CN107031874B - 一种瞬时触发的空间非合作目标抓附装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种瞬时触发的空间非合作目标抓附装置，包括筒体、电路舱盒、尾翼、自动弹开机构、罩盖、盖扣、缓冲件及主体抓附机构，装置以主体抓附机构为核心，其原理为以辅助抓附为主，以钻入式连接加固为辅的二级非合作目标表面机械锁合式附着，其中主体抓附机构中的辅助抓附机构以双扭簧为动力部件，以带有倒刺的辅助钩为执行部件，触发后可瞬时刺入目标表面蒙皮；装置由航天器在轨发射平台搭载发射，通过射前准备、辅助抓附、连接紧固三个步骤实现对目标表面的稳固抓附。同时本发明还具有可抓附范围大、控制精度要求低，抓附过程简单可靠等优点。

Description

一种瞬时触发的空间非合作目标抓附装置

所属技术领域

本发明涉及一种空间抓附装置，具体涉及一种瞬时触发的空间非合作目标抓附装置，属于航天技术领域。

背景技术

空间非合作目标是一类没有专门的对接捕获口或本身不能主动向追踪航天器提供通信信息的空间运动体，如故障航天器、失效废弃卫星以及空间碎片等。空间非合作目标对接捕获技术在军事和民用上都有巨大的发展前景和应用价值。军事上，目前世界各航天大国都致力于发展空间攻防技术等相关研究，严重威胁到我国的空间安全，我国必须大力发展空间非合作目标对接捕获技术，建立具备强制捕获敌方航天器能力的空间攻防技术平台；民用上，非合作目标对接捕获技术在对故障航天器的在轨加注及维修，失效废弃卫星回收，太空垃圾碎片的清除等任务上具有重要的研究意义和价值。

目前研究的非合作目标对接捕获技术可分为三类：第一类利用机械臂+锥-杆的对接捕获方式，对非合作目标特殊部位(远地点反冲发动机喷管)实施抓捕，抓捕过程复杂，控制要求较高，需要对末端的精细测量；第二类为柔性飞爪、飞网的对接捕获方式：飞爪捕获方式：对象同样是非合作目标的特殊部位如星箭分离环，太阳帆板支架等，控制要求较高，对接过程复杂；飞网捕获的方式：当目标进入柔性飞网捕获作业的有效距离内，飞网弹出，张开并包络锁紧目标。这种方式易受非合作目标外形影响，并容易对目标结构造成破坏；第三类为非合作目标表面附着方式，主要包括静电吸附、电磁吸附、胶结(冷胶或压敏黏合剂)、压差吸附、仿生吸附(类壁虎干吸附)，表1对比分析了这几种典型的表面附着方式。

传统的压敏粘合剂(双面胶等)、冷胶受空间温度影响较大，易失去粘合效果；吸盘吸附在真空环境中不易实现；电磁吸附要求吸附表面必须是导磁面，且需要更多的能量以及更复杂的控制；静电吸附要求非合作目标表面材料带电，此方式吸附力较小且在高压电场下容易出现尖端放电；仿生吸附要求吸附表面光滑或半光滑，吸附力小，容易脱落。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种可靠稳固的机械锁合式表面附着方式，即提供一种瞬时触发的空间非合作目标抓附装置。

本发明的技术方案：

一种瞬时触发的空间非合作目标抓附装置包括筒体、电路舱盒、尾翼、自动弹开机构、罩盖、盖扣、缓冲件及主体抓附机构，电路舱盒设置于筒体下侧，尾翼与所述电路舱盒之间螺纹连接，自动弹开机构成180°圆周对称分布设置于筒体外，罩盖通过安装其上的盖扣与所述自动弹开机构实现锁紧和分离，缓冲件固定于所述筒体内部的支撑台座上，并与设置于所述筒体内部的主体抓附机构底端固连。

