一種航天器空間可多次反復對接方法
【專利摘要】一種航天器空間可多次反復對接方法，涉及一種微小航天器空間對接方法。本發(fā)明的航天器空間反復對接方法步驟如下：（1）在柔性展開裝置的表面固定形狀記憶“鉤”帶；然后將其以折疊的形式在發(fā)射時密閉儲存在航天器發(fā)射艙里；（2）將聚合物“環(huán)”帶固定在目標航天器的對接裝置表面；（3）當航天器進入預定軌道后，打開密閉裝置，伸出折疊的柔性展開裝置，當柔性展開裝置展開，兩個航天器接觸時，通過形狀記憶“鉤”帶和聚合物“環(huán)”帶復合起來，實現(xiàn)航天器的對接。本發(fā)明可以多次實現(xiàn)航天器的對接和分離；能夠提高航天器對接的靈活性、可靠性和成功率，以及降低對接方式的難度。
【專利說明】一種航天器空間可多次反復對接方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微小航天器空間對接方法。
【背景技術】
[0002]空間交會對接是兩個或兩個以上航天器在空間進行的一項極其復雜的空間操作?？臻g交會對接是當前世界航天領域中一項十分復雜和困難的技術，各個航天國家都在不斷投入大量的人力、物力和財力進行積極的探索和研究。
[0003]目前主要的對接方式為機械式對接，通過軌道參數(shù)協(xié)調，讓兩個或兩個以上的航天器在同一時間到達太空同一位置，再通過專門的對接機構將其連為一個整體。但是兩個航天器必須在高速飛行的狀態(tài)下，在同一時間到達太空同一位置，如失誤則有相撞的風險。因此空間交會對接是當前世界航天領域中一項十分復雜和困難的技術，對控制、導航和測控覆蓋支持等都提出了相當高的要求，而如何提高對接的靈活性、可靠性和成功率，以及降低對接方式的難度具有非常大的政治意義。

【發(fā)明內容】

[0004]為了提高航天器對接的靈活性、可靠性和成功率，以及降低對接方式的難度，本發(fā)明提供了一種新型的微小航天器空間可多次反復對接方法。
[0005]本發(fā)明的航天器空間反復對接方法步驟如下:
(1)在柔性展開裝置的表面固定形狀記憶“鉤”帶；然后將其以折疊的形式在發(fā)射時密閉儲存在航天器發(fā)射艙里；
(2)將聚合物“環(huán)”帶固定在目標航天器的對接裝置表面；
(3)當航天器進入預定軌道后，打開密閉裝置，伸出折疊的柔性展開裝置，當柔性展開裝置展開，兩個航天器接觸時，通過形狀記憶“鉤”帶和聚合物“環(huán)”帶復合起來，實現(xiàn)航天器的對接。
[0006]本發(fā)明中，所述形狀記憶“鉤”帶按照如下步驟制備而成:
(O制備形狀記憶環(huán)氧樹脂體系；
(2 )將形狀記憶環(huán)氧樹脂體系加熱至形狀記憶溫度以上，進行鉤狀彎曲變形，之后在載荷作用下冷卻至形狀記憶溫度以下，將材料形狀固定，使用鋁箔將形狀記憶環(huán)氧層邊緣纏緊，作為無形狀記憶環(huán)氧層固化的模具；
(3)將剛混合均勻的用于制備無形狀記憶環(huán)氧樹脂體系的環(huán)氧樹脂和固化劑均勻地倒在形狀記憶環(huán)氧層的上方，在固化條件下制備無形狀記憶環(huán)氧層，即得到雙向形狀記憶層壓材料；
(4)將經過固化后的雙向形狀記憶層壓材料制備成所需的尺寸，得到形狀記憶“鉤”帶。
