一種繩網框架組合式太空垃圾捕獲消旋系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種繩網框架組合式太空垃圾捕獲消旋系統，該系統包括：框架，固定在框架前端的柔繩收口裝置，固定在框架后端的剛架消旋裝置和與剛架消旋裝置相連的組合牽引裝置。本發明利用小型助推器微調牽引，利用電磁球完成收口，避免在收口過程中受到地球磁場、太空垃圾中的磁性材料等影響，利用內層活動框架的剛化過程，以及剛架消旋裝置中的非磁性重球轉矩快速增加，降低整體的旋轉角速度，實現了太空垃圾的捕獲、消旋和回收功能。
【專利說明】
一種繩網框架組合式太空垃圾捕獲消旋系統
技術領域
[0001]本發明屬于電磁技術、工程力學和空間技術的交叉領域，具體涉及一種繩網框架組合式太空垃圾捕獲消旋系統。
【背景技術】
[0002]自前蘇聯發射人類第一顆人造衛星斯普特尼克I號以來，世界各國共執行了超過4000次的發射任務，因此，在太空中產生了大量的太空垃圾。截至2012年還有超過4500噸的太空垃圾殘留在軌道上。根據美國戰略司令部下屬空間網(SSN)的數據顯示，近十年來，特別是近5年來空間碎片數量急劇增加。太空垃圾的清理工作刻不容緩。
[0003]對此，科學家提出了一種天基激光清除空間碎片的方案，這種方案主要依托于高功率激光器技術，實現難度大。而歐洲空間局則選擇采取網捕的方式，這種方式捕捉時不需考慮目標的尺度和姿態，但目的是與目標一起降低高度，并最終在大氣中受控焚毀，不利于太空垃圾的回收。
[0004]中國專利CN102658873A提出了“一種用于捕獲太空垃圾的繩網系統”，這是一種很巧妙的繩網系統設計，利用拋射和回收裝置對太空垃圾進行捕捉，但太空垃圾多為磁性材料，會與其繩網裝置中的永磁體相互作用，使設計之初的收口無法正常完成。
[0005]衛星等飛行器利用高自旋角動量的陀螺定軸性在軌道上保持自身方向的穩定，當衛星超出使用壽命或無法正常工作后，高自旋角速度使其在被捕捉后難以穩定。故太空垃圾捕捉的關鍵在于如何降低目標的旋轉角速度使其穩定可控，在捕捉過程中如何避免與太空垃圾的磁性材料產生相互作用。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于克服現有技術的缺陷，提供一種繩網框架組合式太空垃圾捕獲消旋系統，解決了太空垃圾的捕獲及降低旋轉角速度的問題。
[0007]為實現上述發明目的，本發明是通過以下技術方案實現的:
[0008]—種繩網框架組合式太空垃圾捕獲消旋系統，該系統包括:框架，固定在框架前端的柔繩收口裝置，固定在框架后端的剛架消旋裝置和與剛架消旋裝置相連的組合牽引裝置；
[0009]所述的柔繩收口裝置包括四個電磁球、四個非磁性輕質球和四根柔繩，第一電磁球、第二電磁球、第三電磁球和第四電磁球分別固定在柔繩收口裝置的四個定點上;第一柔繩穿過第一非磁性輕質球的直徑軸孔連接在第一電磁球和第二電磁球間，第一非磁性輕質球固定在第一柔繩的中點;第二柔繩穿過第二非磁性輕質球的直徑軸孔連接在第二電磁球和第三電磁球間，第二非磁性輕質球固定在第二柔繩的中點；第三柔繩穿過第三非磁性輕質球的直徑軸孔連接在第三電磁球和第四電磁球間，第三非磁性輕質球固定在第三柔繩的中點；第四柔繩穿過第四非磁性輕質球的直徑軸孔連接在第四電磁球和第一電磁球間，第四非磁性輕質球固定在第四柔繩的中點；四個電磁球的位置分布在正方形的四個頂點，第一電磁球和第四電磁球異名磁極相對放置在一條直線上，第二電磁球和第三電磁球異名磁極相對放置在一條直線上，第一電磁球和第四電磁球與第二電磁球和第三電磁球關于正方形重心中心對稱;所述的第一電磁球、第二電磁球、第三電磁球和第四電磁球均采用遙控方式觸發磁性的啟動或消除；
