用於空間碎片去除的不同尺寸拖曳帆的空間製造機制的製作方法
2023-06-08 01:00:46
本發明涉及用於空間碎片去除的不同尺寸拖曳帆的空間製造機制，屬於空間製造領域以及空間碎片去除的拖曳軌道空間製造技術領域。
背景技術：
所有發送到太空的太空飛行器都具有有限的活躍使用壽命，在其活躍壽命之後，太空飛行器和衛星變得無用並且在空間中積累，增加了碎片的量。除非它們在大氣中被拆除或燒毀，否則太空飛行器和衛星保持在其軌道上，並且隨著碎片數量的增加，它們之間的碰撞成為可能導致產生更多碎片，而這一現象也將變得越來越普遍。
目前，有幾種方法可以使生命周期結束的太空飛行器脫軌。所有方法的目的是將近地點高度降低到空氣動力足夠大至其重新進入軌道，此時施加到太空飛行器或衛星的空氣動力加熱和壓力將足夠大，太空飛行器或衛星將在大氣中被大部分破壞。
現有的主要脫軌策略包括使用小火箭發動機，電動繫繩或空氣動力學阻力增強來強制再進入，再破壞目標碎片。
微小的火箭發動機可用於以特定的角度和速度將衛星推向地球，以便在重新進入時確保破壞。火箭發動機可用於降低衛星的速度，引起其墜落並在大氣中燃燒。火箭發動機得益於採用了已達商業水準的飛彈技術。火箭的主要優點是通過精確的角度射擊來控制拆卸過程。然而，火箭技術是非常昂貴的，非常重的，技術上複雜的，例如火箭燃料在使用之前需處於壓力下長達10年。
電動繫繩是在脫軌太空飛行器和部署的端部質量之間延伸一段距離，有可能長達數公裡，以下的導電帶。繫繩技術因此涉及通過地球磁場部署和牽引來自衛星的導電線。繫繩和地球磁場之間的相互作用產生推進力用於升高和降低衛星高度軌道。通常，繫繩系統的部署單元在其所附接的主機太空飛行器活動壽命期間將大多處於休眠狀態。當需要脫軌時，系統將部署端質量以開始脫軌過程。電動繫繩具有潛力，但是在部署時和在脫軌過程本身期間需要高度的主動控制。
氣動拖曳增強與空氣阻力增加有關。空氣阻力或拖曳隨著大氣高度增加，大氣逐漸變薄而減小。這種解脫策略僅限於低軌衛星(leo)。在該區域中的衛星經歷相當有限的氣動阻力，並且由於空氣阻力減小導致衛星速度也非常小。能夠增強空氣動力拖曳的系統增加空氣阻力將使得衛星速度能在期望的時間內降低。
在阻力增強系統中，拖曳帆得到了特別關注。到目前為止，所提出的概念包括由太空飛行器運輸到接近目標碎片位置，然後緊湊拖曳帆連接到目標碎片，最後擴展到其最終表面。假定拖曳帆必須以緊湊模式被加載到太空飛行器中，即使拖曳帆的包裝效率高，可攜帶的裝置的數量也是有限的。
考慮到未來有大量碎屑要被去除，能夠在空間中製造阻力帆的機構將是有利的，特別是可以製造不同尺寸的阻力帆機構，允許不同尺寸的脫軌碎屑。此外，將保留在空間中並且可以利用原材料和必要元件在空間中再充填以製造阻力帆的機構將是有利的。
總之，空間製造技術在過去幾年中經歷了快速發展。大量新的概念和想法被提出，這些概念和想法基本上涉及空間中建立一種結構和裝載必要材料的機制。這些機構承載在不同方向上擠出梁，其後再通過不同方法結合在一起產生網格結構，網格結構的空間通過不同的方法用面板或層壓板覆蓋。
到目前為止，對在軌空間製造的研究集中在大型結構的發展，例如太陽能8電池板陣列的製造。雖然大結構空間內製造機制具有良好的前景，但是聚焦於可以在空間中製造並釋放多個較小結構，例如阻力帆機構，也將是有意義的。
技術實現要素：
本發明的目的是解決拖曳帆空間碎片移除的在軌製造問題，提出了用於空間碎片去除的不同尺寸拖曳帆的空間製造機制。
