适用于在轨捕获的同步隔振与俘能装置及在轨捕获航天器

1.本发明属于航天技术设备领域，尤其涉及适用于在轨捕获的同步隔振与俘能装置及在轨捕获航天器。


背景技术：

2.近年来，随着空间技术的快速发展，具有卫星组装、维护、回收和清除空间碎片等功能的在轨卫星和航天器受到了广泛的关注。捕获结构在这些在轨卫星和航天器的运行中发挥着重要作用，当航天器主动捕获目标物时，由航天器、目标物和捕获结构组成的系统称为在轨捕获航天器。
3.由于一些故障卫星和空间碎片缺乏部分或全部的移动信息，移动信息包括速度、加速度以及转动角速度。捕获结构和目标之间始终存在着碰撞或振动的相互作用。这碰撞和振动可能导致卫星或航天器沿其飞行轨道出现有害的振动或漂移运动。因此，此类有害振动的高效、快速隔离技术，对卫星的安全、稳定运行至关重要。而若可将此类振动能量转化为可利用的电能，可为卫星或航天器中各种低功率的小型传感器(声音、光、温度、速度等传感器)进行供电，减少对太阳能、核能及化学能系统的依赖，拓展航空发电系统种类，利用小型俘能器降低与电子系统集成与封装的成本。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种适用于在轨捕获的同步隔振与俘能装置，旨在解决如何降低目标物对卫星的振动干扰并同步进行能量收集的问题。
5.为实现上述目的，本技术采用的技术方案是：
6.第一方面，提供一种适用于在轨捕获的同步隔振与俘能装置，其包括：
7.捕获结构，用于捕获移动中的目标物并产生振动；以及
8.隔振结构，用于对捕获结构进行减振，所述减振结构包括连接所述捕获结构的隔振平台、连接所述隔振平台的隔振组件以及连接所述隔振平台并与所述隔振组件间隔设置的俘能结构；
9.其中，所述捕获结构将所述目标物的机械振动传导至所述隔振平台，所述隔振组件用于对所述隔振平台进行减振，且所述俘能结构随所述隔振平台一并振动，以将机械能转化成电能。
10.在一些实施例中，所述俘能结构包括压电梁、第一磁体以及相对所述第一磁体间隔设置并与所述第一磁体相斥的第二磁体，所述压电梁的一端固定连接所述隔振平台，所述压电梁的另一端相对所述隔振平台的悬空设置并连接有所述第二磁体。
11.在一些实施例中，所述压电梁包括基底层以及设置于所述基底层并用于将机械能转化成电能的压电形变层，所述第二磁体连接所述基底层。
12.在一些实施例中，所述俘能结构还包括连接所述隔振平台的压电盒，所述第一磁体与所述压电梁均收容于所述压电盒内，且所述第一磁体和所述压电梁均连接所述压电盒
的内壁。
13.在一些实施例中，所述第一磁体间隔布置两个，两所述第一磁体均与所述第二磁体相斥，且所述第二磁体位于两所述第一磁体之间。
14.在一些实施例中，所述第二磁体至两所述第一磁体的距离相等。
15.在一些实施例中，所述隔振组件包括铰接臂以及两交叉并转动连接的交叉臂，任一所述交叉臂的两端分别转接有两所述铰接臂，任一所述交叉臂的一端通过所述铰接臂转动连接所述隔振平台，任一所述交叉臂的另一端通过所述铰接臂转动连接外部的结构件。
16.在一些实施例中，所述隔振组件还包括具有弹性恢复力的复位件，位于两所述交叉臂的转接点同一侧的两所述铰接臂与两所述交叉臂共同形成仿生四边形，所述复位件位于所述仿生四边形内，且所述复位件的两端分别连接所述仿生四边形的两条边。
17.在一些实施例中，所述捕获结构包括用于夹取所述目标物的两机械手，两机械手的一端均连接所述隔振平台。
18.第二方面，提供一种在轨捕获航天器，其包括所述适用于在轨捕获的同步隔振与俘能装置，所述在轨捕获航天器还包括卫星以及连接臂，所述连接臂的一端连接所述卫星，所述连接臂的另一端连接所述隔振组件。
19.本技术的有益效果在于：适用于在轨捕获的同步隔振与俘能装置包括捕获结构、隔振结构与俘能结构，所述捕获结构用于捕获移动中的太空碎片，并不可避免的产生有害振动。而隔振结构用于减弱振动并通过俘能结构将机械能转化成电能，实现对振动的同步隔振与俘能。
