Устройство подавления вращения
Изобретение относится к устройствам стыковки и управления относительным движением космических объектов. Устройство (1) включает в себя корпус (10) с отсеком (11) и вал (20), выполненный с возможностью вращения вокруг первой оси (А1). Вращающийся узел (30) выполнен с возможностью вращения вокруг второй оси (А2) с той же скоростью - благодаря средству (70) - что и вал (20). Средство (40) для захвата целевого объекта, например космического мусора (D), закреплено на узле (30). Тормозной узел (50) служит для подавления вращения валов (20) и (32а), а узел (60) (маховик) – для подавления реактивного момента вращения корпуса (10), возникающего при запуске узла (50). Соединение средства (40) с объектом (D) может быть осуществлено с помощью клея. Техническим результатом изобретения является возможность подавления вращения целевого объекта, совершающего произвольное (заранее не заданное) вращательное движение в космосе. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству подавления вращения.
Предпосылки создания изобретения
Известно, что в настоящее время на орбитах Земли в виде космического мусора находятся выполнившие программу полета или разрушившиеся искусственные спутники, запущенные ранее, обломки таких искусственных спутников и обломки верхних ступеней ракет. Столкновение этого космического мусора с функционирующими космическими станциями или искусственными спутниками во время выполнения программы полета может приводить к повреждению этих космические станций или искусственных спутников. Поэтому предлагаются различные технологии удаления этого мусора с орбит для последующего сжигания или сбора.
В предлагаемой технологии, например, космическому мусору микроскопических размеров придают с помощью плазменного окружения в космосе отрицательный заряд, а затем прикладывают электрическое поле в направлении, обеспечивающем замедление скорости мусора, снижение высоты орбиты вращения мусора и вход в атмосферу Земли с последующим удалением в результате сжигания (см. Патентный документ 1). В последние годы была предложена технология сбора космического мусора с использованием устройства для удаления мусора, снабженного оболочкой из нескольких слоев ткани с пеноматериалом внутри (см. Патентный документ 2). Согласно этой технологии космический мусор при соударении с оболочкой разбивается на множество осколков, которые захватываются и собираются пеноматериалом.
Список цитирования
Патентные документы
Патентный документ 1: JP 2010-069973 А
Патентный документ 2: JP 2011-168270 А
Сущность изобретения
Техническая проблема
Однако технологии, описываемые в Патентных документах 1 и 2, используются для сжигания и сбора космического мусора микроскопических размеров или космического мусора относительно небольших размеров и подходят для удаления космического мусора относительно больших размеров. В области же удаления космического мусора относительно больших размеров в настоящее время накопилась масса сложных проблем, таких как отсутствие разработанной технологии приближения к целевому мусору и технологии захвата и подавления вращения мусора, а также недостаточная экономическая эффективность процесса удаления. В частности, космический мусор относительно больших размеров зачастую совершает вращательное движение вокруг оси (или нескольких осей), и разработка технологии подавления такого вращательного движения является насущной необходимостью.
Настоящее изобретение было создано с учетом вышеизложенных обстоятельств, и целью данного изобретения является создание устройства подавления вращения, которое обеспечивает возможность эффективного подавления вращательного движения целевого объекта в космосе.
Решение проблемы
Для достижения этой цели устройство подавления вращения согласно настоящему изобретению представляет собой устройство подавления вращения целевого объекта в космосе (то есть искусственного объекта, такого как космический мусор или вышедший из строя искусственный спутник), включает в себя корпус; вал, проходящий наружу из корпуса, выполненный с возможностью вращения вокруг первой оси вращения; вращающийся узел, установленный на конце вала с противоположной от корпуса стороны и выполненный с возможностью вращения вокруг второй оси вращения вместе с валом; средство захвата, закрепленное на вращающемся узле и выполненное с возможностью захвата целевого объекта; тормозной узел, установленный в корпусе и выполненный с возможностью подавления вращения вала; и узел подавления вращения корпуса, выполненный с возможностью подавления вращения корпуса, возникающего при запуске тормозного узла. Узел подавления вращения корпуса может представлять собой, например, маховик, установленный внутри корпуса.
