一种组合式空间碎片清理装置及方法与流程

本发明属于航天技术领域，具体涉及一种组合式空间碎片清理装置及方法。

背景技术：

航天技术的飞速发展，特别是微小卫星技术突飞猛进的发展，世界各国发射微小卫星的数量成井喷式增长，微小卫星具有体积小，功能单一，工作寿命短等特点，微小卫星工作寿命结束后成为空间碎片，空间碎片的存在严重威胁着在轨运行航天器的安全，碎片与航天器的碰撞能够损坏航天器表面，甚至破坏航天器的主要部件，严重影响航天器的正常工作，为了减少空间碎片，如何有效清除空间碎片已成为当前国际上研究的热点和前沿领域。

空间碎片的危害程度与空间碎片的直径密切相关，应该优先清理直径大的空间碎片，空间碎片的清理方式按照是否耗能可以分为三种：(1)主动清理方式，需要消耗能源；(2)被动清理方式，不需要消耗能源，仅靠外界环境因素来加速空间碎片的离轨；(3)混合清理方式，将主动清理方式和被动清理方式两种方式结合起来。具体方法包括捕捉、激光清理、电动力缆绳、气动阻力离轨、太阳辐射压力离轨等。

捕抓方式通过飞网、机械爪、机械臂来捕抓空间碎片，然后将碎片储存起来通过轨道转移飞行器进行统一处理，捕抓系统分为捕抓飞行器和轨道转移飞行器，通过捕抓飞行器来捕抓空间碎片，然后将碎片储存起来通过轨道转移飞行器进行统一处理，由于轨道转移飞行器空间和能量的限制，这种方式所能清理的空间碎片数目极为有限。

激光清理主要分烧蚀和推进两种方式，烧蚀是利用具有较高能量的激光连续性的照射空间碎片，使碎片的温度升高直至其升华；推进是用高能脉冲激光照射碎片表面，使空间碎片获得一个速度增量来降低其飞行轨道，从而缩短其在轨飞行的时间，这种方式对空间碎片位置探测与瞄准发射的精度要求非常高，无法有效清除1厘米以下的空间碎片；此外由于产生高能激光需要消耗大量能量，清理碎片成本高，因此采用空基和天基激光清理方式无法完成大量空间碎片的清理。

电动力缆绳清理空间碎片的原理为给空间碎片附着一条带电导线，碎片在轨飞行时，带电导线切割地球磁场的磁力线产生洛仑兹力，碎片在洛仑兹力的作用下脱离原先的运行轨道，最终进入大气层烧毁。缆绳的长度越长，产生的洛仑兹力越大，卫星进入大气层的时间越短，通常缆绳的长度为数千米到数十千米。其不足之处是由于带电导线电流非常小，通常所设计的缆绳长度需为数千米甚至数十千米，在工程中难以实现。

气动阻力离轨方式是依靠展开帆膜结构，增大卫星的面质比，从而提高卫星在轨飞行时所受到的阻力，使得卫星能够快速离轨，这种方式需要卫星自身携带阻力帆结构，在卫星工作任务结束后由星载计算机或地面控制站发出指令展开帆膜，其缺点是无法针对已存在的空间碎片进行清理。

太阳辐射压力离轨方式主要是利用太阳辐射压完成卫星变轨，展开太阳帆后，利用太阳帆指向太阳，在太阳辐射压力长时间的作用下，实现卫星的变轨，这种方法一般由地面控制站来实现操作，需要足够长的操作时间来保证太阳辐射压的长时间作用，从而使得卫星变轨。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种组合式空间碎片清理装置，其装置结构简单，设计合理，实现方便，结合空间碎片清理方法，能够高效清理空间碎片，节能环保，使用效果好，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种组合式空间碎片清理装置，包括上下组合的捕获机构和阻力帆机构，所述捕获机构用于捕获空间碎片并将所述清理装置与空间碎片连接在一起；所述阻力帆机构用于增大捕获空间碎片后清理装置的在轨飞行阻力；所述捕获机构包括第一箱体和折叠存储在第一箱体内的机械爪，所述第一箱体内设置有绳索释放组件，所述机械爪与绳索释放组件之间连接有钢丝绳；所述阻力帆机构包括第二箱体，所述第二箱体内设置有转动轴和多个帆膜储箱，每个所述帆膜储箱内折叠存储有帆膜，所述转动轴通过轴承座连接在第二箱体的底板上，所述转动轴的一端设置有第一法兰盘，所述转动轴的另一端设置有第二法兰盘，所述转动轴上缠绕有位于第一法兰盘与第二法兰盘之间的弹簧卷尺，所述第二箱体的箱盖上设置有阻力帆解锁组件。

