本发明涉及一种可重复使用空间碎片柔性抓捕布兜装置及抓捕方法，该装置包括：布兜、收口拉绳、手爪、容腔拉绳、电机、本体；本体前端连接若干成对布置的多段指节组成的手爪，每两个关节连接处有转动副，转动副内部有扭转弹簧，扭转弹簧施力方向为使手爪张开的方向；布兜为弹性体，手爪指尖与布兜的边缘连接，布兜开口边缘周向对称设置有两个孔状套管，第一收口拉绳和第二收口拉绳的一端均连接设置在本体内的第一电机上，沿着中心对称设置的一对儿手爪，分别穿过两个孔状套管后，固定在孔状套管终端所在的布兜边缘处；容腔拉绳一端固定在布兜底部，另一端连接在第二电机前端输出轴的缠绕轮上。本发明能够实现低冲击可控展收和重复使用，提升空间碎片移除应用效益。
1.一种可重复使用空间碎片柔性抓捕布兜装置，其特征在于包括：布兜(1)、第一收口拉绳(3)、手爪(4)、容腔拉绳(6)、第一电机(7)、本体(8)、第二电机(9)以及第二收口拉绳(10)；
本体(8)前端连接若干成对布置的手爪(4)，手爪(4)由多段指节组成，每两个关节连接处有转动副，转动副内部有扭转弹簧，扭转弹簧施力方向为使手爪(4)张开的方向；
布兜(1)为弹性体，手爪(4)指尖与布兜(1)的边缘连接，布兜(1)开口边缘周向对称设置有两个孔状套管，第一收口拉绳(3)和第二收口拉绳(10)的一端均连接在本体(8)内的第一电机(7)上，第一收口拉绳(3)和第二收口拉绳(10)沿着中心对称设置的一对手爪(4)，分别穿过两个孔状套管后，第一收口拉绳(3)和第二收口拉绳(10)的另一端固定在孔状套管终端所在的布兜(1)边缘处；
容腔拉绳(6)一端固定在布兜(1)底部，另一端连接在第二电机(9)前端输出轴的缠绕轮上。
2.根据权利要求1所述的一种可重复使用空间碎片柔性抓捕布兜装置，其特征在于：手爪(4)的数量为2N个，N为正整数，且手爪(4)均匀分布；手爪(4)的每段指节均为空心筒状结构。
3.根据权利要求2所述的一种可重复使用空间碎片柔性抓捕布兜装置，其特征在于：手爪(4)的每段指节内部均设置有一个第一导向轮(2)，第一收口拉绳(3)和第二收口拉绳(10)从所述对称设置的一对手爪(4)穿过时，通过第一导向轮(2)进行导向。
4.根据权利要求1所述的一种可重复使用空间碎片柔性抓捕布兜装置，其特征在于：两个孔状套管的长度相同，且长度的总和等于布兜(1)开口边缘周向长度。
5.根据权利要求1所述的一种可重复使用空间碎片柔性抓捕布兜装置，其特征在于：第一电机(7)输出端设置有缠绕轮，第一收口拉绳(3)和第二收口拉绳(10)均通过缠绕轮连接第一电机(7)，通过第一电机(7)驱动缠绕轮转动，进而实现第一收口拉绳(3)和第二收口拉绳(10)的收放。
6.根据权利要求1所述的一种可重复使用空间碎片柔性抓捕布兜装置，其特征在于：容腔拉绳(6)中间通过若干第二导向轮(5)转换方向；第二导向轮(5)固定安装在手爪(4)的空心指节内或者本体(8)内。
7.根据权利要求1所述的一种可重复使用空间碎片柔性抓捕布兜装置，其特征在于：发射时状态时，所有手爪(4)被外部约束至伸直状态，容腔拉绳(6)处于最大伸出长度，布兜(1)处于收缩状态；发射入轨后，所有手爪(4)约束被解除，手爪(4)在扭簧作用下呈张开状态，手爪(4)张开后，将布兜(1)展成最大开口状态，容腔拉绳(6)处于最大伸出长度，此时布兜(1)绷成近似平面状态。
