CN112061430B - 一种基于蛛网仿生结构的防逃逸空间碎片收纳单向门 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于蛛网仿生结构的防逃逸空间碎片收纳单向门，属于航天技术领域；包括支撑框架、分段式刚性凸台、扇形组合件和液压合页；通过支撑框架和分段式刚性凸台将由扇形组合件组成的圆形密闭门安装于空间碎片收纳箱的入口处；扇形组合件包括多个沿径向排布的组合单元，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组合单元的圆弧逐渐递减至圆心，组成完整扇形；相邻所述硬质钛合金片之间均通过液压合页铰接，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。采用周向和径向分割得到的众多组合单元结合液压合页的设计，在新的空间碎片穿越单向门时有效地降低了已收纳空间碎片从缝隙中逃逸的风险。
Description
技术领域
本发明属于航天技术领域，具体涉及一种基于蛛网仿生结构的防逃逸空间碎片收纳单向门。
背景技术
“空间碎片”就是人们通常说的太空垃圾，是人类空间活动的产物，主要包括在轨运行或再入大气的无功能的人造物件及其残块和组件。任务碎片占13％，火箭残骸占17％，失效航天器有22％，解体碎片即航天器爆炸或相互碰撞产生的碎片占43％。从轨道分布来讲，空间碎片主要分布在三个区域，即2000千米以下LEO(近地轨道)区域、20000千米中高轨区域、36000千米地球同步轨道区域，其中600—1000km这个区域分布最密集。
近年来，由于人们空间活动频繁，空间碎片数量急剧增加，LEO区域增加量超过50％。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。
对于采用收纳仓进行轨道上空间碎片清理的方案而言，首先介绍收纳仓逃逸度的定义：逃逸出去的空间碎片总质量与累计进入收纳箱空间碎片总质量的比例。
在新的空间碎片穿越单向门的过程中，在空间碎片和单向门门板之间必然存在缝隙，门的密闭性暂时被破坏；当空间碎片完全穿过单向门后，门的密闭性再次恢复。然而，由于收纳装置结构设计的不同，各装置逃逸度也不相同。
采用收纳仓进行轨道上空间碎片清理的装置中多包含板式单向门结构(单板+扭簧)。就板式单向门结构而言，该结构早已应用于在现实社会各领域中，例如鸟兽捕捉、垃圾收纳、硬币投放等诸多只能进不能出的场合。经文献检索，在我国较早的关于板式单向门的结构的专利文献记载是1985年公开的中国专利CN85201495U一文中提出的大型捕鼠笼。其单向门为如图1(a)所示悬臂弹簧板组成的封闭陷阱地板，其中心为诱饵。
中国专利公布号：CN106428652A提出的一种被动式空间碎片捕获装置，如图1(b)所示。可见其中起收纳作用的单向门与1985年提出的周向分割式的普通单向门构型图 1(a)完全相同。该装置中的单向门结构存在以下问题：
1)未能考虑到如何降低空间碎片逃逸的风险。
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。
中国专利公开号CN107264845A提出一种被动触发式空间碎片捕获装置，如图1(c)所示。虽然该装置未仍对单向门结构做改进，但通过收纳仓的组合使用，降低了已收纳空间碎片逃逸的风险。但该装置中的单向门结构仍存在的问题：如图2(a)所示，单向门被卡无法开启的问题。另外，由于其工作原理是触发后快速合拢捕获，当出现该情况时，仍旧强行快速合拢，可能会造成单向门与收纳仓仓壁连接铰链破损等严重后果。
下面分析太空环境中收纳仓加强防逃逸的必要性：由于天地环境差异的存在，某些地面看似显而易见的设计方案到了太空中就不一定适用。
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，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。零碎的小型空间碎片逃逸后只会恶化太空环境，增加轨道不安全性。不足以将之处理到安全的微小尺寸。
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的太阳帆版等严重损坏。小型空间碎片的危害可想而知。
在新的空间碎片，尤其是相对较大的空间碎片穿越单向门时，这种新产生的零碎小型空间碎片和原有的小型空间碎片均更容易逃逸出去，造成收纳失败。所以在新的空间碎片穿越单向门时，鉴于实际天地环境差异，考虑空间碎片收纳仓单向门的防逃逸特性是非常必要的。
上述两个收纳仓装置中使用的单向门均为“传统的只在周向进行分割的整板式单向门结构”(如图1所示)。