附图说明
20.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或示范性技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
21.图1是本技术实施例提供的在轨捕获航天器的立体结构示意图；
22.图2是图1的在轨捕获航天器的适用于在轨捕获的同步隔振与俘能装置的结构示意图；
23.图3是图2的俘能结构的剖视示意图；
24.图4是图2另一实施例中俘能结构的剖视示意图。
25.其中，图中各附图标记：
26.100、在轨捕获航天器；101、太空碎片；102、连接臂；300、捕获结构；301、机械手；200、卫星；400、隔振结构；401、隔振平台；402、隔振组件；403、复位件；404、俘能结构；4021、交叉臂；4022、铰接臂；4023、仿生四边形；500、压电梁；502、压电形变层；501、基底层；4041、第一磁体；4042、第二磁体；4044、压电盒；
具体实施方式
27.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不
用于限定本技术。
28.需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”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，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技术的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
29.请参阅图1至图3，本技术实施例提供了一种适用于在轨捕获的同步隔振与俘能装置，适用于在轨捕获的同步隔振与俘能装置连接于卫星200或航天器上，并用于捕获太空中移动的目标物，即太空碎片101，并进行能量的收集。太空碎片101包括探测器的碎片、小行星的碎片以及各种各样的太空垃圾，其具有复杂的运行轨迹和速度。
30.请参阅图1至图3，适用于在轨捕获的同步隔振与俘能装置包括捕获结构300和隔振结构400。捕获结构300用于捕获移动中的目标物。可以理解的是，捕获结构300主动拾取或夹取移动中的太空碎片101，防止太空碎片101对卫星200造成损坏，同时捕获结构300与太空碎片101发生碰撞并产生振动。隔振结构400用于对捕获结构300进行减振，以阻隔振动的传导。所述减振结构包括连接所述捕获结构300的隔振平台401、连接所述隔振平台401的隔振组件402以及连接所述隔振平台401并与所述隔振组件402间隔设置的俘能结构404。可以理解的是，捕获结构300与太空碎片101之间产生的振动传导至隔振平台401，再将隔振平台401传导至隔振组件402。俘能结构404连接所述隔振平台401并随所述隔振平台401一并振动，以将机械能转化成电能，从而可以对卫星200或航天器上的低功率电子器件进行供电，低功率电子器件可以为声音、光、温度、速度等传感器。隔振组件402的一端连接隔振平台401，隔振组件402的另一端连接卫星200，通过隔振平台401和隔振组件402可以使所产生振动减弱，降低振动对卫星200飞行的干扰。
31.请参阅图1至图3，本实施例提供的适用于在轨捕获的同步隔振与俘能装置包括捕获结构300、隔振结构400以及俘能结构404，所述捕获结构300用于捕获移动中的太空碎片101，并不可避免的产生有害振动。隔振结构400用于减弱振动并通过俘能结构404将机械能转化成电能，实现对振动的阻隔和能量的收集。