所述主体抓附机构包括下支撑板、光滑导轨、直线轴承、传动齿轮、传动齿条、中间托盘、水平力矩电机支撑架、水平力矩电机、竖直力矩电机、联轴器、螺旋钻头、上支撑板、轴座对和辅助抓附机构。下支撑板与上支撑板通过光滑导轨连接组成支撑结构与所述缓冲件固定，直线轴承与光滑导轨同心，并安装在设置于下支撑板与上支撑板之间的中间托盘上，水平力矩电机)通过水平力矩电机支撑架安装在中间托盘上，传动齿条穿过中间托盘，一端固定于下支撑板上，另一端与上支撑板连接，传动齿轮与水平力矩电机的转子连接，并与传动齿条完全啮合，可使中间托盘沿光滑导轨上下移动，竖直力矩电机安装于中间托盘上，螺旋钻头通过联轴器与竖直力矩电机相连，轴座对对称安装于上支撑板上，辅助抓附机构设置于轴座对上，与轴座对可转动连接。

所述的辅助抓附机构包括活动销、左辅助柄、右辅助柄、辅助钩、固定销、双扭簧、连接件、锁定销、触发件和定位销。活动销与所述轴座对可转动连接，左辅助柄和右辅助柄一端安装在活动销上，另一端由固定销连接，可随活动销运动，辅助钩末端带有倒刺，分别固定安装于左辅助柄和右辅助柄上，双扭簧芯轴一端设置于活动销上，两脚固定于所述上支撑板上，扣环一端设置于固定销上，连接件穿过双扭簧，连接固定销与锁定销，触发件通过其侧面通孔安装于所述活动销中间，且可绕活动销自由转动，定位销固定于所述上支撑板上。

所述的光滑导轨、直线轴承、竖直力矩电机、联轴器、螺旋钻头、轴座对和辅助抓附机构均呈120°圆周对称分布。

所述齿轮、齿条啮合传动方式将水平力矩电机输出轴的圆周运动转换为直线运动，水平力矩电机通过齿轮、齿条的传动方式为三个带有螺旋钻头的竖直力矩电机提供向前的推力，另外根据螺旋钻头实际钻取深度，传动齿条两端设置一定长度的无齿部分，达到自动限位的目的。

所述的自动弹开机构包括微型电动推杆、推杆固定座、滑块、导向槽、卡槽、卡扣、固定销、移动销、锁紧压簧及分离压簧。推杆固定座及卡槽设置于筒体外侧，与所述筒体固定连接，微型电动推杆电机一端安装于推杆固定座内，输出端与滑块固定连接，移动销穿过滑块通孔，并通过设置于卡槽上的导向槽，在移动销的带动下，滑块沿所述导向槽方向移动，卡扣一端与所述滑块相切，另一端通过其上通孔与固定销可转动连接，固定销通过卡槽两侧的通孔与其固连，锁紧压簧设于卡槽中间的安装孔内，并与卡扣接触，分离压簧设于卡槽顶部的安装孔内，可实现罩盖与筒体的分离。

本发明提供了一种辅助抓附为主，钻入式连接加固为辅的二级非合作目标表面机械锁合式附着方式，辅助抓附机构作为核心机构，以双扭簧为动力部件，以带有倒刺的辅助钩为执行部件，当触发件触发时，辅助钩瞬时刺入目标表面蒙皮内部，实现瞬时抓附。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1.相比于空间机械臂+锥-杆或柔性飞爪、飞网的对接捕获方式，本发明抓附目标为非合作目标表面蒙皮(隔热多层，占非合作目标表面70％区域)，属于一种“点对面”的连接捕获方式，扩大捕获范围，降低由于目标“非合作”特性带来的目标测量、识别的难度；

2.本发明实现了一种以辅助附着为主，以螺旋钻入式连接紧固为辅的附着方式，过程简单可靠，控制精度要求低，不需要灵敏的传感器，可稳固附着于目标表面蒙皮，与常见非合作目标表面附着技术对比情况可参考表1。