随着空间碎片清理任务的日益严峻，因此急需创造性地提出一种能够考虑天地差异，具备加强防逃逸、工程实用性强特点的收纳仓单向门结构。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于蛛网仿生结构的防逃逸空间碎片收纳单向门，采用蛛网仿生结构设计理论，可有效地降低在收纳新的空间碎片时，已收纳空间碎片趁机逃逸或发生卡死的风险。
本发明的技术方案是：一种基于蛛网仿生结构的防逃逸空间碎片收纳单向门，其特征在于：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，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：所述支撑框架的外表附有隔热、防辐射的高强度纳米级kevlar纤维层，能够在充气完全膨胀后近似刚性。
本发明的进一步技术方案是：所述扇形组合件的外表面附有整体式的隔热、防辐射的高强度纳米级kevlar纤维层，以防止异物侵入所述合页处的转动副内。
本发明的进一步技术方案是：所述纤维层在液压合页轴心处设有褶皱，保障液压合页可以正常弯曲与复位。
本发明的进一步技术方案是：所述扇形组合件的数量与分段性刚性凸台的分段数的比值不少于12。
本发明的进一步技术方案是：所述扇形组合件内的各液压合页尺寸，从外向内沿径向依次缩小。
有益效果
本发明的有益效果在于：
(1)周向分割加径向分割得到的众多组合单元结合液压合页的巧妙选型与布局构成了蛛网仿生的结构设计，在新的空间碎片穿越单向门时有效地降低了已收纳空间碎片从缝隙中逃逸的风险。
①如图1所示为“传统的只在周向进行分割的整板式单向门结构”的结构单元。(牵一发而动全身，对门的整体密闭性影响很大)。在收纳新的空间碎片时，无论从门的任何位置穿过都将会带动整个门开闭动作，为漂浮在收纳箱中的空间碎片的逃逸创造缝隙。
②如图3所示为本发明“新型蛛网仿生式单向门结构”的结构单元。(局部扰动，对门的整体密闭性影响小)在收纳新的空间碎片时，仅仅与目标接触的个别组合单元参与了开闭动作，其他未与之接触的组合单元在整个穿越过程中几乎未受到任何影响。如此能有效缩减扰动范围，有效减小可逃逸缝隙，降低已收纳空间碎片逃逸的风险。在日益紧迫的空间碎片清理任务中具有较大应用价值。
(2)通过液压合页巧妙的选型与布局尽让所有的空间碎片都尽可能地从圆门的中心附近穿过单向门，同样起到了缩减扰动范围，降低了逃逸的风险。
①从图3可以看出，从圆的中心通过，扰动范围最小，仅仅中心的几片组合单元参与了开闭动作，其余组合单元一直保持封闭状态未受到任何干扰；从圆边缘通过扰动范围最大。
②液压合页其尺寸沿径向由外向内不断缩小，转动恢复力矩也不断缩小，外圈上的组合单元相对内圈上的组合单元而言，空间碎片相对难撞开。如此设计保证了大多数的空间碎片均具有滑向圆心区域，从单向门中心附近穿过单向门的趋势。
(3)避免了单向门被卡无法开启的故障，如图2中的(b)所示(小圆代表液压合页)。本发明方案里的单向门的结构设计就可以巧妙地解决这类“单向门被卡无法开启”的问题。圆边缘组合单元不能向内弯曲并不干扰圆心区域组合单元向内侧的弯曲。
(4)单向门可大型制造和发射，从而允许大尺寸空间碎片的通过，适用对象的尺寸范围相对于前述两方案要广。
①其支撑框架为充气式环形结构，安装于空间碎片收纳箱的空间碎片进口处，且与充气式箱体连通供气，发射时轻质可折叠，使用时充气展开。在隔离太空环境和常规空间碎片对其性能的危害的同时，可确保其在充气完全膨胀后的近似刚性，以增强门整体的的密闭性和稳定性。
②单向门的扇形组合件包含多个扇环形硬质钛合金片，而非一块扇形整板结构，使得整个单向门可折叠性更强，更容易满足火箭整流罩尺寸约束；组合单元采用轻质钛合金材质，且支撑框架为充气式，易满足到火箭最大运载能力的约束。
③支撑框架和独立扇形之间的连接件为圆环分段式刚性凸台结构，在增强单向门密闭性同时通过分段使得单向门整体上具有可折叠性。
附图说明
图1是传统的只在周向进行分割的整板式单向门结构示意图；
图2是传统单向门和本发明单向门被卡后的开启效果对比示意图；
图3是本发明蛛网仿生式单向门结构示意图；
图4是本发明支撑框架和分段式刚性凸台示意图；
图5是本发明若干组合单元借助液压合页进行径向连接而成的扇形组合件示意图；
图6是本空间碎片穿越本发明单向门示意图。
附图标记说明：1、支撑框架、2、分段式刚性凸台、3、组合单元、4、液压合页。
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。
本发明所采用的技术方案是：一种基于仿生蛛网结构的空间碎片收纳单向门装置，包括支撑框架1、分段式刚性凸台2、扇形组合件、液压合页4。
