一种飞网式空间碎片捕获装置

1.本发明属于空间碎片清除领域，尤其涉及一种飞网式空间碎片捕获装置。


背景技术：

2.太空碎片数量的日益增多是一个严重的问题，如失效卫星一旦和航天器相撞将会造成灾难性的损害。目前各国已向太空发射火箭超过6000次，送入太空的卫星数量超过10000颗，其中约6000颗卫星仍在轨、约3000颗卫星仍在工作。关于卫星何时结束运行的国际管理条例已经颁布，但是由于没有法律约束，至今仍有许多退役的遗留卫星在轨运行。这些卫星大多分布在近地轨道，卫星的运行速度在7km/s以上。在这种高速撞击下会导致碰撞物产生大量的小碎片，从而进一步加剧空间碎片问题。
3.飞网式空间碎片捕获装置是一种用于捕获空间大型碎片的装置，与其他空间碎片捕获方式相比，飞网有以下优点：捕获距离远、对导航的精度需求低、成本低及使用范围广。
4.现有的飞网式空间碎片捕获装置有以下问题：以往飞网装置设计结构过于复杂，一方面增加了飞网的设计成本，另一方面降低了工程应用的稳定性；传统飞网发射装置动力大多为气动和火药，在太空中稳定性差；未考虑到捕获离轨后卫星与空间碎片分离问题，分离捕获目标是空间碎片移除必须考虑的问题；以往飞网装置的牵引块发射部分均为相对独立结构或是利用爆炸螺栓控制，这种结构无法保证多个牵引块同步发射。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种飞网式空间碎片捕获装置。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种飞网式空间碎片捕获装置，包括网箱、网箱盖、飞网、控制系绳、牵引系绳以及用于分别切断控制系绳与牵引系绳的热刀组件，还包括若干组用于发射飞网的发射组件；每组所述发射组件均包括发射筒、牵引块及弹簧，各组所述发射组件的发射筒均设置于所述网箱的外侧，各组所述发射组件的发射筒的顶部均开口，每组所述发射组件的牵引块位于同组发射组件的发射筒的内部，每组所述发射组件的弹簧的一端与同组发射组件的发射筒底部连接、另一端抵接于同组发射组件的牵引块底部；所述网箱安装于用于空间碎片捕获的航天器上，所述飞网的主体收纳于顶部开口的所述网箱内部，所述飞网的外周设有若干条用于连接发射组件的连接绳，每条所述连接绳与对应的所述发射组件中的牵引块连接，所述网箱盖同时盖住所述网箱的顶部开口及各所述发射筒的顶部开口；所述热刀组件设置于所述网箱的外侧，所述控制系绳分别绕过所述网箱盖、网箱以及热刀组件、并将所述网箱与网箱盖固定住，所述牵引系绳的一端与所述飞网连接、另一端绕过所述热刀组件后与用于空间碎片捕获的航天器连接。
7.各组所述发射组件的发射筒分别通过转角板与所述网箱连接。
8.各组所述发射组件的发射筒的轴向中心线分别与所述网箱的轴向中心线形成固
定角度的夹角。
9.所述网箱盖及网箱上分别设有穿绳通孔，所述网箱盖上穿绳通孔的设置数量及所述网箱上穿绳通孔的设置数量均至少为三个。
10.所述网箱盖上穿绳通孔的设置数量与所述网箱上穿绳通孔的设置数量相等。
11.所述飞网的网体呈z字形折叠收纳于所述网箱中。
12.所述热刀组件包括绝缘垫片、控制系绳切断用电阻丝、牵引系绳切断用电阻丝，所述绝缘垫片安装于所述网箱外侧，所述控制系绳切断用电阻丝及牵引系绳切断用电阻丝分别通过陶瓷柱固定于所述绝缘垫片上，所述控制系绳切断用电阻丝及牵引系绳切断用电阻丝分别与位于用于空间碎片捕获的航天器中的热刀组件控制电路连接；所述控制系绳分别绕过所述网箱盖、网箱以及控制系绳切断用电阻丝、并将所述控制系绳切断用电阻丝压紧在所述绝缘垫片上，所述牵引系绳的一部分缠绕在牵引系绳切断用电阻丝上。
