大型充气式防逃逸空间碎片清理装置及空间碎片释放方法与流程

本发明属于航天技术领域，具体涉及一种大型充气式防逃逸空间碎片清理装置及空间碎片释放方法。

背景技术：

人类对外太空的探索活动逐渐增加，带来效益的同时也对空间环境也产生了持续深远的影响，太空中残留有火箭末级、失效卫星、航天箱任务抛弃物、航天箱解体及碰撞衍生物等大量空间碎片(又名太空垃圾)。

有数字显示，目前，碎片总数量已超过1亿，其中大于10厘米的超过2万，大于1厘米的超过20万。也就是说，5％的工作航天器生活在95％的碎片中，面临很大威胁。

由于空间碎片的在轨运行速度比较快，各种尺寸的碎片都会对航天器造成危害，较大碎片撞击会使航天器破裂、爆炸、结构解体，微小碎片累积效应会改变元器件的性能，导致航天器性能下降或功能失效。

而且，厘米级碎片不易监测。“目前美国等空间碎片监测能力较强的国家，能较全面监测到的最小碎片尺寸也只有10厘米左右。故而难于预测微小碎片的运行轨道，来进行主动规避。空间碎片的主动移除技术已成为目前航天领域研究的热点。

空间碎片主动移除的首要关键是实施在轨捕获，而空间碎片大多是非合作目标，由于目标已失去姿态调整能力，且长期处于失控状态运行，受太阳光压、重力梯度等摄动力矩及失效前自身残余角动量的影响，往往会出现复杂的旋转运动，乃至最终趋向于自由翻滚运动。

现有的处理空间碎片的一种途径是消旋后进行抓捕，捕获后带其机动至坟墓轨道；另一种途径是不消旋直接收纳，收纳仓满后统一处理。

对于途径二，中国专利公开号cn106428652a提出的一种被动式空间碎片捕获装置，如图1(a)所示。该方案在航天器顶部设置有记忆合金材质的空间碎片收纳仓，被动式地捕获中小型空间碎片。但该方案仍存在以下问题需要解决：

1)采用普通的只在周向分割的单向门结构，未考虑已收纳空间碎片二次逃逸的防止。然而对于收纳方案而言，收集后的空间碎片处在一个封闭的舱内，航天器机动过程中，在惯性作用下彼此的碰撞会产生更为零碎的空间碎片，这种零碎的空间碎片在收纳新的空间碎片(尤其是相对较大的空间碎片)时，更加容易逃逸出去，造成收纳失败。

就工程实际需求而言，防止已收纳空间碎片的二次逃逸是至关重要的考虑点。没有了重力、空气阻力的作用，空间碎片在穿过单向门进入收纳箱后，并不会像地面实验那样老老实实地呆在收纳箱近地面一侧的内壁上，而是在收纳仓内处于漂浮状态且大小不同、运动状态各异。其间彼此在惯性力的作用下相互碰撞作用，空间碎片具有复杂的运动学和动力学特性。

由于彼此刚性的碰撞会导致原有的结构解体，产生更多零碎的小型空间碎片，这种相互作用在航天器进行机动的时尤为剧烈，从而使得收纳仓呈现类似于“空间碎片粉碎机的效果”。但该粉碎效果仅仅是类似，不足以将之处理到安全的微小尺寸。零碎的小型空间碎片逃逸后会恶化太空环境，增加轨道不安全性。

当空间碎片和航天器因一方变轨而相遇时，由于具有较大相对速度，因此，厘米级碎片产生的动能就能将卫星裸露的的太阳帆版等重要结构严重损坏。小型空间碎片的危害可想而知。

2)存在如图2(a)所示，单向门被卡无法开启的问题。当新的空间碎片要穿过单向门时，空间碎片会逐渐将单向门推开向内侧弯曲。然而由于收纳仓内部的各空间碎片处在混乱无规则的漂浮运动中，此时，很可能会有空间碎片恰位于单向门和收纳仓仓壁之间，从而阻碍了门板的旋转，导致单向门无法正常开启，收纳失败。可靠性不高。

3)笼式结构有设计缺陷。由于采用了笼式结构，其收纳仓(笼体)上遍布有孔洞，加之该收纳仓本身也会产生近似垃圾粉碎机的效果，笼内碰撞产生的大量零碎空间碎片不仅会在单向门处二次逃逸，更多的会直接从孔洞中被抛出，从而加剧恶化了太空环境。

4)刚性碰撞易致损部件，且易造成姿态失控。

空间碎片与合金笼前端漏斗内壁的刚性撞击，或致合金笼损坏；其次，由于该方案中的记忆合金笼式收纳仓就安装在航天器本体的前端，这种频繁的刚性碰撞使得航天器本体姿态失稳，需要耗费大量的星上资源进行姿态的稳定控制。

