1.本发明属于失效卫星捕获技术领域，具体涉及一种失效卫星捕获对接装置及方法。
背景技术：
2.随着科技的进步和发展，人类向太空中发射的人造卫星数量越来越多，但随着时间的积累，太空中的卫星到达工作年限或者发生故障无法继续正常工作的卫星也逐渐增多，此类失效或故障卫星对正常工作的卫星造成威胁，目前对该类卫星的多数处理方式是通过推进系统控制变到非工作轨道，然而部分卫星因为故障无法正常离轨。还有一些卫星只是推进剂燃料耗尽，其他元器件仍可正常工作，大大降低了该卫星的使用寿命。这些卫星如果能够通过捕获对接方式，可以实施燃料补加或者辅助离轨，则可以有效提升高价值轨道的利用率。现有技术中，未见失效卫星的相关捕获对接装置。
技术实现要素：
3.本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种失效卫星捕获对接装置，套索捕获机构远离任务星表面后，形成索套完成对目标星的捕获，套索捕获机构带动被捕获的目标星与靠近任务星，任务星与缓冲对接锁定机构配合后，实现任务星与目标星的对接；另外，本发明失效卫星捕获对接装置中还增加了控制器，对捕获及对接过程进行智能控制；本发明集捕获、对接、锁紧和释放于一体，具有捕获容差大、捕获成功率高、对接牢靠的优点，且在抓捕后两颗卫星抵近过程中能够削减两颗卫星之间的姿态偏差，提高对接的准确性，可重复实施多次捕获任务，实用性强。
4.本发明还提供一种基于失效卫星捕获对接装置实现的失效卫星捕获对接方法。
5.为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种失效卫星捕获对接装置，包括支架，套索捕获机构和缓冲对接锁定机构；
7.支架固定于任务星表面，用于安装套索捕获机构和缓冲对接锁定机构；缓冲对接锁定机构位于套索捕获机构外侧；
8.套索捕获机构包括套索捕获装置和套索展收装置，套索展收装置一端固定安装于支架上，另一端连接套索捕获装置，用于带动套索捕获装置远离任务星表面捕获目标星或靠近任务星表面实现目标星与任务星的对接；
9.套索捕获装置包括套索组件和限位支撑板，所述套索组件为2个，记为第一索套组件和第二索套组件，限位支撑板与套索组件同轴；限位支撑板、第二索套组件和第一索套组件沿轴线方向间隔布置且依次远离任务星表面；所述第一索套组件和第二索套组件分别形成与目标星中发动机喷管的不同位置相匹配的索套，同时利用限位支撑板对目标星进入套索捕获装置的极限位置进行限定，实现对目标星的捕获；
10.缓冲对接锁定机构包括缓冲装置、对接装置和锁紧装置，缓冲装置一端固定安装于支架上，另一端连接对接装置，目标星中星箭对接环与对接装置配合，通过锁紧装置锁紧
后，实现目标星与任务星的对接，同时利用缓冲装置缓冲两星撞击所产生的能量。
11.进一步的，所述失效卫星捕获对接装置还包括控制器；套索捕获装置还包括光栅传感器；
12.光栅传感器设于套索组件上，用于探测目标星进入套索捕获装置的情况并传输至控制器，控制器根据目标星进入套索捕获装置的情况分别向第一索套组件和第二索套组件发送收拢指令；
13.所述缓冲对接锁定机构还包括设于对接装置上的限位开关，星箭对接环与对接装置配合时，压缩触发限位开关，限位开关将触发信号发送给控制器，控制器根据触发信号控制锁紧装置进行锁紧。
14.进一步的，套索组件包括驱动组件、固定环、转动环和捕获绳索；
15.转动环可转动安装于固定环内侧且与固定环同轴，驱动组件用于驱动转动环相对固定环进行绕轴线方向的转动，捕获绳索数量≥3，每根捕获绳索的第一端与转动环固定连接，第二端与固定环固定连接，转动环相对固定环的转动带动捕获绳索第一端进行相对于第二端的运动，各捕获绳索收拢围成用于捕获目标物体的索套。
16.进一步的，所述各捕获绳索的第一端与转动环的连接点沿转动环均匀分布，第二端与固定环的连接连接点沿固定环均匀分布。
17.进一步的，所述驱动组件包括电机，电机支架和齿轮副；所述电机为带减速器的直流无刷电机，步进电机或伺服电机中的一种；电机通过电机支架固定安装于固定环上，并利用齿轮副驱动转动环进行相对固定环的转动。
18.进一步的，所述套索展收装置包括套索安装支架、套索驱动组件、展收绳索、展开弹簧和连接支架；