13.每个所述牵引块的内部均设有一组收口组件，每组所述收口组件均包括收口组件电源、收口组件控制电路、收口驱动电机、减速箱以及线卷；同组收口组件的收口组件电源、收口组件控制电路、收口驱动电机、减速箱分别固定安装于对应的所述牵引块内部，每组所述收口组件的收口驱动电机的驱动端与同组收口组件的减速箱的输入端连接，每组所述收口组件的线卷与同组收口组件的减速箱的输出端连接，每组所述收口组件的线卷上均设有收口线，所述收口线的一端固定于对应的所述线卷上，所述收口线的另一端延伸出对应的所述牵引块并与所述飞网连接；每组所述收口组件的收口组件控制电路分别与同组收口组件的收口组件电源及收口驱动电机连接，各组所述收口组件的收口组件控制电路均包括能接收用于空间碎片捕获的航天器发出信号的通讯模块。
14.每组所述收口组件还包括配合设置的棘轮与棘爪，每组所述收口组件的棘爪固定安装于对应的所述牵引块内部，每组所述收口组件的棘轮与同组收口组件的减速箱的输出端连接。
15.每组所述收口组件的线卷上收口线的另一端延伸出对应的所述牵引块、并与所述飞网上靠近邻近的另一个牵引块处连接。
16.本发明的优点与积极效果为：1.本发明通过采用热刀组件控制牵引块的发射，区别于以往的火工和气动发射方法，更适合太空环境，能够更有效保证多个牵引块同步发射，同时简化了装置整体的复杂程度，达到了轻量化。
17.2.本发明飞网的网体采用z字形折叠收纳能够更合理利用有限空间，有效降低飞网的网体发生缠绕和牵连的风险。
18.3.本发明通过在牵引块中设置收口组件，能够在飞网的网体包裹住目标碎片后，自动进行收口完成捕获，确保飞网稳定捕获碎片。
附图说明
19.图1为本发明的整体的外部结构示意图之一；图2为本发明的整体的外部结构示意图之二；
图3为本发明的整体的内部结构示意图；图4为本发明的飞网的结构示意图；图5为本发明的飞网的网体的折叠收纳结构示意图；图6为本发明的热刀组件的结构示意图；图7为本发明的牵引块的内部结构示意图。
20.图中：1为网箱、2为网箱盖、3为飞网、4为控制系绳、5为牵引系绳、6为发射筒、7为牵引块、8为弹簧、9为连接绳、10为转角板、11为穿绳通孔、12为绝缘垫片、13为控制系绳切断用电阻丝、14为牵引系绳切断用电阻丝、15为陶瓷柱、16为收口组件电源、17为收口组件控制电路、18为收口驱动电机、19为减速箱、20为线卷、21为棘轮、22为棘爪；001为折叠前网体、002为折叠后网体。
具体实施方式
21.下面结合附图1-7对本发明作进一步详述。
22.一种飞网式空间碎片捕获装置，如图1-7所示，本实施例中包括网箱1、网箱盖2、飞网3、控制系绳4、牵引系绳5以及用于分别切断控制系绳4与牵引系绳5的热刀组件，还包括四组用于发射飞网3的发射组件。本实施例中飞网3为四边形网体，网目形状采用四边形网目，每个网目的边长大小为10cm，网体材料为芳纶纤维。
23.每组发射组件均包括发射筒6、牵引块7及弹簧8，各组发射组件的发射筒6均设置于网箱1的外侧。本实施例中四组发射组件均匀设置于网箱1外侧，并分别与飞网3的各角位置相对应。各组发射组件的发射筒6的顶部均开口，每组发射组件的牵引块7位于同组发射组件的发射筒6的内部，每组发射组件的弹簧8的一端与同组发射组件的发射筒6底部连接、另一端抵接于同组发射组件的牵引块7底部。
24.网箱1安装于用于空间碎片捕获的航天器上，飞网3的主体收纳于顶部开口的网箱1内部。本实施例中网箱1与航天器之间的安装方式为现有技术，例如通过螺钉螺栓固定连接。飞网3的外周各角处各设有一条连接绳9，也即四角共四条连接绳9，每条连接绳9各与对应的一组发射组件中的牵引块7的底面连接。网箱盖2同时盖住网箱1的顶部开口及各发射筒6的顶部开口，并同时压住发射筒6内部的牵引块7。本实施例弹簧8完全压缩后的弹力应满足发射需求，发射需求网箱盖2离体速度大于等于牵引块7离体速度。本实施例中网箱盖2未完全覆盖发射筒6的顶部开口，同时网箱盖2包含多个减重槽，以起到减重效果。
