体刚性连接；飞行器平台安装板上设置飞舌弹射窗口 ；所述的轮转换装机构包括固定外轮环、转动内轮环和驱动电机；飞行器平台安装板位于飞行器本体外部的一侧安装瞄校系统，另一侧固定安装固定外轮环；整个机构至少包括个飞舌捕获机构，每个飞舌捕获机构对应一个驱动弹射机构、一个柔性索机构和一个解锁释放机构；驱动弹射机构与转动内轮环的外端面固定连接，驱动弹射机构的弹射方向上通过解锁释放机构连接柔性索机构和飞舌捕获机构；瞄校系统确定捕获目标后，驱动弹射机构推动飞舌捕获机构带动柔性索机构从飞舌弹射窗口弹出，飞舌捕获机构捕获目标，需要丢弃目标时，由解锁释放机构切断柔性索机构实现，驱动电机的输出轴与转动内轮环的中心轴连接，由驱动电机带动转动内轮环转动，进而带动下一个飞舌捕获机构位于飞舌弹射窗口位置，进行下一次捕获。
[0008]所述的驱动弹射机构包括安装支架A、压簧、锁定销、飞舌安装筒、坐力筒、推力筒、气缸；气缸通过安装支架A固定在固定外轮环上，并为驱动弹射机构提供弹射初始动力，飞舌安装筒固定安装在转动内轮环外端面上，坐力筒安装在飞舌安装筒底部，并与气缸驱动的推力筒接触，坐力筒可相对飞舌安装筒做轴向运动，坐力筒与飞舌安装筒之间安装压簧，通过飞舌捕获机构及锁定销将压簧压装。
[0009]所述的飞舌捕获机构包括球形铰A、结构组件、随形吸附组件、六自由度阻尼器；所述的随形吸附组件包括缓冲记忆材料和高黏吸附材料；
[0010]结构组件前端捕获面呈弧形，弧形中部内置安装六自由度阻尼器，球形铰A的空间位置布置于所述捕获面的形心焦点，通过球形铰A将六自由度阻尼器和柔性索机构连接；缓冲记忆材料贴装在捕获面的外弧面，在缓冲记忆材料表面布置高黏吸附材料，为捕获提供吸附力。
[0011]一种空间目标捕获方法，步骤如下:
[0012]( I)将带有权利要求1所述飞舌抓捕机构的飞行器送入GEO轨道；
[0013](2)飞行器接收地面发送的目标指令信息，依次进行远程导引和进程导引，使飞行器距离目标200m~500m ；
[0014](3)飞行器步骤(2)确定的距离通过姿轨机动，实施主动绕目标飞行探测，初步规划飞舌粘附落点区域；
[0015](4)根据步骤(3)初步规划的飞舌粘附落点区域，飞行器抵近距离目标该区域50-100m的位置，并确定最终的捕获点位置；
[0016](5)飞行器调姿使飞舌弹射窗口对准落点方向，启动飞舌抓捕机构，捕获目标并将目标拖曳至预定位置。
`[0017]所述的拖曳根据目标旋转速度不同采用不同的捕获方式，当目标为慢旋目标时，捕获点距目标质心的方位r和碰撞速度V满足下列关系:rXmv=Ibcot，其中m为飞舌捕获机构质量，Ib为目标转惯量，ω t为目标旋转角速度；当目标为快旋目标时，柔性绳的牵拉力F作用时间t后目标姿态稳定，满足下列关系式:t(rXF)=Ibcot。
[0018]本发明与现有技术相比的有益效果:
[0019]与传统机械臂及在研的飞网、飞爪等捕获方式相比，本发明提出的高轨非合作目标飞舌捕获方法具有操作距离远、操作方式简单、对捕获飞行器飞行控制能力要求低、不受目标外形尺寸影响、捕获系统可小型化设计、捕获过程不会产生碎片等优点。与现有技术的对比情况可参考表1。
[0020]表1空间飞行器捕获方式对比
【权利要求】