首先，本發明提出空間子系統，包括機構容器和以及輔助子系統和原料容器；其中，機構容器包含在軌製造去除碎屑的不同尺寸拖曳帆的機構，簡稱機構；輔助子系統和原料容器包含用於操作機構及製造拖曳帆所需材料的子系統；
其中，機構容器還可以帶有機構容器蓋和機構容器蓋軌；
機構容器由兩個l形支撐結構、兩個圓柱形杆、兩個擠出機、兩個壓實器、兩個輸送臂和拖曳帆組成；拖曳帆包括連接裝置；兩個l形支撐結構有一定間距且與將要製造的拖曳帆的側面重合；兩個l形支撐結構的水平部分延伸到等於將要製造的拖曳帆側面長度；兩個圓柱形杆用於存儲拖曳帆框架橫向梁；每個圓柱形杆分別附接到l形支撐結構中的一個並隨其移動；兩個擠出機插入l形支撐結構的垂直部分；通過輔助子系統和原料容器排出的管道提供進料機構；其功能是擠出拖曳帆框架的縱向梁；兩個壓實器附接到l形支撐結構的水平部分，它們與l個支撐結構的水平部分一起延伸到等於將要製造的拖曳帆的側面長度；壓實器功能是連接拖曳元素的元素；兩個輸送臂總是保持在兩個支撐結構的中心，其功能是將存儲在圓柱形杆中的橫向梁組通過拖曳帆製造過程的各個階段承載到不同位置。軌道安裝在輔助子系統和原料容器的表面；其功能是引導輸送臂；
輔助子系統和原料容器包括用於製造不同拖曳帆尺寸的層壓輥、機構選擇製造每個拖曳帆所需的層壓捲軸和用於擠壓機的進料機構；該輔助子系統和原料容器還包括用於操作機構所需的動力單元和熱控制子系統；
其次，本發明揭示了拖曳帆機構，即在空間中被機構製造的具有不同尺寸用於碎片去除的拖曳帆；每個拖曳帆由一個方形框架和一個柔性層壓片材組成，方形框架由一組兩個可延伸的橫向梁和兩個擠壓縱向梁組成；橫向梁通過導線連接到連接裝置；該機構的橫向梁組以壓實方式插入圓柱形杆中，並且隨後將膨脹到必要的長度；連接裝置包含捕獲目標碎片的捕獲網，通過四根可延伸的線連接到橫向梁；
最後，捕獲目標碎片並釋放拖曳帆的過程，即將連接裝置內的捕獲網打開捕獲碎片，然後機構容器的門打開並釋放製造的拖曳帆，具體步驟如下：
步驟一、製造拖曳帆框架；
步驟一，具體為：
步驟1.1將與欲製造拖曳帆數量相等的多組橫向梁插入圓柱形杆中；
步驟1.2將用於擠出縱向梁的擠出機所需的進料機構和用於製造帆的必要層壓輥裝載在輔助子系統和原料容器上；
步驟1.3在空間中，太空飛行器跟蹤第一碎片目標，l形支撐結構分離，l形支撐結構水平部分延伸；
其中，l形支撐結構之間的距離和l形支撐結構水平部分長度相同，且與將要製造的拖曳帆方形框架的側面相對應；
步驟1.4當l形支撐結構水平部分已經延伸到期望的尺寸時，輸送臂抓住第一組橫向梁並且使梁的端部與擠出機對準；然後擠出機擠出兩個縱向梁；
步驟1.5輸送臂中的一個將一個橫向梁帶到縱向梁的端部，而另一個保持靠近擠出機的噴嘴；
至此，經過步驟1.1到步驟1.5，完成了拖曳帆框架的製作；
步驟二、層壓輥在擠出的縱向梁下展開層壓片材以形成拖曳表面；之後，左壓實器關閉並通過熱和壓力將左縱向梁和層壓板接合在一起；由於壓實器也擠壓方形框架的角部，橫向梁組的左端與縱向梁結合在一起；
步驟三、層壓輥繼續展開層壓材料，直至完成了拖曳帆的製作；
步驟三，具體為：
步驟3.1由於層壓片材不能前進，它開始形成曲線；
步驟3.2當層壓片材的期望表面展開時，右壓實器閉合連接右縱向梁和層壓片材；
步驟3.3由於方形框架角部的壓力和熱量，縱向梁組的右端與橫向梁結合在一起；
至此，經過步驟3.1到步驟3.3，完成了拖曳帆製作；
步驟四、當到達目標碎屑時，連接裝置中的網彈出；機構容器被捕獲後，機構容器蓋打開並且拖曳帆被釋放；
步驟五、當太空飛行器開始追蹤下一個目標碎片時，空間子系統開始製造下一個拖曳帆；