Такая конструкция позволяет захватывать целевой объект (то есть искусственный объект, такой как космический мусор или вышедший из строя искусственный спутник) и обеспечивать вращение вращающегося узла, закрепленного на средстве захвата, и вала, установленного на вращающемся узле, вместе с целевым объектом. При этом тормозной узел постепенно подавляет вращение вала, а узел подавления вращения корпуса подавляет вращение корпуса, возникающее при запуске тормозного узла. То есть за счет вращения, например, средства захвата с целевым объектом как единого целого и подавления этого вращения тормозным узлом с последующим подавлением вращения корпуса, возникающего при запуске тормозного узла (т.е. за счет передачи углового момента целевого объекта на узел подавления вращения корпуса и последующей нейтрализации этого углового момента этим узлом при поддержании неизменности положения корпуса), обеспечивается возможность эффективного подавления вращательного движения целевого объекта относительно больших размеров (с большим угловым моментом).
В устройстве подавления вращения согласно настоящему изобретению вращающийся узел может включать в себя диск и соединительный узел, соединяющий диск с концом вала. В этом случае средство захвата может включать в себя клей, закрепленный на поверхности диска.
При такой конструкции вращающийся узел может быть образован в результате соединения диска с концом вала с противоположной от корпуса стороны через соединительный узел, а средство захвата - в результате закрепления клея на поверхности диска.
В устройстве подавления вращения согласно настоящему изобретению соединительный узел может включать в себя цилиндрический элемент, соединяющий диск с концом вала. В этом случае внутри этого цилиндрического элемента может быть установлен выступающий элемент, выступающий в сторону клея.
При такой конструкции выступание выступающего элемента из цилиндрического элемента в сторону клея позволяет отделять целевой объект, захваченный с помощью клея, от этого клея.
В устройстве подавления вращения согласно настоящему изобретению между диском и клеем может быть размещен теплоизолятор.
За счет размещения теплоизолятора между диском и клеем такая конструкция позволяет блокировать теплоту целевого объекта, что обеспечивает возможность предотвращения передачи теплоты между валом или корпусом и целевым объектом и упрощает регулирование температуры корпуса.
В устройстве подавления вращения согласно настоящему изобретению первая ось вращения и вторая ось вращения могут представлять собой общую ось вращения.
При такой конструкции ось вращения вала (первая ось вращения) и ось вращения вращающегося узла (вторая ось вращения) могут представлять собой общую ось вращения, что позволяет упростить конструкцию устройства.
В устройстве подавления вращения согласно настоящему изобретению вал и вращающийся узел могут вращаться вместе в состоянии, при котором первая ось вращения и вторая ось вращения образуют заданный угол. В этом случае угол, образуемый первой осью вращения и второй осью вращения, может изменяться.
При такой конструкции вал и вращающийся узел могут вращаться вместе в состоянии, при котором ось вращения вала (первая ось вращения) и ось вращения вращающегося блока (вторая ось вращения) образуют заданный угол (то есть в состоянии наклона вращающегося узла относительно вала), и этот угол может изменяться. Таким образом, в случае захвата целевого объекта с помощью средства захвата вращающийся узел может наклоняться в соответствии с формой и положением целевого объекта, и вращающийся узел и вал могут вращаться в этом состоянии, что позволяет использовать устройство подавления вращения в различных ситуациях и обеспечивает в результате повышение вероятности захвата целевого объекта.
В устройстве подавления вращения, согласно настоящему изобретению, тормозной узел может включать в себя блок генерирования мощности, осуществляющий преобразование теплоты, образующейся при подавлении вращения вала, в электричество.
Такая конструкция обеспечивает возможность эффективного использования теплоты, образующейся при подавлении вращения вала, для генерирования электроэнергии.
Полезные эффекты изобретения
Согласно настоящему изобретению предлагается устройство подавления вращения, обеспечивающее возможность эффективного подавления вращательного движения целевого объекта в космосе.
Краткое описание чертежа
Фиг. 1 - вид, иллюстрирующий конструкцию устройства подавления вращения согласно настоящему изобретению.
Описание вариантов осуществления
Ниже приводится описание устройства 1 подавления вращения согласно варианту осуществления со ссылками на чертеж.
