本發(fā)明屬于航空航天領(lǐng)域，涉及用于空間目標捕獲的飛網(wǎng)抓捕方案，具體涉及一種充氣展開式空間碎片抓捕系統(tǒng)和空間目標捕獲方法，用于采用充氣柱式網(wǎng)面支撐結(jié)構(gòu)和主網(wǎng)加輔網(wǎng)的網(wǎng)面構(gòu)型布局方式，對空間目標進行捕獲。

背景技術(shù)：

空間活動中一項典型的需求是兩個獨立航天器或天體的對接或組合，兩者合二為一的過程稱為對接或捕獲。被捕獲/對接的目標稱為空間目標，空間目標包括合作目標和非合作目標，合作目標指己方的衛(wèi)星、飛船等航天器，非合作目標指廢舊衛(wèi)星、空間碎片等人造航天器或非人造天體。

非合作目標常用的一種捕獲方式是飛網(wǎng)抓捕，即由主動航天器攜帶捕獲裝置，當接近空間目標時，主動航天器釋放飛網(wǎng)捕獲裝置，像捕魚一樣用捕獲網(wǎng)將空間目標罩住，實現(xiàn)對空間目標的捕獲。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種用于空間目標捕獲的飛網(wǎng)捕獲方案，充氣展開式空間碎片抓捕系統(tǒng)為可折疊構(gòu)型，在發(fā)射狀態(tài)下能夠折疊到常見的火箭發(fā)射包絡(luò)范圍內(nèi)，入軌后靠伸展機構(gòu)展開，由充氣桿撐開捕獲網(wǎng)，捕獲空間目標后質(zhì)量塊帶動收口繩鎖緊目標，鎖緊后伸展機構(gòu)收攏，使已捕獲的空間目標與主動航天器構(gòu)成組合體，由主動航天器上的姿軌控裝置控制組合體的機動。

本發(fā)明的一個方面提供了一種充氣展開式空間碎片抓捕系統(tǒng)，采用充氣柱式網(wǎng)面支撐結(jié)構(gòu)和主網(wǎng)加輔網(wǎng)的網(wǎng)面構(gòu)型布局方式，對空間目標進行捕獲，其包括：衛(wèi)星；伸展機構(gòu)，一端與衛(wèi)星相連而另一端與中心球相連；中心球，球體上有對稱布局的四個連接端，并且每個連接端上均安裝有閥門組件；萬向節(jié)，被設(shè)置在伸展機構(gòu)與中心球之間；閥門組件；四根充氣柱，一端分別連接一個對應的質(zhì)量塊，而另一端分別與一個閥門組件相連；質(zhì)量塊；以及捕獲網(wǎng)，被綁縛在充氣柱上。

具體地，充氣展開式空間碎片抓捕系統(tǒng)為折疊構(gòu)型的，在發(fā)射狀態(tài)下，被折疊到火箭發(fā)射包絡(luò)范圍內(nèi)，在入軌后，靠伸展機構(gòu)展開并由充氣柱撐開捕獲網(wǎng)，在捕獲空間目標后，質(zhì) 量塊帶動收口單元來鎖緊空間目標，以及在鎖緊空間目標后，伸展機構(gòu)收攏，從而空間目標與主動航天器構(gòu)成組合體并由主動航天器上的姿軌控裝置來控制組合體的機構(gòu)。

在本發(fā)明中，中心球為中空的球形結(jié)構(gòu)，并且在其外壁上設(shè)有5個連接端。5個連接端為1個伸展機構(gòu)連接端和4個閥門組件連接端，5個連接端的軸線都通過中心球的球心，5個連接端的端口為法蘭結(jié)構(gòu)，以及4個閥門組件連接端的軸線相對1個伸展機構(gòu)連接端的軸線對稱布置。

充氣柱為可折疊展開結(jié)構(gòu)，并且包括：充氣桿，由柔性密封材料制成，其外表面的相應位置設(shè)置有用于綁縛捕獲網(wǎng)的綁繩；以及剛?cè)徇B接件，為金屬剛性件，其中，充氣桿的兩端各有一個剛性連接件。

優(yōu)選地，充氣柱具有密封功能，在折疊狀態(tài)下，充氣桿被壓縮在兩個剛?cè)徇B接件之間，以及在充氣后，充氣桿展開并帶動捕獲網(wǎng)展開。質(zhì)量塊上安裝有排氣閥、和收口裝置，其中，收口裝置用于拉緊和放開收口繩并且靠電機進行驅(qū)動。