至此，從步驟一到步驟五，完成了用於空間碎片去除的不同尺寸拖曳帆的空間製造機制。
有益效果
用於空間碎片去除的不同尺寸拖曳帆的空間製造機制，與其他空間製造機制相比，具有如下有益效果：
1.本發明所提機制允許在空間中自動地製造不同尺寸的多個拖曳帆；
2.發明所提機制增加了任務的靈活性，因為拖曳帆的製造順序不是預定義的，並且可根據需要改變；
3.本發明所提機制製造出來的拖曳帆以其最終方式釋放，不需要擴展；
4.攜帶本發明所述機構的太空飛行器可以重新加載用於製造更多阻力帆的必要的原材料和元件。
附圖說明
附圖表示本發明所述機制製造四個拖曳帆的過程；
圖1示出了包含機構及材料的拖曳帆製作的空間子系統外觀；
圖2示出了沒有機構容器蓋的空間子系統外觀，揭示了用於在空間製造不同尺寸拖曳帆機構的外觀，用壓實方式去除碎屑；
圖3示出了一組可延伸橫向梁壓實方式中的外觀；
圖4示出用於在空間製造不同尺寸的拖曳帆機構，用於以其膨脹方式去除碎屑；
圖5示出了在不具有輔助子系統和原料容器的情況下用於在空間中製造不同尺寸的拖曳帆機構，用於以其膨脹方式去除碎屑；
圖6示出了拖曳帆製造過程的第1步驟；
圖7示出了拖曳帆製造過程的第2步驟；
圖8示出了拖曳帆製造過程的第3步驟；
圖9示出了拖曳帆製造過程的第4步驟；
圖10示出了拖曳帆製造過程的第5步驟；
圖11示出了拖曳帆製造過程的第6步驟；
圖12示出了拖曳帆製造過程的第7步驟；
圖13示出了拖曳帆製造過程的第8步驟；
圖14示出了空間內製造用於碎屑去除不同尺寸拖曳帆機構安裝被帶到接近目標碎片位置的子系統；
圖15示出了安裝用於在空間製造不同尺寸碎屑去除拖曳帆的機構捕獲目標碎片的機構子系統；
圖16示出了機構容器蓋開口；
圖17顯示了釋放的拖曳帆；
其中，圖1至5表示用於製造拖曳帆所依託空間子系統的機構部件和所需材料；
圖6至圖13表示一個拖曳帆的製造過程；
圖14至17表示釋放製造完的拖曳帆的過程；
在上述圖中，在製造過程每個步驟中當前過程相關部分被著色為灰色；
圖示說明
圖1中：1-機構容器，2-輔助子系統和原料容器，3-機構容器蓋和4-機構容器蓋軌；
圖2中周長a內示出的是用於空間製造用於碎屑去除的不同尺寸拖曳帆的機構放大視圖；
圖2中：左圓柱形杆5.1和右圓柱形杆5.2分別用於存儲拖曳帆橫向梁組；6.1-左l形支撐結構，6.2-右l形支撐結構，7.1-左擠出機，7.2-右擠出機，8.1-左壓實器，8.2右壓實器，9-輸送臂，10-輸送臂導軌；
圖3中：11.1-前橫向梁，11.2-後橫向梁，12.1,12.2-將前橫向梁連接到連接裝置的可延伸線，12.3,12.4-將後橫向梁連接到連接裝置的可延伸線；13-連接裝置；
圖4中：16.1-左l形支撐結構移位到其用於拖曳帆製造的最終位置，16.2-右l形支撐結構移位到其用於拖曳帆製造的最終位置，15.1,15.2,15.3,15.4分別對應四組橫向梁延伸，17.1-左側延伸的壓實器，17.2-右側延伸的壓實器；
圖5中：18.1,18.2-擠出機的進料機構，19-主動層壓捲軸；
圖6中：20-延伸的輸送臂抓取第一組橫向梁；
圖7中：21-收縮的輸送臂，22-與擠出機的噴嘴對準的橫向梁組，23-從其原始位置移位的連接裝置，24.1,24.2,24.3,24.4-分別為延伸的可延展線；
圖8中：25.1-左縱向梁，25.2-右縱向梁；
圖9中：26-輸送臂移位到其最終位置，27-橫向梁移位到其最終位置，28-連接裝置移位到其最終位置29.1,29.2,29.3，29.4-延伸到其最大長度的伸展線；