19.套索安装支架固定安装于支架上，套索驱动组件设于套索安装支架上，展收绳索一端与套索驱动组件连接，另一端通过连接支架与套索捕获装置固定连接；
20.展开弹簧设于展收绳索外侧，一端固定于套索安装支架上，另一端通过连接支架与套索捕获装置固定连接；
21.套索驱动组件驱动展收绳索收缩时，拉动套索捕获装置克服展开弹簧的弹力靠近任务星表面，套索驱动组件驱动展开弹簧伸展时，弹性展开件的弹力使套索捕获装置远离任务星表面。
22.进一步的，所述套索驱动组件包括电机和滑轮，展收绳索一端与滑轮连接，通过电机驱动滑轮使展收绳索收缩或伸展；
23.所述展收绳索为钢丝绳或尼龙绳。
24.进一步的，所述对接装置包括对接环和导向框；
25.对接环与缓冲装置连接，用于对目标星的对接位置进行限定；导向框的个数≥3且沿对接环均匀布置；
26.多个导向框围成倒锥形喇叭口，对接时目标星的星箭对接环在倒锥形喇叭口导向作用下，通过导向框与对接环配合，实现对接。
27.进一步的，锁紧装置包括锁紧支架、锁紧瓣、拉簧和直线驱动电机；
28.锁紧支架固定安装于对接环上，锁紧瓣与锁紧支架铰接；锁紧瓣一端通过拉簧与直线驱动电机输出轴连接，直线驱动电机驱动锁紧瓣一端运动，进而带动锁紧瓣另一端翻
转，锁紧星箭对接环翻边。
29.进一步的，所述缓冲装置为弹簧组件，环形橡胶垫或六自由度缓冲平台中的一种；所述弹簧组件包括≥1根弹簧，六自由度缓冲平台由六根阻尼器组成。
30.进一步的，所述支架为空心圆筒结构且设有减重槽孔；
31.支架通过法兰固定于任务星表面，支架轴线与任务星表面垂直；
32.转动环通过薄壁轴承安装于固定环内侧。
33.一种失效卫星捕获对接方法，采用上述一种失效卫星捕获对接装置实现，包括以下步骤：
34.s1套索展收装置带动套索捕获装置到达捕获位置；
35.s2目标星进入第一索套组件时，光栅传感器在t1时刻向控制器发送信号p1；
36.s3目标星进入第二索套组件时，光栅传感器在t2时刻向控制器发送信号p2；
37.s4控制器控制第一索套组件和第二索套组件同时收拢，对目标星进行捕获；
38.s5套索展收装置带动套索捕获装置，进而带动捕获的目标星与对接装置配合，同时压缩触发限位开关；
39.s6限位开关将触发信号发送给控制器；
40.s7控制器根据触发信号控制锁紧装置进行锁紧，完成对接。
41.一种失效卫星捕获对接方法，进一步的，步骤s4的具体方法包括：
42.s41控制器根据t1、t2及第一索套组件和第二索套组件的距离计算两星相抵的相对速度；
43.s42控制器根据相对速度及限位支撑板与第一索套组件或第二索套组件之间的距离计算发动机喷管抵达限位支撑板位置处的时间t；
44.s43控制器根据时间t控制第一索套组件和第二索套组件的收拢速度，使捕获完成时，发动机喷管的出口恰好与限位支撑板接触。
45.本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
46.(1)本发明一种失效卫星捕获对接装置，通过套索捕获机构可实现卫星捕获，通过套索捕获机构和缓冲对接锁定机构的配合，可实现卫星对接、锁紧和分离，可满足多种应用场景中的需求，具有良好的适配性，可重复实施多次捕获和对接任务，实用性强；
47.(2)本发明一种失效卫星捕获对接装置，特别设计了套索捕获机构的结构，使其能够根据工作需求靠近或远离任务星，同时通过固定环和转动环的相对转动，使多根捕获绳索收拢形成索套，用于捕获目标星，捕获容差大、捕获成功率高；
48.(3)本发明一种失效卫星捕获对接装置，特别设计了缓冲对接锁定机构的结构，套索捕获机构与缓冲对接锁定机构配合实现对接时，缓冲掉两星碰撞产生的能量，同时在逐渐抵近过程中能够削减两颗卫星之间的姿态偏差，提高对接的准确性；
49.(4)本发明一种失效卫星捕获对接装置，增加了控制器及相关传感器，对捕获及对接过程进行智能控制，提高了捕获及对接的准确性和可操作性，同时减少了人力成本；
50.(5)本发明一种失效卫星捕获对接方法，能够通过控制器及相关传感器之间的信号传输，实现捕获及对接过程的精准控制，避免对卫星的损伤或逃逸。
附图说明
51.图1为本发明一种失效卫星捕获对接装置的整体结构轴侧示意图；