[0007]本發(fā)明采用形狀記憶結構扣件實現(xiàn)微小航天器間的對接，其基本原理與現(xiàn)存的尼龍粘扣的原理相似。形狀記憶聚合物粘扣是由形狀記憶“鉤”帶和聚合物“環(huán)”帶兩部分組成。形狀記憶“鉤”的形狀為彎鉤形，將聚合物“環(huán)”帶固定在一個航天器的對接裝置表面，將形狀記憶“鉤”帶和加熱層固定在另外一個航天器的表面，當展開裝置展開，兩個航天器接觸時，通過形狀記憶“鉤”帶和聚合物“環(huán)”帶復合起來時，硬挺的勾子很容易勾住柔軟的環(huán)圈而實現(xiàn)航天器的對接。當航天器需要分離時，加熱加熱層，形狀記憶“鉤”帶恢復原有形狀(為伸直狀態(tài))，變直，環(huán)帶和鉤帶實現(xiàn)分離。形狀記憶“鉤”帶可以由形狀記憶環(huán)氧樹月旨、形狀記憶聚氨酯、形狀記憶聚苯乙烯等制備。聚合物“環(huán)”帶可以由尼龍制備。
[0008]本發(fā)明采用柔性慢速展開裝置緩沖飛行速度和對接力，采用形狀記憶結構扣件，空間在軌將兩個航天器粘接連為一個整體，又可方便地從航天器表面剝離，實現(xiàn)航天器的分離，并且可以多次實現(xiàn)航天器的對接和分離；能夠提高航天器對接的靈活性、可靠性和成功率，以及降低對接方式的難度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明的空間對接的過程；
圖2為航天器安裝形狀記憶“鉤”帶；
圖3為航天器分別安裝聚合物“環(huán)”帶；
圖4為采用雙向形狀記憶環(huán)氧樹脂制備的“鉤”帶部分放大結構示意圖(IXTs)；
圖5為采用雙向形狀記憶環(huán)氧樹脂制備的“鉤”帶部分放大結構示意圖(T>Ts)；
圖6為結構扣件扣緊示意圖；
圖7為結構扣件脫附示意圖；
圖8為使用增強纖維布固定層壓材料結構示意圖；
圖9為纖維布固定法制備層壓雙向形狀記憶材料示意圖；
圖10為纖維布增強固定法制備結構扣件“鉤”帶部分示意圖(IXTs)；
圖11為纖維布增強固定法制備結構扣件“鉤”帶部分示意圖(T>Ts)。
【具體實施方式】
[0010]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明，凡是對本發(fā)明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。
[0011]【具體實施方式】一:如圖1所示，本實施方式中采用形狀記憶結構扣件實現(xiàn)微小航天器間的對接方法，所述形狀記憶環(huán)氧結構扣件由聚合物“環(huán)”帶和形狀記憶“鉤”帶兩部分組成，聚合物“環(huán)”帶均勻分布在目標航天器的對接裝置表面(圖3);形狀記憶“鉤”帶均勻分布在加熱層表面，加熱層固定在柔性展開裝置的表面，然后將柔性展開裝置以折疊的形式在發(fā)射時密閉儲存在航天器發(fā)射艙里(圖2);當航天器進入預定軌道后，打開密閉裝置，伸出折疊的柔性展開裝置，當柔性展開裝置展開，兩個航天器接觸時，通過形狀記憶“鉤”帶和聚合物“環(huán)”帶復合起來，實現(xiàn)航天器的對接。
[0012]本實施方式中，所述形狀記憶“鉤”帶按照如下步驟制備而成:
Cl)按照ZL200710072431.9的方法制備形狀記憶環(huán)氧樹脂體系。
[0013]制備形狀記憶環(huán)氧樹脂體系時，通過環(huán)氧樹脂與固化劑比例可以控制材料的Tg，從而控制形狀記憶溫度。同時，對交聯(lián)度也有一定的改變，影響經過形狀記憶改變前后材料的模量變化。對于固化劑與環(huán)氧樹脂配方控制有如下選擇:
a、一般情況下，Tg與形狀記憶的轉變溫度相近，所以盡量將Tg控制在緊固件使用的溫度范圍內(使用的溫度條件、加熱器的溫度限制)。