[0010]所述的剛架消旋裝置包括四個非磁性重球、四個快速伸縮裝置和正方形剛架;所述的正方形剛架與框架固連，四個連接點分別固定在正方形剛架的四個頂點上;所述的四個連接點用于固定快速伸縮裝置的位置和伸縮方向；四個快速伸縮桿裝置的一端分別沿著正方形剛架對角線的方向放置，并與正方形剛架四個頂點上的四個連接點相固連，四個非磁性重球分別固定在四個快速伸縮裝置的另一端;所述的快速伸縮裝置是由雙筒體和裝在筒體內的蓄力彈簧構成；剛架消旋裝置的正方形剛架同時也是框架的后端;所述的快速伸縮裝置使用遙操作進行控制；
[0011]所述的框架包括內層活動架、外層繩網結構和四條剛性桿，由前端柔繩收口裝置至后端剛架消旋裝置連接有η根相互平行的鏈桿構成內層活動架;所述的鏈桿是由柔繩和緊密串在柔繩上的錐形套單元組成;所述的錐形套單元軸向有打通的細孔，所述的錐形套單元下半部分的凹槽弧角略大于其上半部分的凸角;所述的外層繩網結構，由前端柔繩收口裝置至后端剛架消旋裝置，是由在剛架消旋裝置的正方形剛架和柔繩收口裝置之間以m根柔繩交叉連接所形成的繩網構成;框架外圍四條邊由四條剛性桿組成，四條剛性桿分別與柔繩收口裝置和剛架消旋裝置相固連于正方形剛架四個頂點上的四個連接點和第一電磁球、第二電磁球、第三電磁球及第四電磁球上;其中η彡8，m彡8;
[0012]在所述的組合牽引裝置中，長柔繩一端連接剛架消旋裝置，其連接點在剛架消旋裝置正方形剛架的繩網中心，長柔繩的另一端連接釋放剛架消旋裝置的飛行器，長柔繩穿過棱柱條的軸向孔并將棱柱條固定在長柔繩上，兩個小型助推器垂直固定在棱柱條上，所述的兩個小型助推器互相垂直。
[0013]本發明利用小型助推器微調牽引，利用電磁球完成收口，避免在收口過程中受到地球磁場、太空垃圾中磁性材料等影響，利用內層活動框架的剛化過程，以及剛架消旋裝置中非磁性重球轉矩的快速增加，降低了整體的旋轉角速度，實現了太空垃圾的捕獲、消旋和回收。
[0014]使用本發明時，需要的外部條件是:
[0015](I)釋放本發明的飛行器可自由變軌；
[0016](2)能夠確定太空垃圾在軌道上的位置、速度與旋轉角速度，可通過相應的測控系統測量；
[0017](3)雖然太空垃圾具有很大的速度，但其速度大部分來自所處軌道，故將網兜于太空垃圾軌道附近釋放，其相對速度量級不大；
[0018](4)通過軌道仿真或軌道計算本發明的釋放角度與初速度，以攔截太空垃圾。
[0019]以上控制條件以及電磁球磁性強弱、非磁性重球和非磁性輕質球的尺寸是根據本發明的相應設計匹配，可以根據捕獲目標的位置、速度和角速度的不同而改變。
[0020]本發明的有益效果為:
[0021](I)在預先軌道計算的基礎上，利用電磁球之間的相互作用力實現一步收口，使太空垃圾的捕獲變得便捷；
[0022](2)利用電磁球磁性可控的特性，避免地球磁場、太空垃圾中的磁性材料等對收口過程的影響；
[0023](3)剛架消旋裝置可以大幅降低目標的旋轉角速度，便于捕獲旋轉角速度大的目標，利于太空垃圾的拖拽與回收；
[0024](4)內層活動架在剛化過程中，可以通過碰撞損失一部分能量，輔助降低與目標之間的相對速度和旋轉角速度；