3.本发明能够在接触到目标表面的瞬间，通过物理触发机构的响应，辅助抓附机构实施瞬间抓附动作。

4.本发明辅助抓附机构等均采用120°圆周对称分布，机构简单牢固，使抓附更加稳固可靠。

表1非合作目标表面附着方式对比

附图说明

图1是本发明整体机构图。

图2是本发明整体机构外观图。

图3是主体抓附机构图。

图4是辅助抓附机构图。

图5是自动弹开机构图。

图6是瞬时触发抓附过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

1、具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种瞬时触发的空间非合作目标抓附装置，筒体1、电路舱盒2、尾翼3、自动弹开机构4、罩盖5、盖扣6、缓冲件7及主体抓附机构8，电路舱盒2安装于筒体1下侧，尾翼3与所述电路舱盒2螺纹连接，自动弹开机构4成180°圆周对称设置于所述筒体1外侧，罩盖5通过安装其上的盖扣6与所述自动弹开机构4实现锁紧和分离，缓冲件7固定于所述筒体1内部的支撑台座上，并与设置于所述筒体1内部的主体抓附机构8底端固连。

本实施方式的技术效果：如此设置，筒体1、电路舱盒2、罩盖5等构成封闭的保护外壳，实现对主体抓附机构8的封装，形成完整一体化装置，在执行任务时自动弹开机构4可将罩盖5自动弹开，缓冲件7的设计可降低抓附过程中给装置带来的损坏。同时，传感器及高精度电路芯片得到有效保护，避免裸露于空间环境中。

2、具体实施方式二：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式所述主体抓附机构8包括下支撑板81、光滑导轨82、直线轴承83、传动齿轮84、传动齿条85、中间托盘86、水平力矩电机支撑架87、水平力矩电机88、竖直力矩电机89、联轴器810、螺旋钻头811、上支撑板812、轴座对813和辅助抓附机构814。下支撑板81与上支撑板812通过光滑导轨82连接组成支撑结构与所述缓冲件7固定，直线轴承83与光滑导轨82同心，并安装在设置于下支撑板81与上支撑板812之间的中间托盘86上，水平力矩电机88通过水平力矩电机支撑架87安装在中间托盘86上，传动齿条85穿过中间托盘86，一端固定于下支撑板81上，另一端与上支撑板812连接，传动齿轮84与水平力矩电机88的转子连接，并与传动齿条85完全啮合，可使中间托盘86沿光滑导轨82上下移动，竖直力矩电机89安装于中间托盘86上，螺旋钻头811通过联轴器810与竖直力矩电机89相连，轴座对813对称安装于上支撑板812上，辅助抓附机构814设置于轴座对813上，与轴座对813可转动连接。

本实施方式的技术效果：如此设置，传动齿轮84、传动齿条85啮合传动方式将水平力矩电机88输出轴的圆周运动转换为直线运动，水平力矩电机88通过齿轮、齿条的传动方式为安装在中间托盘86上的带有螺旋钻头811的竖直力矩电机89提供向前的推力，另外根据所述螺旋钻头811实际钻取深度，所述传动齿条85两端设置一定长度的无齿部分，达到自动限位的目的。其他组成和连接关系与具体实施方式一相同。

3、具体实施方式三：结合图4和图6说明本实施方式，本实施方式所述的辅助抓附机构814包括活动销8141、左辅助柄8142、右辅助柄8143、辅助钩8144、固定销8145、双扭簧8146、连接件8147、锁定销8148、触发件8149和定位销8150。活动销8141与所述轴座对813可转动连接，左辅助柄8142和右辅助柄8143一端安装在活动销8141上，另一端由固定销8145连接，可随活动销8141运动，辅助钩8144末端带有倒刺，分别固定安装于左辅助柄8142和右辅助柄8143上，双扭簧8146芯轴一端设置于活动销8141上，两脚固定于所述上支撑板812上，扣环一端设置于固定销8145上，连接件8147穿过双扭簧8146，连接固定销8145与锁定销8148，触发件8149通过其侧面通孔安装于所述活动销8141中间，且可绕活动销8141自由转动，定位销8150安装固定于所述上支撑板812上。