[0014]b、經過DMA測試，交聯(lián)密度不易過高，如果交聯(lián)密度過高，當材料處于高彈態(tài)的時候，分子鏈的移動受到交聯(lián)網狀結構的制約，模量仍較高，難以折疊變形，同時轉變前后模量相差較小，材料的形狀固定率會下降(一般要求經過玻璃化轉變后，材料的模量變化在IO2數(shù)量級以上)。
[0015]C、經過DMA測試，交聯(lián)密度不易過低，如果交聯(lián)密度過低，在形狀轉變的過程中，會影響到材料的回復率。轉變后材料難以向初始形狀轉變，影響其形狀記憶性能。
[0016]d、形狀記憶層材料的模量應該與無形狀記憶層的模量相適應。在形狀記憶層轉變時，材料的模量會有突躍式的變化，而無形狀記憶層的模量變化是線性的(隨著溫度的升高，模量逐漸降低)，形狀記憶層升高溫度時形狀記憶層模量下降較慢，此時模量較高，形狀記憶層會帶動無形狀記憶層進行形狀的變化。降溫時形狀記憶層模量升高較慢，無形狀記憶層模量較高，無形狀記憶層會帶動形狀記憶層進行形狀的變化。
[0017](2)將形狀記憶環(huán)氧樹脂體系加熱至形狀記憶溫度以上，進行鉤狀彎曲變形，之后在載荷作用下冷卻至形狀記憶溫度以下，將材料形狀固定，使用鋁箔將形狀記憶環(huán)氧層邊緣纏緊，作為無形狀記憶環(huán)氧層固化的模具。
[0018](3)將剛混合均勻的用于制備無形狀記憶環(huán)氧樹脂體系的環(huán)氧樹脂和固化劑均勻地倒在形狀記憶環(huán)氧層的上方，在固化條件下制備無形狀記憶環(huán)氧層，即得到雙向形狀記憶層壓材料。
[0019]制備無形狀記憶環(huán)氧層時，在材料的使用范圍內，模量應處于線性變化，也就是說，材料的Tg不能在此范圍內，材料Tg高于形狀記憶環(huán)氧層；并且形狀記憶環(huán)氧層和無形狀記憶環(huán)氧層兩層厚度應盡量保持一致。
[0020](4)將雙向形狀記憶層壓材料制備成所需的尺寸，均勻分布在加熱層上，組成形狀記憶“鉤”帶。
[0021]本實施方式中，柔性展開裝置的展開方式可以是如下三種方式:
1、充氣展開，此時可以采用橡膠復合材料制備柔性展開裝置。橡膠復合材料中的纖維可以是芳纟侖纖維(Kevlar)、PBO纖維、Vectran纖維、玻璃纖維等,橡膠采用氯丁橡膠、娃橡膠等。充氣起源可以選擇航天器自帶小壓縮氣瓶或化學反應充氣。柔性展開裝置可以采用Z型折疊或卷曲折疊在航天器發(fā)射艙里，當需要展開時，啟動充氣裝置，向柔性展開裝置內部充氣，展開裝置就實現(xiàn)慢速展開。
[0022]2、形狀記憶展開，此時可以采用形狀記憶復合材料制備柔性展開裝置。形狀記憶復合材料的纖維為碳纖維，基體采用形狀記憶環(huán)氧材料。柔性展開裝置可以采用Z型折疊或卷曲折疊在航天器發(fā)射艙里，當需要展開時，啟動電源，通過碳纖維導電加熱，達到形狀記憶復合材料的形狀記憶恢復溫度時，形狀記憶復合材料恢復展開形狀，展開裝置就實現(xiàn)慢速展開。
[0023]3、機械展開，此時可以采用橡膠材料制備柔性展開裝置。機械展開裝置設置于橡膠材料層的后面，柔性展開裝置可以貯存于在航天器發(fā)射艙里，當需要展開時，機械展開裝置伸長，橡膠緩沖層緩慢向前推移，展開裝置就實現(xiàn)慢速展開。
[0024]【具體實施方式】二:本實施方式按照如下步驟制備形狀記憶環(huán)氧結構扣件:
(I)形狀記憶環(huán)氧層的制備將15.17g-20.23g對，對'-二氨基-二苯甲烷固化劑置于104 °〇溫度下加熱并熔化，并與同溫度下的IOOg環(huán)氧樹脂E51混合，用恒溫磁力攪拌器在80°C攪拌20min使之混合均勻，體系固化條件為:80°C X2.4h+150°C X1.8h。在固化條件下把樹脂體系模壓成型成樹脂模壓件。