8.根据权利要求1所述的一种可重复使用空间碎片柔性抓捕布兜装置，其特征在于：在抓捕目标前，容腔拉绳(6)在第二电机(9)驱动下逐渐回收长度，随之将布兜(1)拉长拉大，形成容腔。
9.根据权利要求8所述的一种可重复使用空间碎片柔性抓捕布兜装置，其特征在于：布兜(1)弹性要求：布兜(1)被拉大拉长成容腔的力小于手爪(4)每个关节扭簧收拢的力，使得容腔拉绳(6)在拉动布兜(1)的同时，手爪(4)维持张开状态。
10.根据权利要求1所述的一种可重复使用空间碎片柔性抓捕布兜装置，其特征在于：
抓捕目标进入容腔后，第一收口拉绳(3)和第二收口拉绳(10)在第一电机(7)驱动下逐渐回收长度，随之使布兜(1)形成收口状态。
11.根据权利要求1所述的一种可重复使用空间碎片柔性抓捕布兜装置，其特征在于：
当需要将抓捕目标释放出来时，第一收口拉绳(3)和第二收口拉绳(10)在第一电机(7)驱动下逐渐伸出长度，在扭簧作用下张开，布兜(1)形成开口，然后容腔拉绳(6)在第二电机(9)驱动下逐渐伸出长度，布兜(1)在自身弹性下回缩成近似平面，将抓捕目标向外释放弹出。
12.一种基于据权利要求1～6中任一项所述的可重复使用空间碎片柔性抓捕布兜装置实现的抓捕方法，其特征在于步骤如下：(1)发射时状态时，所有手爪(4)被外部约束至伸直状态，容腔拉绳(6)处于最大伸出长度，布兜(1)处于收缩状态；发射入轨后，所有手爪(4)约束被解除，手爪(4)在扭簧作用下呈张开状态，手爪(4)张开后，将布兜(1)展成最大开口状态，容腔拉绳(6)处于最大伸出长度，此时布兜(1)绷成近似平面状态；
(2)在抓捕目标前，容腔拉绳(6)在第二电机(9)驱动下逐渐回收长度，随之将布兜(1)拉长拉大，形成容腔；布兜(1)弹性要求：布兜(1)被拉大拉长成容腔的力小于手爪(4)每个关节扭簧收拢的力，使得容腔拉绳(6)在拉动布兜(1)的同时，手爪(4)维持张开状态；
(3)抓捕目标进入容腔后，第一收口拉绳(3)和第二收口拉绳(10)在第一电机(7)驱动下逐渐回收长度，随之使布兜(1)形成收口状态，将抓捕目标困在其中；
(4)当需要清理，将抓捕目标释放出来时，第一收口拉绳(3)和第二收口拉绳(10)在第一电机(7)驱动下逐渐伸出长度，在扭簧作用下张开，布兜(1)形成开口，然后容腔拉绳(6)在第二电机(9)驱动下逐渐伸出长度，布兜(1)在自身弹性下回缩成近似平面，将抓捕目标向外释放弹出。
一种可重复使用空间碎片柔性抓捕布兜装置及抓捕方法
技术领域
[0001] 本发明专利涉及一种可重复使用空间碎片柔性抓捕布兜装置及抓捕方法，属于空间机构领域，可用于中小型空间碎片的抓捕与清理，也可用于其它非合作目标的捕获和在轨服务。
背景技术
[0002] 空间碎片起源于人类的航天活动，随着空间技术的飞速发展，空间碎片的数量也随之高速增长，根据美国空间监测网公布的数据，截至2016年10月，地球轨道上可编目的空间物体数量达17828个，其中90％以上属于空间碎片，其潜在的碰撞风险日益威胁着航天器的在轨运行安全，已成为一个引人瞩目的环境问题。目前，国际上对空间碎片的减缓措施主要有钝化、系留、垃圾轨道和重复利用等四种策略，现有碎片减缓措施在一定程度上能够减缓空间碎片的增长趋势，但不能改变空间碎片总量继续增长的趋势。空间碎片之间的相互碰撞成为未来碎片数量增长的主要因素，只有采取主动移除措施，移除影响比较大的碎片，才能从根本上阻止空间碎片的增长趋势，进而改善空间碎片环境。
