本發(fā)明涉及一種觸須粘附式大尺寸空間非合作目標(biāo)快速消旋處理包，屬于空間非合作目標(biāo)快速消旋處理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著人類探索太空、開發(fā)宇宙步伐的加速，世界各國都積極地通過發(fā)射不同種類、不同功能的衛(wèi)星來占據(jù)相應(yīng)的軌道，結(jié)果導(dǎo)致能夠滿足科學(xué)研究、探索的太空空間也變得日益擁擠。此外，由于太空本身的一些行星活動(dòng)導(dǎo)致的太空垃圾以及人造衛(wèi)星在發(fā)射、運(yùn)行等過程中因操作(整流罩拋射、變軌產(chǎn)生的推進(jìn)劑顆粒等)、衛(wèi)星之間的碰撞或者失效衛(wèi)星解體等產(chǎn)生的人造垃圾的存在，對(duì)在軌運(yùn)行的衛(wèi)星等航天器均存在潛在的威脅。因此，為了人類進(jìn)行太空探索的長遠(yuǎn)計(jì)劃，營造一個(gè)清潔、安全的太空環(huán)境十分重要，對(duì)不同尺寸的太空垃圾的清理勢(shì)在必行。然而，在空間攝動(dòng)力作用下，失去控制的航天器(或空間垃圾)大多處于高速自旋章動(dòng)狀態(tài)，為失效航天器的抓捕及合作化處理帶來極大挑戰(zhàn)。采用主動(dòng)接觸式捕獲裝置對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的失控航天器直接進(jìn)行抓捕具有很大的風(fēng)險(xiǎn)，機(jī)械臂和捕捉爪都有可能會(huì)受到旋轉(zhuǎn)航天器的破壞。所以在對(duì)失控航天器進(jìn)行故障修復(fù)前(或?qū)臻g垃圾抓捕前)，需要對(duì)空間非合作目標(biāo)進(jìn)行消旋處理，使非合作目標(biāo)(失控航天器或空間垃圾)合作化，以保證航天器服務(wù)平臺(tái)主星的安全。

目前，針對(duì)空間非合作目標(biāo)(或空間垃圾)處理方面的研究大多是對(duì)空間非合作目標(biāo)捕獲及降軌方面的研究，針對(duì)非合作目標(biāo)消旋方面的研究比較少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，進(jìn)而提供一種觸須粘附式大尺寸空間非合作目標(biāo)快速消旋處理包。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種觸須粘附式大尺寸空間非合作目標(biāo)快速消旋處理包，包括：抓取配合機(jī)構(gòu)、消旋處理包主體、姿控推進(jìn)系統(tǒng)、觸須式飛網(wǎng)、仿生剛毛吸附材料、末端質(zhì)量塊、慣性導(dǎo)航測(cè)量單元和控制單元，所述消旋處理包主體固定在觸須式飛網(wǎng)的中心位置，消旋處理包主體的頂部固定有抓取配合機(jī)構(gòu)，消旋處理包主體的表面上固定有姿控推進(jìn)系統(tǒng)，慣性導(dǎo)航測(cè)量單元和控制單元固定在消旋處理包主體內(nèi)，觸須式飛網(wǎng)的末梢上固定有末端質(zhì)量塊，仿生剛毛吸附材料固定在末端質(zhì)量塊一端的觸須式飛網(wǎng)上。

本發(fā)明根據(jù)空間非合作目標(biāo)消旋處理的迫切需求，以大尺寸且高速旋轉(zhuǎn)的非合作目標(biāo)為受控對(duì)象，提出一種觸須粘附式空間非合作目標(biāo)快速消旋處理包，用于對(duì)此類非合作目標(biāo)進(jìn)行快速消旋處理。當(dāng)觸須粘附式消旋處理包與航天器服務(wù)平臺(tái)主星分離并抵達(dá)目標(biāo)表面后，觸須粘附式飛網(wǎng)完成對(duì)目標(biāo)的纏繞，并通過仿生剛毛吸附材料對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)可靠的捕獲形成組合體，然后再利用消旋平臺(tái)攜帶的小型姿控推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生推力實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的快速消旋。為后續(xù)服務(wù)平臺(tái)主星對(duì)該組合體(消旋處理包粘附在目標(biāo)表面之后形成的組合體)進(jìn)行二次抓捕、維修或清理等操作提供前期準(zhǔn)備，避免該類高速旋轉(zhuǎn)的大尺寸非合作目標(biāo)對(duì)捕獲裝置甚至航天器服務(wù)平臺(tái)主星造成損壞。

附圖說明

圖1為本發(fā)明觸須粘附式大尺寸空間非合作目標(biāo)快速消旋處理包的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為消旋處理包控制框圖。

圖3為消旋處理包的推力執(zhí)行機(jī)構(gòu)分配策略示意圖。

圖4為圖1中消旋處理包主體2處的局部放大圖。

圖5為圖1中仿生剛毛吸附材料5處的局部放大圖。

圖中的附圖標(biāo)記，1為抓取配合機(jī)構(gòu)，2為消旋處理包主體，3為姿控推進(jìn)系統(tǒng)，4為觸須式飛網(wǎng)，5為仿生剛毛吸附材料，6為末端質(zhì)量塊。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述實(shí)施例。