圖10中：30-初始拖曳表面；
圖11中：31-關閉左壓實器；
圖12中：32-最終拖曳表面形成為曲線；
圖13中：33-接近右壓實器；
圖14中：34-目標碎片；
圖15中：35-捕獲網；
圖16中：36-打開機構容器蓋；
圖17中：37-最後拖曳表面拉伸。
具體實施方式
現在將結合各個附圖，更詳細地描述基於本發明所揭示的用於空間碎片去除的不同尺寸拖曳帆的空間製造機制製造四個拖曳帆的過程。
採用本發明所述機構製造的拖曳帆維度可以變化，即本發明所述機構允許製造不同數量的拖曳帆。在具體實施例中的提到的左和右對應圖中所示的x軸的正側(左側)和負側(右側)。
實施例
圖1至5表示用於製造拖曳帆機構的組成部件及所需材料。圖1示出了包含用於空間製造用於碎屑去除的不同尺寸拖曳帆機構的空間子系統的外觀，包含：機構容器1，輔助子系統和原料容器2，機構容器蓋3，機構容器蓋軌道以及4.機構容器蓋。其中，4.機構容器蓋在拖曳帆製造過程期間保持關閉，並且其打開以釋放拖曳帆，3.機構容器蓋軌道用作拖曳帆的連接裝置的引導件。
圖2示出了沒有機構容器蓋的子系統的外觀。圖2揭示了用於在空間製造不同尺寸的拖曳帆機構的外觀，用於以壓實方式去除碎片。周長a示出了用於空間製造不同尺寸的用於碎屑去除的拖曳帆機構的放大視圖，其具有部分：用於存儲拖曳帆的橫向梁組5.1和5.2的橫向杆，l形支撐結構6.1和6.2，擠出機7.1和7.2，壓實器8.1和8.2，輸送臂9和輸送臂軌道10。當機構膨脹時，l形支撐結構6.1和6.2分開等於要製造的拖曳帆側面的距離，l形支撐結構6.1向左移動，右l形支撐結構6.1向右移動。
圖2中，用於存儲拖曳帆的橫向梁組5.1和5.2的橫向杆結合到l形支撐結構垂直部分的後部，並且當機構膨脹時與其一起轉位移動。擠出機7.1和7.2插入l形支撐結構垂直部分的前部，並且當機構膨脹時與它們一起轉位移動；用於擠出機的進料機構由輔助子系統和原料容器輸出的管線提供。輸送臂導軌10安裝在輔助子系統和原料容器表面上；它始終保持在兩個l形支撐結構的中間。
圖3示出了一組可延伸橫向梁11.1和11.2的壓實方式外觀，通過四個可延伸線12.1,12.2,12.3和12.4的收縮形式連接到連接裝置13。連接裝置13包含捕獲網用於捕獲目標碎片。周長b中示出的是空間製造碎屑去除不同尺寸拖曳帆的機構放大視圖，其中，四組橫向梁插入橫向杆用於存儲拖曳帆的橫向梁組。連接裝置被封裝在機構容器蓋軌道之間。
附圖示出了基於本發明所提機制製造四個拖曳帆的過程；然而，本發明的機構的尺寸可以被修改以允許製造更大數量的拖曳帆。用橫向梁組加載機構的過程可以在地球上或在空間站上進行。
圖4示出了用於在空間製造不同尺寸的拖曳帆機構並以其膨脹方式去除碎屑。l形支撐結構16.1和16.2移位到所傳送的輸送臂軌道的兩側。兩個l形支撐結構之間的距離等於將要製造的拖曳帆側面長度。圓柱形杆存儲拖曳帆橫向梁，並且擠出機與l形支撐結構一起移位。橫向梁組15.1,15.2,15.3和15.4隨著l形支撐結構分開而延伸；至此，四個橫向梁組具有等於將要製造的拖曳帆的側面長度。
壓實器17.1和17.2與兩個l形支撐結構的水平部分一起延伸到等於將要製造的拖曳帆側面長度。給定拖曳帆，空間製造用於碎屑去除的不同尺寸拖曳帆的機構需要具有正方形框架，兩個l形支撐結構之間距離和壓實器長度是相同的。一旦第一拖曳帆已經製造完和釋放，則機構將使其尺寸適應第二拖曳帆的側面。