32.可以理解的是，转化收集的电能可以对卫星200的自身能量进行补充，从而改善卫星200自身电池寿命短、频繁充/放电和频繁更换等缺点。
33.请参阅图1至图3，在一些实施例中，所述俘能结构404包括压电梁500、第一磁体4041以及相对所述第一磁体4041间隔设置并与所述第一磁体4041相斥的第二磁体4042，所述压电梁500的一端固定连接所述隔振平台401，所述压电梁500的另一端相对所述隔振平台401的悬空设置并连接有所述第二磁体4042。第一磁体4041与第二磁体4042之间具有一定的距离，且第一磁体4041和第二磁体4042的连线平行压电梁500的轴向。
34.请参阅图1至图3，可选地，压电梁500采用正压电效应而产生电能，正压电效应是指由于形变而产生电极化的现象。当对压电材料施以物理压力时，材料体内之电偶极矩会因压缩而变短，此时压电材料为抵抗这变化会在材料相对的表面上产生等量正负电荷，以
保持原状。这种由于形变而产生电极化的现象称为“正压电效应”。正压电效应实质上是机械能转化为电能的过程。
35.请参阅图1至图3，在捕获结构300捕获太空碎片101后，压电梁500设置有第二磁体4042的一端随隔振平台401一并振动，并发生形变，从而产生电能，第一磁体4041的磁场与压电梁500上的第二磁体4042的磁场相互影响并形成非线性的单稳态系统。单稳态系统相比普通的弹簧-质量-阻尼隔振器和准零刚隔振器具有更低的谐振频率，且不会出现准零刚隔振器的混沌行为所导致的结构失稳，以及达到负刚度时负载能力变低等问题。而且，单稳态系统在高激励频率区域可以提高减振性能，能够进一步提高宽带减振性能。而与具有线性能量收集机制的装置相比，单稳态系统的适用于在轨捕获的同步隔振与俘能装置可以拓宽带宽，提高低频能量输出。从而同时实现俘能和减振。
36.在一些实施例中，所述压电梁500包括基底层501以及设置于所述基底层501并用于将机械能转化成电能的压电形变层502，所述第二磁体4042连接所述基底层501。所述压电形变层502随基底层501一并振动并发生弹性形变，从而将机械能转化成电能。压电形变层502包括两个层叠设置的锆钛酸铅(pzt，pbzrxti1-xo3)层。
37.请参阅图1至图3，可选地，基底层501相对设置的两个表面均设置有压电形变层502，基底层501振动轨迹所确定的平面垂直两压电形变层502的表面。
38.可选地，第一磁体4041为永磁体、静磁体或恒磁体。
39.可选地，第二磁体4042为永磁体、静磁体或恒磁体。
40.在一些实施例中，所述俘能结构404还包括连接所述隔振平台401的压电盒4044，所述第一磁体4041与所述压电梁500均收容于所述压电盒4044内，且所述第一磁体4041和所述压电梁500均连接所述压电盒4044的内壁。通过压电盒4044可以对第一磁体4041、第二磁体4042以及压电梁500进行防护。
41.请参阅图4，在一些实施例中，所述第一磁体4041间隔布置两个，两所述第一磁体4041均与所述第二磁体4042相斥，且第二磁体4042位于两第一磁体4041之间，即两所述第一磁体4041的连线垂直压电梁500的轴向。两第一磁体4041与第二磁体4042均相斥，从而形成多稳态系统，且两第一磁体4041与第二磁体4042的相斥力相互抵消，能使压电梁500尽快恢复至平衡静止状态，从而降低压电梁500的振动对卫星200飞行的影响。
42.请参阅图4，在一些实施例中，所述第二磁体4042至两所述第一磁体4041的距离相等，从而实现发电最大化以及压电梁500的复位及时化。
