用于空间碎片去除的不同尺寸拖曳帆的空间制造机制的制作方法

本发明涉及用于空间碎片去除的不同尺寸拖曳帆的空间制造机制，属于空间制造领域以及空间碎片去除的拖曳轨道空间制造技术领域。

背景技术：

所有发送到太空的航天器都具有有限的活跃使用寿命，在其活跃寿命之后，航天器和卫星变得无用并且在空间中积累，增加了碎片的量。除非它们在大气中被拆除或烧毁，否则航天器和卫星保持在其轨道上，并且随着碎片数量的增加，它们之间的碰撞成为可能导致产生更多碎片，而这一现象也将变得越来越普遍。

目前，有几种方法可以使生命周期结束的航天器脱轨。所有方法的目的是将近地点高度降低到空气动力足够大至其重新进入轨道，此时施加到航天器或卫星的空气动力加热和压力将足够大，航天器或卫星将在大气中被大部分破坏。

现有的主要脱轨策略包括使用小火箭发动机，电动系绳或空气动力学阻力增强来强制再进入，再破坏目标碎片。

微小的火箭发动机可用于以特定的角度和速度将卫星推向地球，以便在重新进入时确保破坏。火箭发动机可用于降低卫星的速度，引起其坠落并在大气中燃烧。火箭发动机得益于采用了已达商业水准的导弹技术。火箭的主要优点是通过精确的角度射击来控制拆卸过程。然而，火箭技术是非常昂贵的，非常重的，技术上复杂的，例如火箭燃料在使用之前需处于压力下长达10年。

电动系绳是在脱轨航天器和部署的端部质量之间延伸一段距离，有可能长达数公里，以下的导电带。系绳技术因此涉及通过地球磁场部署和牵引来自卫星的导电线。系绳和地球磁场之间的相互作用产生推进力用于升高和降低卫星高度轨道。通常，系绳系统的部署单元在其所附接的主机航天器活动寿命期间将大多处于休眠状态。当需要脱轨时，系统将部署端质量以开始脱轨过程。电动系绳具有潜力，但是在部署时和在脱轨过程本身期间需要高度的主动控制。

气动拖曳增强与空气阻力增加有关。空气阻力或拖曳随着大气高度增加，大气逐渐变薄而减小。这种解脱策略仅限于低轨卫星(leo)。在该区域中的卫星经历相当有限的气动阻力，并且由于空气阻力减小导致卫星速度也非常小。能够增强空气动力拖曳的系统增加空气阻力将使得卫星速度能在期望的时间内降低。

在阻力增强系统中，拖曳帆得到了特别关注。到目前为止，所提出的概念包括由航天器运输到接近目标碎片位置，然后紧凑拖曳帆连接到目标碎片，最后扩展到其最终表面。假定拖曳帆必须以紧凑模式被加载到航天器中，即使拖曳帆的包装效率高，可携带的装置的数量也是有限的。

考虑到未来有大量碎屑要被去除，能够在空间中制造阻力帆的机构将是有利的，特别是可以制造不同尺寸的阻力帆机构，允许不同尺寸的脱轨碎屑。此外，将保留在空间中并且可以利用原材料和必要元件在空间中再充填以制造阻力帆的机构将是有利的。

总之，空间制造技术在过去几年中经历了快速发展。大量新的概念和想法被提出，这些概念和想法基本上涉及空间中建立一种结构和装载必要材料的机制。这些机构承载在不同方向上挤出梁，其后再通过不同方法结合在一起产生网格结构，网格结构的空间通过不同的方法用面板或层压板覆盖。

到目前为止，对在轨空间制造的研究集中在大型结构的发展，例如太阳能8电池板阵列的制造。虽然大结构空间内制造机制具有良好的前景，但是聚焦于可以在空间中制造并释放多个较小结构，例如阻力帆机构，也将是有意义的。

技术实现要素：

本发明的目的是解决拖曳帆空间碎片移除的在轨制造问题，提出了用于空间碎片去除的不同尺寸拖曳帆的空间制造机制。

首先，本发明提出空间子系统，包括机构容器和以及辅助子系统和原料容器；其中，机构容器包含在轨制造去除碎屑的不同尺寸拖曳帆的机构，简称机构；辅助子系统和原料容器包含用于操作机构及制造拖曳帆所需材料的子系统；