圖5示出了用於在空間中製造不同尺寸的拖曳帆機構，用於在其沒有輔助子系統和原料容器的情況下以其膨脹方式去除碎屑；本圖5中所公開的輔助子系統和原料容器中的唯一組成是擠出機的進料機構18.1和18.2以及需要製造的拖曳帆的層壓輥19，其被稱為層壓輥；輔助子系統和原料容器包含長度等於將在任務中製造的阻力側的側面的層壓輥和用於激活製造每個拖曳帆所需的層壓捲軸子系統。例如，如果附圖中描繪的機構旨在製造尺寸為a(表面單位)的兩個拖曳帆，尺寸為b(地面單位)的一個拖曳帆和尺寸為c(地面單位)的一個拖曳帆，則輔助子系統和原料容器將包含三個層壓捲軸和一個層壓捲軸子系統，當需要製造每個拖曳帆時，需要激活每一個層壓捲軸和層壓捲軸子系統。
拖曳帆的製造過程由八個步驟組成。圖6至圖13表示一個拖曳帆的製造過程。在這些圖中，在製造過程的每個步驟中涉及製造拖曳帆的相關部分被著色為灰色。
第1步驟如圖6所示，輸送臂延伸並抓住第一組橫向梁20；
第2步驟如圖7所示，輸送臂收縮21以使該組橫向梁與擠出機的噴嘴22對準。連接裝置沿著機構容器蓋軌23從其原始位置移位，將該組橫向梁連接到連接裝置延伸24。
第3步驟如圖8所示，擠出機擠出縱向梁24.2和25.2；它們通過橫向梁兩端的孔擠出。
第4步驟如圖9所示，輸送臂26沿著輸送臂軌道移動，將前橫向梁移動到其最終位置27。同時，連接裝置在其被可延展線拉動時到達其最終位置28，其中，29.1,29.2,29.3和29.4為延伸到其最大長度的伸展線。
至此，擠壓的縱向梁和橫向梁形成正方形結構，即完成了拖曳帆框架的製造。
第5步驟如圖10所示，層壓輥展開通過左l形支撐結構的水平部分和右縱向梁之間的空間，直到其到達左l形支撐結構的水平部分和左縱向梁，其結果是初始拖拽表面30。
第6步驟如圖11所示，左壓實器關閉31。壓實器在兩個橫向梁、左縱向梁和拖曳表面邊緣的左端施加壓力和熱。該動作具有雙重效果：其將橫向梁端部接合併插入左縱向梁中，將左縱向梁與拖曳帆表面相接。
第7步驟如圖12所示，層壓輥繼續展開。如在步驟6中，左壓實器關閉且將左縱向梁接合到拖曳表面的邊緣，層壓片材表面不可能進一步前進。多餘的層壓片材使得表面形成曲線12。該動作的目的是增加拖曳帆的表面，一旦拖曳帆被釋放，拖曳帆將產生拖曳。展開的額外表面的數量取決於正在製造的拖曳帆數。如果決定使用具有平坦拖曳表面的拖曳帆來移除目標碎片，則將省略此步驟7。
第8步驟如圖13所示，右側壓實器關閉33。壓實器在兩個橫向梁的右端、右側縱向梁和右側縱向梁下方的阻力表面的區域上施加壓力和熱量。該動作具有雙重效果：其將橫向梁的右端連接到右縱向梁，並將右縱向梁連接到拖曳表面。此外，該壓實器包括剃刀，當接合過程完成時，該剃刀切割層壓件並將拖曳帆的拖曳表面與層壓輥分離；至此，完成了拖曳帆的製造。
在圖14至17中示出了在製造之後釋放拖曳帆的過程。
圖14展示了匯接操作端將攜帶空間內製造碎屑去除不同尺寸拖曳帆的機構的飛船帶到距離目標碎片較近的位置；當交匯操作完成時，拖曳帆的連接裝置與目標碎片34對準。此時，碎片捕獲網從拖曳帆35的連接裝置射出，捕獲目標碎片，如圖15所示。然後，機構容器蓋36打開，使得製造的拖曳帆離開容器，如圖16所示。拖曳帆被釋放之後，拖曳表面伸展捕獲大氣中的顆粒，如圖17所示。
當第一帆被釋放時，用於空間製造不同尺寸的碎屑去除拖曳帆的機構開始製造下一個拖曳帆。
以上所述為本發明的幾個典型實施例而已，本發明不應該局限於該實施例和附圖所公開的內容。凡是不脫離本發明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發明保護的範圍。