[0003] 柔性网/布兜式抓捕技术是当前国际上较为热门的一种空间碎片主动移除技术，通过将网/布展开形成柔性容腔，实现对碎片的包络式抓捕，实现对碎片的移除与回收。与传统机械式抓捕方式相比，网/布兜式抓捕方式具有抓捕容差范围大，与目标间无刚性碰撞，抓捕安全性高等优点。
[0004] 在柔性绳网抓捕技术方面，典型的项目是欧洲的Roger及后续的e.Deorbit。Roger项目提出了柔性绳网抓捕的概念，拟用于移除同步轨道上的废弃卫星和运载器上面级。
[0005] 在柔性布兜抓捕技术方面，典型的项目是美国的ARM(Asteroid Redirect Mission)，通过充气杆展开形成布兜实现对目标的抓捕。
[0006] 国内相关国家发明专利有：绳网式空间碎片抓捕与清除系统，201310503724.3；充气展开式空间碎片抓捕系统和空间目标捕获方法，201510292127.X。
[0007] 目前，国内外柔性网/布兜式抓捕方案均存是一次性使用，一套装置只能抓捕一个碎片，无法重复使用，效费比相对较差。
发明内容
[0008] 本发明解决的技术问题是：针对现有柔性网/布兜抓捕方案发射冲击大、展开过程不可控、展开后维型时间短、无法重复使用等问题，本发明提出了一种可重复使用空间碎片柔性抓捕布兜装置，能够实现低冲击可控展收和重复使用，提升空间碎片移除应用效益。
[0009] 本发明的技术方案是：
[0010] 一种可重复使用空间碎片柔性抓捕布兜装置，包括：布兜、第一收口拉绳、手爪、容腔拉绳、第一电机、本体、第二电机以及第二收口拉绳；
[0011] 本体前端连接若干成对布置的手爪，手爪由多段指节组成，每两个关节连接处有转动副，转动副内部有扭转弹簧，扭转弹簧施力方向为使手爪张开的方向；
[0012] 布兜为弹性体，手爪指尖与布兜的边缘连接，布兜开口边缘周向对称设置有两个孔状套管，第一收口拉绳和第二收口拉绳的一端均连接设置在本体内的第一电机上，沿着中心对称设置的一对儿手爪，分别穿过两个孔状套管后，固定在孔状套管终端所在的布兜边缘处；
[0013] 容腔拉绳一端固定在布兜底部，另一端连接在第二电机前端输出轴的缠绕轮上。
[0014] 手爪的数量为2N个，N为正整数，且手爪均匀分布；手爪的每段指节均为空心筒状结构。
[0015] 手爪的每段指节内部均设置有一个第一导向轮，第一收口拉绳或第二收口拉绳从所述对称设置的一对儿手爪穿过时，通过第一导向轮进行导向。
[0016] 两个孔状套管的长度相同，且长度的总和等于布兜开口边缘周向长度。
[0017] 第一电机输出端设置有缠绕轮，第一收口拉绳和第二收口拉绳均通过缠绕轮连接第一电机，通过第一电机驱动缠绕轮转动，进而实现第一收口拉绳和第二收口拉绳的收放。
[0018] 容腔拉绳中间通过若干第二导向轮转换方向；第二导向轮固定安装在手爪的空心指节内或者本体内。