本实施方式的技术效果：如此设置，当抓附装置接触到非合作目标表面时，在较小的碰撞力作用小触发件8149动作，释放锁定销8148，进而双扭簧8146释放，带动固定于辅助柄8142、8143上的辅助钩8144绕活动销8141做圆周运动，使辅助钩8144瞬时扎入非合作目标表面蒙皮，由于蒙皮内部多层、网状结构，可使辅助钩牢固抓附其上，从而实现瞬间附着。其他组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

4、具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式所述的光滑导轨82、直线轴承83、竖直力矩电机89、联轴器810、螺旋钻头811、轴座对813和辅助抓附机构814均呈120°圆周对称分布。如此设置，使整体装置简单牢固，抓附更加稳固可靠。其他组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

5、具体实施方式五：结合图5说明本实施方式，本实施方式所述的自动弹开机构4包括微型电动推杆41、推杆固定座42、滑块43、导向槽44、卡槽45、卡扣46、固定销47、移动销48、锁紧压簧及分离压簧。推杆固定座42及卡槽45设置于所述筒体1外侧，与所述筒体1固定连接，微型电动推杆41电机一端安装于推杆固定座42内，输出端与滑块43固定连接，移动销48穿过滑块43通孔，并通过设置于卡槽45上的导向槽44，在移动销48的带动下，滑块43沿所述导向槽44方向移动，卡扣46一端与所述滑块43相切，另一端通过其上通孔与固定销47可转动连接，固定销47通过卡槽45两侧的通孔与其固连，锁紧压簧设于卡槽45上的安装孔49内，并与卡扣46接触，分离压簧设于卡槽45顶部的安装孔410内，可实现罩盖5与筒体1的分离。

本实施方案的技术效果：如此设置，锁紧压簧初始时对卡扣46有预压力，使得卡扣46与盖扣6锁合在一起，整体呈封闭状态，同时分离压簧被压缩；当微型电动推杆41接收到控制命令时，推动滑块43沿导向槽44运动，在其向前运动的同时，向内侧挤压卡扣46绕固定销47转动，同时另一端卡扣46释放盖扣6，在分离压簧410的作用下，将罩盖5自动弹开。其他组成和连接关系与具体实施方式一至四相同。

6、具体实施方式六：结合图3、图4和图6说明本实施方式，本实施方式所述空间对接捕获方式是一种辅助抓附为主，钻入式连接加固为辅的二级非合作目标表面机械锁合式附着方式，辅助抓附机构814作为核心部件，其以双扭簧8146为动力部件，以带有倒刺的辅助钩8144为执行部件，当触发件8149触发时，所述辅助钩8144将瞬时刺入目标表面蒙皮，实现瞬时抓附。

工作原理

瞬时触发的抓附装置对非合作表面实施有效抓附的具体步骤如下：

(1)射前准备：抓附装置罩盖在卡扣的作用下锁紧，辅助抓附机构中的锁定销置于定位销上适当位置，双扭簧锁紧，辅助抓附机构处于待触发状态；将非合作目标抓附装置置于航天器在轨发射平台中，并完成装置固定；

(2)辅助抓附：启动发射机构，将抓附装置从发射平台弹出，罩盖在自动弹开机构的作用下与筒体分离，当附着机构与非合作目标表面接触时，触发件动作，锁定销脱离定位销，双扭簧释放，辅助钩瞬时牢牢刺入至非合作目标表面蒙皮内，完成辅助抓附过程；

(3)连接紧固：辅助钩释放的同时，三个带有螺旋钻头的竖直力矩电机启动，数秒后水平力矩电机启动，三个螺旋钻头在水平力矩电机提供的推力下钻入至非合作目标表面蒙皮内，当进入一定的深度时，四个力矩电机停止工作，完成连接紧固过程。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明，本领域技术人员在本发明精神内所做的其他等效变化仍包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (8)