5)无法重复使用。

同样，对于途径二，中国专利公开号cn107264845a提出的一种触发式空间碎片抓捕装置，如图2(b)所示。尽管该装置未对单向门结构做改进，但通过成对收纳仓的组合使用，有效降低了已收纳空间碎片逃逸的风险，但该装置仍存在以下问题需要解决：

1)同样存在如图2(a)所示，易出现单向门被卡无法开启的结构故障。

2)活动机构易卡死。

触发装置内部结构与恶劣的太空环境有联通，处于漂浮状态微小的空间碎片易进入触发机构内部造成卡死。同样的情况有圆柱滑块4、连杆5与捕获收纳仓连杆22一起构成“曲柄滑块”结构。

3)两收纳仓频繁的合拢存在刚性碰撞易击致损部件，且易造成姿态失控。

两收纳仓快速的相对合拢，加剧了仓内垃圾对壁面以及单向门的刚性撞击，易造成部件损坏，同时加剧了仓内垃圾的晃动，易使自身本体姿态失稳。

此外，该装置作为被动式捕获类型，对于对象没有选择权，在被与其收纳仓尺寸相当的空间碎片触发时，快速的触发合拢，容易造成收纳仓入口的卡死。

4)无法重复使用。

对于途径二而言，收纳装置欲收纳空间碎片，则二者之间注定要发生碰撞。由于刚性碰撞的方案多不可取，本领域人员的关注点逐渐转移到了柔性碰撞方案。

如中国专利公开号cn107719708a为避免刚性碰撞做出了改进，提出一种使用小卫星组成卫星组协作控制捕获网，实现空间碎片的柔性安全捕获，如图3所示。在空间碎片通过捕获网入口进入捕获网后，捕获网入口收缩，然后卫星组带动捕获网和碎片一起旋转，保持稳定的编队飞行构型；同时卫星组脱离捕获轨道，下降至300km以下高空，然后卫星组与捕获网和碎片分离，使空间碎片下坠至大气层，并且燃烧殆尽。本发明存在的问题为：

1)无法重复使用。绳网式收纳抓捕方案中存在的绳网网眼易与目标缠绕在一起难以分离。

2)只考虑了捕获网口的开关作用，未考虑防逃逸的需求。

3)清理效果不佳。网眼的存在，导致势必有小于网眼尺寸的空间碎片成为“漏网之鱼”。

可见现有的收纳方案均有一定的弊端，急需提出一种防逃逸、大容量、可重复使用、适用对象尺寸范围广、控制精度要求低，安全性高的空间碎片收纳系统。

技术实现要素：

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种大型充气式防逃逸空间碎片清理装置及空间碎片释放方法，该装置的收纳箱体采用充气式结构，由于外服高强度材料，故能够保证其在较高压强下完全膨胀后的具有近似刚性，以增强机械臂对该装置夹持的稳定性，便于对机械臂的控制操作；收纳箱的空间碎片入口处采用防止垃圾逃逸得单向门；出口处采用电机轮毂机构驱动系绳的释放和收紧，从而控制开关门；入口和出口位置的门在能够满足太空作业的前提下，设计了简单便捷的收纳、释放门，不会因繁琐发生误操作等问题。

本发明的技术方案是：一种大型充气式防逃逸空间碎片清理装置，其特征在于：包括夹持端、收纳箱箱体、单向门和开关门；所述收纳箱箱体为两端开口的充气式腔体结构，通过其外周面设置的夹持端与服务航天器机械臂的末端臂连接；所述单向门和开关门分别同轴固定于所述收纳箱箱体的两端开口处，作为空间碎片的收纳入口和释放出口；

所述单向门包括支撑框架、分段式刚性凸台、扇形组合件和液压合页；所述支撑框架为充气式环形结构，密封安装于收纳箱箱体的的收纳入口处；所述分段式刚性凸台是由多个圆弧段组成的圆环结构，沿周向固定于所述支撑框架的内环面；所述扇形组合件的外轮廓为扇形结构，若干扇形组合件沿周向拼接为一个完整的圆形结构，组成圆形密闭门；每个扇形组合件的圆弧端均与所述分段式刚性凸台的内环面通过液压合页铰接；