另外，捕獲網(wǎng)由5片網(wǎng)面組成并且包括：展開后為等腰三角形結(jié)構(gòu)的4片網(wǎng)面，等腰三角形結(jié)構(gòu)的兩個腰分別與充氣桿上的綁繩固定且4片網(wǎng)面形成封閉包絡(luò)構(gòu)成主網(wǎng)，等腰三角形結(jié)構(gòu)的第三條邊為收口繩；以及展開后為等腰正方形結(jié)構(gòu)的1片網(wǎng)面，四個角分別與四根充氣柱的對應充氣桿相連，并隨充氣柱的展開而展開以構(gòu)成防護網(wǎng)。

收口繩被縫合在展開后為等腰三角形結(jié)構(gòu)的4片網(wǎng)面上并且兩端各連接質(zhì)量塊的一個收口裝置，以及展開后為等腰正方形結(jié)構(gòu)的1片網(wǎng)面用于：在待捕獲的空間目標的尖端凸起結(jié)構(gòu)撞向中心球時，有效分擔局部受理，以將載荷傳遞到主網(wǎng)上。

本發(fā)明的另一個方面提供了一種空間目標捕獲方法，其包括以下步驟：步驟一，衛(wèi)星在經(jīng)過變軌、調(diào)姿、接近待捕獲的空間目標后，進入抓捕操作模式；步驟二，伸展機構(gòu)由收攏狀態(tài)解鎖展開，并在展開到位后鎖定，壓緊釋放裝置工作而釋放出質(zhì)量塊；步驟三，在向外運動的過程中，質(zhì)量塊扯動四個充氣柱和捕獲網(wǎng)展開，四個充氣柱的四根充氣桿開始充氣，并在對應四個質(zhì)量塊運動到預定位置前，充氣過程完成，且當捕獲網(wǎng)完全撐開后，展開后為等腰三角形結(jié)構(gòu)的4片網(wǎng)面被拉緊的回彈力由四根充氣桿抵消；步驟四，在捕獲到空間目標后，在展開后為等腰三角形結(jié)構(gòu)的4片網(wǎng)面的收口繩動作前，通過排氣閥的控制使質(zhì)量塊進一步向空間目標收攏，通過星載相機觀察，在適當收攏位置充氣桿進一步放氣以去剛化，從而收口繩進一步動作以鎖緊空間目標；步驟五，伸展機構(gòu)向衛(wèi)星的星本體表面收攏，以將空間目標向衛(wèi)星拉近；以及步驟六，通過位于伸展機構(gòu)和中心球之間的萬向節(jié)抵消抓捕空間目標時的自旋對衛(wèi)星的影響，從而最終衛(wèi)星和空間目標構(gòu)成組合體，完成抓捕過程并通過衛(wèi)星 上的推進系統(tǒng)來控制組合體的軌道機動，其中，預定位置為質(zhì)量塊距離中心球的中心為28m。

因此，采用本發(fā)明的空間碎片捕獲方案，可以實現(xiàn)以下的有益效果：

1)采用可收攏展開的布局設(shè)計，使得飛網(wǎng)抓捕裝置在發(fā)射狀態(tài)下可折疊收攏到常規(guī)火箭的發(fā)射包絡(luò)范圍內(nèi)，在軌后展開后可實現(xiàn)對構(gòu)型尺寸大于主動航天器本體尺寸的空間目標抓捕，且抓捕動作完成后飛網(wǎng)抓捕裝置能再次收攏，便于組合體在軌機動；

2)采用充氣柱式網(wǎng)面支撐方案，有效抵消了飛網(wǎng)四個角上的質(zhì)量塊在發(fā)射后張緊的回彈力，避免質(zhì)量塊展開最大位置后的回彈效應，可長時間維持飛網(wǎng)的展開形狀；

3)主網(wǎng)加輔網(wǎng)的網(wǎng)面構(gòu)型布局能確保被捕獲空間目標的可能尖端凸起結(jié)構(gòu)撞向飛網(wǎng)捕獲裝置的中心球時，網(wǎng)面可以有效分擔局部受力，將載荷傳遞到主網(wǎng)上，起到有效隔離空間目標與剛性中心球直接撞擊的風險；以及

4)充氣控制閥門組件和排氣閥在充氣柱兩端布局的方案，能夠高效實現(xiàn)充氣柱氣源供應的集中管理，且充分利用充氣柱排氣過程的反作用力使得捕獲網(wǎng)面收口繩動作時綁縛空間目標更高效。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的充氣式飛網(wǎng)捕獲裝置在收攏狀態(tài)下的組成原理示意圖；