上述的一种组合式空间碎片清理装置，所述机械爪包括多个手指，每个所述手指均包括横关节和折叠关节，所述横关节和折叠关节的连接处设置有扭簧，所述折叠关节上设置有连接绳。

上述的一种组合式空间碎片清理装置，所述机械爪的爪面设置有粘性材料。

上述的一种组合式空间碎片清理装置，所述绳索释放组件包括设置在第一箱体底部的释放弹簧和缠绕在连接绳上的绳索释放电阻丝，以及用于调节钢丝绳释放长度的电机。

上述的一种组合式空间碎片清理装置，所述帆膜储箱的数量为四个。

上述的一种组合式空间碎片清理装置，所述帆膜的数量为四个，所述帆膜的形状为等腰三角形，四个等腰三角形的所述帆膜同时展开后组成方形，每个等腰三角形的所述帆膜的顶角与帆膜储箱连接，每个等腰三角形的所述帆膜的另外两个角与弹簧卷尺连接。

上述的一种组合式空间碎片清理装置，所述第二箱体内设置有用于限位弹簧卷尺的多个导轨杆，所述导轨杆的数量为四个。

上述的一种组合式空间碎片清理装置，所述阻力帆解锁组件包括竖直设置的六棱柱，所述六棱柱与转动轴连接，所述六棱柱的外侧设置有用于夹紧六棱柱的第一锁杆和第二锁杆，所述第一锁杆的一端通过第一底座转动连接在第二箱体的箱盖上，所述第一锁杆的中部通过第一弹簧连接在第二箱体的箱盖上，所述第二锁杆的一端通过第二底座转动连接在第二箱体的箱盖上，所述第二锁杆的中部通过第二弹簧连接在第二箱体的箱盖上，所述第一锁杆的另一端和第二锁杆的另一端之间缠绕有纤维线，所述纤维线上缠绕有阻力帆解锁电阻丝。

本发明还公开了一种空间碎片清理方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、所述空间碎片清理装置逼近空间碎片时，捕获机构工作，连接有钢丝绳的机械爪从第一箱体中弹出，并从折叠状态变为展开状态；

步骤二、所述机械爪通过爪面吸附，捕获连接空间碎片；

步骤三、所述绳索释放组件调节钢丝绳的释放长度；

步骤四、所述阻力帆机构工作，阻力帆解锁组件释放转动轴；

步骤五、所述转动轴上缠绕的弹簧卷尺在自身弹力作用下向帆膜储箱外伸展，带动帆膜展开。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的空间碎片清理装置结构简单，设计合理，实现方便。

2、本发明的空间碎片清理装置体积小，能够由一个主星一次携带多个本空间碎片清理装置，一次发射可以实现多目标空间碎片清理。

3、本发明空间碎片清理装置的捕获机构采用仿壁虎脚掌刚毛的粘性材料对空间碎片进行捕获，无需复杂的机构设计，无需外部供能。

4、本发明空间碎片清理装置的阻力帆机构利用弹簧卷尺自身储存的弹性应变能转换为驱动力使帆膜展开，展开可靠，质量轻，无需外部供能。

5、本发明能够应用在空间碎片清理中，结合空间碎片清理方法，能够高效清理空间碎片，节能环保，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本发明的空间碎片清理装置结构简单，设计合理，实现方便，结合空间碎片清理方法，能够高效清理空间碎片，节能环保，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明组合式空间碎片清理装置的总体结构示意图；