其中，机构容器还可以带有机构容器盖和机构容器盖轨；

机构容器由两个l形支撑结构、两个圆柱形杆、两个挤出机、两个压实器、两个输送臂和拖曳帆组成；拖曳帆包括连接装置；两个l形支撑结构有一定间距且与将要制造的拖曳帆的侧面重合；两个l形支撑结构的水平部分延伸到等于将要制造的拖曳帆侧面长度；两个圆柱形杆用于存储拖曳帆框架横向梁；每个圆柱形杆分别附接到l形支撑结构中的一个并随其移动；两个挤出机插入l形支撑结构的垂直部分；通过辅助子系统和原料容器排出的管道提供进料机构；其功能是挤出拖曳帆框架的纵向梁；两个压实器附接到l形支撑结构的水平部分，它们与l个支撑结构的水平部分一起延伸到等于将要制造的拖曳帆的侧面长度；压实器功能是连接拖曳元素的元素；两个输送臂总是保持在两个支撑结构的中心，其功能是将存储在圆柱形杆中的横向梁组通过拖曳帆制造过程的各个阶段承载到不同位置。轨道安装在辅助子系统和原料容器的表面；其功能是引导输送臂；

辅助子系统和原料容器包括用于制造不同拖曳帆尺寸的层压辊、机构选择制造每个拖曳帆所需的层压卷轴和用于挤压机的进料机构；该辅助子系统和原料容器还包括用于操作机构所需的动力单元和热控制子系统；

其次，本发明揭示了拖曳帆机构，即在空间中被机构制造的具有不同尺寸用于碎片去除的拖曳帆；每个拖曳帆由一个方形框架和一个柔性层压片材组成，方形框架由一组两个可延伸的横向梁和两个挤压纵向梁组成；横向梁通过导线连接到连接装置；该机构的横向梁组以压实方式插入圆柱形杆中，并且随后将膨胀到必要的长度；连接装置包含捕获目标碎片的捕获网，通过四根可延伸的线连接到横向梁；

最后，捕获目标碎片并释放拖曳帆的过程，即将连接装置内的捕获网打开捕获碎片，然后机构容器的门打开并释放制造的拖曳帆，具体步骤如下：

步骤一、制造拖曳帆框架；

步骤一，具体为：

步骤1.1将与欲制造拖曳帆数量相等的多组横向梁插入圆柱形杆中；

步骤1.2将用于挤出纵向梁的挤出机所需的进料机构和用于制造帆的必要层压辊装载在辅助子系统和原料容器上；

步骤1.3在空间中，航天器跟踪第一碎片目标，l形支撑结构分离，l形支撑结构水平部分延伸；

其中，l形支撑结构之间的距离和l形支撑结构水平部分长度相同，且与将要制造的拖曳帆方形框架的侧面相对应；

步骤1.4当l形支撑结构水平部分已经延伸到期望的尺寸时，输送臂抓住第一组横向梁并且使梁的端部与挤出机对准；然后挤出机挤出两个纵向梁；

步骤1.5输送臂中的一个将一个横向梁带到纵向梁的端部，而另一个保持靠近挤出机的喷嘴；

至此，经过步骤1.1到步骤1.5，完成了拖曳帆框架的制作；

步骤二、层压辊在挤出的纵向梁下展开层压片材以形成拖曳表面；之后，左压实器关闭并通过热和压力将左纵向梁和层压板接合在一起；由于压实器也挤压方形框架的角部，横向梁组的左端与纵向梁结合在一起；

