本發明屬于航空航天，涉及空間碎片的捕獲，尤其涉及一種用于空間碎片捕獲的太空魚叉發射器及空間碎片的消旋捕獲系統。

背景技術：

1、隨著人類航天活動的不斷增壓，空間碎片問題日益嚴峻，對現有空間資產構成嚴重威脅，空間碎片的主動移除技術已成為保障太空可持續利用的重要技術，其中對失效衛星等大型空間碎片的捕獲與移除尤為關鍵。太空魚叉捕獲方法因其高效、可靠的捕獲能力和較強的目標適應性，在移除大型失效衛星類空間碎片方面優勢顯著。然而，現有太空魚叉捕獲技術在實際應用中仍存在諸多問題。太空魚叉采用氣動發射時，太空魚叉尾端的活塞設置于發射筒內并由切槽螺栓固定，氣室與發射筒相連通，當氣室內充氣達到一定壓力閾值時，螺栓斷裂以釋放活塞，太空魚叉被推出，完成太空魚叉的發射。但該設計存在無法重復利用、響應發射指令緩慢、難以實現對空間碎片的精準打擊等問題。

技術實現思路

1、有鑒于此，本發明提供一種用于空間碎片捕獲的太空魚叉發射器及空間碎片的消旋捕獲系統，其可重復使用太空魚叉發射器，并可保證太空魚叉對空間碎片的沖擊力。

2、為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：

3、一種用于空間碎片捕獲的太空魚叉發射器，包括發射筒、增壓室和氣動解鎖機構；氣動解鎖機構包括球鎖外殼、鎖定滑塊、鎖球和鎖定彈簧，發射筒、球鎖外殼和增壓室順次連接并形成魚叉發射腔，太空魚叉的鎖定活塞插至魚叉發射腔內，球鎖外殼設有環形空腔和定位孔，該定位孔貫穿于環形空腔和魚叉發射腔，鎖球設置于定位孔內并插至鎖定活塞的溝槽內，鎖定滑塊插至環形空腔內并與環形空腔之間形成環形氣腔，鎖定滑塊接觸并擠壓鎖球以鎖定太空魚叉，鎖定彈簧設置于環形空腔內并擠壓鎖定滑塊；向增壓室內注入氣體，當增壓室內的氣壓達到設置閾值時，向環形氣腔內注入氣體，鎖定滑塊克服鎖定彈簧的彈力后移，太空魚叉得以解鎖，太空魚叉在增壓室的高壓氣體的驅動下發射并插至空間碎片外層板上，以實現空間碎片的消旋或捕獲。

4、本發明采用的另一個技術方案是：

5、一種用于空間碎片的消旋捕獲系統，包括太空魚叉、氣控裝置、魚叉回收裝置和太空魚叉發射器；太空魚叉和太空魚叉發射器均設有多個，每個太空魚叉對應一個太空魚叉發射器并與相應的太空魚叉發射器驅動連接，魚叉回收裝置至少設有一個，每個魚叉回收裝置連接一個太空魚叉，用于服務衛星與空間碎片的連接和太空魚叉的收回；氣控裝置連接各個太空魚叉發射器并為太空魚叉發射器供氣，以控制太空魚叉的發射；氣控裝置經由太空魚叉發射器控制未與魚叉回收裝置連接的太空魚叉發射，該太空魚叉貫穿空間碎片的外層板，以實現空間碎片的消旋；氣控裝置經由太空魚叉發射器控制與魚叉回收裝置連接的太空魚叉發射，該太空魚叉貫穿空間碎片的外層板，以實現空間碎片的捕獲。

6、進一步地，太空魚叉包括魚叉彈頭、魚叉主桿、鎖定活塞和鎖緊裝置，魚叉彈頭、魚叉主桿和鎖定活塞順次連接；鎖緊裝置包括倒鉤限位外殼、鎖緊倒鉤、倒鉤限位滑塊和倒鉤驅動機構，倒鉤限位外殼被配置于魚叉彈頭的后側，且倒鉤限位外殼靠近魚叉彈頭的一側設有倒鉤出口；鎖緊倒鉤設置于倒鉤限位外殼內并可移動，鎖緊倒鉤對準倒鉤出口；倒鉤限位滑塊與倒鉤限位外殼滑動連接，倒鉤限位滑塊遮擋倒鉤出口，以鎖定鎖緊倒鉤；倒鉤驅動機構設置于倒鉤限位外殼內并與鎖緊倒鉤驅動連接，用于驅動鎖緊倒鉤從倒鉤出口處伸出并保持鎖緊倒鉤位置不動；在倒鉤限位外殼隨魚叉彈頭貫穿空間碎片外層板后，空間碎片外層板擠壓倒鉤限位滑塊后移，倒鉤限位滑塊讓出倒鉤出口，倒鉤驅動機構推動鎖緊倒鉤從倒鉤出口伸出，在鎖緊倒鉤伸出到位后，倒鉤驅動機構保持鎖緊倒鉤不動，以使鎖緊倒鉤鎖定空間碎片外層板。