圖2是本發(fā)明的充氣式飛網(wǎng)捕獲裝置在展開狀態(tài)下的組成原理示意圖；

圖3是本發(fā)明的充氣式飛網(wǎng)捕獲裝置在展開狀態(tài)下的局部放大圖；

圖4是本發(fā)明的充氣式飛網(wǎng)捕獲裝置的中心球的組成原理示意圖；

圖5是本發(fā)明的充氣式飛網(wǎng)捕獲裝置的充氣柱的組成原理示意圖；

圖6是本發(fā)明的充氣式飛網(wǎng)捕獲裝置的質(zhì)量塊的組成原理示意圖；以及

圖7是本發(fā)明的充氣式飛網(wǎng)捕獲裝置捕獲到空間目標狀態(tài)下的示意圖。

具體實施方式

應了解，本發(fā)明設(shè)計了一種充氣展開式空間碎片抓捕系統(tǒng)。該飛網(wǎng)捕獲裝置為可折疊構(gòu)型，在發(fā)射狀態(tài)下能夠折疊到常見的火箭發(fā)射包絡(luò)范圍內(nèi)，入軌后靠伸展機構(gòu)展開，由充氣桿撐開捕獲網(wǎng)，捕獲空間目標后質(zhì)量塊帶動收口繩鎖緊目標，鎖緊后伸展機構(gòu)收攏，使已捕獲的空間目標與主動航天器構(gòu)成組合體，由主動航天器上的姿軌控裝置控制組合體的機動。本發(fā)明采用充氣柱式網(wǎng)面支撐方案，有效抵消了飛網(wǎng)四個角上的質(zhì)量塊在發(fā)射后張緊的回彈力，避免質(zhì)量塊展開最大位置后的回彈效應，可長時間維持飛網(wǎng)的展開形狀。本發(fā)明提出的主網(wǎng)加輔網(wǎng)的網(wǎng)面構(gòu)型布局，能確保被捕獲空間目標的可能尖端凸起結(jié)構(gòu)撞向飛網(wǎng)捕獲裝置 的中心球時，網(wǎng)面可以有效分擔局部受力，將載荷傳遞到主網(wǎng)上，起到有效隔離空間目標與剛性中心球直接撞擊的風險。本發(fā)明提出的充氣控制閥門組件和排氣閥在充氣柱兩端布局的方案，能夠高效實現(xiàn)充氣柱氣源供應的集中管理，且充分利用充氣柱排氣過程的反作用力使得捕獲網(wǎng)面收口繩動作時綁縛空間目標更高效。

注意，本發(fā)明中所涉及的衛(wèi)星為本領(lǐng)域公知的人造航天器，包括星本體和太陽翼以及人造航天器必備的動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。

另外，伸展機構(gòu)和萬向節(jié)也是本領(lǐng)域的公知技術(shù)。伸展機構(gòu)具備可重復展開、可控收攏的功能，沿伸展方向其展開與收攏的長度比值一般不小于20。萬向節(jié)的功能是消除衛(wèi)星與被捕獲空間目標的相對運動，尤其是空間目標自旋對衛(wèi)星的動力學和運動學影響。

中心球本體為中空的球狀結(jié)構(gòu)，在球的外壁上有5個連接端，5個連接端的端口都為公知的法蘭結(jié)構(gòu)。

下面結(jié)合附圖1-7及具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

應了解，空間碎片抓捕系統(tǒng)的展開形式包括彈射質(zhì)量塊牽引網(wǎng)面展開形式，充氣柱展開牽引網(wǎng)面展開形式等，但不限于上述兩種方式。

本發(fā)明的充氣展開式空間碎片抓捕系統(tǒng)屬于充氣柱展開牽引網(wǎng)面展開形式的一種，所提及的四根充氣柱方案為優(yōu)選方案，當然，也可以采用三根、五根或多余五根等其他方案。

如圖1、圖2和圖3所示，充氣展開式空間碎片抓捕系統(tǒng)包括衛(wèi)星1、伸展機構(gòu)2、萬向節(jié)3、中心球4、閥門組件5、充氣柱6、質(zhì)量塊7和捕獲網(wǎng)8。衛(wèi)星1與伸展機構(gòu)2連接，伸展機構(gòu)2的另一端與中心球4連接，在伸展機構(gòu)2與中心球4之間設(shè)計有萬向節(jié)3，中心球4球體上有對稱布局的四個連接端，連接端上安裝閥門組件5，閥門組件5的另一端連接充氣柱6，四根充氣柱的另一端各自連接一個質(zhì)量塊7，在充氣柱6上綁縛有捕獲網(wǎng)8。

如圖4所示，中心球4本體為中空的球狀結(jié)構(gòu)，在球的外壁上有5個連接端，1個伸展機構(gòu)連接端和4個閥門組件連接端，5個連接端的軸線都通過球心，且4個閥門組件連接端的軸線相對伸展機構(gòu)連接端的軸線對稱布置，5個連接端的端口都為公知的法蘭結(jié)構(gòu)。