[0025](5)針對中小尺寸目標，通過調整本發明尺寸即可實現捕獲消旋;針對大尺寸目標，可以組合使用多個本發明對目標各部分實現纏繞消旋捕捉。可應用于回收，利用自旋穩定定向的廢舊衛星，或廢舊衛星的部分零件；
[0026](6)在釋放之初，整體將會受到來自各個因素不可避免的擾動，助推器將在與初速度垂直平面內進行微調牽引，確保本發明系統與目標交會。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發明系統實施例的整體示意圖；
[0028]圖2是柔繩收口裝置的立體示意圖；
[0029]圖3是柔繩收口裝置的電磁球磁極示意圖；
[0030]圖4是柔繩收口裝置的收口示意圖；
[0031]圖5是框架示意圖；
[0032]圖6是內層活動架示意圖；
[0033]圖7是內層活動架中錐形套單元組合示意圖；
[0034]圖8a是內層活動架中錐形套單元的俯視圖；圖Sb是內層活動架中錐形套單元的正視圖；
[0035]圖9是外層繩網結構的平面展開示意圖；
[0036]圖10是剛架消旋裝置示意圖；
[0037]圖11是剛架消旋裝置中的快速伸縮裝置示意圖；
[0038]圖12是剛架消旋裝置中的正方形剛架繩網示意圖；
[0039]圖13是組合牽引裝置示意圖；
[0040]圖14是柔繩收口裝置的“收口”過程圖；
[0041 ]圖15是內層活動架的“剛化”過程圖；
[0042]圖16是剛架消旋裝置的“消旋”過程圖。
[0043]圖中:1、電磁球；2、非磁性輕質球；3、柔繩收口裝置;4、框架；401、錐形套單元；402、內層活動架;403、外層繩網結構;404、剛性桿;5、剛架消旋裝置;501、正方形剛架;6、連接點；7、快速伸縮裝置;8、非磁性重球;9、棱柱條；10、小型助推器；11、組合牽引裝置；101、第一電磁球；102、第二電磁球；103、第三電磁球；104、第四電磁球;201、第一非磁性輕質球；202、第二非磁性輕質球;203、第三非磁性輕質球;204、第四非磁性輕質球;301、第一柔繩；302、第二柔繩;303、第三柔繩;304、第四柔繩。
【具體實施方式】
[0044]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
[0045]實施例:
[0046]—種繩網框架組合式太空垃圾捕獲消旋系統，如圖1所示，該系統包括:框架4，固定于框架4前端的柔繩收口裝置3，固定在框架4后端的剛架消旋裝置5和與剛架消旋裝置5相連的組合牽引裝置11;
[0047]如圖1和2所示，所述的柔繩收口裝置3包括四個電磁球I，四個非磁性輕質球2和四根柔繩，第一電磁球101、第二電磁球102、第三電磁球103和第四電磁球104分別固定在柔繩收口裝置3的四個定點上;第一柔繩301穿過第一非磁性輕質球201的直徑軸孔連接在第一電磁球101和第二電磁球102間，第一非磁性輕質球201固定在第一柔繩301的中點；第二柔繩302穿過第二非磁性輕質球202的直徑軸孔連接在第二電磁球102和第三電磁球103間，第二非磁性輕質球202固定在第二柔繩302的中點；第三柔繩303穿過第三非磁性輕質球203的直徑軸孔連接在第三電磁球103和第四電磁球104間，第三非磁性輕質球203固定在第三柔繩303的中點；第四柔繩304穿過第四非磁性輕質球204的直徑軸孔連接在第四電磁球104和第一電磁球101