一种柔性薄膜在轨服务航天器

1.本发明涉及航天设备技术领域，具体涉及一种柔性薄膜在轨服务航天器。


背景技术：

2.随着人类空间活动的增加，空间碎片环境问题日益恶化。空间碎片环境问题会严重威胁航天发射和在轨卫星的运行安全。面对空间环境问题，以空间绳网抓捕技术被为代表的柔性捕获技术被认为是一种有前景的空间碎片主动清除技术。
3.柔性捕获技术有结构轻便简单、捕获包络域大、捕获控制容错率高等优点，因此，柔性捕获装在被广泛应用。然而绳网捕获系统存在网面绳索间易发生自缠绕，网面形状难以长时间稳定保持等问题。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的绳网捕获系统存在网面绳索间易发生自缠绕，网面形状难以长时间稳定保持等问题的问题，从而提供一种柔性薄膜在轨服务航天器。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种柔性薄膜在轨服务航天器，包括：支撑结构，所述支撑结构上设有驱动结构和燃料贮箱、以及推力器；柔性薄膜结构，绕所述支撑结构设置，且所述柔性薄膜结构具有折展状态和收拢状态；通信天线和太阳帆板，所述通信天线设于所述柔性薄膜结构的内壁上，所述太阳帆板设于所述柔性薄膜结构的外壁上；柔性灵巧臂，设于所述柔性薄膜结构的内壁上，且所述柔性灵巧臂与所述驱动结构连接，所述驱动结构驱动所述柔性灵巧臂带动所述柔性薄膜结构在所述这展状态和收拢状态之间切换。
6.进一步地，所述柔性灵巧臂具有多个，多个所述柔性灵巧臂间隔、5且均匀分布在所述柔性结构上。
7.进一步地，所述柔性灵巧臂具有六根，每根所述柔性灵巧臂的长度大于4m。
8.进一步地，所述柔性灵巧臂采用绳索和介电件制作而成。
9.进一步地，所述通信天线为环状结构，并间隔设于所述柔性薄膜0结构的内壁上。
10.进一步地，所述太阳帆板在所述柔性薄膜结构的外壁上呈射线状，并在所述通信天线处呈断裂状。
11.进一步地，所述支撑结构包括：板体；圆环，设于所述板体的中心，所述驱动结构设于所述圆环内。
[0012]5进一步地，还包括盖体，罩设于所述圆环上，所述柔性灵巧臂伸出所述盖体，并与所述柔性薄膜结构连接。
[0013]
进一步地，所述支撑结构为刚性件。
[0014]
进一步地，所述支撑结构上还设有视觉相机。
[0015]
本发明技术方案，具有如下优点：0本发明提供的柔性薄膜在轨服务航天器，包括：
支撑结构，所述支撑结构上设有驱动结构和燃料贮箱、以及推力器；柔性薄膜结构，绕所述支撑结构设置，且所述柔性薄膜结构具有折展状态和收拢状态；通信天线和太阳帆板，所述通信天线设于所述柔性薄膜结构的内
[0016]
壁上，所述太阳帆板设于所述柔性薄膜结构的外壁上；柔性灵巧臂，5设于所述柔性薄膜结构的内壁上，且所述柔性灵巧臂与所述驱动结构连接，所述驱动结构驱动所述柔性灵巧臂带动所述柔性薄膜结构在所述这展状态和收拢状态之间切换。
[0017]
通过在支撑结构上设置驱动结构，从而位该柔性灵巧手臂提供了动力输入来源，进而驱动柔性灵巧手臂带动柔性薄膜结构进行折展和收拢，即柔性薄膜结构的折展状态和收拢状态，使得该柔性薄膜结构可作为柔性布兜，实现对空间碎片的包覆捕获。该柔性薄膜结构展开后内径m，外壁的太阳能帆板可实现发电，为柔性薄膜在轨服务航天器提供充足能源；内壁布置的大型通信天线，可增强柔性薄膜在轨服务航天器的电磁感知；
[0018]
该柔性薄膜在轨服务航天器具有较强的轨道机动能力，可实现面向空间碎片的包络捕获、拖曳离轨。同时薄膜航天器可以进一步依靠柔性臂完成面向空间合作目标的协同操控。
[0019]
将高轨侦察护卫航天器和火箭上面级进行一体化设计。传统卫星推力器的推力较低，无法适应强变轨机动、战术作战快速响应的需求。该柔性薄膜在轨服务航天器以末级火箭发动机作为侦察护卫航天器的推力器，大幅提升航天器系统的在轨机动能力，可以实现快速机动变轨，确保捕获效率。
[0020]
该柔性薄膜在轨服务航天器，柔性薄膜结构同时具备太阳能发电、电磁通讯和柔性捕获功能。通信天线、太阳帆板、柔性薄膜结构可极大提升天线增益、能源供应及布兜操控能力；柔性支撑杆可实现独立实现机械臂功能，完成灵巧操控。