[0025]其中環(huán)氧樹脂除E51外，可以采用市售的各種環(huán)氧樹脂；固化劑除對，對'-二氨基-二苯甲烷外，只要能和環(huán)氧樹脂之間起化學反應生成交聯(lián)結構的常用固化劑均可以使用，如胺類固化劑、酸酐類固化劑、咪唑類固化劑等。
[0026]( 2)無形狀記憶環(huán)氧層的制備
與形狀記憶環(huán)氧層制備過程相似，無形狀記憶環(huán)氧層固化劑加入量較高，使環(huán)氧樹脂完全固化，使得無形狀記憶環(huán)氧層的Tg至少高于形狀記憶環(huán)氧層的Tg 30°C，材料的使用范圍與材料的模量相關聯(lián)使用的起始與結束溫度應為兩層材料相互作用力相等時候所對應的溫度點，在升溫和降溫的過程中材料都會到達一個力穩(wěn)態(tài)也就是兩層相互作用力相等，沒有相互力的遷移的時候，具體溫度需要用實驗進行測試，模量沒有較大的變化。具體過程如下:將26.28g對，對'-二氨基-二苯甲烷固化劑置于104 °C溫度下加熱并熔化，并與同溫度下的IOOg環(huán)氧樹脂混合，用恒溫磁力攪拌器在80°C攪拌20min使之混合均勻，待用。將模壓成型后的形狀記憶環(huán)氧層加熱至形狀記憶溫度以上，進行彎曲變形，之后在載荷作用下冷卻至形狀記憶溫度以下，將材料形狀固定，使用鋁箔將形狀記憶層邊緣纏緊，作為無形狀記憶層固化的模具，將剛混合均勻的環(huán)氧樹脂均勻地倒在形狀記憶層的上方，體系固化條件為:80°C X3h+150°C X3h。在固化條件下把樹脂體系模壓成型成樹脂模壓件。
[0027]其中環(huán)氧樹脂除E51外，可以采用市售的各種環(huán)氧樹脂；固化劑除對，對'-二氨基-二苯甲烷外，只要能和環(huán)氧樹脂之間起化學反應生成交聯(lián)結構的常用固化劑均可以使用，如胺類固化劑、酸酐類固化劑、咪唑類固化劑等。
[0028](3)雙向形狀記憶可反復使用的結構扣件制備 形狀記憶環(huán)氧結構扣件由兩部分組成，分別為聚合物“環(huán)”帶和形狀記憶“鉤”帶。鉤的形狀可以變形為彎鉤形，硬挺的鉤子很容易鉤住柔軟的環(huán)而起搭扣作用。聚合物“環(huán)”帶材料可以采用尼龍制備成需要的形狀和尺寸，均勻分布在上目標航天器的對接裝置表面，形狀記憶“鉤”帶放大圖如圖4-5所示。
[0029]當需要結構扣件扣緊時，可對結構扣件的形狀記憶“鉤”帶部分加熱，當溫度大于形狀記憶溫度時，形狀記憶“鉤”帶部分進行伸直變形，并與聚合物“環(huán)”帶部分充分接觸，之后將溫度降低至形狀記憶溫度以下，形狀記憶“鉤”帶部分彎曲，充分與聚合物“環(huán)”帶部分扣緊。如圖6所示。
[0030]當結構扣件脫附時，對結構扣件的形狀記憶“鉤”帶部分升溫，當溫度大于形狀記憶溫度時，形狀記憶“鉤”帶部分進行伸直變形，與聚合物“環(huán)”帶部分脫附。如圖7所示。
[0031]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】二不同的是，采用復合材料纖維布增強的方法固定形狀記憶環(huán)氧層以及無形狀記憶環(huán)氧層，將形狀記憶環(huán)氧樹脂體系的環(huán)氧樹脂和固化劑按照以上配方調制均勻后，倒入模具，將增強纖維布豎立浸潰其中，按照【具體實施方式】二中的固化制度進行固化，如圖8所示。
[0032]將固化后的形狀記憶環(huán)氧樹脂體系從模具中脫出，加熱至形狀記憶溫度以上后彎曲，降溫后將材料形狀固定，在上層進行無形狀記憶環(huán)氧層的二次固化，制備出雙向形狀記憶層壓材料，如圖9所示。
