本發(fā)明涉及拖曳帆增強(qiáng)系統(tǒng)的被動碎屑去除方法，尤其涉及一種基于伸縮技術(shù)和拉伸薄膜面板的空間碎片清除拖曳帆，屬于空間碎片清除技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

所有發(fā)送到太空的航天器都具有有限的有效使用壽命。在它們的有效壽命之后，航天器和衛(wèi)星變得無用并且在空間中累積，產(chǎn)生大量碎片。除非它們在大氣中被拆除或燒毀，否則航天器和衛(wèi)星保持在其軌道上，隨著碎片數(shù)量的增加，它們之間的碰撞會產(chǎn)生更多碎片。

目前，有幾種方法可以使生命周期結(jié)束的航天器脫軌。所有方法的目的是將近地點(diǎn)高度降低到空氣動力足夠大以致最終重新進(jìn)入的點(diǎn)。在這一點(diǎn)上，施加到航天器或衛(wèi)星的空氣動力加熱和壓力將增加，并且航天器或衛(wèi)星將在大氣中被大量地破壞。

如今，領(lǐng)先的脫軌策略涉及使用小火箭發(fā)動機(jī)，電動系繩或空氣動力拖曳增強(qiáng)來防止在進(jìn)入導(dǎo)致的破壞目標(biāo)碎片。微小的火箭發(fā)動機(jī)可用于以特定的角度和速度將衛(wèi)星推向地球，以便在重新進(jìn)入時(shí)確保破壞?；鸺l(fā)動機(jī)可用于降低衛(wèi)星的速度，引起其墜落并因此在大氣中燃燒。此項(xiàng)技術(shù)利用了目前已達(dá)到商業(yè)水平的導(dǎo)彈技術(shù)的發(fā)展?；鸺闹饕獌?yōu)點(diǎn)是通過精確的角度射擊來控制拆卸過程。然而，火箭技術(shù)非常昂貴的、非常重且技術(shù)復(fù)雜：例如，包括在使用火箭燃料之前使火箭燃料處于壓力下長達(dá)10年。

電動系繩是在脫軌航天器和部署的端部質(zhì)量之間延伸一段距離以下的導(dǎo)電帶，這段距離有可能是數(shù)公里。系繩技術(shù)因此涉及通過地球磁場部署和拖曳來自衛(wèi)星的導(dǎo)電線。系繩和地球磁場之間的相互作用產(chǎn)生推進(jìn)力，可以用于升高和降低衛(wèi)星高度軌道。通常，系繩系統(tǒng)的部署單元在其附接的主航天器活動壽命期間將保持大部分休眠。當(dāng)需要脫軌時(shí)，系統(tǒng)將部署端質(zhì)量以開始脫軌過程。電動系繩具有潛力，但在部署時(shí)和在脫軌過程本身期間需要高度的主動控制。

氣動拖曳增強(qiáng)涉及空氣阻力的增加。空氣阻力或拖曳隨著高度而減小，隨著高度的增加，大氣逐漸變薄。這種解軌道策略僅限于leo。在該區(qū)域中的衛(wèi)星經(jīng)歷相當(dāng)有限的氣動阻力，并且由于空氣阻力導(dǎo)致的衛(wèi)星速度的減小非常小。能夠增強(qiáng)空氣動力的拖曳系統(tǒng)增加空氣阻力，使得衛(wèi)星速度在期望時(shí)間內(nèi)與衛(wèi)星解除軌道的速率降低。

在阻力增強(qiáng)系統(tǒng)中，拖曳帆受到特別的關(guān)注。到目前為止，所提出的概念包括由航天器運(yùn)輸?shù)浇咏繕?biāo)碎片位置的緊湊拖曳帆，然后緊湊拖曳帆被附接到目標(biāo)碎片，最后它擴(kuò)展到其最終表面。該最終表面將負(fù)責(zé)產(chǎn)生阻力以從其初始位置移除目標(biāo)碎片。該拖曳表面越大，裝置將越快解除目標(biāo)碎片。考慮到航天器內(nèi)有限的空間，拖曳帆必須以其壓縮形式加載，這限制了拖曳帆的最大拖曳表面。