Прежде всего рассмотрим со ссылками на фиг. 1 конструкцию устройства 1 подавления вращения согласно варианту осуществления. Устройство 1 подавления вращения устанавливают на космическом летательном аппарате, таком как ракета. После запуска космического летательного аппарата в космос устройство 1 подавления вращения отделяется от космического летательного аппарата и используется для подавления вращения космического мусора D (целевого объекта) в космосе. Устройство 1 подавления вращения может быть выполнено таким образом, что устройство 1 подавления вращения, смонтированное на непоказанном корабле-носителе относительно больших размеров, устанавливают на космическом летательном аппарате, запускают в космос вместе с кораблем-носителем и отделяют от корабля-носителя (то есть может выполнять функции так называемого "дочернего корабля"). В другом варианте изобретения устройство 1 подавления вращения может использоваться как объединенный модуль корабля-носителя и дочернего корабля (то есть без разделения корабля-носителя и дочернего корабля).
Устройство 1 подавления вращения включает в себя корпус 10 в форме корпуса, вал 20, проходящий наружу из корпуса и выполненный с возможностью вращения вокруг первой оси А1 вращения, вращающийся узел 30, установленный на конце вала 20 и выполненный с возможностью вращения вокруг второй оси А2 вращения вместе с валом 20, средство 40 захвата, выполненное с возможностью захвата космического мусора D, тормозной узел 50, выполненный с возможностью подавления вращения вала 20, и узел 60 подавления вращения корпуса, выполненный с возможностью подавления вращения корпуса 10, возникающего при запуске тормозного узла 50.
Корпус 10 включает в себя отсек 11 для хранения, например, разного рода электронной аппаратуры. В этом отсеке 11 размещены тормозной узел 50 и узел 60 подавления вращения корпуса. По форме корпус 10 особых ограничений не имеет и может быть, например, кубом, прямоугольным параллелепипедом, цилиндром или многоугольным цилиндром. Размер корпуса 10 может быть соответственно задан в зависимости от размера космического летального аппарата или корабля-носителя, на котором смонтирован корпус 10.
Вал 20 установлен на корпусе 10 с возможностью вращения вокруг первой оси А1 вращения с помощью, например, непоказанного подшипника, размещенного между ними. Как показано на фиг. 1, участок вала 20 (участок, имеющий заданную длину и проходящий от конца 21 с противоположной от корпуса 10 стороны) выступает наружу из корпуса 10. Конец 21 вала 20 с противоположной от корпуса 10 стороны снабжен механизмом 70 наклона для выполнения наклона вращающегося узел 30 относительно вала 20. Механизм 70 наклона может представлять собой, например, механизм для выполнения плавной передачи крутящего момента (универсальный шарнирный механизм), за счет которой вращение оси А1 вращения вала 20 и оси вращения А2 вращающегося узла 30 происходит с постоянной скоростью, даже в случае изменения угла между осями А1 и А2 вращения.
Средство 40 захвата выполняет функции захвата космического мусора D. В этом варианте осуществления средство 40 захвата представляет собой клей (например, силиконовый клей), закрепляемый на поверхности диска 31 вращающегося узла 30 для обеспечения приклеивания космического мусора D. В случае использования в качестве средства 40 захвата силиконового клея теплоизоляционные свойства этого силиконового клея позволяют использовать его для изоляции теплоты, передаваемой от космического мусора D.
Вращающийся узел 30 включает в себя диск 31 заданной толщины, имеющий круглую форму на виде сверху, и соединительный узел 32 (состоящий из цилиндрического элемента 32а и множества стержней 32b), соединяющий диск 31 c механизмом 70 наклона, установленным на конце 21 вала 20. Вращающийся узел 30 выполнен с возможностью вращения вокруг второй оси А2 вращения вместе с валом 20. В этом варианте осуществления диск 31 выполнен из металла.
При этом между диском 31 и средством 40 захвата (клеем) может быть размещен теплоизолятор, обеспечивающий дополнительное повышение теплоизоляционных свойств конструкции. В этом случае размещение теплоизолятора между диском 30 и средством 40 захвата позволяет блокировать теплоту космического мусора D, что обеспечивает возможность предотвращения передачи теплоты между валом 20 или корпусом 10 и космическим мусором D и упрощает регулирование температуры корпуса 10.
