[发明专利]一种空间非合作目标电磁涡流消旋抓捕装置及方法

说明书

本发明公开了一种空间非合作目标电磁涡流消旋抓捕装置及方法，包括安装有太阳能帆板的工作航天器，工作航天器上设置有观测系统系统以及机械臂，观测系统系统用于估计目标旋转的方向和快慢，机械臂上设置有用于消旋的电磁体，在机械臂的末端设置有用于消旋后捕获目标的末端执行器。本发明相对于基于小卫星编队的消旋和抓捕系统，其在控制难度、容错率和使用寿命上皆有优势。

技术领域

本发明属于空间非合作目标捕捉技术领域，具体涉及一种空间非合作目标电磁涡流消旋抓捕装置及方法。

背景技术

空间非合作目标是指不是为对接或捕获设计的任一航天器，即该目标上不安装用于机械臂捕获的抓持机构(手柄)以及用于辅助测量的合作标志器和特征块，或不能进行姿态控制，在空间自由翻滚的任一航天器。一般包括己方未装置合作部件和己方装置合作部件但燃料耗尽的卫星、姿轨控系统故障的卫星、己方失效卫星、空间碎片，以及对方航天器。现有的在轨航天器基本上属于非合作目标。从目前的发展情况来看，对空间合作目标的抓捕技术已相对成熟，并成功应用于在轨服务中。然而，对空间非合作目标的抓捕，还没有进行过在轨演示验证。实际上，许多空间任务涉及非合作目标的抓捕，比如：对未成功进入预定轨道的卫星进行辅助入轨；对发生故障的卫星进行更换故障单元仪器；辅助机构(未能正常打开的太阳帆板、天线等)展开对燃料耗尽但其他系统工作正常的卫星加注燃料，延长寿命；将废弃卫星和空间碎片送入坟墓轨道。

对于高速翻滚目标的抓捕，首先需要进行消旋，降低其旋转速度，以降低其抓捕难度和抓捕过程中的碰撞干扰。在目标旋转速度降低到一定范围内后，可利用机械臂机构对目标进行抓捕。

目前，针对空间非合作目标的消旋方法没有实际操作案例，可行的设想方案主要是给目标附加质量以增加转动惯量降低转速，待其转速到达足够低时即可进行抓捕操作。这种方案的缺点是首先附加质量往往采用向目标喷涂粘附材料的方法，要求材料在太空中也要保持粘附性能，对材料技术要求高，同时工作航天器要自带一个喷涂装置增加了系统复杂度，最后工作航天器携带的粘附材料有限，其消旋效果对大质量的目标较为乏力。

另一种可行的消旋方案是利用电磁涡流效应。该方案的原理是，首先工作航天器在高速旋转的目标周围构建一个磁场，目标内部的金属部件或工作航天器主动喷涂到目标上的导电材料随着目标旋转运动切割磁感线产生电流，电流又在磁场中受到洛伦茨力阻碍其继续转动，从而达到减速的目的。这种方法的缺点是需要消耗工作航天器上的能量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种空间非合作目标电磁涡流消旋抓捕装置及方法，能够在旋转目标周围形成磁场，目标中的金属部件切割磁感线运动产生电流，电流又受到磁场的洛仑磁力作用阻碍其进一步运动，从而达到消旋的目的。消旋结构与目标不直接接触，避免了碰撞损伤的危险。消旋结构集成于双机械臂抓捕装置，消旋后可利用机械臂末端的钳爪机构直接进行抓捕，方便快捷，简化了系统复杂度和操作复杂度。

本发明采用以下技术方案：

一种空间非合作目标电磁涡流消旋抓捕装置，包括安装有太阳能帆板的工作航天器，工作航天器上设置有观测系统以及机械臂，观测系统用于估计目标旋转的方向和快慢，机械臂上设置有用于消旋的电磁体，在机械臂的末端设置有用于消旋后捕获目标的末端执行器。

具体的，机械臂包括两个，设置在工作航天器的同一侧。

进一步的，机械臂为六自由度腕部分离机械臂或七自由度冗余机械臂。

进一步的，机械臂通过球腕关节与末端执行器连接。

进一步的，六自由度腕部分离机械臂末端和七自由度冗余机械臂末端均设置有三个连杆，每个连杆上均设置有电磁体，每个电磁体均与太阳能帆板电连接。

一种空间非合作目标电磁涡流消旋抓捕方法，包括以下步骤：