通常提出的拖曳帆概念是指釋放和擴(kuò)展是將裝置的壓縮形式加載到航天器。因此，拖曳裝置將精力從壓實(shí)狀態(tài)轉(zhuǎn)變到其擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)的中間相位，且是有利的。這些特征的拖曳帆將允許更高的包裝效率，這將導(dǎo)致更大拖曳表面的拖曳帆。

可伸縮梁和拉伸箔的制造是成熟的技術(shù)，已經(jīng)在許多工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用。使用這些技術(shù)的拖曳帆包括擴(kuò)展過程中的中間相位，有利于形成更大的最終拖曳表面。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決具有中間相位的拖曳帆的擴(kuò)展過程，允許更高的包裝效率和更大的拖曳表面，提出一種基于伸縮技術(shù)和拉伸薄膜面板的空間碎片清除拖曳帆。

本發(fā)明提出的拖曳帆包含可伸縮梁框架和由拉伸薄膜板制成的拖曳表面，以及拖曳帆膨脹過程的三個(gè)階段：第一階段，將拉伸箔片面板折疊到一個(gè)面板上；第二階段，面板展開；第三階段，面板膨脹到最終拖曳面。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

首先，本發(fā)明公開了拖曳帆的框架結(jié)構(gòu)，包括在拐角處連接在一起的四個(gè)雙作用伸縮梁；此四個(gè)雙作用伸縮梁對稱且有中心筒，其余階段的伸縮梁的各段被包圍在中心筒中；伸縮梁是氣密的且包含伸縮梁膨脹的加壓氣體；

其次，本發(fā)明公開了所提拖曳帆的拖曳表面結(jié)構(gòu)，其包括由高度可拉伸的拉伸膜制成的九個(gè)主面板；這九個(gè)主面板通過由相同的高伸縮性拉伸膜制成的接合面板連接在一起；當(dāng)拖曳帆處于緊湊模式時(shí)，九個(gè)主面板被折疊到一個(gè)面板上；在中間相位，九個(gè)主面板展開并且展開直到最后的拖曳表面；

第三，本發(fā)明公開了連接裝置，包含將捕獲目標(biāo)碎屑的網(wǎng)以及負(fù)責(zé)拖曳帆擴(kuò)張過程的網(wǎng)；

第四，本發(fā)明公開了將拖曳帆框架，簡稱框架、拖曳帆和連接裝置連接在一起的方法；有三種類型連接：連接框架的伸縮梁的螺栓，框架-拖曳表面連接和框架-連接裝置連接；

一種基于伸縮技術(shù)和拉伸薄膜面板的空間碎片清除拖曳帆的工作過程如下：

步驟一、拖曳帆以其緊湊模式裝載在航天器中；在此階段，伸縮梁的各段被包圍在其中心筒中且拖曳表面的九個(gè)主面板被折為一個(gè)；

步驟二、當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)碎屑時(shí)，網(wǎng)包含在發(fā)射的連接裝置；一旦碎片被捕獲，拖曳帆被釋放并開始膨脹；

步驟三、裝置將從緊湊模式發(fā)展到中間或展開相位也稱展開模式，其中最初折疊到一個(gè)上的九個(gè)主面板將隨著伸縮梁的延伸而展開；

步驟四、從未展開狀態(tài)，伸縮梁繼續(xù)伸展，主板膨脹，直到到達(dá)最終表面；

至此，從步驟一到步驟四，完成了一種基于伸縮技術(shù)和拉伸薄膜面板的空間碎片清除拖曳帆的工作過程。

有益效果

一種基于伸縮技術(shù)和拉伸薄膜面板的空間碎片清除拖曳帆，與其他空間制造機(jī)制相比，具有如下有益效果：

1.本發(fā)明所述拖曳帆具有高的包裝效率，從而允許在航天器中存儲幾個(gè)單元；

2.本發(fā)明所述拖曳帆與沒有中間膨脹相位的拖曳帆相比，允許展開大的拖曳表面；

3.本發(fā)明所述的拖曳帆尺寸容易適應(yīng)不同脫軌任務(wù)的要求:可伸縮梁可以通過改變級數(shù)來延長或縮短，且可通過改變板的初始尺寸來適應(yīng)拉伸箔片面板的最終面積；

4.本發(fā)明的拖曳表面由高度可拉伸的膜制成，是非常輕的材料，所提出的系統(tǒng)將比類似性質(zhì)的裝置更輕；

5.由于拉伸箔和可伸縮梁的制造技術(shù)成熟，本發(fā)明所述的這種拖曳帆具有易于生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