1.一种飞舌抓捕机构，其特征在于:包括驱动弹射机构(I)、飞舌捕获机构(2)、柔性索机构(3)、解锁释放机构(4)、轮转换装机构(5)、瞄校系统(6)、飞行器平台安装板(7);整个机构通过飞行器平台安装板(7)与飞行器本体刚性连接；飞行器平台安装板(7)上设置飞舌弹射窗口 ；所述的轮转换装机构(5)包括固定外轮环(51)、转动内轮环(52)和驱动电机(53);飞行器平台安装板(7)位于飞行器本体外部的一侧安装瞄校系统(6)，另一侧固定安装固定外轮环(51);整个机构至少包括5个飞舌捕获机构(2),每个飞舌捕获机构(2)对应一个驱动弹射机构(I)、一个柔性索机构(3)和一个解锁释放机构(4);驱动弹射机构(I)与转动内轮环(52)的外端面固定连接，驱动弹射机构(I)的弹射方向上通过解锁释放机构(4)连接柔性索机构(3)和飞舌捕获机构(2);瞄校系统(6)确定捕获目标后，驱动弹射机构(I)推动飞舌捕获机构(2)带动柔性索机构(3)从飞舌弹射窗口弹出，飞舌捕获机构(2)捕获目标，需要丢弃目标时，由解锁释放机构(4)切断柔性索机构(3)实现，驱动电机(53)的输出轴与转动内轮环(52 )的中心轴连接，由驱动电机(53 )带动转动内轮环(52 )转动，进而带动下一个飞舌捕获机构(2)位于飞舌弹射窗口位置，进行下一次捕获。
2.根据权利要求1所述的一种飞舌抓捕机构，其特征在于:所述的驱动弹射机构包括安装支架A (11)、压簧(12)、锁定销(13)、飞舌安装筒(14)、坐力筒(15)、推力筒(16)、气缸(17)； 气缸17通过安装支架A (11)固定在固定外轮环(51)上，并为驱动弹射机构(I)提供弹射初始动力，飞舌安装筒(14)固定安装在转动内轮环(52 )外端面上，坐力筒(15 )安装在飞舌安装筒(14)底部，并与气缸(17)驱动的推力筒(16)接触，坐力筒(15)可相对飞舌安装筒(14)做轴向运动，坐力筒(15)与飞舌安装筒(14)之间安装压簧(12)，通过飞舌捕获机构(2 )及锁定销(13)将压簧(12 )压装。
3.根据权利要求1所述的一种飞舌抓捕机构，其特征在于:所述的飞舌捕获机构(2)包括球形铰A (21)、结构组件(22)、`随形吸附组件(23)、六自由度阻尼器(24);所述的随形吸附组件(23)包括缓冲记忆材料(232)和高黏吸附材料(231)； 结构组件(22)前端捕获面呈弧形，弧形中部内置安装六自由度阻尼器(24)，球形铰A (21)的空间位置布置于所述捕获面的形心焦点，通过球形铰A (21)将六自由度阻尼器(24)和柔性索机构(3 )连接；缓冲记忆材料(232 )贴装在捕获面的外弧面，在缓冲记忆材料(232)表面布置高黏吸附材料(231)，为捕获提供吸附力。
4.一种空间目标捕获方法，其特征在于: (1)将带有权利要求1所述飞舌抓捕机构的飞行器送入GEO轨道； (2)飞行器接收地面发送的目标指令信息，依次进行远程导引和进程导引，使飞行器距离目标200m~500m ； (3)飞行器步骤(2)确定的距离通过姿轨机动，实施主动绕目标飞行探测，初步规划飞舌粘附落点区域； (4)根据步骤(3)初步规划的飞舌粘附落点区域，飞行器抵近距离目标该区域50-100m的位置，并确定最终的捕获点位置； (5)飞行器调姿使飞舌弹射窗口对准落点方向，启动飞舌抓捕机构，捕获目标并将目标拖曳至预定位置。
5.根据权利要求4所述的一种空间目标捕获方法，其特征在于:所述的拖曳根据目标旋转速度不同采用不同的捕获方式，当目标为慢旋目标时，捕获点距目标质心的方位r和碰撞速度V满足下列关系:rXmv=Ibcot，其中m为飞舌捕获机构2质量，Ib为目标转惯量，?t为目标旋转角速度；当目标为快旋目标时，柔性绳的牵拉力F作用时间t后目标姿态稳定，满足下列关系式:t(rXF)=Ibcot。`
【文档编号】B64G4/00GK103863583SQ201410067855
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年2月27日 优先权日:2014年2月27日
【发明者】陈新龙, 贺杨, 李志 , 范春石, 孙玉成, 朱孟萍, 陈维春, 张志民, 邓连印 申请人:中国空间技术研究院