1.一种瞬时触发的空间非合作目标抓附装置，其特征在于：包括筒体(1)、电路舱盒(2)、尾翼(3)、自动弹开机构(4)、罩盖(5)、盖扣(6)、缓冲件(7)及主体抓附机构(8)，电路舱盒(2)安装于筒体(1)下，尾翼(3)与所述电路舱盒(2)螺纹连接，自动弹开机构(4)设置于所述筒体(1)外侧，罩盖(5)通过安装其上的盖扣(6)与所述自动弹开机构(4)实现锁紧和分离，缓冲件(7)固定于所述筒体(1)内部的支撑台座上，并与设置于所述筒体(1)内部的主体抓附机构(8)底端固连；

所述主体抓附机构(8)包括下支撑板(81)、光滑导轨(82)、直线轴承(83)、传动齿轮(84)、传动齿条(85)、中间托盘(86)、水平力矩电机支撑架(87)、水平力矩电机(88)、竖直力矩电机(89)、联轴器(810)、螺旋钻头(811)、上支撑板(812)、轴座对(813)和辅助抓附机构(814)；

下支撑板(81)与上支撑板(812)通过光滑导轨(82)连接组成支撑结构与所述缓冲件(7)固定，直线轴承(83)与光滑导轨(82)同心，并安装在设置于下支撑板(81)与上支撑板(812)之间的中间托盘(86)上，水平力矩电机(88)通过水平力矩电机支撑架(87)安装在中间托盘(86)上，传动齿条(85)穿过中间托盘(86)，一端固定于下支撑板(81)上，另一端与上支撑板(812)连接，传动齿轮(84)与水平力矩电机(88)的转子连接，并与传动齿条(85)完全啮合，可使中间托盘(86)沿光滑导轨(82)上下移动，竖直力矩电机(89)安装于中间托盘(86)上，螺旋钻头(811)通过联轴器(810)与竖直力矩电机(89)相连，轴座对(813)对称安装于上支撑板(812)上，辅助抓附机构(814)设置于轴座对(813)上，与轴座对(813)可转动连接。

2.根据权利要求1所述的一种瞬时触发的空间非合作目标抓附装置，其特征在于：所述的辅助抓附机构(814)包括活动销(8141)、左辅助柄(8142)、右辅助柄(8143)、辅助钩(8144)、固定销(8145)、双扭簧(8146)、连接件(8147)、锁定销(8148)、触发件(8149)和定位销(8150)；

活动销(8141)与所述轴座对(813)可转动连接，左辅助柄(8142)和右辅助柄(8143)一端安装在活动销(8141)上，另一端由固定销(8145)连接，可随活动销(8141)运动，辅助钩(8144)末端带有倒刺，分别固定安装于左辅助柄(8142)和右辅助柄(8143)上，双扭簧(8146)芯轴一端设置于活动销(8141)上，两脚固定于所述上支撑板(812)上，扣环一端设置于固定销(8145)上，连接件(8147)穿过双扭簧(8146)，连接固定销(8145)与锁定销(8148)，触发件(8149)通过其侧面通孔安装于所述活动销(8141)中间，且可绕活动销(8141)自由转动，定位销(8150)安装固定于所述上支撑板(812)上。

3.根据权利要求1所述的一种瞬时触发的空间非合作目标抓附装置，其特征在于：所述的光滑导轨(82)、直线轴承(83)、竖直力矩电机(89)、联轴器(810)、螺旋钻头(811)、轴座对(813)和辅助抓附机构(814)均呈120°圆周对称分布。

4.根据权利要求3所述的一种瞬时触发的空间非合作目标抓附装置，其特征在于：所述传动齿轮(84)、传动齿条(85)啮合传动方式将水平力矩电机(88)输出轴的圆周运动转换为直线运动，所述水平力矩电机(88)通过齿轮、齿条的传动方式为三个带有螺旋钻头(811)的竖直力矩电机(89)提供向前的推力，另外根据所述螺旋钻头(811)实际钻取深度，所述传动齿条(85)两端设置一定长度的无齿部分，达到自动限位的目的。