附圖表示本發(fā)明所述機(jī)制制造四個(gè)拖曳帆的過程；

附圖表示本發(fā)明所述拖曳帆在50平米拖曳表面移除目標(biāo)碎片的特定情況。對于不同碎片，可修改拖曳帆的尺寸以適應(yīng)所需脫軌需要；圖1至圖8表示機(jī)構(gòu)及其組件部件；

圖9表示本發(fā)明一種基于伸縮技術(shù)和拉伸薄膜面板的空間碎片清除拖曳帆的碎屑捕獲、釋放和膨脹過程；

圖1為本發(fā)明一種基于伸縮技術(shù)和拉伸薄膜面板的空間碎片清除拖曳帆中的雙作用伸縮梁的緊湊模式；

圖2為本發(fā)明一種基于伸縮技術(shù)和拉伸薄膜面板的空間碎片清除拖曳帆中的雙作用伸縮梁的緊湊模式和展開模式之間的對比；

圖3示出了處于緊湊模式的拖曳帆框架；

圖4示出了拖曳帆框架的緊湊和展開模式之間的比較；

圖5顯示了拖曳帆拖曳面板主面板和拖曳帆拖曳面板前后拼裝面板組裝：

圖6示出了拖曳表面以其三種模式的全景視圖：

圖6中(a)為以折疊模式拖動拖曳表面；(b)為拖曳帆拖曳表面的展開模式；(c)為以其展開模式的拖曳帆拖曳表面；

圖7為拖曳帆框架-拖曳帆的連接關(guān)系；其中，(a)為拖曳帆框架-拖曳帆拖曳表面接頭；(b)為拖曳帆框架-拖曳帆連接裝置接頭；

圖8示出了基于伸縮技術(shù)和拉伸薄膜板的拖曳帆，用于空間碎片去除的緊湊模式；

圖9示出了碎片的捕獲以及拖曳帆的釋放和展開過程，分成六個(gè)階段：(a)航天器完成交會操縱并與目標(biāo)碎片對準(zhǔn)，(b)捕獲目標(biāo)碎片，(c)打開所述拖曳帆容器蓋，(d)拖曳帆釋放，(e)與航天器分離，(f)基于伸縮技術(shù)和拉伸薄膜面板空間碎片清除的拖曳帆；

其中，圖1中的1-桶，2-公活塞桿，3-母活塞桿；

圖3中的4-兩端具有連桿的圓柱形螺栓；

圖5中的(a)為拖曳帆拖曳面板主面板的展開模式，其中：5-主拖曳面板，(b)拖曳帆；

圖5中：6-方拖曳表面接合面板，7-矩形拖曳表面接合面板，8-角拖曳表面接合面板，(c)以其展開模式拖曳帆拖曳表面；

圖7中的10為拖曳帆框架-拖曳帆拖曳表面接頭；11為拖曳帆框架-拖曳帆連接裝置接頭；圖8中的12為連接裝置；

圖9中，(a)航天器完成會合操縱并與目標(biāo)碎片對準(zhǔn)，其中：13-拖曳帆容器，14-關(guān)閉拖曳貨柜門，15-目標(biāo)碎片，(b)捕獲目標(biāo)碎片，其中：16-捕獲網(wǎng)，(c)打開所述拖曳帆容器蓋，其中：17-打開拖曳帆容器門，(d)拖曳帆釋放，(e)與航天器分離，(f)基于伸縮技術(shù)和拉伸薄膜面板空間碎片清除的拖曳帆。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在將結(jié)合各個(gè)附圖，更詳細(xì)地描述基于本發(fā)明所揭示的用于空間碎片去除的不同尺寸拖曳帆的空間制造機(jī)制制造四個(gè)拖曳帆的過程。

采用本發(fā)明所述機(jī)構(gòu)制造的拖曳帆維度可以變化，即本發(fā)明所述機(jī)構(gòu)允許制造不同數(shù)量的拖曳帆。在具體實(shí)施例中的提到的左和右對應(yīng)圖中所示的x軸的正側(cè)(左側(cè))和負(fù)側(cè)(右側(cè))。

實(shí)施例

現(xiàn)在將參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明。附圖表示了特定情況下本發(fā)明所述的拖曳帆，其中需要50平方米的拖曳表面來移除目標(biāo)碎片。