[0019] 发射时状态时，所有手爪被外部约束至伸直状态，容腔拉绳处于最大伸出长度，布兜处于收缩状态；发射入轨后，所有手爪约束被解除，手爪在扭簧作用下呈张开状态，手爪张开后，将布兜展成最大开口状态，容腔拉绳处于最大伸出长度，此时布兜绷成近似平面状态。
[0020] 在抓捕目标前，容腔拉绳在第二电机驱动下逐渐回收长度，随之将布兜拉长拉大，形成容腔。
[0021] 布兜弹性要求：布兜被拉大拉长成容腔的力小于手爪每个关节扭簧收拢的力，使得容腔拉绳在拉动布兜的同时，手爪维持张开状态。
[0022] 抓捕目标进入容腔后，第一收口拉绳和第二收口拉绳在第一电机驱动下逐渐回收长度，随之使布兜形成收口状态。
[0023] 当需要将抓捕目标释放出来时，第一收口拉绳和第二收口拉绳在第一电机驱动下逐渐伸出长度，在扭簧作用下张开，布兜形成开口，然后容腔拉绳在第二电机驱动下逐渐伸出长度，布兜在自身弹性下回缩成近似平面，将抓捕目标向外释放弹出。
[0024] 一种基于所述的可重复使用空间碎片柔性抓捕布兜装置实现的抓捕方法，步骤如下：
[0025] 发射时状态时，所有手爪被外部约束至伸直状态，容腔拉绳处于最大伸出长度，布兜处于收缩状态；发射入轨后，所有手爪约束被解除，手爪在扭簧作用下呈张开状态，手爪张开后，将布兜展成最大开口状态，容腔拉绳处于最大伸出长度，此时布兜绷成近似平面状态；
[0026] 在抓捕目标前，容腔拉绳在第二电机驱动下逐渐回收长度，随之将布兜拉长拉大，形成容腔；布兜弹性要求：布兜被拉大拉长成容腔的力小于手爪每个关节扭簧收拢的力，使得容腔拉绳在拉动布兜的同时，手爪维持张开状态；
[0027] 抓捕目标进入容腔后，第一收口拉绳和第二收口拉绳在第一电机驱动下逐渐回收长度，随之使布兜形成收口状态，将抓捕目标困在其中；
[0028] 当需要清理，将抓捕目标释放出来时，第一收口拉绳和第二收口拉绳在第一电机驱动下逐渐伸出长度，在扭簧作用下张开，布兜形成开口，然后容腔拉绳在第二电机驱动下逐渐伸出长度，布兜在自身弹性下回缩成近似平面，将抓捕目标向外释放弹出。
[0029] 本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0030] (1)本发明可实现抓捕与释放动作的重复运动，具备重复使用能力，可实现多个空间碎片的抓捕与回收，大大提高了装置的使用效率。
[0031] (2)本发明采用电机与扭转弹簧配合使用，实现通过多节的手指机构将布兜缓慢展开，与其他利用火工品冲击力将网状捕获装置展开的方式相比，可大大降低布兜展开时收到的冲击力，对布兜材料的强度要求相对较低。同时本发明布兜展开过程分为多个步骤有序进行，与火工品驱动展开绳网的方式相比，避免了多层折叠的网状结构展开过程产生缠绕导致展开失败的问题，也避免了火工品驱动张开的绳网维持形状短的问题。
[0032] (3)本发明弹性布兜材料无网洞，其开口边缘被收口拉绳拉紧收口后，残余口很小，形成一个封闭的腔体，可以实现对体积非常小的碎片的捕获。
[0033] (4)本发明收口后，被捕获目标在封闭腔体里与布兜内壁碰撞、摩擦，由于布兜为柔性材料，可以较好的缓冲冲击力，并通过摩擦逐步地、稳定地消除被捕获目标的自旋转动，最后实现消除其旋转能量的作用。
[0034] (5)本发明手爪为多节形式，发射时手爪相互贴紧，可实现较小的发射包络。