5.根据权利要求1所述的一种瞬时触发的空间非合作目标抓附装置，其特征在于：所述的自动弹开机构(4)包括微型电动推杆(41)、推杆固定座(42)、滑块(43)、导向槽(44)、卡槽(45)、卡扣(46)、固定销(47)、移动销(48)、锁紧压簧安装孔(49)及分离压簧安装孔(410)；

推杆固定座(42)及卡槽(45)设置于所述筒体(1)外侧，与所述筒体(1)固定连接，微型电动推杆(41)电机一端安装于推杆固定座(42)内，输出端与滑块(43)固定连接，移动销(48)穿过滑块(43)通孔，并通过设置于卡槽(45)上的导向槽(44)，在移动销(48)的带动下，滑块(43)沿所述导向槽(44)方向移动，卡扣(46)一端与所述滑块(43)相切，另一端通过其上通孔与固定销(47)可转动连接，固定销(47)通过卡槽(45)两侧的通孔与其固连，锁紧压簧设于卡槽(45)上的安装孔(49)内，并与卡扣(46)接触，分离压簧设于卡槽(45)顶部的安装孔(410)内，可实现罩盖(5)与筒体(1)的分离；

所述自动弹开机构(4)成180°圆周对称分布设置于所述筒体(1)上。

6.根据权利要求2或3所述的一种瞬时触发的空间非合作目标抓附装置，其特征在于：所述装置是一种辅助抓附为主，钻入式连接加固为辅的二级非合作目标表面机械锁合式附着方式，所述辅助抓附机构(814)以双扭簧(8146)为动力部件，以带有倒刺的辅助钩(8144)为执行部件，当触发件(8149)触发时，所述辅助钩(8144)将瞬时刺入目标表面蒙皮，实现瞬时抓附。

7.根据权利要求5所述的一种瞬时触发的空间非合作目标抓附装置，其特征在于：瞬时触发的抓附装置对非合作表面实施有效抓附的具体步骤如下：

(1)射前准备：抓附装置罩盖在卡扣的作用下锁紧，辅助抓附机构中的锁定销置于定位销上适当位置，双扭簧锁紧，辅助抓附机构处于待触发状态；将非合作目标抓附装置置于航天器在轨发射平台中，并完成装置固定；

(2)辅助抓附：启动发射机构，将抓附装置从发射平台弹出，罩盖在自动弹开机构的作用下与筒体分离，当附着机构与非合作目标表面接触时，触发件动作，锁定销脱离定位销，双扭簧释放，辅助钩瞬时牢牢刺入至非合作目标表面蒙皮内，完成辅助抓附过程；

(3)连接紧固：辅助钩释放的同时，三个带有螺旋钻头的竖直力矩电机启动，数秒后水平力矩电机启动，三个螺旋钻头在水平力矩电机提供的推力下钻入至非合作目标表面蒙皮内，当进入一定的深度时，四个力矩电机停止工作，完成连接紧固过程。

8.根据权利要求6所述的一种瞬时触发的空间非合作目标抓附装置，其特征在于：瞬时触发的抓附装置对非合作表面实施有效抓附的具体步骤如下：

(1)射前准备：抓附装置罩盖在卡扣的作用下锁紧，辅助抓附机构中的锁定销置于定位销上适当位置，双扭簧锁紧，辅助抓附机构处于待触发状态；将非合作目标抓附装置置于航天器在轨发射平台中，并完成装置固定；

(2)辅助抓附：启动发射机构，将抓附装置从发射平台弹出，罩盖在自动弹开机构的作用下与筒体分离，当附着机构与非合作目标表面接触时，触发件动作，锁定销脱离定位销，双扭簧释放，辅助钩瞬时牢牢刺入至非合作目标表面蒙皮内，完成辅助抓附过程；

(3)连接紧固：辅助钩释放的同时，三个带有螺旋钻头的竖直力矩电机启动，数秒后水平力矩电机启动，三个螺旋钻头在水平力矩电机提供的推力下钻入至非合作目标表面蒙皮内，当进入一定的深度时，四个力矩电机停止工作，完成连接紧固过程。