間，第四非磁性輕質球204固定在第四柔繩304的中點；四個電磁球I的位置分布在正方形的四個頂點，第一電磁球1I和第四電磁球104異名磁極相對放置在一條直線上，第二電磁球102和第三電磁球103異名磁極相對放置在一條直線上，第一電磁球101、第四電磁球104與第二電磁球102、第三電磁球103關于正方形重心中心對稱;所述的第一電磁球101、第二電磁球102、第三電磁球103和第四電磁球104均采用遙控方式觸發磁性的啟動或消除;非磁性輕質球2起輔助聚攏作用;為避免電磁球I之間的撞擊對收口過程的影響、對自身造成損壞，電磁球I外殼采用加玻璃纖維增強的聚對苯二甲酸丁二醇酯，既能吸收瞬間沖量也能在高低溫環境中保持自身的性能;非磁性輕質球2的材料采用空間級硅橡膠;柔繩與電磁球I通過電磁球I外殼連接;根據理想條件計算，要求電磁球I直徑約為非磁性輕質球2半徑的五倍，使得收口效果最好。
[0048]如圖5、圖6和圖9所示，所述的框架4包括內層活動架402、外層繩網結構403和四條剛性桿404，由前端柔繩收口裝置3至后端剛架消旋裝置5連接有12根相互平行鏈桿構成內層活動架402;所述的鏈桿是由柔繩和緊密串在柔繩上的錐形套單元401組成;所述的錐形套單元401采用非磁性剛性金屬材料制造，表面拋光、兩兩之間不采取潤滑措施，所述的錐形套單元401軸向有打通的細孔，所述的錐形套單元401下半部分的凹槽弧角略大于其上半部分的凸角;提供承受一定自由偏轉的空間，使得相鄰的錐形套單元401兩兩之間可以容納一定的偏轉，鏈桿的偏轉達到極值后，錐形套單元401受到結構的約束以及太空環境下發生的冷焊現象，使得鏈桿不再逆向偏轉，轉化為剛體，此過程簡稱為“剛化”。未變形前各鏈桿之間互相平行，鏈桿的布局以對稱為主，數量可根據捕獲目標進行調整;所述的外層繩網結構403，由前端柔繩收口裝置3至后端剛架消旋裝置5，是由在剛架消旋裝置的正方形剛架501和柔繩收口裝置3之間以10根柔繩交叉連接所形成的繩網構成；所述的外層繩網結構403的交叉繩網一般負責包裹目標，整個捕獲消旋系統采用的柔繩均具有韌性強、在一定頻率范圍的振動下不易斷裂的特點;框架4外圍四條邊由四條剛性桿404組成，四條剛性桿404采用加玻璃纖維增強的聚四氟乙烯制造。四條剛性桿404分別與柔繩收口裝3置和剛架消旋裝置5相固連于正方形剛架501四個頂點上的四個連接點和第一電磁球101、第二電磁球102、第三電磁球103及第四電磁球104上；
[0049]如圖10所示，所述剛架消旋裝置5包括四個非磁性重球8、四個快速伸縮裝置7和正方形剛架501;所述的正方形剛架501與框架4固連，四個連接點6分別固定在正方形剛架501的四個頂點上;所述的四個連接點6用于固定快速伸縮裝置7的位置和伸縮方向；四個快速伸縮桿裝置7的一端分別沿著正方形剛架501對角線的方向放置，并與正方形剛架501四個頂點上的四個連接點6相固連，四個非磁性重球8分別固定在四個快速伸縮桿裝置7的另一端;所述的快速伸縮裝置7是由雙筒體和裝在筒體內的蓄力彈簧構成；剛架消旋裝置5的正方形剛架501同時也是框架的后端;所述的快速伸縮裝置7使用遙操作進行控制；