[0021]
通信天线、太阳帆板、柔性薄膜结构的捕获与离轨：通过柔性薄膜结构的展开和收拢操作，可对空间碎片进行柔性捕获。薄膜包覆方式包络域较大，能够降低捕获的难度；相较于飞网结构薄膜面在折展过程不易发生自缠绕；柔性捕获方式能够防止碎片目标与星本体产生刚性撞击；薄膜飞行器具备大推力、高机动能力，可将碎片目标拖曳离轨，使碎片不再占用有限的轨道资源。
[0022]
提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
[0023]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]
图1为本发明提供的柔性薄膜在轨服务航天器的结构示意图；
[0025]
图2为本发明提供的柔性薄膜在轨服务航天器的背面示意图；
[0026]
图3为本发明提供的柔性薄膜在轨服务航天器的收拢状态的结构示意图；
[0027]
图4为本发明提供的柔性薄膜在轨服务航天器的一体化的结构示意图；
[0028]
图5为本发明提供的柔性薄膜在轨服务航天器的柔性灵巧臂协同操控的结构示意图；
[0029]
图6为本发明提供的高轨侦察护卫航天器捕获离轨结构示意图。
[0030]
附图标记说明：
[0031]
1、支撑结构；11、板体；12、圆环；2、燃料贮箱；3、推力器；4、柔性薄膜结构；5、通信天线；6、太阳帆板；7、柔性灵巧臂；8、盖体；9、整流罩；10、火箭末级发动机；101、己方航天器。
具体实施方式
[0032]
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
[0033]
在本公开的描述中，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"、"坚直"、"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公开和简化描述，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公开的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本公开的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0034]
在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
[0035]
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0036]
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本公开的不同结构。为了简化本公开的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本公开。此外，本公开可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本公开提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
[0037]
以下结合附图对本公开的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本公开，并不用于限定本公开。
[0038]
请参阅图1至图6所示，本发明提供了一种柔性薄膜在轨服务航天器，包括：支撑结构1，所述支撑结构1上设有驱动结构和燃料贮箱2、以及推力器3；柔性薄膜结构4，绕所述支撑结构1设置，且所述柔性薄膜结构4具有折展状态和收拢状态；通信天线5和太阳帆板6，所述通信天线5设于所述柔性薄膜结构4的内壁上，所述太阳帆板6设于所述柔性薄膜结构4的外壁上；柔性灵巧臂7，设于所述柔性薄膜结构4的内壁上，且所述柔性灵巧臂7与所述驱动结构连接，所述驱动结构驱动所述柔性灵巧臂7带动所述柔性薄膜结构4在所述这展状态和收拢状态之间切换。