7、進一步地，鎖緊倒鉤的前端面抵接至魚叉彈頭的后端面，鎖緊倒鉤的尾端轉動安裝至倒鉤驅動機構，倒鉤驅動機構推動鎖緊倒鉤前移時，鎖緊倒鉤的前端向上翻轉，以使鎖緊倒鉤從倒鉤出口伸出。

8、進一步地，倒鉤限位外殼上設有用于鎖定倒鉤驅動機構的鎖孔，倒鉤鎖緊機構包括倒鉤固定基座、鎖緊鋼珠、限位環和驅動彈簧；倒鉤固定基座設置于倒鉤限位外殼內并可沿倒鉤限位外殼的長度方向移動，鎖緊倒鉤的后端轉動安裝于倒鉤固定基座的前端，限位環設置于倒鉤固定基座的后端，鎖緊鋼珠設置于倒鉤固定基座與限位環之間，限位環接觸并可擠壓鎖緊鋼珠向外移動；驅動彈簧被壓縮至限位環的后端并擠壓限位環；在倒鉤限位滑塊讓出倒鉤出口后，驅動彈簧經由限位環和倒鉤固定基座推動鎖緊倒鉤向上翻轉，以使鎖緊倒鉤伸出倒鉤出口；在鎖緊倒鉤從倒鉤出口伸出到位時，驅動彈簧經由限位環將鎖緊鋼珠部分擠壓至倒鉤限位外殼的鎖孔內，以鎖定倒鉤驅動機構。

9、進一步地，氣控裝置包括高壓氣瓶、總氣路、第一支氣管路和第二支氣管路，第一支氣管路和第二支氣管路分別設有多根，每個太空魚叉發射器對應一根第一支氣管路和第二支氣管路；總氣路的進氣端連接高壓氣瓶的出氣口，出氣端分別連接第一支氣管路和第二支氣管路的進氣端，第一支氣管路的出氣端連接增壓室的進氣口，第二支氣管路的出氣端連接環形氣腔的進氣口；總氣路上沿著氣體流動方向依次設置有用于監測高壓氣瓶壓強的氣瓶壓力表和用于控制高壓氣瓶供氣的氣瓶閥門；第一支氣管路上沿著氣體流動方向依次設置有用于控制高壓氣瓶向增壓室供氣的比例壓力閥門、用于對增壓室泄壓的泄壓閥門和用于監測增壓室壓強的增壓室壓力表；第二支氣管路設置有用于控制高壓氣瓶向氣動解鎖機構供氣的球鎖解鎖閥門。

10、進一步地，魚叉回收裝置包括繩索滑塊、繩索、卷揚機和理線器，繩索滑塊套在魚叉主桿上并可沿魚叉主桿的軸的方向滑動，繩索滑塊設置于發射筒的管口處并與發射筒的內壁過盈配合，繩索的一端連接繩索滑塊，另一端沿著發射筒的軸的方向由前至后層疊有序的纏繞至發射筒外，隨后繩索穿過理線器并纏繞至卷揚機上；理線器被配置于卷揚機的一側，用于控制繩索的出繩點與卷揚機上繩索的纏繞點同步移動。

11、進一步地，繩索滑塊的上下兩側分別設置有一個連接耳，該兩個連接耳以魚叉主桿的軸為中心線對稱設置，繩索與繩索滑塊所連接的一端拆成兩股并分別連接至繩索滑塊的兩個連接耳處。

12、進一步地，卷揚機包括線筒支架、卷線筒和卷筒電機，卷筒電機安裝于線筒支架，卷線筒轉動安裝至線筒支架并與卷筒電機的電機軸連接，繩索纏繞至卷線筒上；理線器包括直線驅動機構、繩索導向座、編碼器、柔性輪和限位開關；繩索導向座上設有供繩索穿過的穿線孔，編碼器安裝至繩索導向座上并與柔性輪固定連接，繩索穿過繩索導向座的穿線孔并與柔性輪接觸；直線驅動機構與繩索導向座驅動連接，并可驅動繩索導向座和穿過繩索導向座的繩索沿著卷線筒的軸的方向移動，以使繩索出繩點和繩索的纏繞點同步運動；限位開關設有兩個，該兩個限位開關分別安裝在線筒支架相對的兩側，且該兩個限位開關與繩索導向座的兩端相對。