所述开关门为由电机驱动的抽绳式收口结构，通过控制系绳的收紧与释放并辅以气囊的收缩与膨胀，实现开关门的开合状态转换。

本发明的进一步技术方案是：所述收纳箱箱体还包括锥形套、环形支撑圈和条形支撑柱，多个所述环形支撑圈沿轴向均布于收纳箱箱体的外周面，多个所述条形支撑柱沿周向均布于收纳箱箱体的外周面，用于增强充气后收纳箱箱体结构的稳定性；所述锥形套为喇叭结构，小径端同轴固定于所述单向门的外侧，用于空间碎片的导向。

本发明的进一步技术方案是：所述收纳箱箱体内壁上、靠近所述单向门的支撑框架处，沿周向均布若干朝向可活动的冷气式喷嘴，在必要情况下通过气流控制收纳箱箱体内空间碎片的流向。

本发明的进一步技术方案是：所述收纳箱箱体内沿轴向均布多道所述单向门，且每道单向门的内侧、收纳箱箱体内周壁上都均布若干冷气式活动喷嘴。

本发明的进一步技术方案是：所述单向门的扇形组合件包括多个沿径向排布的组合单元，所述组合单元为扇环形硬质钛合金片，从扇形组合件的圆弧端到圆心端所述扇环形硬质钛合金片的圆弧逐渐递减至圆心，组成完整的独立扇形；相邻所述硬质钛合金片之间均通过液压合页铰接，且所有液压合页的安装方向相同，使得所有的组合单元都只能向单向门内侧弯曲，形成由中心向内侧打开的蛛网结构。

本发明的进一步技术方案是：所述开关门包括充气式支撑框架、电机轮毂机构、绳系、圆柱形织物、环形储线槽、金属环、环形气囊、条形气囊，所述圆柱形织物为两端开口的口袋式结构，其一侧开口端通过所述充气式支撑框架密封安装于所述收纳箱箱体的释放出口，另一侧开口处设置有环形储线槽；两个所述电机轮毂机构对称安装于充气式支撑框架上，所述绳系两端沿所述储线槽分别绕过所述收纳箱箱体的周向，分别与两个电机轮毂机构连接；服务航天器控制系统通过控制电机轮毂机构驱动系绳的收紧与释放，辅以气囊的收缩与膨胀，共同实现所述圆柱形织物另一侧开口的开放或收紧，进而控制开关门的开合；

所述金属环设置于所述环形储线槽的槽口处，所述绳系从金属环穿入环形储线槽；所述环形气囊和条形气囊分别沿周向和轴向方向设置于圆柱形织物内，在开关门处于打开状态时用于支撑圆柱形织物。

本发明的进一步技术方案是：所述夹持端、锥形套和收纳箱均由充气式材料制成，外表面附有隔热、防辐射的高强度纳米级kevlar纤维层。

本发明的进一步技术方案是：所述夹持端内部设有与服务航天器供气系统相连接的电气对接接口。

一种所述大型充气式防逃逸空间碎片清理装置的空间碎片释放方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤一：空间碎片填满所述收纳箱箱体时，由服务航天器运载到空间碎片坟墓轨道；

步骤二：通过服务航天器储气系统对所述开关门的环形气囊和条形气囊供气，同时所述电机轮毂机构随动地释放系绳，使得所述开关门的开口逐渐变大；直到完全开启；

步骤三：供气系统停止供气，并维持所述环形气囊和条形气囊供气内的压强；所述电机轮毂机构进行制动停止释放系绳，此时的整个开关门呈开口圆柱状，环形储线槽和环形气囊呈完整圆环状；

步骤四：在所述冷气式活动喷嘴的作用下，将收纳箱箱体内的空间碎片快速清出；

步骤五：所述收纳箱箱体清空后，所述环形气囊和条形气囊的供气系统卸荷，同时所述电机轮毂机构收紧系绳；所述储线槽和圆柱形织物在系绳挤压下出现褶皱，开关门的开口逐渐减小；直到开关门完全封闭；

步骤六：所述电机轮毂机构制动，停止收紧绳系；电机轮毂机构抱闸锁定，维持开关门关闭状态。

有益效果

本发明的有益效果在于：

(1)清理对象范围广(能收纳大型空间碎片和微小型空间碎片)，容量大。

本发明主体部分采用充气式材外附隔热、防辐射的高强度纳米级kevlar纤维层制作，并配备有可折叠的单向门。整个装置轻质(充气式)可折叠，降低了对火箭整流罩尺寸和火箭最大运载能力的要求，从而可大型制造和发射，能收纳大型空间碎片，清理对象范围广且收纳箱箱体容量大。

设计时可根据收纳对象的最大尺寸(地面测控站可提供，如国家航天局空间碎片监测与应用中心)结合运载火箭的整流罩尺寸和最大运载能力来决定收纳仓和单向门的制造尺寸，从而能保证本装置可收纳该轨道上所有尺寸的空间碎片。