[0039]
通过在支撑结构1上设置驱动结构，从而位该柔性灵巧手臂提供了动力输入来源，进而驱动柔性灵巧手臂带动柔性薄膜结构4进行折展和收拢，即柔性薄膜结构4的折展状态和收拢状态，使得该柔性薄膜结构4可作为柔性布兜，实现对空间碎片的包覆捕获。该柔性薄膜结构4展开后内径10m，外壁的太阳能帆板可实现发电，为柔性薄膜在轨服务航天器提供充足能源；内壁布置的大型通信天线5，可增强柔性薄膜在轨服务航天器的电磁感知；
[0040]
该柔性薄膜在轨服务航天器具有较强的轨道机动能力，安装在己方航天器101上(请参阅图5所示)，可实现面向空间碎片的包络捕获、拖曳离轨。同时薄膜航天器可以进一步依靠柔性臂完成面向空间合作目标的协同操控。
[0041]
请参阅图6所示，将高轨侦察护卫航天器和火箭上面级进行一体化设计。传统卫星推力器3的推力较低，无法适应强变轨机动、战术作战快速响应的需求。该柔性薄膜在轨服务航天器以末级火箭发动机作为侦察护卫航天器的推力器3，大幅提升航天器系统的在轨机动能力，可以实现快速机动变轨，确保捕获效率。
[0042]
该柔性薄膜在轨服务航天器，柔性薄膜结构4同时具备太阳能发电、电磁通讯和柔性捕获功能。通信天线5、太阳帆板6、柔性薄膜结构4可极大提升天线增益、能源供应及布兜操控能力；柔性支撑杆可实现独立实现机械臂功能，完成灵巧操控。
[0043]
通信天线5、太阳帆板6、柔性薄膜结构4的捕获与离轨：通过柔性薄膜结构4的展开和收拢操作，可对空间碎片进行柔性捕获。薄膜包覆方式包络域较大，能够降低捕获的难度；相较于飞网结构薄膜面在折展过程不易发生自缠绕；柔性捕获方式能够防止碎片目标与星本体产生刚性撞击；薄膜飞行器具备大推力、高机动能力，可将碎片目标拖曳离轨，使碎片不再占用有限的轨道资源。
[0044]
具体面向空间碎片的捕获及离轨流程请参阅图4所示：柔性薄膜结构4在收拢状态下发射入轨，在发现待捕获目标后，航天器的依靠一体化设计可以迅速机动至目标附近；接近目标后，薄膜结构依靠欠驱动机械臂展开，柔性灵巧臂7可以带动薄膜结构收拢，对目标进行捕获；柔性薄膜结构4完全收拢后，拖曳捕获目标离轨至坟墓轨道，清除空间碎片。
[0045]
其中，燃料贮箱2设置在支撑结构1上，并且具有三个，燃料贮箱2的个数可以根据实际情况自行设定；推力器3靠近燃料贮箱2设置，共同组成火箭末级发发动机10。
[0046]
在一些可选的实施例中，所述柔性灵巧臂7具有多个，多个所述柔性灵巧臂7间隔、且均匀分布在所述柔性结构上；具体地，所述柔性灵巧臂7具有六根，每根所述柔性灵巧臂7的长度大于4m。
[0047]
其中，3根柔性灵巧臂7带动柔性薄膜结构4，实现薄膜面的折展及收拢，另外3根柔性灵巧臂7可控运动，能实现对己方合作目标的协同操控。具体地，哪根柔性灵巧臂7的动作，可根据驱动机构的调节，从而带动柔性灵巧臂7进行适应性的动作。
[0048]
在本实施例中，所述柔性灵巧臂7采用绳索和介电件制作而成。其中，介电件采用介电材料制作而成。
[0049]
具体地，所述通信天线5为环状结构，并间隔设于所述柔性薄膜结构4的内壁上。在本实施例中，通信天线5共设置在柔性薄膜结构4上三个环状结构，外圈的通信天线5的直径大于内圈的通信天线5的直径。
[0050]
在一些可选的实施例中，所述太阳帆板6在所述柔性薄膜结构4的外壁上呈射线状，并在所述通信天线5处呈断裂状。即太阳帆板6具有多个板体11，每个板体11设置在相邻的两个环状结构内，且以支撑结构1为中心，呈射线状设置。该设置方式，在柔性薄膜结构4进行折展和收拢时，避免出现太阳帆板6折断的情况，从而保证了该太阳帆板6的使用寿命。
[0051]
在一些可选的实施例中，所述支撑结构1包括板体11和圆环12；其中，圆环12设于所述板体11的中心，所述驱动结构设于所述圆环12内，即支撑结构1为驱动结构提供了安装位置。
[0052]