43.请参阅图1至图3，在一些实施例中，所述隔振组件402包括铰接臂4022以及两交叉并转动连接的交叉臂4021，任一所述交叉臂4021的两端分别转接有两所述铰接臂4022，任一所述交叉臂4021的一端通过所述铰接臂4022转动连接所述隔振平台401，任一所述交叉臂4021的另一端通过所述铰接臂4022转动连接外部的结构件。通过交叉臂4021和铰接臂4022的配合，可以降低振动对卫星200的影响。可以理解的是，两交叉臂4021张开，隔振平台401靠近卫星200，两交叉臂4021收拢，隔振平台401远离卫星200，从而使俘能结构404将机械能转化成电能。
44.在一些实施例中，所述隔振组件402还包括具有弹性恢复力的复位件403，位于两所述交叉臂的转接点同一侧的的两所述铰接臂4022与两所述交叉臂4021共同形成仿生四边形4023，可以理解的是，一共形成两个所述仿生四边形4023，所述复位件403位于其中一
仿生四边形4023内，且复位件403的两端分别连接所述仿生四边形4023的两条边。可以理解的是，所述复位件403随仿生四边形4023形状的改变而发生弹性形变。复位件403的两端分别连接两所述铰接臂4022，或复位件403的两端分别连接两所述交叉臂4021，或复位件403的一端连接其中一所述交叉臂4021，复位件403的另一端连接其中一所述铰接臂4022。
45.可选地，各仿生四边形4023内均设置有复位件403。
46.可选地，仿生四边形4023是受到鸟类身体运动和身体结构的启发，经过几何关系的推算，设计出具有非线性刚度和阻尼的四边形结构。
47.请参阅图1至图3，可选地，复位件403为管簧，管簧的一端连接其中一交叉臂4021与其中一铰接臂4022的转接处，管簧的另一端连接另一交叉臂4021与另一铰接臂4022的转接处。隔振平台401靠近卫星200时，管簧发生压缩形变；隔振平台401远离卫星200时，管簧发生拉伸形变，通过管簧可以使隔振平台401相对卫星200往复移动，从而实现隔振，降低振动向卫星200的传递，并不断使俘能结构404不断将机械能转化成电能。
48.请参阅图1至图3，在一些实施例中，所述捕获结构300包括用于夹取所述目标物的两机械手301，两机械手301的一端均连接所述隔振平台401。机械手301通过控制器控制，并能够捕获移动中的太空碎片101。
49.可选地，可以通过螺丝和螺母的配合，而是两交叉臂4021转动连接，或使铰接臂4022与交叉臂4021的转动连接，或铰接臂4022与外部的结构件的转动连接。
50.请参阅图1至图3，本发明还提出了一种在轨捕获航天器100，该在轨捕获航天器100包括适用于在轨捕获的同步隔振与俘能装置，该适用于在轨捕获的同步隔振与俘能装置的具体结构参照上述实施例，由于本在轨捕获航天器100采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此同样具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
51.在一些实施例中，所述在轨捕获航天器100还包括卫星200以及连接臂102，所述连接臂102的一端连接所述卫星200，所述连接臂102的另一端连接所述隔振组件402。
52.可选地，两铰接臂4022转动连接所述连接臂102的一端。
53.请参阅图1至图3，本实施例提供的在轨捕获航天器100具有同步隔振与俘能功能，适用于在轨捕获的同步隔振与俘能装置包括具有仿生四边形4023的隔振组件402以及具有非线性单稳态系统的俘能结构404。从而既可以对低频振动进行了有效地控制，又将振动能量收集起来为不同功能的无线传感器供电，有效地减小了因振动而对卫星200带来的危害，而且符合环保和可持续发展。通过仿生四边形4023的隔振结构进一步改善低频周期激励下的宽频带减振性能，在脉冲激励下可提高脉冲幅值下的减振能力，且在隔振的同时可实现宽频能量俘获，在同一时间节点实现两种功能，效率高。
54.以上仅为本技术的可选实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。