此外，相对于前述记忆合金笼收纳方案，本发箱体未开孔，全密封状态，配合防逃逸单向门，亦可收纳微小型空间碎片。

(2)避免了刚性碰撞，安全性提高，控制精度要求降低。

①收纳箱箱体采用充气式材料外附高强度纳米级kevlar纤维层制作，对来自外部和内部空间碎片的撞击均具有缓冲性，避免了刚性碰撞，使得收纳操作安全性提高，对机械臂控制精度的要求降低。

②开关门主体采用高强度纤维材料，同样避免了与空间碎片的刚性碰撞，也提升了收纳仓整体的安全性。

③同时本发明装置装配在机械臂末端，并且夹持端也是充气式结构，从而使得收纳操作的进行，远离服务航天器本体和机械臂刚性部分，亦提升了系统的安全性。

(3)加强防逃逸、防卡死。

①单向门考虑了已收纳空间碎片二次逃逸的防止，采用蛛网仿生的结构设计使得在收纳新的空间碎片时，能有效缩减扰动范围，有效降低已收纳空间碎片逃逸的风险；防卡死，如图2(b)所示，不会出现图2(a)所示单向门被卡无法开启的故障。

②另外，借助设有的冷气喷嘴仍可以方便地将卡在单向门与仓壁面之间的空间碎片进行后移，主动地解除卡死故障。

(4)可重复使用。

①开关门位于收纳箱的尾部，主体采用高强度纤维织物构造，配合尾部的环形气囊和电机绳系机构，有效地解决了有限空间内可自动密封与开启“开关门”的构建问题。

②收纳箱箱体内壁的纳米级kevlar纤维材料致密光滑，避免了绳网式收纳抓捕方案中存在的绳网的网眼与目标缠绕在一起难以分离，无法重复使用的弊端。

(5)冷气式喷嘴可以加快空间碎片释放速度；多层单向门的可选方案设计，进一步增加了逃逸的困难性，进一步降低了已收纳空间碎片逃逸的风险，同时约束了空间碎片在仓内的活动范围，避免了箱体内空间碎片产生过于剧烈的晃动，削弱了空间碎片对于箱体结构强度的破坏，同时也降低了晃动对航天器主体姿态的干扰。

附图说明

图1是专利公开号cn106428652a与cn107264845a所述装置的示意图；

图2是传统单向门和新型单向门被卡后的开启效果对比示意图；

图3是专利公开号cn107719708a所述装置的示意图；

图4是大型充气式收纳箱捕获空间碎片示意图(以废弃卫星为例)；

图5是大型充气式空间碎片收纳箱正视图；

图6是单向门的其中一个独立的扇形单元示意图；

图7是开关门完全开启和完全闭合的示意图；

图8是绳系在储线槽中布置形式示意图。

附图标记说明：1.夹持端、2.锥形套、3.收纳箱箱体、4.单向门、5.开关门、6.充气式支撑框架、7.电机轮毂机构、8.圆柱形织物、9.绳系、10.环形储线槽、11.金属环、12.环形气囊、13.条形气囊。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明一种大型充气式防逃逸空间碎片清理装置及其空间碎片释放方法。该装置包括夹持端1、锥形套2、收纳箱箱体3、单向门4、开关门5。所述开关门5位于收纳箱的尾部，包括充气式支撑框架6、电机轮毂机构7、圆柱形织物8、绳系9、储线槽10、金属环11、环形气囊12、条形气囊13。该装置的夹持端1装配在服务航天器机械臂末端臂上。所述收纳箱箱体3为两端开口的充气式腔体结构，通过其外周面设置的夹持端1与服务航天器机械臂连接；所述单向门4和开关门5分别同轴固定于所述收纳箱箱体的两端开口处，作为空间碎片的收纳入口和释放出口；

多个环形支撑圈12沿轴向均布于收纳箱箱体3的外周面，多个条形支撑柱13沿周向均布于收纳箱箱体3的外周面，用于增强充气后收纳箱箱体结构的稳定性，起加强肋的作用；所述锥形套2为喇叭结构，其小径端同轴固定于所述单向门4的外侧，用于空间碎片的导向。