13、進一步地，還包括二自由度支撐架，二自由度支撐架包括云臺壁、發射器安裝座、俯仰角電機和偏航角電機，氣控裝置與太空魚叉發射器安裝至發射器安裝座上，俯仰角電機安裝至云臺壁，發射器安裝座轉動安裝至云臺壁，俯仰角電機與發射器安裝座驅動連接，用于控制發射器安裝座的俯仰角；偏航角電機驅動連接云臺壁，用于控制云臺壁的偏航角。

14、本發明與現有技術相比產生的有益效果是：

15、1、本發明的太空魚叉發射器由發射筒、增壓室和氣動解鎖機構構成，氣動解鎖機構用于鎖定太空魚叉，氣動解鎖機構依靠氣體解鎖太空魚叉，并與增壓室為同一氣源，無需設置其余的啟動裝置來啟動氣動解鎖機構。與此同時，氣動解鎖機構的設計可以重復使用，也就實現了太空魚叉發射器的重復利用，因此可以先后對不同空間碎片進行捕獲。另外，增壓室內的氣腔為魚叉發射腔的一部分，又利用太空魚叉尾部的鎖定活塞進行密封，在增壓室內的氣壓達到設定閾值且太空魚叉解鎖的瞬間，增壓室內的全部氣動力可以直接作用到太空魚叉上，實現太空魚叉的瞬時發射和保證了太空魚叉對空間碎片外層板較大的穿透力。

16、2、本發明的太空魚叉設有兩組，其中一組僅與太空魚叉發射器連接，該組太空魚叉用于空間碎片的消旋，另外一組太空魚叉除了與太空魚叉發射器連接，還與魚叉拉回裝置連接，該組太空魚叉用于空間碎片的捕獲，因此經由該兩組太空魚叉的設計實現了空間碎片的預消旋和捕獲，保證空間碎片被捕獲后，不會因為空間碎片的旋轉導致繩索的回彈或纏繞，避免空間碎片與服務衛星存在撞擊的風險。

17、3、本發明的太空魚叉經由太空魚叉發射器安裝在二自由度支撐架上，太空魚叉在二自由度支撐架的姿態調節下可以精準對準空間碎片，無需通過調整服務衛星的姿態來滿足太空魚叉的發射角度。

18、4、本發明利用太空魚叉的穿透力帶動空間碎片的鎖緊裝置穿透空間碎片外層板，而鎖緊倒鉤布置在鎖緊裝置的前端，在鎖緊裝置穿透空間碎片外層板后，利用空間碎片與太空魚叉的相對移動帶動倒鉤限位滑塊后移，以使倒鉤限位滑塊讓出倒鉤出口，鎖緊倒鉤得以解鎖，從倒鉤出口伸出的鎖緊倒鉤鉤在空間碎片外層板的前端面上，同時配合倒鉤限位滑塊夾緊空間碎片外層板，有效抑制空間碎片拖曳過程中的晃動，還可防止空間碎片外層板上彈孔擴大及錨固失效。這樣服務衛星經由魚叉拉回裝置拖曳空間碎片時，可以安全完成空間碎片軌道轉移任務，避免傳統太空拖船可能出現的碰撞等風險。

19、5、本發明的太空魚叉與繩索通過繩索滑塊進行連接，繩索滑塊在這里起到三個作用，一是，太空魚叉從發射筒滑出過程中對太空魚叉起到定位作用，保證了太空魚叉的發射軌跡為發射筒的軸的方向，從而保證太空魚叉對空間碎片的精準打擊；二是，該繩索滑塊用于連接繩索，太空魚叉從發射筒發出后，繩索滑塊在鎖定活塞的沖擊下移出發射筒，并隨太空魚叉一同發射出去，從而實現太空魚叉與繩索的連接。三是，繩索滑塊的上下兩側分別設置有一個連接耳，該兩個連接耳以魚叉主桿的軸為中心線對稱設置，繩索與繩索滑塊所連接的一端拆成兩股并連接至繩索滑塊的兩個連接耳處，這樣繩索滑塊與繩索連接后，繩索對太空魚叉的作用力是對稱的。另外，繩索層疊有序的纏繞至發射筒上，太空魚叉發射時，繩索由太空魚叉分層有序拉出，繩索與太空魚叉的近軸布置確保繩索慣性不干擾太空魚叉飛行方向，同時有效避免繩索纏繞與打結。

20、6、本發明的理線器通過限位開關、直線驅動機構和繩索導向座的設計可以確保繩索是按照卷線筒的軸的方向層疊有序纏繞的，可以避免繩索纏繞時發生打結的問題，從而可以避免太空魚叉再次發射時，打結的繩索對太空魚叉產生拉力，減小太空魚叉對空間碎片的沖擊力。