步骤三、层压辊继续展开层压材料，直至完成了拖曳帆的制作；

步骤三，具体为：

步骤3.1由于层压片材不能前进，它开始形成曲线；

步骤3.2当层压片材的期望表面展开时，右压实器闭合连接右纵向梁和层压片材；

步骤3.3由于方形框架角部的压力和热量，纵向梁组的右端与横向梁结合在一起；

至此，经过步骤3.1到步骤3.3，完成了拖曳帆制作；

步骤四、当到达目标碎屑时，连接装置中的网弹出；机构容器被捕获后，机构容器盖打开并且拖曳帆被释放；

步骤五、当航天器开始追踪下一个目标碎片时，空间子系统开始制造下一个拖曳帆；

至此，从步骤一到步骤五，完成了用于空间碎片去除的不同尺寸拖曳帆的空间制造机制。

有益效果

用于空间碎片去除的不同尺寸拖曳帆的空间制造机制，与其他空间制造机制相比，具有如下有益效果：

1.本发明所提机制允许在空间中自动地制造不同尺寸的多个拖曳帆；

2.发明所提机制增加了任务的灵活性，因为拖曳帆的制造顺序不是预定义的，并且可根据需要改变；

3.本发明所提机制制造出来的拖曳帆以其最终方式释放，不需要扩展；

4.携带本发明所述机构的航天器可以重新加载用于制造更多阻力帆的必要的原材料和元件。

附图说明

附图表示本发明所述机制制造四个拖曳帆的过程；

图1示出了包含机构及材料的拖曳帆制作的空间子系统外观；

图2示出了没有机构容器盖的空间子系统外观，揭示了用于在空间制造不同尺寸拖曳帆机构的外观，用压实方式去除碎屑；

图3示出了一组可延伸横向梁压实方式中的外观；

图4示出用于在空间制造不同尺寸的拖曳帆机构，用于以其膨胀方式去除碎屑；

图5示出了在不具有辅助子系统和原料容器的情况下用于在空间中制造不同尺寸的拖曳帆机构，用于以其膨胀方式去除碎屑；

图6示出了拖曳帆制造过程的第1步骤；

图7示出了拖曳帆制造过程的第2步骤；

图8示出了拖曳帆制造过程的第3步骤；

图9示出了拖曳帆制造过程的第4步骤；

图10示出了拖曳帆制造过程的第5步骤；

图11示出了拖曳帆制造过程的第6步骤；

图12示出了拖曳帆制造过程的第7步骤；

图13示出了拖曳帆制造过程的第8步骤；

图14示出了空间内制造用于碎屑去除不同尺寸拖曳帆机构安装被带到接近目标碎片位置的子系统；

图15示出了安装用于在空间制造不同尺寸碎屑去除拖曳帆的机构捕获目标碎片的机构子系统；

图16示出了机构容器盖开口；

图17显示了释放的拖曳帆；

其中，图1至5表示用于制造拖曳帆所依托空间子系统的机构部件和所需材料；

图6至图13表示一个拖曳帆的制造过程；

图14至17表示释放制造完的拖曳帆的过程；

在上述图中，在制造过程每个步骤中当前过程相关部分被着色为灰色；

图示说明

图1中：1-机构容器，2-辅助子系统和原料容器，3-机构容器盖和4-机构容器盖轨；

图2中周长a内示出的是用于空间制造用于碎屑去除的不同尺寸拖曳帆的机构放大视图；

图2中：左圆柱形杆5.1和右圆柱形杆5.2分别用于存储拖曳帆横向梁组；6.1-左l形支撑结构，6.2-右l形支撑结构，7.1-左挤出机，7.2-右挤出机，8.1-左压实器，8.2右压实器，9-输送臂，10-输送臂导轨；

图3中：11.1-前横向梁，11.2-后横向梁，12.1,12.2-将前横向梁连接到连接装置的可延伸线，12.3,12.4-将后横向梁连接到连接装置的可延伸线；13-连接装置；

图4中：16.1-左l形支撑结构移位到其用于拖曳帆制造的最终位置，16.2-右l形支撑结构移位到其用于拖曳帆制造的最终位置，15.1,15.2,15.3,15.4分别对应四组横向梁延伸，17.1-左侧延伸的压实器，17.2-右侧延伸的压实器；

图5中：18.1,18.2-挤出机的进料机构，19-主动层压卷轴；

图6中：20-延伸的输送臂抓取第一组横向梁；

图7中：21-收缩的输送臂，22-与挤出机的喷嘴对准的横向梁组，23-从其原始位置移位的连接装置，24.1,24.2,24.3,24.4-分别为延伸的可延展线；

图8中：25.1-左纵向梁，25.2-右纵向梁；

图9中：26-输送臂移位到其最终位置，27-横向梁移位到其最终位置，28-连接装置移位到其最终位置29.1,29.2,29.3，29.4-延伸到其最大长度的伸展线；