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1、分段式刚性凸台2、扇形组合件、液压合页4。支撑框架1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2是由多个圆弧段组成的圆环结构，沿周向固定于支撑框架1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3，组合单元3为扇环形硬质钛合金片，如图5所示。从扇形组合件的圆弧端到圆心端所述扇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；相邻组合单元3之间均通过液压合页4铰接，且所有液压合页4的安装方向相同。每一扇形组合件里面的各组合单元间由于均存在液压合页，从而各组合单元可弯曲不同的角度。碎片化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，降低已收纳空间碎片逃逸的风险。
钛合金材料相对钢材料轻质、热强度高、低温性能好，能够抵抗住空间碎片的频繁撞击。单向门中每一个扇形组合件的外部均附着有完整的高强度纳米级的kevlar纤维层，旨在避免合页转动副处异物的侵入，并且该纤维层在液压合页轴心处设有褶皱，保障合页可以正常弯曲与复位。
周向分割和径向分割的段数决定了最终所能得到组合单元的总数目，分的越细则防逃逸的效果越好，也即能够限制越小尺寸的空间碎片逃逸。分割的数目应当根据被清理对象的属性、轨道特性、经济型等工程实况作出恰当选择。
众多的液压合页4均沿径向安装，起连接作用，且在单向门密闭状态下，所有的液压合页均呈180度角，并且在外力作用下只能向单向门内侧一面弯曲，外力撤销后液压合页能快速稳定地自动复位。
下面本发明的具体工作过程如下：
首先，如图6所示，单向门不断接近空间碎片，随后空间碎片在单向门外侧开始碰撞到单向门。
与空间碎片相接触部分的组合单元开始向单向门内侧弯曲，其余的组合单元保持闭合状态不发生转动。
在空间碎片穿过单向门的整个穿越过程中，是否参与动作取决于其是否跟空间碎片接触。参与动作的组合单元并不是固定的某几个或某部分，而是随动的，处于动态变化之中。同样地，各组成单元参与动作的程度，也即向内侧弯曲的最大角度不尽相同。参与动作的时机也不尽相同。
在空间碎片穿过单向门的整个穿越过程中，各组合单元一旦与空间碎片脱离接触，便会在液压合页的作用下复位。对于各组合单元而言，复位的时机也不尽相同。
此时，单向门采用的蛛网仿生结构设计使得空间碎片与参与动作的组合单元之间间隙不大，已收纳空间碎片难以从狭小缝隙中逃逸。
直到空间碎片完全穿越单向门，期间所有的组合单元在液压合页作用下陆续复位，等待下一个空间碎片的穿越。
至此，已穿越空间碎片很难再次反向穿越单向门。
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。
Claims (6)
1.一种基于蛛网仿生结构的防逃逸空间碎片收纳单向门，其特征在于：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，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。
2.根据权利要求1所述基于蛛网仿生结构的防逃逸空间碎片收纳单向门，其特征在于：所述支撑框架的外表附有隔热、防辐射的高强度纳米级kevlar纤维层，能够在充气完全膨胀后近似刚性。
3.根据权利要求1所述基于蛛网仿生结构的防逃逸空间碎片收纳单向门，其特征在于：所述扇形组合件的外表面附有整体式的隔热、防辐射的高强度纳米级kevlar纤维层，以防止异物侵入所述合页处的转动副内。
4.根据权利要求3所述基于蛛网仿生结构的防逃逸空间碎片收纳单向门，其特征在于：所述纤维层在液压合页轴心处设有褶皱，保障液压合页可以正常弯曲与复位。
5.根据权利要求1所述基于蛛网仿生结构的防逃逸空间碎片收纳单向门，其特征在于：所述扇形组合件的数量与分段性刚性凸台的分段数的比值不少于12。
6.根据权利要求1所述基于蛛网仿生结构的防逃逸空间碎片收纳单向门，其特征在于：所述扇形组合件内的各液压合页尺寸，从外向内沿径向依次缩小。
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- 2020-09-07 CN CN202010926919.9A patent/CN112061430B/zh not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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