52.图2本发明套索展收装置展开状态下套索展收捕获机构轴侧示意图；
53.图3为本发明缓冲对接锁定机构示意图；
54.图4为现有技术中目标星结构示意图。
具体实施方式
55.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
56.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
57.图1～图4中：1为支架；2为套索捕获机构；3为缓冲对接锁定机构；4为套索捕获装置；5为套索展收装置；6为缓冲装置；7为对接装置；8为锁紧装置；9为目标星；10为第一法兰；11为第二法兰；12为任务星；13为控制器；40为套索组件；41为限位支撑板；42为驱动组件；43为固定环；44为转动环；45为捕获绳索；46为光栅传感器；47为连接支撑板；50为套索安装支架；51为套索驱动组件；52为展收绳索；53为弹性展开件；54为连接支架；70为对接环；71为导向框；72为限位开关；80为锁紧支架；81为锁紧瓣；82为直线驱动电机；90为发动机喷管；91为星箭对接环；92为星箭对接环翻边。
58.现有常见卫星结构如图4所示，包括主体，发动机喷管90，星箭对接环91和星箭对接环翻边92。
59.本发明一种失效卫星捕获对接装置如图1所示，包括支架1，支架1上由内向外呈环状结构设有套索捕获机构2和缓冲对接锁定机构3；
60.如图2，套索捕获机构2包括套索捕获装置4和套索展收装置5，套索捕获装置5可拆卸安在套索展收装置5上，套索展收装置5展开或者收拢时可带动所述套索捕获装置4沿其轴线方向直线往复运动，套索捕获装置4包括两组可相对转动的套索组件40和限位支撑板41，套索组件40由驱动组件42、固定环43、转动环44和安在固定环43和转动环44上的多根捕获绳索45组成，驱动组件42固定安在固定环43上，当驱动组件42驱动转动环44相对固定环43转动时，多根捕获绳索45同时向内收拢，当多根捕获绳索45收拢时形成的索套内切圆直径小于发动机喷管90最大外径时则可实现对发动机喷管90的抓捕；
61.如图3，所述缓冲对接锁定机构3由缓冲装置6、对接装置7和多个锁紧装置8组成，所述对接装置7由对接环70和多个导向框71构成，在对接环70上设有多个限位开关72，当被抓捕的目标星9通过套索展收装置5拉回时，被抓捕目标星9上的星箭对接环91通过导向框71后贴在对接环70上，锁紧装置8对贴在对接环70上的星箭对接环91锁紧，实现两颗卫星的连接，在支架1上还安有控制器13。
62.优选的，所述套索展收装置5包括套索安装支架50、套索驱动组件51、展收绳索52、展开弹簧53和连接支架54，套索安装支架50安在支架1上，套索驱动组件51固定安在套索安装支架50上，展开弹簧53两端分别连接在套索安装支架50和连接支架54上，所述展收绳索52一端与套索驱动组件51相连，另一端穿过展开弹簧53内部与连接支架54相连，当套索驱
动组件51得电正转时使得展收绳索52展开，在展开弹簧53的作用下连接支架54远离套索安装支架50，当套索驱动组件51得电反转时使得展收绳索52收拢，此时展开弹簧53受压，使得连接支架54靠近套索安装支架50。
63.优选的，固定环43上设有光栅传感器46。
64.优选的，捕获绳索45的数量为三根、四根或者五根，捕获绳索45为钢丝绳。
65.优选的，缓冲装置6为由多根弹簧构成的缓冲平台，多根弹簧一端安在支架1上，另一端安在对接环70上。
66.优选的，多个锁紧装置8均包括锁紧支架80、锁紧瓣81和直线驱动电机82，锁紧支架80固定安在对接环70上，锁紧瓣81铰接安在锁紧支架80上，直线驱动电机82固定安在锁紧支架80上，直线驱动电机82输出轴与锁紧瓣81一端相连，当直线驱动电机82输出轴伸出时带动锁紧瓣81绕其铰接轴转动，使得锁紧瓣81另一端向下翻转锁紧被捕获目标星9的星箭对接环91。
67.优选的，多个锁紧装置8的数量为三个或者四个，所述导向框71的数量与锁紧装置8的数量相同。
68.优选的，多个导向框71均布在对接环70上。
69.优选的，限位支撑板41为圆环状结构，两组套索组件40和限位支撑板41为同轴线间隔布置。