图2为本发明组合式空间碎片清理装置捕获机构的结构示意图；

图3为本发明组合式空间碎片清理装置阻力帆机构的结构示意图；

图4为本发明组合式空间碎片清理装置机械爪的结构示意图；

图5为本发明组合式空间碎片清理装置帆膜展开状态示意图；

图6为本发明组合式空间碎片清理装置阻力帆解锁组件的结构示意图；

图7为本发明组合式空间碎片清理装置捕获空间碎片状态示意图。

附图标记说明:

1—捕获机构；1-1—第一箱体；1-2—机械爪；

1-21—横关节；1-22—折叠关节；1-23—连接绳；

1-3—钢丝绳；1-4—释放弹簧；1-5—绳索释放电阻丝；

2—阻力帆机构；2-1—第二箱体；2-2—转动轴；

2-3—帆膜储箱；2-4—帆膜；2-6—第一法兰盘；

2-7—第二法兰盘；2-8—弹簧卷尺；2-9—导轨杆；

3—六棱柱；4—第一锁杆；5—第二锁杆；

6—第一底座；7—第一弹簧；8—第二底座；

9—第二弹簧；10—纤维线；11—阻力帆解锁电阻丝；

12—目标空间碎片。

具体实施方式

如图1所示，本发明的组合式空间碎片清理装置，包括上下组合的捕获机构1和阻力帆机构2，所述捕获机构1用于捕获空间碎片并将所述清理装置与空间碎片连接在一起；所述阻力帆机构2用于增大捕获空间碎片后清理装置的在轨飞行阻力；

如图2所示，所述捕获机构1包括第一箱体1-1和折叠存储在第一箱体1-1内的机械爪1-2，所述第一箱体1-1内设置有绳索释放组件，所述机械爪1-2与绳索释放组件之间连接有钢丝绳1-3；

如图3所示，所述阻力帆机构2包括第二箱体2-1，所述第二箱体2-1内设置有转动轴2-2和多个帆膜储箱2-3，每个所述帆膜储箱2-3内折叠存储有帆膜2-4，所述转动轴2-2通过轴承座连接在第二箱体2-1的底板上，所述转动轴2-2的一端设置有第一法兰盘2-6，所述转动轴2-2的另一端设置有第二法兰盘2-7，所述转动轴2-2上缠绕有位于第一法兰盘2-6与第二法兰盘2-7之间的弹簧卷尺2-8，所述第二箱体2-1的箱盖上设置有阻力帆解锁组件。

具体实施时，所述第一法兰盘2-6与第二法兰盘2-7用于对弹簧卷尺2-8进行限位，避免弹簧卷尺2-8上下跳动。

本实施例中，如图4所示，所述机械爪1-2包括多个手指，每个所述手指均包括横关节1-21和折叠关节1-22，所述横关节1-21和折叠关节1-22的连接处设置有扭簧，所述折叠关节1-22上设置有连接绳1-23。

具体实施时，折叠关节1-22通过连接绳1-23固定，使机械爪1-2保持折叠状态存储在第一箱体1-1中；当空间碎片清理装置逼近空间碎片时，连接绳1-23断开，机械爪1-2从第一箱体1-1中弹出，机械爪1-2通过扭簧弹性作用，从折叠状态变为展开状态。

具体实施时，每个折叠关节1-22上设置有连接绳1-23，每根连接绳1-23的一端与折叠关节1-22连接，多根连接绳1-23的另一端汇总在一起，与机械爪1-2底座连接。

本实施例中，所述机械爪1-2的爪面设置有粘性材料。

具体实施时，机械爪1-2通过爪面的粘性材料捕获连接空间碎片。

本实施例中，如图4所示，所述绳索释放组件包括设置在第一箱体1-1底部的释放弹簧1-4和缠绕在连接绳1-23上的绳索释放电阻丝1-5，以及用于调节钢丝绳1-3释放长度的电机。