[0035] (6)本发明利用收口拉绳与多指式手爪末段闭合同时作用的方式实现布兜收口，收口过程为主动方式，与火工品发射的绳网式捕获系统不同，不依赖被捕获目标与绳网的相互作用力，捕获过程受被捕获目标干扰小，捕获过程更加稳定可靠。
附图说明
[0036] 图1为本发明组成原理图；
[0037] 图2为本发明发射状态原理图；
[0038] 图3为入轨后展开状态，同时也是释放被捕获目标状态原理图；
[0039] 图4为网兜完成收口状态原理图；
[0040] 图5为本发明网兜结构形式示意图。
具体实施方式
[0041] 本发明的可重复使用柔性抓捕布兜装置为可展收式构型，在发射状态下能够收拢成一束，发射包络小。入轨后，通过电机释放收口拉绳，使多段式连杆手爪在扭转弹簧力作用下展开，手爪末端与弹性布兜口连接，手爪张开后将布兜撑开近似成平面。然后，通过电机驱动多根容腔拉绳对布兜施加拉力，将弹性布兜拉成近似圆柱状腔体，形成抓捕容腔；抓捕时，卫星平台携带可重复使用柔性抓捕布兜装置接近被捕获目标，使其进入布兜抓捕容腔，随后收紧收口拉绳，多段式手爪末段在绳子拉力下闭合，实现布兜收口，防止目标从布兜中脱出；释放时，使柔性布兜与回收容器口对中，收口拉绳伸展防松，布兜随着手爪张开而打开，与回收容器之间形成转移通道，随后，松开容腔拉绳，弹性布兜回缩成平面，将被捕获目标推入回收容器中，实现目标释放回收。最后，再次拉紧容腔拉绳，布兜再次形成抓捕容腔，即可执行下一次空间碎片抓捕任务。
[0042] 本发明的具体的一个实例如图1所示，本体8前端连接若干成对布置的手爪4，手爪4由多段指节组成，本实例中手爪为3节，3节为较优化的数值，指节过多，手爪展开的影响因素过多，机构整体可靠性低。指节过少，不利用布兜形成容器时的形状维持。每两个关节连接处有转动副，转动副内部有扭转弹簧，扭转弹簧施力方向为使手爪4互相张开的方向；手爪4的数量为2N个，N为正整数，且手爪4均匀分布；手爪4的每段指节均为空心筒状结构，便于第一收口拉绳3和第二收口拉绳10在其中穿行，保护第一收口拉绳3和第二收口拉绳10运动过程不受外界干扰。手爪4数量为偶数的原因是考虑到布兜开口形状的对称和受力的均匀，而为了使布兜1张开成开口状态，最少需要4根手爪4。
[0043] 本发明采用电机与扭转弹簧配合使用，实现通过多节的手指机构将布兜缓慢展开，与其他利用火工品冲击力将网状捕获装置展开的方式相比，可大大降低布兜展开时收到的冲击力，对布兜材料的强度要求相对较低。同时本发明布兜展开过程分为多个步骤有序进行，与火工品驱动展开绳网的方式相比，避免了多层折叠的网状结构展开过程产生缠绕导致展开失败的问题，也避免了火工品驱动张开的绳网维持形状短的问题。
[0044] 布兜1为弹性体，手爪4指尖与布兜1的边缘连接，布兜1开口边缘周向对称设置有两个孔状套管，第一收口拉绳3和第二收口拉绳10的一端均连接设置在本体8内的第一电机7上，沿着中心对称设置的一对儿手爪4，分别穿过两个孔状套管后，固定在孔状套管终端所在的布兜1边缘处。两个孔状套管的长度相同，且长度的总和等于布兜1开口边缘周向长度，如于圆周均分两半。套管的作用是当收口拉绳长度回缩时，使布兜1开口处形成褶皱，使开口紧密，将残余开口控制在最小状态。由于2个套管的总长度等于布兜1开口的周长，因此在收口拉绳回缩到极限时，布兜1的开口可以缩小为近似一个点。
