一种具有仿生粘附消旋功能的空间碎片捕获机构

本发明涉及空间碎片捕获，更具体地，涉及一种具有仿生粘附消旋功能的空间碎片捕获机构。

背景技术：

1、人类航天器活动造成了近地轨道上大量的空间碎片，这类碎片在轨道上高速运行，很容易对在轨运行的航天器产生威胁。高速运行的碎片与航天器碰撞会造成结构的破损，严重的甚至会导致整个航天器的报废。因此，必须及时清理轨道上的各类碎片。这类碎片大部分属于非合作目标，即具有旋转运动姿态，这给碎片捕获带来极大的难度。在捕获这类具有旋转姿态的碎片时，必须首先要对碎片进行消旋，然后才能采用捕获装置对碎片进行捕获。消旋的目的是减缓碎片的旋转速度，防止捕获过程中碎片对卫星本体产生过大的干扰。

2、目前对空间碎片进行消旋的方式包括接触式消旋方式和非接触式消旋方式。接触式消旋是在机械臂末端搭载消旋工具，通过末端工具对目标施加消旋力。非接触式消旋机构不与目标直接碰撞，其在消旋过程中可以与目标保持一定安全距离，与目标发生碰撞的风险比较小。

3、如现有技术公开的一种适用于自旋空间碎片的捕获消旋机构，包括旋转部分和固定部分。旋转部分前端的外壳上设置有若干个具有欠驱动机构形式的“手指”机构，每根“手指”机构具有若干个旋转关节，每个关节安装扭转弹簧，每根“手指”由1根绳索牵引，形成欠驱动机构，可完成弯曲动作，并对接触的形状具备自适应能力。

4、上述技术方案的消旋方式为接触式消旋，虽然手指机构可以削减空间碎片的旋转速度，但空间碎片与手指机构接触后，其在短时间内会对手指机构进行多次较大的刚性冲击，直至其被手指机构完全握紧。空间碎片对手指机构造成的冲击可能损坏捕获机构，还可能导致空间碎片进一步分裂成小碎片以及小碎片间相互碰撞，进而增加太空中的碰撞风险。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中空间碎片与消旋机构接触后会对消旋机构产生多次较大的刚性冲击，可能损坏消旋机构或造成空间碎片进一步分裂的问题，本发明提供了一种具有仿生粘附消旋功能的空间碎片捕获机构，可以减小空间碎片与捕获机构之间的相互冲击，并且达到消旋的目的。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

3、一种具有仿生粘附消旋功能的空间碎片捕获机构，包括驱动组件和捕获组件，所述驱动组件与所述捕获组件连接并且其用于驱动所述捕获组件捕获空间碎片；所述捕获组件上用于与空间碎片接触的部分设有粘附层，所述粘附层用于粘附空间碎片。

4、其中，所述捕获组件捕获空间碎片的方式可以是利用机械手抓取，也可以是将空间碎片包围在一个密闭腔体内。

5、在上述技术方案中，高速旋转的空间碎片与粘附层发生第一次碰撞后，空间碎片会受到粘附层的阻力和摩擦力而导致运动速度减慢。随着空间碎片对粘附层的反复碰撞，空间碎片的自旋状态在粘附层的粘附和摩擦下逐渐减弱，最终与粘附层达到相对静止的状态并且粘附在粘附层上，至此完成空间碎片的消旋。然后驱动组件再驱动捕获组件动作，将静止的空间碎片捕获。利用粘附层阻碍空间碎片的旋动，从而逐渐减缓空间碎片的运动速度，可减小空间碎片与捕获组件之间的相互冲击，从而避免捕获组件的损坏和二次空间碎片的产生。

6、其中，所述粘附层表面可以涂覆胶水、粘性材料或设置多根刚毛。优选地，所述粘附层的表面均匀分布有多根刚毛，所述刚毛用于与空间碎片接触。当刚毛与空间碎片接触时，刚毛可以进入空间碎片表面的微小凹陷中与空间碎片之间形成微观范德华力，从而使空间碎片紧密地粘附在刚毛上。多根刚毛可增加与空间碎片的接触面积，从而对空间碎片产生较大的粘附力。相较于胶水或其他粘性材料，刚毛可以与空间碎片多次粘附和分离，具有更好的可重复使用性。而且刚毛的粘附效果不仅限于平滑表面，其在粗糙或不规则的空间碎片表面上也能实现良好的粘附，适应性更强。