70.本发明中，在捕获过程目标星9与任务星12的轴线会有一定的角度和位置偏差，设计的两组套索组件40为同轴线间隔布置，在套索组件40捕获时，两个套索组件40中的捕获绳索45同时收缩，使得同一套索组件40中的捕获绳索形成的内切圆逐步缩小，当两个同心的内切圆碰到发动机喷管90外壁时会对其施加一个纠正力，该力可以使得两颗卫星向着同轴的趋势运动，两组套索组件40既可以互为捕获冗余备份，提高该系统捕获的可靠度，也可以对目标星9相对任务星12的角度和位置偏差进行纠偏，为对接锁紧提供一个较好的位姿条件。设计的展开弹簧53在其周向具有一定的柔性，当两组套索组件40上绳索收拢与发动机喷管90接触时，两颗卫星之间相对的角度和位置偏差会对两星的姿态产生扰动，此时展开弹簧53通过自身发生的变形来调节该扰动量，并通过自身存在的阻尼逐渐衰减该扰动，降低两星接触后姿态偏差。在对接环70上均布的多个导向框71形成一个上大下小的喇叭口，该喇叭口提高了对接过程的容差，当套索展收装置5收拢将目标星9拉回时，该喇叭口能够适应目标星9轴线与任务星12轴线之间的角度和位置偏差，保证目标星星箭对接环91能够进入到对接装置7内。锁紧装置7由外向内锁紧进入到对接装置7内的星箭对接环的翻边92，使得星箭对接环的翻边92压紧在对接环上70，锁紧装置8由外向内的锁紧动作方向与星箭对接环91被捕获的运动方向一致，该锁紧动作可提高锁紧的可靠度，防止产生空锁现象。当捕获绳索45和锁紧装置8恢复至初始状态时，任务星12与目标星9不建立连接关系，可通过任务星12自身姿态调节与目标星9实施分离，去捕获其他需要维护的卫星。
71.实施例：
72.如图1所示，一种失效卫星捕获对接装置，包括支架1，支架1为空心圆柱筒子结构，在支架1上开有多个减重槽孔，该减重槽孔还可便于操作者对之间1的内部结构进行安装和维修，在支架1上下两个端面分别固定安装第一法兰10和第二法兰11，支架1通过第二法兰11固定在任务星12表面上，支架1的轴线与任务星12固定表面垂直的轴线同轴布置。在支架
1上还固定安装控制器13。
73.支架1上由内向外安装套索捕获机构2和缓冲对接锁定机构3，套索捕获机构2和缓冲对接锁定机构3构成的两层环状结构在工作过程中互不干涉。
74.套索捕获机构2包括套索捕获装置4和套索展收装置5，套索捕获装置4包括两组可相对转动的套索组件40和限位支撑板41，限位支撑板41为圆环状结构，两组套索组件40和限位支撑板41采用同轴线间隔布置。套索组件40由驱动组件42、固定环43、转动环44和安在固定环43和转动环44上的多根捕获绳索45组成。
75.驱动组件42可为带减速器的直流无刷电机，或便于准确知道驱动组件42工作时转动的圈数的步进电机或者伺服电机，驱动组件42通过电机支架固定安装在固定环43外侧，驱动组件42通过齿轮副结构驱动转动环44相对转动(即在驱动组件42中的电机输出轴和转动环44上各固定安装一个齿轮，通过电机驱动相互啮合的两个齿轮转动实现对转动环44的转动控制)，在一个具体实施例中，为降低转动环44和固定环43之间相对转动的摩擦力，在转动环44和固定环43之间安装薄壁轴承，在转动环44和固定环43上通过球铰均布安装多根捕获绳索45，捕获绳索45的数量为三根、四根或者五根，在一个具体实施例中，捕获绳索45的数量还可以是六根或者七根，三根捕获绳索45在收拢时即可以构成一个与固定环43同心的捕获圈，捕获绳索45的数量越多，其收拢形成的内切圆与被捕获的发动机喷管90接触面越大，在一个具体实施例中，捕获绳索45为钢丝绳，在另一个具体实施例中捕获绳索45的材料还可以是尼龙。
76.两组套索组件40的固定环43上均通过螺栓固定安装光栅传感器46。在捕获作业工程中，目标星9与任务星12相互抵近，当被捕获的发动机喷管90进入第一个套索组件40的转动环44时，发动机喷管90遮挡第一个光栅传感器46的光信号，第一个光栅传感器46向控制器13发送发动机喷管90进入信号，当发动机喷管90进入第二个套索组件40的转动环44时，发动机喷管90遮挡第二个光栅传感器46的光信号，第二个光栅传感器46向控制器13发送发动机喷管90完全进入信号，此时两组套索组件40中的捕获绳索同时开始收拢，对发动机喷管90进行捕获，控制器可以通过两个光栅传感器46发送的信号时间间隔和两个光栅传感器46之间的距离计算出两星抵近的相对速度，并根据该速度计算出发动机喷管90抵达限位支撑板41位置处的时间，再根据这一时间控制两组捕获绳索45分别收拢至预设捕获直径，既防止两组捕获绳索45收拢速度过慢导致发动机喷管90与限位支撑板41发生碰撞后两星反向运动发生逃逸现象，又能够防止两组捕获绳索45收拢速度过快导致对发动机喷管90产生较大的作用力而损坏发动机喷管90，影响捕获作业，套索捕获装置4通过连接支撑板47固定安装在套索展收装置5上。