[0050]如圖13所示，在所述的組合牽引裝置11中，長柔繩一端連接剛架消旋裝置5，其連接點在剛架消旋裝置5的正方形剛架501的繩網中心，長柔繩的另一端連接釋放剛架消旋裝置5的飛行器，長柔繩穿過棱柱條9的軸向孔并將棱柱條9固定在長柔繩上，兩個小型助推器10垂直固定在棱柱條9上，所述的兩個小型助推器10與棱柱條9垂直固定。助推器10底座與棱柱條9一體成型，考慮到助推器10推力矢量可能略有偏差、太空環境溫差大等影響，制造材料采用抗扭轉能力強、既耐低溫又耐高溫的聚四氟乙烯;助推器10緊密扣合在底座上;棱柱條9有軸向打通的細孔，柔繩從中穿過，并在兩端做封裝處理，防止滑動;考慮到本發明的釋放之初，受到很多不可避免的擾動，助推器10在與初速度垂直的平面上起到微調牽引的作用。
[0051 ]本發明的工作過程如下:
[0052]參見圖14、圖15和圖16，這三幅附圖是本發明一種實施例“收口-剛化-消旋”過程示意圖。如圖14所示，當捕獲目標在裝置外的尺寸遠小于柔繩收口裝置3正方形剛架501的尺寸時，遙控電磁球I產生磁性。在預設磁極布局下，電磁球I受到互相之間的磁力作用，快速聚攏，電磁球I的外殼吸收碰撞的大部分能量，非磁性輕質球2用以填補電磁球I聚攏后的縫隙，起輔助收口的作用。
[0053]原理如下:
[0054]任意一個電磁球I所受合力，為其他三個電磁球I對其作用力的疊加。按照初始磁極布局方式分析，該電磁球I合力方向恒指向對角線偏左;考慮到裝置從飛行器飛出、目標收入過程中可能產生的擾動和摩擦、電磁球I有初速度，將四個電磁球I圍成的空間視作四面體，合力由電磁球I指向四面體內部，飛行軌跡趨向于合力方向。綜合考慮四個電磁球I，末狀態將在四面體內部某處聚攏；
[0055]考慮特殊情況，兩個完全相同的磁鐵以同名磁極相對放置在一條直線上，若不受任何擾動，將沿相反方向運動。但太空中受到諸如地球磁場、太空垃圾中的磁性材料等影響，兩個磁鐵終將碰撞到一起。且考慮到，實際操作中有四個電磁球I互相作用，且有結構束縛，則此特殊情況反向驗證了電磁球的聚攏機理。
[0056]如圖15所示，當捕獲目標進入裝置內，由于目標與裝置之間存在速度差和旋轉角速度差，兩者將會發生碰撞。相鄰錐形套單元401受到碰撞會產生偏轉，導致相鄰錐形套單元401緊密接觸。錐形套單元401金屬表面光滑、未采取潤滑措施，在真空低溫條件下緊密接觸易發生冷焊現象，冷焊現象與錐形套單元401軸向細孔所受到的柔繩約束一同使鏈桿轉化形成等效的剛體。故而內層活動架402將在碰撞后由自由結構轉化為等效剛體。捕獲目標開始帶動整體裝置旋轉，直至整體旋轉角速度與目標的旋轉角速度相同。
[0057]如圖16所示，當內層活動架404剛化完成、柔繩收口裝置3收口完成后，通過遙控操作觸發快速伸縮裝置7，快速伸長。剛架消旋裝置5的質量主要集中在非磁性重球8上，當非磁性重球8距旋轉主軸的距離變大，根據角動量守恒，整體的角轉角速度大幅下降。
[0058]原理如下:
[0059]快速伸縮裝置7沿正方形對角線向外伸長，設剛架消旋裝置5正方形剛架501的中心為原點，建立XoYZ坐標系，X、Y分別與邊長平行，Z軸通過原點垂直于XoY平面。距轉動軸距離為S，對角線長為a，非磁性重球8質心與連接點6的距離為b。
[0060]當整體繞Z軸旋轉時，S= a/2+b;當整體繞X軸或Y軸旋轉時，S = a/4+b/2;則有，當整體繞任意方向旋轉時，(a/4+b/2)<S<(a/2+b)。