图10中：30-初始拖曳表面；

图11中：31-关闭左压实器；

图12中：32-最终拖曳表面形成为曲线；

图13中：33-接近右压实器；

图14中：34-目标碎片；

图15中：35-捕获网；

图16中：36-打开机构容器盖；

图17中：37-最后拖曳表面拉伸。

具体实施方式

现在将结合各个附图，更详细地描述基于本发明所揭示的用于空间碎片去除的不同尺寸拖曳帆的空间制造机制制造四个拖曳帆的过程。

采用本发明所述机构制造的拖曳帆维度可以变化，即本发明所述机构允许制造不同数量的拖曳帆。在具体实施例中的提到的左和右对应图中所示的x轴的正侧(左侧)和负侧(右侧)。

实施例

图1至5表示用于制造拖曳帆机构的组成部件及所需材料。图1示出了包含用于空间制造用于碎屑去除的不同尺寸拖曳帆机构的空间子系统的外观，包含：机构容器1，辅助子系统和原料容器2，机构容器盖3，机构容器盖轨道以及4.机构容器盖。其中，4.机构容器盖在拖曳帆制造过程期间保持关闭，并且其打开以释放拖曳帆，3.机构容器盖轨道用作拖曳帆的连接装置的引导件。

图2示出了没有机构容器盖的子系统的外观。图2揭示了用于在空间制造不同尺寸的拖曳帆机构的外观，用于以压实方式去除碎片。周长a示出了用于空间制造不同尺寸的用于碎屑去除的拖曳帆机构的放大视图，其具有部分：用于存储拖曳帆的横向梁组5.1和5.2的横向杆，l形支撑结构6.1和6.2，挤出机7.1和7.2，压实器8.1和8.2，输送臂9和输送臂轨道10。当机构膨胀时，l形支撑结构6.1和6.2分开等于要制造的拖曳帆侧面的距离，l形支撑结构6.1向左移动，右l形支撑结构6.1向右移动。

图2中，用于存储拖曳帆的横向梁组5.1和5.2的横向杆结合到l形支撑结构垂直部分的后部，并且当机构膨胀时与其一起转位移动。挤出机7.1和7.2插入l形支撑结构垂直部分的前部，并且当机构膨胀时与它们一起转位移动；用于挤出机的进料机构由辅助子系统和原料容器输出的管线提供。输送臂导轨10安装在辅助子系统和原料容器表面上；它始终保持在两个l形支撑结构的中间。

图3示出了一组可延伸横向梁11.1和11.2的压实方式外观，通过四个可延伸线12.1,12.2,12.3和12.4的收缩形式连接到连接装置13。连接装置13包含捕获网用于捕获目标碎片。周长b中示出的是空间制造碎屑去除不同尺寸拖曳帆的机构放大视图，其中，四组横向梁插入横向杆用于存储拖曳帆的横向梁组。连接装置被封装在机构容器盖轨道之间。

附图示出了基于本发明所提机制制造四个拖曳帆的过程；然而，本发明的机构的尺寸可以被修改以允许制造更大数量的拖曳帆。用横向梁组加载机构的过程可以在地球上或在空间站上进行。

图4示出了用于在空间制造不同尺寸的拖曳帆机构并以其膨胀方式去除碎屑。l形支撑结构16.1和16.2移位到所传送的输送臂轨道的两侧。两个l形支撑结构之间的距离等于将要制造的拖曳帆侧面长度。圆柱形杆存储拖曳帆横向梁，并且挤出机与l形支撑结构一起移位。横向梁组15.1,15.2,15.3和15.4随着l形支撑结构分开而延伸；至此，四个横向梁组具有等于将要制造的拖曳帆的侧面长度。

压实器17.1和17.2与两个l形支撑结构的水平部分一起延伸到等于将要制造的拖曳帆侧面长度。给定拖曳帆，空间制造用于碎屑去除的不同尺寸拖曳帆的机构需要具有正方形框架，两个l形支撑结构之间距离和压实器长度是相同的。一旦第一拖曳帆已经制造完和释放，则机构将使其尺寸适应第二拖曳帆的侧面。