基于伸縮技術(shù)和用于空間碎片去除的拉伸薄膜面板的拖曳帆具有三個(gè)主要部分，即拖曳帆架，拖曳帆面和拖曳連接裝置；以及將這些部件連接在一起的接頭。

圖1至圖4示出了拖曳帆框架的不同部件和模式；

拖曳帆框架由四個(gè)伸縮梁和四個(gè)將伸縮梁連接在一起的圓柱形螺栓組成；形成框架的四個(gè)伸縮梁是雙作用伸縮圓柱筒狀，在每個(gè)方向上具有30cm的桶1和三十四個(gè)階段，每個(gè)階段為10cm長和1mm厚。在本說明書中，術(shù)語“梁”將相當(dāng)于“伸縮筒”。當(dāng)伸縮筒處于其縮回形式(圖1)時(shí)，內(nèi)部容積的三分之一由第一延伸方向的縮回階段占據(jù)，三分之一由第二延伸方向的縮回階段占據(jù)，而剩余的三分之一由壓縮空氣填充。

兩個(gè)伸縮缸承載作為最后級的父活塞桿2，因此它們被稱為父梁，而另外兩個(gè)伸縮缸承載母活塞桿3，因此它們被稱為母梁；最后階段與其余10cm長的階段具有相同的長度。當(dāng)收回時(shí)，每個(gè)梁長50厘米，并且當(dāng)延伸時(shí)，每個(gè)伸縮氣缸達(dá)到710cm(圖2)。

圖3示出了處于壓縮模式的拖曳帆框架。兩個(gè)伸縮缸通過在兩個(gè)端部4上具有連桿的圓柱形螺栓連接在一起。這個(gè)連桿用于將拖曳帆框架連接到拖曳帆拖動表面和拖曳帆連接裝置。

四個(gè)伸縮筒是密封部件。每個(gè)梁包含壓縮空氣，其負(fù)責(zé)伸縮氣缸段的延伸。最初，在梁縮回模式中，氣體占據(jù)每個(gè)伸縮氣缸的內(nèi)部容積的三分之一，當(dāng)其膨脹時(shí)，提供用于延伸氣缸的壓力。

圖4示出了拖曳帆架的收縮和展開模式之間的比較；

圖5和圖6示出了拖曳帆表面的不同部件和模式。拖曳帆的拖曳表面由9個(gè)30厘米乘30厘米的拖曳帆主面板、四十個(gè)拖曳面接合面板和四個(gè)墊圈組成。拖曳表面主面板和拖曳表面接合面板都由高度可拉伸的拉伸膜制成并通過粘合劑連接在一起。

圖5(a)示出了拖曳表面主面板以其展開模式；拖曳表面主面板由九個(gè)30cm乘30cm的表面5組成，這些主面板通過40個(gè)接合面板聯(lián)合在一起，每面20個(gè)。圖5(b)示出了處于其展開模式的拖曳帆的拖曳表面接合面板。這些接合板被分成三組：方形拖曳表面接合板6，其連接四個(gè)拖曳表面主板的拐角；矩形拖曳表面接合面板7，其接合兩個(gè)拖曳表面主面板的兩側(cè)；和角拖曳表面接合面板8，作為在拖曳帆拖曳表面拐角的加強(qiáng)件。圖5(c)示出了處于其展開模式的拖曳帆拖曳表面。所有的拖曳表面接合面板通過粘合劑附接到拖曳表面主面板。在拖曳帆拖曳表面的四個(gè)角中結(jié)合有四個(gè)墊圈。這些墊圈用于將拖曳帆的拖曳表面連接到拖曳帆框架。

圖6示出了拖曳表面的三種模式的全局視圖：圖6(a)折疊模式，圖6(b)未折疊模式和圖6(c)展開模式。在其折疊模式中，九個(gè)拖曳表面主面板被折疊到一個(gè)上，這產(chǎn)生900平方厘米的拖曳表面；在其展開模式中，主面板展開，這產(chǎn)生8.1平米的拖曳表面；在其未折疊模式中，拖曳表面主面板和拖曳表面接合面板展開，這產(chǎn)生50,41平米的表面。代替具有展開的一個(gè)折疊拖曳表面或展開的收縮拖曳表面，基于用于空間碎片去除的伸縮技術(shù)和拉伸薄膜面板的拖曳帆的解決方案是導(dǎo)致更大拖曳帆拖曳表面的兩種方法的組合。