25.热刀组件设置于网箱1的外侧，控制系绳4分别绕过网箱盖2、网箱1以及热刀组件、并将网箱1与网箱盖2固定住，牵引系绳5的一端与飞网3连接、另一端绕过热刀组件后与用于空间碎片捕获的航天器连接。
26.具体而言，如图2和图3所示，本实施例中各组发射组件的发射筒6分别通过转角板10与网箱1连接，各组发射组件的发射筒6的轴向中心线分别与网箱1的轴向中心线形成固定角度的夹角，夹角的大小也即牵引块7向外发射角度大小。本实施例中发射筒6与转角板10通过螺钉螺栓连接，转角板10与网箱1通过螺钉螺栓连接。
27.具体而言，如图1所示，本实施例中网箱盖2及网箱1上分别设有穿绳通孔11，网箱盖2上穿绳通孔11的设置数量及网箱1上穿绳通孔11的设置数量均为三个，便于控制系绳4有效缠绕并保持网箱1与网箱盖2固定稳定。
28.具体而言，如图5所示，本实施例中飞网3的网体呈z字形折叠收纳于网箱1中，其中001为折叠前网体，002为折叠后网体。采用z字形折叠收纳能够更合理利用有限空间，降低飞网3的网体发生缠绕和牵连的风险。
29.具体而言，如图3和图6所示，本实施例中热刀组件包括绝缘垫片12、控制系绳切断用电阻丝13、牵引系绳切断用电阻丝14，绝缘垫片12安装于网箱1外侧，控制系绳切断用电阻丝13及牵引系绳切断用电阻丝14分别通过陶瓷柱15固定于绝缘垫片12上，控制系绳切断用电阻丝13及牵引系绳切断用电阻丝14分别与位于用于空间碎片捕获的航天器中的热刀组件控制电路连接。本实施例中绝缘垫片12与网箱1的安装连接方式、陶瓷柱15与绝缘垫片12的连接方式、以及控制系绳切断用电阻丝13与牵引系绳切断用电阻丝14的安装方式均为现有技术。航天器中的热刀组件控制电路的设置方式采用现有技术即可，本实施例中热刀组件控制电路为由设置有stm32f103rct6的pcb板、继电器及电源组成，热刀组件控制电路由航天器中的上级控制器控制动作。本实施例中控制系绳切断用电阻丝13及牵引系绳切断用电阻丝14采用镍铬合金丝。
30.控制系绳4分别绕过网箱盖2、网箱1以及控制系绳切断用电阻丝13、并将控制系绳切断用电阻丝13压紧在绝缘垫片12上，牵引系绳5的一部分缠绕在牵引系绳切断用电阻丝14上。这种采用热刀组件控制牵引块7的发射，区别于以往的火工和气动发射方法，更适合太空环境，能够更有效保证多个牵引块7同步发射。
31.具体而言，如图7所示，本实施例中每个牵引块7的内部均设有一组收口组件，每组收口组件均包括收口组件电源16、收口组件控制电路17、收口驱动电机18、减速箱19以及线卷20。
32.同组收口组件的收口组件电源16、收口组件控制电路17、收口驱动电机18、减速箱19分别固定安装于对应的牵引块7内部，安装方式均为现有技术，例如通过螺栓及隔板等安装。每组收口组件的收口驱动电机18的驱动端与同组收口组件的减速箱19的输入端连接，每组收口组件的线卷20与同组收口组件的减速箱19的输出端连接，每组收口组件的线卷20上均设有收口线，收口线的一端固定于对应的线卷20上，收口线的另一端延伸出对应的牵引块7并与飞网3连接。本实施例中每组收口组件的线卷20上收口线的另一端延伸出对应的牵引块7、并与飞网3上靠近邻近的另一个牵引块7处连接。收口驱动电机18动作，通过减速箱19带动线卷20转动，将线卷20上的收口线收卷，收口线的另一端拉动飞网3，使飞网3收口以确保飞网3稳定捕获碎片。