其中，驱动结构为电机，由于3根柔性灵巧臂7带动柔性薄膜结构4，实现薄膜面的折展及收拢，另外3根柔性灵巧臂7可控运动，能实现对己方合作目标的协同操控；因此，驱动结构至少为两个，分别驱动柔性灵巧臂7做不同动作。
[0053]
在一些可选的实施例中，该柔性薄膜在轨服务航天器还包括盖体8，该盖体8罩设于所述圆环12上，所述柔性灵巧臂7伸出所述盖体8，并与所述柔性薄膜结构4连接。该盖体8的设置，可以有效的保护驱动结构，避免驱动结构的移动。
[0054]
在本实施利中，所述支撑结构1为刚性件。刚性件的设置，避免支撑结构1的出现变形的情况。
[0055]
该支撑结构1上还可以安装飞轮，视觉相机等装置。具体地，可以根据实际情况自行设定。
[0056]
本发明还提供了一种运载火箭，包括所述的柔性薄膜在轨服务航天器，所述柔性薄膜在轨服务航天器设置在整流罩9内。
[0057]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种柔性薄膜在轨服务航天器，其特征在于，包括：支撑结构(1)，所述支撑结构(1)上设有驱动结构和燃料贮箱(2)、以及推力器(3)；柔性薄膜结构(4)，绕所述支撑结构(1)设置，且所述柔性薄膜结构(4)具有折展状态和收拢状态；通信天线(5)和太阳帆板(6)，所述通信天线(5)设于所述柔性薄膜结构(4)的内壁上，所述太阳帆板(6)设于所述柔性薄膜结构(4)的外壁上；柔性灵巧臂(7)，设于所述柔性薄膜结构(4)的内壁上，且所述柔性灵巧臂(7)与所述驱动结构连接，所述驱动结构驱动所述柔性灵巧臂(7)带动所述柔性薄膜结构(4)在所述这展状态和收拢状态之间切换。2.根据权利要求1所述的柔性薄膜在轨服务航天器，其特征在于，所述柔性灵巧臂(7)具有多个，多个所述柔性灵巧臂(7)间隔、且均匀分布在所述柔性结构上。3.根据权利要求2所述的柔性薄膜在轨服务航天器，其特征在于，所述柔性灵巧臂(7)具有六根，每根所述柔性灵巧臂(7)的长度大于4m。4.根据权利要求1-3中任一项所述的柔性薄膜在轨服务航天器，其特征在于，所述柔性灵巧臂(7)采用绳索和介电件制作而成。5.根据权利要求4所述的柔性薄膜在轨服务航天器，其特征在于，所述通信天线(5)为环状结构，并间隔设于所述柔性薄膜结构(4)的内壁上。6.根据权利要求5所述的柔性薄膜在轨服务航天器，其特征在于，所述太阳帆板(6)在所述柔性薄膜结构(4)的外壁上呈射线状，并在所述通信天线(5)处呈断裂状。7.根据权利要求6所述的柔性薄膜在轨服务航天器，其特征在于，所述支撑结构(1)包括：板体(11)；圆环(12)，设于所述板体(11)的中心，所述驱动结构设于所述圆环(12)内。8.根据权利要求7所述的柔性薄膜在轨服务航天器，其特征在于，还包括盖体(8)，罩设于所述圆环(12)上，所述柔性灵巧臂(7)伸出所述盖体(8)，并与所述柔性薄膜结构(4)连接。9.根据权利要求5-8中任一项所述的柔性薄膜在轨服务航天器，其特征在于，所述支撑结构(1)为刚性件。10.根据权利要求9所述的柔性薄膜在轨服务航天器，其特征在于，所述支撑结构(1)上还设有视觉相机。

技术总结
本发明涉及航天设备技术领域，具体涉及一种柔性薄膜在轨服务航天器，包括：支撑结构，支撑结构上设有驱动结构和燃料贮箱、以及推力器；柔性薄膜结构，绕支撑结构设置，且柔性薄膜结构具有折展状态和收拢状态；通信天线和太阳帆板，通信天线设于柔性薄膜结构的内壁上，太阳帆板设于柔性薄膜结构的外壁上；柔性灵巧臂，设于柔性薄膜结构的内壁上，且柔性灵巧臂与驱动结构连接，驱动结构驱动柔性灵巧臂带动柔性薄膜结构在这展状态和收拢状态之间切换。该柔性薄膜在轨服务航天器具有较强的轨道机动能力，可实现面向空间碎片的包络捕获、拖曳离轨。同时薄膜航天器可以进一步依靠柔性臂完成面向空间合作目标的协同操控。成面向空间合作目标的协同操控。成面向空间合作目标的协同操控。


技术研发人员：魏承 黄倬然 郭金生 谷海宇 曹喜滨
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2022.12.26
技术公布日：2023/3/30