具体实施时，绳索释放电阻丝1-5缠绕在汇总在一起的连接绳1-23上，当空间碎片清理装置逼近空间碎片时，星载电源为绳索释放电阻丝1-5供电，绳索释放电阻丝1-5将连接绳1-23熔断，机械爪1-2在压紧的释放弹簧1-4作用下，弹出第一箱体1-1，并从折叠状态变为展开状态。

本实施例中，所述帆膜储箱2-3的数量为四个。

本实施例中，如图5所示，所述帆膜2-4的数量为四个，所述帆膜2-4的形状为等腰三角形，四个等腰三角形的所述帆膜2-4同时展开后组成方形，每个等腰三角形的所述帆膜2-4的顶角与帆膜储箱2-3连接，每个等腰三角形的所述帆膜2-4的另外两个角与弹簧卷尺2-8连接。

本实施例中，所述第二箱体2-1内设置有用于限位弹簧卷尺2-8的多个导轨杆2-9，所述导轨杆2-9的数量为四个。

具体实施时，所述导轨杆2-9用于保证弹簧卷尺2-8沿固定方向展开。

本实施例中，如图6所示，所述阻力帆解锁组件包括竖直设置的六棱柱3，所述六棱柱3与转动轴2-2连接，所述六棱柱3的外侧设置有用于夹紧六棱柱3的第一锁杆4和第二锁杆5，所述第一锁杆4的一端通过第一底座6转动连接在第二箱体2-1的箱盖上，所述第一锁杆4的中部通过第一弹簧7连接在第二箱体2-1的箱盖上，所述第二锁杆5的一端通过第二底座8转动连接在第二箱体2-1的箱盖上，所述第二锁杆5的中部通过第二弹簧9连接在第二箱体2-1的箱盖上，所述第一锁杆4的另一端和第二锁杆5的另一端之间缠绕有纤维线10，所述纤维线10上缠绕有阻力帆解锁电阻丝11。

具体实施时，第一锁杆4和第二锁杆5用于夹紧六棱柱3，限制六棱柱3转动，从而限制与六棱柱3连接的转动轴2-2的转动，当捕获机构1捕获连接空间碎片后，星载电源为阻力帆解锁电阻丝11供电，阻力帆解锁电阻丝11将连接第一锁杆4和第二锁杆5的纤维线10熔断，第一锁杆4在第一弹簧7的拉力作用下，以及第二锁杆5在第二弹簧9的拉力作用下，失去第一锁杆4和第二锁杆5对六棱柱3的限制，从而失去对转动轴2-2的限制，释放转动轴2-2。

本发明的组合式空间碎片清理方法包括以下步骤：

步骤一、所述空间碎片清理装置逼近空间碎片时，捕获机构1工作，连接有钢丝绳1-3的机械爪1-2从第一箱体1-1中弹出，并从折叠状态变为展开状态；

步骤二、所述机械爪1-2通过爪面吸附，捕获连接空间碎片；

步骤三、所述绳索释放组件调节钢丝绳1-3的释放长度；

步骤四、所述阻力帆机构2工作，阻力帆解锁组件释放转动轴2-2；

步骤五、所述转动轴2-2上缠绕的弹簧卷尺2-8在自身弹力作用下向帆膜储箱2-3外伸展，带动帆膜2-4展开。

具体实施时，帆膜2-4展开后，增大了捕获空间碎片后清理装置的在轨飞行阻力，使带有空间碎片的清理装置离轨时间缩短，实现空间碎片的有效清理。

本发明使用时，先由地面观测站发现并跟踪空间碎片，然后发射携带多个本发明组合式空间碎片清理装置的主星，主星确认目标空间碎片12的位置并在与目标空间碎片12距离100m时，调主星整姿态逐渐接近目标空间碎片12，主星到达与目标空间碎片12距离3m～5m时，释放一个携带的本发明组合式空间碎片清理装置，结合图7所示，对目标空间碎片12进行捕获连接并带其离轨。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。