33.每组收口组件的收口组件控制电路17分别与同组收口组件的收口组件电源16及收口驱动电机18连接，各组收口组件的收口组件控制电路17均包括能接收用于空间碎片捕获的航天器发出信号的通讯模块。本实施例中收口驱动电机18、减速箱19均为市购产品，收口驱动电机18采用市购的直流电机。收口组件控制电路17与收口组件电源16及收口驱动电机18的连接方式也为现有技术。收口组件控制电路17的设置方式采用现有技术即可，本实施例中收口组件控制电路17为由设置有stm32f103rct6的pcb板、继电器、红外传感器模块及电源组成。红外传感器模块作为通讯模块用于接收用于空间碎片捕获的航天器发出信号，在接收到航天器中的上级控制器发出信号后，由收口组件控制电路17按程序在牵引块7发射时开始计时，在计时达到预期的展开时间后命令收口驱动电机18旋转进行收口。
34.每组收口组件还包括配合设置的棘轮21与棘爪22，每组收口组件的棘爪22固定安
装于对应的牵引块7内部，每组收口组件的棘轮21与同组收口组件的减速箱19的输出端连接。通过棘轮21与棘爪22的设置，用于在收口结束后锁死减速箱19的输出端，保证收口稳定。
35.工作原理：需要捕获空间碎片时，用于空间碎片捕获的航天器到达距离空间碎片100米的预定位置并使飞网捕获装置对准空间碎片；随后航天器中的上级控制器控制控制系绳切断用电阻丝13切断固定网箱1与网箱盖2的控制系绳4使网箱盖2释放，各牵引块7随着网箱盖2的释放失去阻力开始发射并带动飞网3的网体展开，同时收口组件控制电路17接收到航天器中的上级控制器发出信号后，按程序在牵引块7发射时开始计时；飞网3的网体包裹住目标碎片后，在计时达到预期的展开时间后收口驱动电机18旋转进行收口完成捕获；捕获后航天器拖曳空间碎片至坟墓轨道，到达后控制牵引系绳切断用电阻丝14切断飞网3与航天器之间连接的牵引系绳5，完成空间碎片离轨处理。

技术特征：
1.一种飞网式空间碎片捕获装置，其特征在于：包括网箱（1）、网箱盖（2）、飞网（3）、控制系绳（4）、牵引系绳（5）以及用于分别切断控制系绳（4）与牵引系绳（5）的热刀组件，还包括若干组用于发射飞网（3）的发射组件；每组所述发射组件均包括发射筒（6）、牵引块（7）及弹簧（8），各组所述发射组件的发射筒（6）均设置于所述网箱（1）的外侧，各组所述发射组件的发射筒（6）的顶部均开口，每组所述发射组件的牵引块（7）位于同组发射组件的发射筒（6）的内部，每组所述发射组件的弹簧（8）的一端与同组发射组件的发射筒（6）底部连接、另一端抵接于同组发射组件的牵引块（7）底部；所述网箱（1）安装于用于空间碎片捕获的航天器上，所述飞网（3）的主体收纳于顶部开口的所述网箱（1）内部，所述飞网（3）的外周设有若干条用于连接发射组件的连接绳（9），每条所述连接绳（9）与对应的所述发射组件中的牵引块（7）连接，所述网箱盖（2）同时盖住所述网箱（1）的顶部开口及各所述发射筒（6）的顶部开口；所述热刀组件设置于所述网箱（1）的外侧，所述控制系绳（4）分别绕过所述网箱盖（2）、网箱（1）以及热刀组件、并将所述网箱（1）与网箱盖（2）固定住，所述牵引系绳（5）的一端与所述飞网（3）连接、另一端绕过所述热刀组件后与用于空间碎片捕获的航天器连接。2.根据权利要求1所述的一种飞网式空间碎片捕获装置，其特征在于：各组所述发射组件的发射筒（6）分别通过转角板（10）与所述网箱（1）连接。3.根据权利要求2所述的一种飞网式空间碎片捕获装置，其特征在于：各组所述发射组件的发射筒（6）的轴向中心线分别与所述网箱（1）的轴向中心线形成固定角度的夹角。4.根据权利要求1所述的一种飞网式空间碎片捕获装置，其特征在于：所述网箱盖（2）及网箱（1）上分别设有穿绳通孔（11），所述网箱盖（2）上穿绳通孔（11）的设置数量及所述网箱（1）上穿绳通孔（11）的设置数量均至少为三个。