[发明专利]一种基于蛛网仿生结构的防逃逸空间碎片收纳单向门

说明书

本发明一种基于蛛网仿生结构的防逃逸空间碎片收纳单向门，属于航天技术领域；包括支撑框架、分段式刚性凸台、扇形组合件和液压合页；通过支撑框架和分段式刚性凸台将由扇形组合件组成的圆形密闭门安装于空间碎片收纳箱的入口处；扇形组合件包括多个沿径向排布的组合单元，组合单元为扇环形硬质钛合金片，从扇形组合件的圆弧端到圆心端组合单元的圆弧逐渐递减至圆心，组成完整扇形；相邻所述硬质钛合金片之间均通过液压合页铰接，使得所有的组合单元都只能向单向门内侧弯曲，形成由中心向内侧打开的蛛网结构。采用周向和径向分割得到的众多组合单元结合液压合页的设计，在新的空间碎片穿越单向门时有效地降低了已收纳空间碎片从缝隙中逃逸的风险。

技术领域

本发明属于航天技术领域，具体涉及一种基于蛛网仿生结构的防逃逸空间碎片收纳单向门。

背景技术

“空间碎片”就是人们通常说的太空垃圾，是人类空间活动的产物，主要包括在轨运行或再入大气的无功能的人造物件及其残块和组件。任务碎片占13％，火箭残骸占17％，失效航天器有22％，解体碎片即航天器爆炸或相互碰撞产生的碎片占43％。从轨道分布来讲，空间碎片主要分布在三个区域，即2000千米以下LEO(近地轨道)区域、20000千米中高轨区域、36000千米地球同步轨道区域，其中600—1000km这个区域分布最密集。

近年来，由于人们空间活动频繁，空间碎片数量急剧增加，LEO区域增加量超过50％。有数字显示，目前，碎片总数量已超过1亿，其中大于10厘米的超过2万，大于1厘米的超过20万。也就是说，5％的工作航天器生活在95％的碎片中，面临很大威胁。

由于空间碎片的在轨运行速度比较快，各种尺寸的碎片都会对航天器造成危害，较大碎片撞击会使航天器破裂、爆炸、结构解体，微小碎片累积效应会改变元器件的性能，导致航天器性能下降或功能失效。

而且，厘米级碎片不易监测。“目前美国等空间碎片监测能力较强的国家，能较全面监测到的最小碎片尺寸也只有10厘米左右。故而难于预测微小碎片的运行轨道，来进行主动规避。空间碎片的主动移除技术已成为目前航天领域研究的热点。

空间碎片主动移除的首要关键是实施在轨捕获，而空间碎片大多是非合作目标，由于目标已失去姿态调整能力，且长期处于失控状态运行，受太阳光压、重力梯度等摄动力矩及失效前自身残余角动量的影响，往往会出现复杂的旋转运动，乃至最终趋向于自由翻滚运动。

现有的处理空间碎片的一种途径是消旋后进行抓捕，捕获后带其机动至坟墓轨道；另一种途径是不消旋直接收纳，收纳仓满后统一处理。

对于采用收纳仓进行轨道上空间碎片清理的方案而言，首先介绍收纳仓逃逸度的定义：逃逸出去的空间碎片总质量与累计进入收纳箱空间碎片总质量的比例。

在新的空间碎片穿越单向门的过程中，在空间碎片和单向门门板之间必然存在缝隙，门的密闭性暂时被破坏；当空间碎片完全穿过单向门后，门的密闭性再次恢复。然而，由于收纳装置结构设计的不同，各装置逃逸度也不相同。

采用收纳仓进行轨道上空间碎片清理的装置中多包含板式单向门结构(单板+扭簧)。就板式单向门结构而言，该结构早已应用于在现实社会各领域中，例如鸟兽捕捉、垃圾收纳、硬币投放等诸多只能进不能出的场合。经文献检索，在我国较早的关于板式单向门的结构的专利文献记载是1985年公开的中国专利CN85201495U一文中提出的大型捕鼠笼。其单向门为如图1(a)所示悬臂弹簧板组成的封闭陷阱地板，其中心为诱饵。

中国专利公布号：CN106428652A提出的一种被动式空间碎片捕获装置，如图1(b)所示。可见其中起收纳作用的单向门与1985年提出的周向分割式的普通单向门构型图 1(a)完全相同。该装置中的单向门结构存在以下问题：

1)未能考虑到如何降低空间碎片逃逸的风险。