7、优选地，所述刚毛上设有用于与空间碎片接触的斜面，所述斜面自所述粘附层的表面向外延伸。设置斜面可以增大刚毛与空间碎片的接触面积，有利于提高对空间碎片的粘附效果。

8、由于密度太大的刚毛会相互干扰，使整体的粘附力分散而降低单根刚毛的粘附效果。而密度太小的刚毛则无法提供足够的粘附力，使得粘附层整体的粘附效果较差。因此优选地，所述刚毛的密度在1100根/cm2～1300根/cm2之间。在该密度范围内的刚毛可以使刚毛之间的相互竞争减小到较低的程度，使每根刚毛都能充分发挥其粘附作用。同时可以最大化刚毛与空间碎片接触的面积，从而增加微观范德华力的作用，提高粘附层对空间碎片的整体粘附效果。

9、其中，所述刚毛可以采用聚乙烯、聚丙烯和聚氨酯等聚合物材料、硅胶材料、尼龙和玻璃纤维等纤维材料、铜和锌等金属材料制成。优选地，所述刚毛采用聚二甲基硅氧烷材料制成。聚二甲基硅氧烷材料具有良好的粘附性能，可以在空间碎片表面形成较强的粘附力。同时其具有较好的柔软性和弹性，可以适应不同表面形状并且提供较为稳定的支撑。而且聚二甲基硅氧烷材料具有良好的耐磨性，可以延长粘附层的使用寿命。

10、优选地，所述捕获组件包括中间面板和多个与所述中间面板转动连接的壳瓣组件，所述驱动组件用于驱动所述壳瓣组件相对于所述中间面板旋转而使所述壳瓣组件的末端相互靠拢或相互远离，当所述壳瓣组件的末端相互靠拢时，所述壳瓣组件与所述中间面板围成用于容纳空间碎片的容纳腔，所述粘附层设置在所述容纳腔的内壁上。空间碎片粘附在粘附层表面后，驱动组件驱动壳瓣组件相对于中间面板旋转，使壳瓣组件的末端相互靠拢，最终将空间碎片包围在容纳腔内。容纳腔可以容纳各种形状和大小的空间碎片，无论空间碎片的形状、大小或表面特性如何，容纳腔都能将其成功捕获，因此这样的捕获组件的通用性和捕获成功率更高。

11、优选地，所述壳瓣组件呈圆周分布在所述中间面板上；所述驱动组件包括设有固定部的驱动器和伸缩组件，所述伸缩组件的一端与所述固定部连接，另一端与所述壳瓣组件连接；所述驱动器用于驱动所述伸缩组件伸缩，当所述伸缩组件伸长时所述壳瓣组件的末端相互靠拢，当所述伸缩组件缩短时所述壳瓣组件的末端相互远离。可以理解的是，当伸缩组件伸长时，伸缩组件的一端向壳瓣组件施加一个推力，该推力可推动壳瓣组件向靠近中间面板的内侧的方向转动，从而使壳瓣组件的末端相互靠拢，最终与中间面板围成容纳腔。通过伸缩组件的伸缩来驱动壳瓣组件展开或闭合，这种驱动方式较为灵活和安全，并且也有利于简化整个捕获组件的结构。

12、可以理解的是，中间面板和壳瓣组件的内侧均指的是容纳腔所在的一侧，外侧均指的是与容纳腔相对的一侧。

13、优选地，所述伸缩组件包括第一关节、第二关节和第一推动件，所述第一关节与所述第二关节转动连接且两者分别与所述固定部和所述第一推动件转动连接，所述第一推动件转动连接于所述壳瓣组件的外侧；所述第一关节相对于所述固定部旋转的旋转轴线、所述第二关节相对于所述第一推动件旋转的旋转轴线均垂直于所述第二关节相对于所述第一关节旋转的旋转轴线，所述第一推动件相对于所述壳瓣组件旋转的旋转轴线垂直于所述第二关节相对于所述第一推动件旋转的旋转轴线；所述驱动器用于驱动所述中间面板旋转，所述中间面板的旋转轴线垂直于所述第一关节相对于所述固定部旋转的旋转轴线，当所述中间面板旋转时，所述第二关节与所述第一关节相对旋转而使所述伸缩组件伸长或缩短。当驱动器驱动中间面板旋转时，第二关节相对于第一关节旋转，同时第一关节相对于固定部旋转，第二关节相对于第一推动件旋转，第一推动件相对于壳瓣组件旋转，从而使伸缩组件达到伸长状态；在伸缩组件伸长的过程中，第二关节通过第一推动件向壳瓣组件施加推动力，从而驱动壳瓣组件向中间面板的内侧转动。通过驱动中间面板旋转即可使壳瓣组件的末端相互靠拢，这样的驱动组件结构及其驱动方式更加灵活和简单，不仅有利于减轻整个捕获组件的重量，降低捕获组件的制造成本和维护成本，还更易于操控捕获组件动作，使任务更加顺利地进行。