5.根据权利要求4所述的一种飞网式空间碎片捕获装置，其特征在于：所述网箱盖（2）上穿绳通孔（11）的设置数量与所述网箱（1）上穿绳通孔（11）的设置数量相等。6.根据权利要求1所述的一种飞网式空间碎片捕获装置，其特征在于：所述飞网（3）的网体呈z字形折叠收纳于所述网箱（1）中。7.根据权利要求1所述的一种飞网式空间碎片捕获装置，其特征在于：所述热刀组件包括绝缘垫片（12）、控制系绳切断用电阻丝（13）、牵引系绳切断用电阻丝（14），所述绝缘垫片（12）安装于所述网箱（1）外侧，所述控制系绳切断用电阻丝（13）及牵引系绳切断用电阻丝（14）分别通过陶瓷柱（15）固定于所述绝缘垫片（12）上，所述控制系绳切断用电阻丝（13）及牵引系绳切断用电阻丝（14）分别与位于用于空间碎片捕获的航天器中的热刀组件控制电路连接；所述控制系绳（4）分别绕过所述网箱盖（2）、网箱（1）以及控制系绳切断用电阻丝（13）、并将所述控制系绳切断用电阻丝（13）压紧在所述绝缘垫片（12）上，所述牵引系绳（5）的一部分缠绕在牵引系绳切断用电阻丝（14）上。8.根据权利要求1所述的一种飞网式空间碎片捕获装置，其特征在于：每个所述牵引块（7）的内部均设有一组收口组件，每组所述收口组件均包括收口组件电源（16）、收口组件控制电路（17）、收口驱动电机（18）、减速箱（19）以及线卷（20）；同组收口组件的收口组件电源（16）、收口组件控制电路（17）、收口驱动电机（18）、减速
箱（19）分别固定安装于对应的所述牵引块（7）内部，每组所述收口组件的收口驱动电机（18）的驱动端与同组收口组件的减速箱（19）的输入端连接，每组所述收口组件的线卷（20）与同组收口组件的减速箱（19）的输出端连接，每组所述收口组件的线卷（20）上均设有收口线，所述收口线的一端固定于对应的所述线卷（20）上，所述收口线的另一端延伸出对应的所述牵引块（7）并与所述飞网（3）连接；每组所述收口组件的收口组件控制电路（17）分别与同组收口组件的收口组件电源（16）及收口驱动电机（18）连接，各组所述收口组件的收口组件控制电路（17）均包括能接收用于空间碎片捕获的航天器发出信号的通讯模块。9.根据权利要求8所述的一种飞网式空间碎片捕获装置，其特征在于：每组所述收口组件还包括配合设置的棘轮（21）与棘爪（22），每组所述收口组件的棘爪（22）固定安装于对应的所述牵引块（7）内部，每组所述收口组件的棘轮（21）与同组收口组件的减速箱（19）的输出端连接。10.根据权利要求8所述的一种飞网式空间碎片捕获装置，其特征在于：每组所述收口组件的线卷（20）上收口线的另一端延伸出对应的所述牵引块（7）、并与所述飞网（3）上靠近邻近的另一个牵引块（7）处连接。

技术总结
本发明属于空间碎片清除领域，尤其涉及一种飞网式空间碎片捕获装置，包括网箱、网箱盖、飞网、控制系绳、牵引系绳以及用于分别切断控制系绳与牵引系绳的热刀组件，还包括若干组用于发射飞网的发射组件，每组发射组件均包括发射筒、牵引块及弹簧，热刀组件设置于网箱的外侧，控制系绳分别绕过网箱盖、网箱以及热刀组件、并将网箱与网箱盖固定住，牵引系绳的一端与飞网连接、另一端绕过热刀组件后与用于空间碎片捕获的航天器连接。本发明通过采用热刀组件控制牵引块的发射，区别于以往的火工和气动发射方法，更适合太空环境，能够更有效保证多个牵引块同步发射，同时简化了装置整体的复杂程度，达到了轻量化。达到了轻量化。达到了轻量化。


技术研发人员：吴晨晨 陈鹏旭 张伟
受保护的技术使用者：中国科学院沈阳自动化研究所
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/5/16