[0061]本捕獲消旋系統根據預先軌道計算得到的速度與初始方向飛行，兩個小型助推器10對系統自身進行微調牽引，目標進入開口后，當目標在裝置外的尺寸遠小于柔繩收口裝置3的正方形柔繩結構尺寸時，電磁球I磁性啟動，開始聚攏；目標進入捕獲消旋系統內，由于存在速度矢量偏差，目標與內層活動架402發生碰撞，各鏈桿發生不同程度的彎曲偏轉，完成剛化，目標帶動捕獲消旋系統旋轉；當柔繩收口裝置3聚攏完成，且剛化完成，快速伸縮裝置7伸長，非磁性重球8與旋轉主軸之間的距離增大，整體旋轉角速度大幅降低。捕獲消旋過程完成。
【主權項】
1.一種繩網框架組合式太空垃圾捕獲消旋系統，其特征在于該系統包括:框架，固定在框架前端的柔繩收口裝置，固定在框架后端的剛架消旋裝置和與剛架消旋裝置相連的組合牽引裝置； 所述的柔繩收口裝置包括四個電磁球、四個非磁性輕質球和四根柔繩，第一電磁球、第二電磁球、第三電磁球和第四電磁球分別固定在柔繩收口裝置的四個定點上;第一柔繩穿過第一非磁性輕質球的直徑軸孔連接在第一電磁球和第二電磁球間，第一非磁性輕質球固定在第一柔繩的中點；第二柔繩穿過第二非磁性輕質球的直徑軸孔連接在第二電磁球和第三電磁球間，第二非磁性輕質球固定在第二柔繩的中點；第三柔繩穿過第三非磁性輕質球的直徑軸孔連接在第三電磁球和第四電磁球間，第三非磁性輕質球固定在第三柔繩的中點；第四柔繩穿過第四非磁性輕質球的直徑軸孔連接在第四電磁球和第一電磁球間，第四非磁性輕質球固定在第四柔繩的中點；四個電磁球的位置分布在正方形的四個頂點，第一電磁球和第四電磁球異名磁極相對放置在一條直線上，第二電磁球和第三電磁球異名磁極相對放置在一條直線上，第一電磁球和第四電磁球與第二電磁球和第三電磁球關于正方形重心中心對稱;所述的第一電磁球、第二電磁球、第三電磁球和第四電磁球均采用遙控方式觸發磁性的啟動或消除； 所述的剛架消旋裝置包括四個非磁性重球、四個快速伸縮裝置和正方形剛架;所述的正方形剛架與框架固連，四個連接點分別固定在正方形剛架的四個頂點上;所述的四個連接點用于固定快速伸縮裝置的位置和伸縮方向；四個快速伸縮桿裝置的一端分別沿著正方形剛架對角線的方向放置，并與正方形剛架四個頂點上的四個連接點相固連，四個非磁性重球分別固定在四個快速伸縮裝置的另一端;所述的快速伸縮裝置是由雙筒體和裝在筒體內的蓄力彈簧構成；剛架消旋裝置的正方形剛架同時也是框架的后端;所述的快速伸縮裝置使用遙操作進行控制； 所述的框架包括內層活動架、外層繩網結構和四條剛性桿，由前端柔繩收口裝置至后端剛架消旋裝置連接有η根相互平行的鏈桿構成內層活動架;所述的鏈桿是由柔繩和緊密串在柔繩上的錐形套單元組成;所述的錐形套單元軸向有打通的細孔，所述的錐形套單元下半部分的凹槽弧角略大于其上半部分的凸角;所述的外層繩網結構，由前端柔繩收口裝置至后端剛架消旋裝置，是由在剛架消旋裝置的正方形剛架和柔繩收口裝置之間以m根柔繩交叉連接所形成的繩網構成;框架外圍四條邊由四條剛性桿組成，四條剛性桿分別與柔繩收口裝置和剛架消旋裝置相固連于正方形剛架四個頂點上的四個連接點和第一電磁球、第二電磁球、第三電磁球及第四電磁球上;其中η彡8，m彡8; 在所述的組合牽引裝置中，長柔繩一端連接剛架消旋裝置，其連接點在剛架消旋裝置正方形剛架的繩網中心，長柔繩的另一端連接釋放剛架消旋裝置的飛行器，長柔繩穿過棱柱條的軸向孔并將棱柱條固定在長柔繩上，兩個小型助推器垂直固定在棱柱條上，所述的兩個小型助推器互相垂直。
【文檔編號】B64G4/00GK105905318SQ201610297189
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月6日
【發明人】彭湃
【申請人】彭湃