14、优选地，所述壳瓣组件包括与所述中间面板转动连接的第一面板和第二面板，所述中间面板、所述第一面板和所述第二面板均为正五边形面板，所述第一面板的一边与所述中间面板的一边转动连接，所述第二面板位于所述第一面板上与所述中间面板相对的一边，并且与所述第一面板转动连接；所述第二面板的一边连接有呈等腰三角形状的第三面板，所述第三面板位于所述第二面板上与所述第一面板相对的一边；所述第一推动件转动连接于所述第一面板的外侧中部。

15、进一步地，所述伸缩组件还包括第三关节、第四关节和第二推动件，所述第三关节与所述第四关节转动连接且两者分别与所述第一推动件和所述第二推动件转动连接；所述第二推动件转动连接于所述第二面板的外侧中部；所述第三关节相对于所述第一推动件旋转的旋转轴线、所述第四关节相对于所述第二推动件旋转的旋转轴线均垂直于所述第四关节相对于所述第三关节旋转的旋转轴线；当所述中间面板旋转时，所述第一面板、所述第二面板、所述第三面板与所述中间面板可围成封闭的所述容纳腔。

16、在中间面板旋转的过程中，第一关节相对于固定部旋转，第一关节与第二关节相对旋转，第二关节相对于第一推动件旋转，第一推动件相对于第一面板旋转，使得伸缩组件得到伸长，并且通过第一推动件推动第一面板向靠近中间面板的内侧的方向旋转；同时第三关节相对于第一推动件旋转，第三关节与第四关节相对旋转，第四关节相对于第二推动件旋转，第二推动件相对于第二面板旋转，使得伸缩组件得到进一步伸长，并且通过第二推动件推动第二面板向靠近第一面板的内侧的方向旋转，最终使第三面板的相互靠拢。第一面板、第二面板和中间面板统一为正五边形面板更容易生产加工，并且利用这样的第一面板、第二面板、第三面板和中间面板所围成的容纳腔密闭性较好，可大大降低碎片逃逸容纳腔的概率。

17、优选地，所述中间面板、所述第一面板、所述第二面板和所述第三面板的外侧均设有多个减重槽，位于同一面板上的相邻两个所述减重槽之间形成加强筋。加强筋可以确保每一块面板都有足够的强度，而设置多个减重槽有利于减轻每一块面板的重量，使整个捕获组件更加轻量化。

18、本发明的有益效果：

19、(1)可避免捕获组件的损坏和二次空间碎片的产生。利用粘附层对空间碎片产生粘附作用，从而减缓空间碎片的运动速度，可减小空间碎片与捕获组件之间的相互冲击。

20、(2)对各种大小和形状的空间碎片有更高的适应性。粘附层设置多根刚毛，空间碎片与刚毛接触后可与刚毛之间形成微观范德华力，达到粘附效果，并且刚毛可以适应不同大小以及具有不同形状表面的空间碎片，具有较高的适应性。

21、(3)消旋方式简单。空间碎片与粘附层的刚毛阵列产生碰撞即可产生粘附效应，利用粘附层的黏附作用来减缓空间碎片的运动速度并且最终达到消旋目的，无需操控复杂的机械结构对空间碎片施加阻力。

22、(4)捕获组件有较高的通用性和可靠性。捕获组件可以捕获各种形态的空间碎片，包括片状、杆状、球状以及其他复杂结构的空间碎片，并且空间碎片不易逃逸。

23、(5)捕获组件的驱动方式简单。只需要一个驱动器驱动中间面板旋转，即可带动壳瓣组件闭合或展开，从而捕获空间碎片，这样的驱动方式灵活简单，易于操控，有利于捕获任务的顺利进行。