拖曳帆連接裝置12是發(fā)明基于用于空間碎片移除的伸縮技術(shù)和拉伸薄膜板的拖曳帆的大腦。它控制碎片捕獲和拖曳帆部署。其兩個(gè)主要部件是四個(gè)將框架角連接到連接裝置和碎片捕獲網(wǎng)的慣性卷軸線。

四根金屬線從連接裝置中出來并連接到拖曳帆架的拐角處。最初，每根線材圍繞安裝在慣性卷軸系統(tǒng)上的線圈卷繞，該系統(tǒng)控制在任何時(shí)間釋放的線材的長度。該裝置包括傳感器，其驗(yàn)證四條線的釋放長度是相同的。這些線負(fù)責(zé)保持帆架的緊湊形狀，直到目標(biāo)碎片被捕獲。一旦膨脹過程開始，它們需要以相同的速率展開，使得氣缸的延伸和帆的伸展都以期望的速度發(fā)生。

拖曳帆連接裝置包括包裹在其上部的網(wǎng)；一旦已經(jīng)到達(dá)目標(biāo)碎片，拖曳帆連接裝置將射出捕獲網(wǎng)。

存在兩種類型的接頭，以基于伸縮技術(shù)和拉伸薄膜板用于空間碎片移除來將dragsail的部件連接在一起。圖7示出了拖曳帆框架-拖曳帆的拖曳表面接頭(a)和拖曳帆框架-拖曳帆連接裝置接頭(b)。拖曳框架-拖曳帆拖曳表面接合是剛性金屬部件，其將用于將拖曳帆框架的梁連接到拖曳帆拖曳表面的角部的墊圈的螺栓的下連桿連接。拖曳帆框架-拖曳帆連接裝置接頭是剛性金屬部件，其連接用于將拖曳帆框架的梁連接到從拖曳帆連接裝置出來的四根金屬絲的末端的螺栓的上連桿，它們連接到它們。

基于伸縮技術(shù)和拉伸薄膜板的用于空間碎片去除的拖曳帆具有基于拖帆框架和拖曳帆拖曳表面模式的三種不同模式。本發(fā)明的壓實(shí)形式使得拖曳帆框架的梁縮回，并且拖曳帆的拖曳表面處于其折疊模式。本發(fā)明的未折疊模式使得拖曳帆框架的伸縮氣缸半伸展，并且拖曳帆的拖曳表面處于其未折疊模式。本發(fā)明的展開模式使得拖曳帆的梁被延伸并且拖曳帆的拖曳表面具有其展開模式。圖8和圖9(f)分別示出了基于用于空間碎片去除的伸縮技術(shù)和拉伸薄膜面板的拖曳帆的壓縮模式和展開模式。

基于伸縮技術(shù)的拖曳帆和用于空間碎片移除的拉伸薄膜面板需要以壓縮模式存儲在航天器中。圖9(a)示出了與目標(biāo)碎片對準(zhǔn)的航天器，圖9(b)示出了目標(biāo)碎片的捕獲。航天器13中的拖曳帆容器需要具有帶有圓形腔14的蓋，一旦空間飛行器與目標(biāo)碎片對準(zhǔn)，拖曳帆連接裝置可通過該圓形腔14射出捕獲網(wǎng)16。圖9(c)示出了拖曳帆容器蓋的打開。用于空間碎片移除的基于伸縮技術(shù)和拉伸薄膜面板的用于拖曳帆容器蓋也需要打開17，使得當(dāng)目標(biāo)碎片已經(jīng)被捕獲時(shí)本發(fā)明可以被釋放。

圖9(d)顯示了拖曳帆的釋放，圖9(e)顯示了與航天器的分離，圖9(f)顯示了基于伸縮技術(shù)和拉伸薄膜面板的空氣碎片移除的拖曳帆。當(dāng)與拖曳帆連接的碎片與航天器足夠遠(yuǎn)時(shí)，拖曳帆將首先到達(dá)其未折疊模式，最后到達(dá)其展開模式。

當(dāng)載有基于伸縮技術(shù)和拉伸薄膜板的空間碎片去除的拖船的航天器已達(dá)到其展開模式時(shí)，目標(biāo)碎片開始脫軌。

以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容。凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。