技术特征：
1.一种适用于在轨捕获的同步隔振与俘能装置，其特征在于，包括：捕获结构，用于捕获移动中的目标物并产生振动；隔振结构，用于对捕获结构进行减振，所述隔振结构包括连接所述捕获结构的隔振平台以及连接所述隔振平台的隔振组件；以及俘能结构，连接所述隔振平台并与所述隔振组件间隔设置；其中，所述捕获结构将所述目标物的机械振动传导至所述隔振平台，所述隔振组件用于对所述隔振平台进行减振，且所述俘能结构随所述隔振平台一并振动，以将机械能转化成电能。2.如权利要求1所述的适用于在轨捕获的同步隔振与俘能装置，其特征在于：所述俘能结构包括压电梁、第一磁体以及相对所述第一磁体间隔设置并与所述第一磁体相斥的第二磁体，所述压电梁的一端固定连接所述隔振平台，所述压电梁的另一端相对所述隔振平台的悬空设置并连接有所述第二磁体。3.如权利要求2所述的适用于在轨捕获的同步隔振与俘能装置，其特征在于：所述压电梁包括基底层以及设置于所述基底层并用于将机械能转化成电能的压电形变层，所述第二磁体连接所述基底层。4.如权利要求2所述的适用于在轨捕获的同步隔振与俘能装置，其特征在于：所述俘能结构还包括连接所述隔振平台的压电盒，所述第一磁体与所述压电梁均收容于所述压电盒内，且所述第一磁体和所述压电梁均连接所述压电盒的内壁。5.如权利要求2-4任意一项所述的适用于在轨捕获的同步隔振与俘能装置，其特征在于：所述第一磁体间隔布置两个，两所述第一磁体均与所述第二磁体相斥，且所述第二磁体位于两所述第一磁体之间。6.如权利要求5所述的适用于在轨捕获的同步隔振与俘能装置，其特征在于：所述第二磁体至两所述第一磁体的距离相等。7.如权利要求1-4任意一项所述的适用于在轨捕获的同步隔振与俘能装置，其特征在于：所述隔振组件包括铰接臂以及两交叉设置并转动连接的交叉臂，任一所述交叉臂的两端分别转接有两所述铰接臂，任一所述交叉臂的一端通过所述铰接臂转动连接所述隔振平台，任一所述交叉臂的另一端通过所述铰接臂转动连接外部的结构件。8.如权利要求7所述的适用于在轨捕获的同步隔振与俘能装置，其特征在于：所述隔振组件还包括具有弹性恢复力的复位件，位于两所述交叉臂的转接点同一侧的两所述铰接臂与两所述交叉臂共同形成仿生四边形，所述复位件位于所述仿生四边形内，且所述复位件的两端分别连接所述仿生四边形的两条边。9.如权利要求1-4任意一项所述的适用于在轨捕获的同步隔振与俘能装置，其特征在于：所述捕获结构包括用于夹取所述目标物的两机械手，两机械手的一端均连接所述隔振平台。10.一种在轨捕获航天器，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的适用于在轨捕获的同步隔振与俘能装置，所述在轨捕获航天器还包括卫星以及连接臂，所述连接臂的一端连接所述卫星，所述连接臂的另一端连接所述隔振组件。

技术总结
本发明属于航天技术设备领域，尤其涉及适用于在轨捕获的同步隔振与俘能装置及在轨捕获航天器。适用于在轨捕获的同步隔振与俘能装置包括捕获结构、隔振结构和俘能结构。捕获结构用于捕获移动中的目标物并产生振动。隔振结构用于对捕获结构进行减振，所述减振结构包括连接所述捕获结构的隔振平台和连接所述隔振平台的隔振组件。俘能结构连接所述隔振平台并与所述隔振组件间隔设置，以将机械能转化成电能。本发明能够实现对卫星的隔振和能量的收集。本发明具有同步隔振与俘能功能，既可以对低频振动进行了有效地控制，又将振动能量收集起来为不同功能的无线传感器供电，有效地减小了因振动而对卫星带来的危害，符合环保和可持续发展的要求。续发展的要求。续发展的要求。


技术研发人员：方仕童 彭浩贤 赖志慧
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：2023.02.24
技术公布日：2023/6/3