如圖1、圖4和圖5所示，本實(shí)施例所涉及的一種觸須粘附式大尺寸空間非合作目標(biāo)快速消旋處理包，包括：抓取配合機(jī)構(gòu)1、消旋處理包主體2、姿控推進(jìn)系統(tǒng)3、觸須式飛網(wǎng)4、仿生剛毛吸附材料5、末端質(zhì)量塊6、慣性導(dǎo)航測(cè)量單元和控制單元，所述消旋處理包主體2固定在觸須式飛網(wǎng)4的中心位置，消旋處理包主體2的頂部固定有抓取配合機(jī)構(gòu)1，消旋處理包主體2的表面上固定有姿控推進(jìn)系統(tǒng)3，慣性導(dǎo)航測(cè)量單元和控制單元固定在消旋處理包主體2內(nèi)，觸須式飛網(wǎng)4的末梢上固定有末端質(zhì)量塊6，仿生剛毛吸附材料5固定在末端質(zhì)量塊6一端的觸須式飛網(wǎng)4上。

所述觸須式飛網(wǎng)4的中心部分為蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

所述姿控推進(jìn)系統(tǒng)3由六個(gè)推力發(fā)動(dòng)機(jī)組成，所述六個(gè)推力發(fā)動(dòng)機(jī)通過噴氣作用力產(chǎn)生對(duì)三個(gè)體坐標(biāo)軸的控制力矩。

所述仿生剛毛吸附材料5為碳納米管陣列。

當(dāng)觸須粘附式大尺寸空間非合作目標(biāo)快速消旋處理包與航天器服務(wù)平臺(tái)分離并抵達(dá)目標(biāo)表面后，利用末端質(zhì)量塊6的慣性使觸須式飛網(wǎng)4完成對(duì)目標(biāo)的纏繞，并通過仿生剛毛吸附材料5對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)可靠的捕獲形成組合體。

通過消旋處理包主體2內(nèi)的慣性測(cè)量單元測(cè)量得出組合體相對(duì)消旋處理包體坐標(biāo)系下的加速度矢量，并采用PD控制策略通過控制單元產(chǎn)生控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)姿控推進(jìn)系統(tǒng)3產(chǎn)生控制力矩，實(shí)現(xiàn)組合體的快速消旋控制。

根據(jù)消旋任務(wù)要求，實(shí)際上消旋系統(tǒng)的參考輸入就是將體坐標(biāo)系下的角速度降為零，參考輸入為ω_u＝[ω_ux,ω_uy,ω_uz]^T＝[0,0,0]^T，消旋處理包的姿態(tài)動(dòng)力學(xué)反饋信息為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供當(dāng)前的角速度信息ω＝[ω_x,ω_y,ω_z]^T。消旋控制系統(tǒng)根據(jù)參考輸入信息ω_u和導(dǎo)航信息ω形成閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)消旋處理包對(duì)組合體的消旋控制，消旋處理包的控制框圖如圖2所示。

消旋處理包控制單元負(fù)責(zé)根據(jù)當(dāng)前姿態(tài)角速度的偏差量計(jì)算控制量，通過計(jì)算出的控制量對(duì)消旋推力系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而最終實(shí)現(xiàn)對(duì)非合作目標(biāo)消旋過程的閉環(huán)控制。考慮到消旋任務(wù)主要是需要將非合作目標(biāo)的姿態(tài)角速度降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，并不要求精確控制。根據(jù)以上分析，選擇精度不高、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的PD控制(比例微分控制)作為消旋控制策略。

消旋處理包的姿控推進(jìn)系統(tǒng)由六個(gè)推力發(fā)動(dòng)機(jī)組成。這六個(gè)推力發(fā)動(dòng)機(jī)可以通過噴氣發(fā)作用力產(chǎn)生對(duì)三個(gè)體坐標(biāo)軸的控制力矩。消旋處理包的姿控推進(jìn)系統(tǒng)分配策略示意圖如圖3所示，分配策略如下：1、控制器計(jì)算得出的計(jì)算控制力矩根據(jù)推進(jìn)器推力分配方程計(jì)算得出各個(gè)消旋推力發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)算推力；2、考慮到推進(jìn)器的執(zhí)行能力，各推力發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)算推力根據(jù)自身所能產(chǎn)生的推力幅值進(jìn)行推力限幅；3、由于推力發(fā)動(dòng)機(jī)的推力不可調(diào)，因此采用PWM調(diào)制的方法，通過調(diào)整推力發(fā)動(dòng)機(jī)工作的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)推力器推力的調(diào)整，使實(shí)際產(chǎn)生的平均推力可與計(jì)算推力近似相等；4、實(shí)際產(chǎn)生的控制力矩根據(jù)推力發(fā)動(dòng)機(jī)的平均推力計(jì)算得出推力發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)與體坐標(biāo)系三軸產(chǎn)生的控制力矩作為推力發(fā)動(dòng)機(jī)輸出控制量。

消旋處理包對(duì)空間非合作目標(biāo)消旋處理完成后，航天器服務(wù)平臺(tái)可通過消旋處理包上預(yù)留的抓取配合結(jié)構(gòu)1實(shí)現(xiàn)后續(xù)的空間操控服務(wù)。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，這些具體實(shí)施方式都是基于本發(fā)明整體構(gòu)思下的不同實(shí)現(xiàn)方式，而且本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。