图5示出了用于在空间中制造不同尺寸的拖曳帆机构，用于在其没有辅助子系统和原料容器的情况下以其膨胀方式去除碎屑；本图5中所公开的辅助子系统和原料容器中的唯一组成是挤出机的进料机构18.1和18.2以及需要制造的拖曳帆的层压辊19，其被称为层压辊；辅助子系统和原料容器包含长度等于将在任务中制造的阻力侧的侧面的层压辊和用于激活制造每个拖曳帆所需的层压卷轴子系统。例如，如果附图中描绘的机构旨在制造尺寸为a(表面单位)的两个拖曳帆，尺寸为b(地面单位)的一个拖曳帆和尺寸为c(地面单位)的一个拖曳帆，则辅助子系统和原料容器将包含三个层压卷轴和一个层压卷轴子系统，当需要制造每个拖曳帆时，需要激活每一个层压卷轴和层压卷轴子系统。

拖曳帆的制造过程由八个步骤组成。图6至图13表示一个拖曳帆的制造过程。在这些图中，在制造过程的每个步骤中涉及制造拖曳帆的相关部分被着色为灰色。

第1步骤如图6所示，输送臂延伸并抓住第一组横向梁20；

第2步骤如图7所示，输送臂收缩21以使该组横向梁与挤出机的喷嘴22对准。连接装置沿着机构容器盖轨23从其原始位置移位，将该组横向梁连接到连接装置延伸24。

第3步骤如图8所示，挤出机挤出纵向梁24.2和25.2；它们通过横向梁两端的孔挤出。

第4步骤如图9所示，输送臂26沿着输送臂轨道移动，将前横向梁移动到其最终位置27。同时，连接装置在其被可延展线拉动时到达其最终位置28，其中，29.1,29.2,29.3和29.4为延伸到其最大长度的伸展线。

至此，挤压的纵向梁和横向梁形成正方形结构，即完成了拖曳帆框架的制造。

第5步骤如图10所示，层压辊展开通过左l形支撑结构的水平部分和右纵向梁之间的空间，直到其到达左l形支撑结构的水平部分和左纵向梁，其结果是初始拖拽表面30。

第6步骤如图11所示，左压实器关闭31。压实器在两个横向梁、左纵向梁和拖曳表面边缘的左端施加压力和热。该动作具有双重效果：其将横向梁端部接合并插入左纵向梁中，将左纵向梁与拖曳帆表面相接。

第7步骤如图12所示，层压辊继续展开。如在步骤6中，左压实器关闭且将左纵向梁接合到拖曳表面的边缘，层压片材表面不可能进一步前进。多余的层压片材使得表面形成曲线12。该动作的目的是增加拖曳帆的表面，一旦拖曳帆被释放，拖曳帆将产生拖曳。展开的额外表面的数量取决于正在制造的拖曳帆数。如果决定使用具有平坦拖曳表面的拖曳帆来移除目标碎片，则将省略此步骤7。

第8步骤如图13所示，右侧压实器关闭33。压实器在两个横向梁的右端、右侧纵向梁和右侧纵向梁下方的阻力表面的区域上施加压力和热量。该动作具有双重效果：其将横向梁的右端连接到右纵向梁，并将右纵向梁连接到拖曳表面。此外，该压实器包括剃刀，当接合过程完成时，该剃刀切割层压件并将拖曳帆的拖曳表面与层压辊分离；至此，完成了拖曳帆的制造。

在图14至17中示出了在制造之后释放拖曳帆的过程。

图14展示了汇接操作端将携带空间内制造碎屑去除不同尺寸拖曳帆的机构的飞船带到距离目标碎片较近的位置；当交汇操作完成时，拖曳帆的连接装置与目标碎片34对准。此时，碎片捕获网从拖曳帆35的连接装置射出，捕获目标碎片，如图15所示。然后，机构容器盖36打开，使得制造的拖曳帆离开容器，如图16所示。拖曳帆被释放之后，拖曳表面伸展捕获大气中的颗粒，如图17所示。

当第一帆被释放时，用于空间制造不同尺寸的碎屑去除拖曳帆的机构开始制造下一个拖曳帆。

以上所述为本发明的几个典型实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。