[0045] 手爪4的每段指节内部均设置有一个第一导向轮2，第一收口拉绳3或第二收口拉绳10从所述对称设置的一对儿手爪4穿过时，通过第一导向轮2进行导向和换向。第一导向轮2作用为无论手爪4如何展收，第一收口拉绳3或第二收口拉绳10都能通过导向轮2在较小摩擦力下传递第一电机7的拉力。
[0046] 容腔拉绳6一端固定在布兜1底部，另一端连接在第二电机9前端输出轴的缠绕轮上。容腔拉绳6中间通过若干第二导向轮5转换方向；第二导向轮5固定安装在手爪4的空心指节内或者本体8内。第二导向轮5的作用为无论容腔拉绳6设置在布兜1外部的哪个部位，都能顺利转换方向连接至第二电机9前端输出轴的缠绕轮上。
[0047] 本发明提出的布兜1采用弹性纤维编织而成的布料制作，而大多数弹性纤维为高分子材料，在空间各种射线的照射下，高分子材料的分子结构会断裂，表现为材料老化、失去弹性。因此，为了适应在太空中的使用，可以采用在弹性材料表面增加防辐射涂层的方法抵抗空间辐照，也可以采用如图5所示的结构实现布兜的弹性。图5所示为一块使用无弹性的抗辐照柔性面料缝制成腔体形状后，将其腔体外表面串联若干拉伸弹簧11，当弹簧在其自身弹力下收缩，容腔形状的布兜被绷紧成一个近似平面的体积。当布兜外侧各点在容腔拉绳作用下被拉伸，弹簧长度随之伸长，布兜就可形成容腔形状。
[0048] 进一步的，本发明还提出一种空间碎片抓捕方法，步骤如下：
[0049] 1、发射时状态时，所有手爪4被外部约束至伸直状态，如图2所示，容腔拉绳6处于最大伸出长度，布兜1处于收缩状态，发射入轨后，所有手爪4约束被解除，第一收口拉绳3和第二收口拉绳10在第一电机7驱动下逐渐伸出长度，使得手爪4在扭簧作用下慢慢相互张开，手爪4张开后，将布兜1展成最大开口状态，容腔拉绳6处于最大伸出长度，此时布兜1绷成近似平面状态，如图3所示；
[0050] 2、在抓捕目标前，容腔拉绳6在第二电机9驱动下逐渐回收长度，随之将布兜1拉长拉大，形成容腔。由于容腔拉绳6的拉力通过布兜1同样作用于手爪4上，为了使布兜1形成容器的同时而不使手爪收拢，布兜1弹性力要满足：布兜1被拉大拉长成容腔的力小于手爪4每个关节扭簧收拢的力，使得容腔拉绳6在拉动布兜1的同时，手爪4维持张开状态；
[0051] 3、抓捕目标进入容腔后，第一收口拉绳3和第二收口拉绳10在第一电机7驱动下逐渐回收长度，随之使布兜1形成收口状态，将被抓捕目标困在其中，如图4所示。布兜1在收口过程中，在收口处对抓捕目标形成向内的推力，阻止了被抓捕目标向外逃逸。同时，收口后，被捕获目标在封闭腔体里与布兜内壁碰撞、摩擦，由于布兜为柔性材料，可以较好的缓冲冲击力，并通过摩擦力逐步地、稳定地消除被捕获目标的自旋转动，最后实现消除其旋转能量的作用，最后实现被捕获目标相对布兜呈现近似静止状态；
[0052] 4、当需要将被抓捕目标释放出来时，第一收口拉绳3和第二收口拉绳10在第一电机7驱动下逐渐伸出长度，在扭簧作用下张开，布兜1形成开口，然后容腔拉绳6在第二电机9驱动下逐渐伸出长度，布兜1在自身弹性下回缩成近似平面，将抓捕目标向外释放弹出，布兜1状态如图3所示。