所述收纳箱箱体3内壁上、靠近所述单向门4的支撑框架处，沿周向均布若干冷气式活动喷嘴，在必要情况下可通过气流控制收纳箱箱体内空间碎片的流向。

单向门4为一种基于蛛网仿生结构的防逃逸空间碎片收纳单向门，包括支撑框架、分段式刚性凸台、扇形组合件和液压合页；所述支撑框架为充气式环形结构，密封安装于空间碎片收纳箱的入口处；所述分段式刚性凸台是由多个圆弧段组成的圆环结构，沿周向固定于所述支撑框架的内环面；所述扇形组合件的外轮廓为扇形结构，若干扇形组合件沿周向拼接为一个完整的圆形结构，组成圆形密闭门；每个扇形组合件的圆弧端均与所述分段式刚性凸台的内环面通过液压合页铰接；所述扇形组合件包括多个沿径向排布的组合单元，如图5所示。所述组合单元为扇环形硬质钛合金片，从扇形组合件的圆弧端到圆心端所述扇环形硬质钛合金片的圆弧逐渐递减至圆心，组成完整的独立扇形；相邻所述硬质钛合金片之间均通过液压合页铰接，且所有液压合页的安装方向相同，使得所有的组合单元都只能向单向门内侧弯曲，形成由中心向内侧打开的蛛网结构。

所述开关门5为由电机驱动的抽绳式收口结构，通过控制系绳的收紧与释放并辅以气囊的收缩与膨胀，实现开关门的开合状态转换。

首先，空间碎片穿越单向门4进入收纳箱箱体3后难以逃逸，当收纳箱箱体3充满，服务航天器则机动至坟墓轨道，通过驱动开关门5打开对空间碎片进行释放，完成空间碎片的清理。随后，开关门关闭。

所述开关门5位于收纳箱的尾部，包括充气式支撑框架6、电机轮毂机构7、圆柱形织物8、绳系9、储线槽10、金属环11、环形气囊12、条形气囊13。所述圆柱形织物8为两端开口的口袋式结构，其一侧开口端通过所述充气式支撑框架6密封安装于所述收纳箱箱体3的释放出口，另一侧开口处沿周向设置有储线槽10；两个所述电机轮毂机构7对称安装于充气式支撑框架6上，所述绳系9两端沿所述储线槽10分别绕过所述收纳箱箱体3的周向，分别与两个电机轮毂机构7连接。服务航天器控制系统通过控制电机轮毂机构驱动系绳的收紧与释放，辅以气囊的收缩与膨胀，共同实现所述圆柱形织物另一侧开口的开放或收紧；所述金属环11设置于所述储线槽10的槽口处，所述绳系9从金属环11穿入储线槽10；所述环形气囊12和条形气囊13分别沿周向和轴向方向设置于圆柱形织物8内，在开关门5处于打开状态时用于支撑圆柱形织物8。

所述夹持端1、锥形套2和收纳箱箱体3均由充气式材料制成，外表面附有隔热、防辐射的高强度纳米级kevlar纤维层。所述夹持端1内部设有与服务航天器供气系统相连接的电气对接接口。

所述收纳箱箱体3内沿轴向均布多道所述单向门4，且每道单向门的内侧、收纳箱箱体内周壁上都均布若干冷气式活动喷嘴。

下面本发明的具体工作过程如下：(以主动式捕获清理为例)

该装置安装于机械臂末端臂上，首先对空间碎片进行收纳工作。

服务航天器发现目标后，进行路径规划，采取主动机动不断接近目标，到达一定安全区域后进行停驻，随后在视觉系统的辅助下进行机械臂操作的控制。

如图1所示，服务航天器控制机械臂上的该末端执行机构接近空间碎片，并使单向门中心位置对准目标，随后机械臂进行主动捕获动作。

空间碎片在单向门外侧开始碰撞到单向门。

空间碎片逐渐穿越单向门。

越来越多的空间碎片穿越单向门，并被驻留在空间碎片收纳箱内。

当视觉和微波雷达监测系统检测到收纳箱空间已满时，该探测系统将则信息传递至控制系统。随后控制系统控制服务航天器进行机动，使之前往坟墓轨道。

服务航天器在坟墓轨道外侧安全区停驻，伸出机械臂，开始释放空间碎片。具体包括：控制器通过发送控制型号，通过气泵给开关门处的环形气囊、条形气囊供气，同时所述电机轮毂机构驱动绳系随动地释放，使开关门膨胀完全张开，如图7(a)所示，实现开启效果。

随后，移动航天器机械手臂。由于惯性作用，空间碎片将会与收纳箱分离(此时亦可以借助冷气喷嘴主动进行脉冲式喷气，加速空间碎片的释放)，最终在大气的阻力的作用下，其轨道不断降低，最终进入大气层被烧为灰烬。

待全部空间碎片与空间碎片收纳箱完全分离后，控制器控制环形气囊的气泵卸荷，同时所述电机轮毂机构收紧绳系，直到开关门完全封闭。

至此，一个清理周期完成。随后，可以进行轨道机动，重新开展下一周期的空间碎片清理工作。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

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