77.套索展收装置5包括套索安装支架50、套索驱动组件51、展收绳索52、展开弹簧53和连接支架54，套索安装支架50通过螺栓固定安装在支架1上，套索驱动组件51通过螺栓固定安装在套索安装支架50上，驱动组件51由电机和滑轮组成，在一个具体实施例中展收绳索52为钢丝绳，展收绳索52一端安装在滑轮内，当驱动组件51中的电机转动时，展收绳索52可在滑轮上缠绕或者展开，展收绳索52的另一端穿过展开弹簧53内部通过球铰铰接在连接支架54上，在一个具体实施例中展开弹簧53为弹簧，当展收绳索52展开，在展开弹簧53的作用下连接支架54远离套索安装支架50，此时套索捕获装置4远离任务星12表面，准备实施捕获作业，当捕获作业完成后展收绳索52开始收拢，此时展开弹簧53受压，使得连接支架54靠
近套索安装支架50，从而带动被套索捕获装置4捕获的目标星9靠近任务星12准备对接作业。
78.缓冲对接锁定机构3由缓冲装置6、对接装置7和多个锁紧装置8组成，其中对接装置7由对接环70和导向框71构成，多个导向框71通过螺栓均布固定安装在对接环70上，对接环70为锁定目标星9提供一个限位平面，可保证目标星9与任务星12可靠接触，导向框71的数量为三个或者四个，在一个具体实施例中导向框71的数量还可以是五个或者六个，导向框71的实际数量与锁紧装置8相同，多个导向框71形成一个上大下小的喇叭口，该喇叭口提高了对接过程的容差，当套索展收装置5收拢将目标星9拉回时，此喇叭口能够适应目标星9轴线与任务星12轴线之间的角度和位置偏差，保证目标星9的星箭对接环91能够进入到对接装置7内，在对接环70上固定安装多个限位开关72，限位开关72略高于对接环70表面，当星箭对接环91在对接环70上时，限位开关72被压缩触发，限位开关72将触发信号发送给控制器13，控制器13根据多个限位开关72的触发信号控制锁紧装置8的锁紧动作。
79.缓冲装置7为由多根弹簧构成的缓冲平台，多根弹簧一端固定安装在第一法兰10上，另一端固定安装在对接环70底侧，当目标星9被套索展收装置5拉回撞击对接装置7时，缓冲装置7通过自身的弹性变形缓冲掉两星相互撞击产生的能量，起到保护两星的作用，在一个具体实施例中缓冲装置7也可以是一块环状的橡胶垫，在一个具体实施例中缓冲装置7还可以是由六根阻尼器组成的六自由度缓冲平台，此六自由缓冲平台既可以利用自身的阻尼器缓冲两星撞击产生的能量，还可以在撞击过程通过自身发生的被动变形带动对接装置7调整角度姿态，使得对接装置7中的喇叭口向目标星9方向调整，更便于对接。
80.锁紧装置8由锁紧支架80、锁紧瓣81和直线驱动电机82组成，锁紧支架80通过螺栓固定安装在对接环70上，锁紧瓣81通过销轴铰接安在锁紧支架80上，直线驱动电机82固定安装在锁紧支架80上，直线驱动电机82的输出轴与锁紧瓣81一端通过拉簧紧密连接在一起，当直线驱动电机82的输出轴伸出时带动锁紧瓣81绕其铰接轴转动，使得锁紧瓣81另一端向下翻转锁紧星箭对接环翻边92，锁紧后锁紧瓣81可对星箭对接环翻边92施加一个锁紧力，建立两星稳定连接关系。当捕获绳索45和锁紧装置8恢复至初始状态时，此时任务星12与目标星9不建立连接关系，可通过任务星12自身姿态的调节与目标星9实施分离，然后去捕获其他需要维护的卫星。控制器13还与本系统中的各个电机电连接，控制器13可控制各个电机正转、反转和停止。
81.以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
82.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。