[0033]將制備好的雙向形狀記憶材料經過機械剪裁成所需尺寸，均勻分布在基底材料上,如圖10-11所示。
[0034]在本實施方式中的增強纖維布可采用玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維和其他有機纖維，如 PBO、Vectran、Spetra 等。
【權利要求】
1.一種航天器空間可多次反復對接方法，其特征在于所述對接方法步驟如下: (1)在柔性展開裝置的表面固定形狀記憶“鉤”帶；然后將其以折疊的形式在發(fā)射時密閉儲存在航天器發(fā)射艙里； (2)將聚合物“環(huán)”帶固定在目標航天器的對接裝置表面； (3)當航天器進入預定軌道后，打開密閉裝置，伸出折疊的柔性展開裝置，當柔性展開裝置展開，兩個航天器接觸時，通過形狀記憶“鉤”帶和聚合物“環(huán)”帶復合起來，實現(xiàn)航天器的對接。
2.根據(jù)權利要求1所述的航天器空間可多次反復對接方法，其特征在于所述形狀記憶“鉤”帶按照如下步驟制備而成: (O制備形狀記憶環(huán)氧樹脂體系； (2 )將形狀記憶環(huán)氧樹脂體系加熱至形狀記憶溫度以上，進行鉤狀彎曲變形，之后在載荷作用下冷卻至形狀記憶溫度以下，將材料形狀固定，使用鋁箔將形狀記憶環(huán)氧層邊緣纏緊，作為無形狀記憶環(huán)氧層固化的模具； (3)將剛混合均勻的用于制備無形狀記憶環(huán)氧樹脂體系的環(huán)氧樹脂和固化劑均勻地倒在形狀記憶環(huán)氧層的上方，在固化條件下制備無形狀記憶環(huán)氧層，即得到雙向形狀記憶層壓材料； (4)將經過固化后的雙向形狀記憶層壓材料制備成所需的尺寸，得到形狀記憶“鉤”帶。
3.根據(jù)權利要求1所述的航天器空間可多次反復對接方法，其特征在于所述無形狀記憶環(huán)氧層的Tg高于形狀記憶環(huán)氧層的Tg。
4.根據(jù)權利要求1所述的航天器空間可多次反復對接方法，其特征在于所述無形狀記憶環(huán)氧層的Tg至少高于形狀記憶環(huán)氧層Tg 300C。
5.根據(jù)權利要求1所述的航天器空間可多次反復對接方法，其特征在于采用復合材料纖維布增強的方法固定形狀記憶環(huán)氧層以及無形狀記憶環(huán)氧層，具體方法如下: 將形狀記憶環(huán)氧樹脂體系的環(huán)氧樹脂和固化劑調制均勻后，倒入模具，將增強纖維布豎立浸潰其中，然后進行固化；將固化后的形狀記憶環(huán)氧樹脂體系從模具中脫出，加熱至形狀記憶溫度以上后彎曲，降溫后將材料形狀固定，在上層進行無形狀記憶環(huán)氧層的二次固化，制備出雙向形狀記憶層壓材料。
6.根據(jù)權利要求1所述的航天器空間可多次反復對接方法，其特征在于所述增強纖維布為玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維、PBO> Vectran、Spetra。
7.根據(jù)權利要求1或5所述的航天器空間可多次反復對接方法，其特征在于所述形狀記憶環(huán)氧層和無形狀記憶環(huán)氧層的厚度一致。
【文檔編號】B64G1/64GK103466105SQ201310434907
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月23日 優(yōu)先權日:2013年9月23日
【發(fā)明者】劉宇艷, 呂通, 劉宇, 李日旭, 孫星卉, 譚惠豐 申請人:哈爾濱工業(yè)大學