如圖5所示，充氣柱6為可折疊展開結(jié)構(gòu)，由充氣桿61和剛?cè)徇B接件62組成，充氣桿61為柔性密封材料制成，充氣桿61外表面相應位置有綁縛捕獲網(wǎng)8的綁繩611，剛?cè)徇B接件62為金屬剛性件，充氣桿61的兩端各有一個剛?cè)徇B接件62。充氣柱6具有密封功能，折疊狀態(tài)下充氣桿61被壓縮在兩個剛?cè)徇B接件62之間，充氣后充氣桿61展開，并帶動捕獲網(wǎng)8展開。

如圖6所示，質(zhì)量塊7上安裝有排氣閥71和收口裝置72，收口裝置72具有拉緊和放開 收口繩的功能，靠電機實現(xiàn)驅(qū)動。

如圖2所示，捕獲網(wǎng)8由5片網(wǎng)面組成，網(wǎng)面81、82、83、84展開后為等腰三角形結(jié)構(gòu)，網(wǎng)面81、82、83、84的兩個“腰”分別與充氣桿61上的綁繩611固定，4片網(wǎng)面形成封閉包絡(luò)，構(gòu)成主網(wǎng)，網(wǎng)面81、82、83、84的第三條“邊”為收口繩86，收口繩86縫合在網(wǎng)面上，收口繩86的兩端各自連接一個收口裝置72。網(wǎng)面85展開后為等腰正方形結(jié)構(gòu)，四個角分別與四根充氣桿61相連，可以隨著四根充氣柱6的展開而展開，起防護網(wǎng)功能，當被捕獲空間目標的可能尖端凸起結(jié)構(gòu)撞向中心球4時，網(wǎng)面85可以有效分擔局部受力，將載荷傳遞到主網(wǎng)上，起到有效隔離空間目標與剛性中心球4直接撞擊的風險。

下面，結(jié)合圖1～圖7的示意圖，對本發(fā)明所述的飛網(wǎng)抓捕裝置對空間目標捕獲過程的具體實施步驟作進一步說明：

第1步，衛(wèi)星1經(jīng)變軌、調(diào)姿、接近被抓捕的空間目標后，進入抓捕操作模式；

第2步，伸展機構(gòu)2由收攏狀態(tài)解鎖展開，展開到位后鎖定，壓緊釋放裝置工作，釋放質(zhì)量塊7；

第3步，質(zhì)量塊7向外運動的過程中扯動充氣柱6和捕獲網(wǎng)8展開，此時四根充氣桿61開始充氣，在四個質(zhì)量塊7運動到相應位置前(例如，距離中心球4的中心約28m時)，充氣過程完成，當捕獲網(wǎng)8完全撐開后，網(wǎng)面81、82、83、84被拉緊的回彈力由四根充氣桿61抵消；

第4步，捕獲空間目標后，在收口繩86動作前，通過排氣閥71控制使質(zhì)量塊進一步向抓捕目標收攏，通過星載相機觀察，在適當收攏位置充氣桿61進一步放氣去剛化，之后收口繩86進一步動作，鎖緊目標；

第5步，伸展機構(gòu)2向星體11表面收攏，將空間目標向衛(wèi)星1拉近；以及

第6步，通過伸展機構(gòu)2和中心球4間的萬向節(jié)3抵消抓捕目標自旋對衛(wèi)星1的影響。最終衛(wèi)星和空間目標構(gòu)成組合體，抓捕過程完成，由衛(wèi)星星體上的推進系統(tǒng)控制組合體的軌道機動。

綜上所述，通過本發(fā)明，使得飛網(wǎng)抓捕裝置在發(fā)射狀態(tài)下可折疊收攏到常規(guī)火箭的發(fā)射包絡(luò)范圍內(nèi)，在軌后展開后可實現(xiàn)對構(gòu)型尺寸大于主動航天器本體尺寸的空間目標抓捕，且抓捕動作完成后飛網(wǎng)抓捕裝置能再次收攏，便于組合體在軌機動。采用充氣柱式網(wǎng)面支撐方案，有效抵消了飛網(wǎng)四個角上的質(zhì)量塊在發(fā)射后張緊的回彈力，避免質(zhì)量塊展開最大位置后的回彈效應，可長時間維持飛網(wǎng)的展開形狀。

另外，主網(wǎng)加輔網(wǎng)的網(wǎng)面構(gòu)型布局能確保被捕獲空間目標的可能尖端凸起結(jié)構(gòu)撞向飛網(wǎng) 捕獲裝置的中心球時，網(wǎng)面可以有效分擔局部受力，將載荷傳遞到主網(wǎng)上，起到有效隔離空間目標與剛性中心球直接撞擊的風險。采用充氣控制閥門組件和排氣閥在充氣柱兩端布局的方案，能夠高效實現(xiàn)充氣柱氣源供應的集中管理，且充分利用充氣柱排氣過程的反作用力使得捕獲網(wǎng)面收口繩動作時綁縛空間目標更高效。

本發(fā)明中未說明部分屬于本領(lǐng)域的公知技術(shù)。