Вращающийся узел 30, образованный диском 31 и соединительным узлом 32, в предпочтительном варианте имеет чрезвычайно малую массу. Малая масса вращающегося узла 30 облегчает вращение вращающегося узла 30 и позволяет уменьшить соударение в момент контакта космического мусора D с вращающимся узлом 30, что обеспечивает значительное повышение вероятности захвата космического мусора D (приклеивания клеем).
В этом варианте осуществления используется соединительный узел 32, включающий в себя цилиндрический элемент 32а, соединяющий диск 31 с концом 21 вала 20, а внутри цилиндрического элемента 32а установлен выступающий элемент 33 в форме штока, выступающий в сторону клея. Выступающий элемент 33 выполнен так, что через клей может доходить до космического мусора D. Выступание выступающего элемента 33 из цилиндрического элемента 32а в сторону клея позволяет отделять космический мусор D, захваченный с помощью клея, от этого клея. Кроме того, в случае захвата с помощью клея не космического мусора D, а искусственного спутника или других объектов и транспортировки этого искусственного спутника или других объектов в заданное положение выступание выступающего элемента 33 после транспортировки позволяет отделять искусственный спутник или другие объекты от клея.
Тормозной узел 50, выполняющий функции подавления вращения вала 20, размещен внутри отсека 11 корпуса 10. Тормозной узел 50 может представлять собой тормозное устройство фрикционного типа, которое подавляет вращение вала 20 в результате действия силы трения. В дополнение к тормозному устройству дискового типа, тормозному устройству барабанного типа и тормозному устройству ленточного типа тормозное устройство фрикционного типа может представлять собой функциональное гидродинамическое тормозное устройство, обеспечивающее подавление вращения за счет использования силы трения функциональной жидкости, вязкость которой изменяется под действием прикладываемого извне физического воздействия (например, электрореологической (ER) текучей среды, вязкость которой изменяется под действием прикладываемого извне электрического поля, или магнитореологической (MR) текучей среды, вязкость которой изменяется под действием прикладываемого извне магнитного поля). При этом тормозной узел 50 может включать в себя блок генерирования мощности, осуществляющий преобразование теплоты, образующейся при подавлении вращения вала 20, в электричество. Такая конструкция обеспечивает возможность эффективного использования теплоты, образующейся при подавлении вращения вала 20, для генерирования электроэнергии.
Узел 60 подавления вращения выполняет функции подавления вращения корпуса 10, возникающего при запуске тормозного узла 50. В этом варианте осуществления узел 60 подавления вращения корпуса представляет собой маховик, размещенный в отсеке 11 корпуса 10. В некоторых случаях при вращении корпуса 10 в течение длительного времени энергия вращения маховика для противодействия этому вращению накапливается и приближается к своему предельному значению. Поэтому в предпочтительном варианте устанавливают механизм сброса накопленной энергии вращения (например, магнитную катушку или реактивный двигатель малой тяги).
Устройство 1 подавления вращения также включает в себя непоказанный блок управления для управления работой узлов. Блок управления может управлять работой тормозного узла 50 в соответствии со скоростью вращения вала 20 или управлять работой узла 60 подавления вращения корпуса в соответствии со скоростью вращения корпуса 10.
Далее рассмотрим способ использования устройства 1 подавления вращения согласно этому варианту осуществления.
Прежде всего запускают космический летательный аппарат, на котором смонтировано устройство 1 подавления вращения, и приближают это устройство 1 подавления вращения к космическому мусору D, являющемуся целевым объектом, для оценки космического мусора D с точки зрения, например, оси вращения, угловой скорости и массы. Затем обеспечивают приклеивание и захват этого космического мусора клеем, то есть средством 40 захвата устройства 1 подавления вращения (этап захвата). При этом средство 40 захвата, к которому приклеен космический мусор D, и вращающийся узел 30, на котором закреплено средство 40 захвата, начинают вращение вокруг второй оси А2 вращения вместе с космическим мусором D, и через механизм 70 наклона это вращение передается на вал 20, который начинает вращаться вокруг первой оси А1 вращения.
Блок управления устройства 1 подавления вращения обнаруживает вращение вала 20, запускает тормозной узел 50 и в результате управления работой тормозного узла 50 в соответствии со скоростью вращения вала 20 подавляет вращение вала 20 (этап подавления вращения вала). Таким образом, при запуске тормозного узла 50 под действием силы реакции начинается вращение корпуса 10. Блок управления устройства 1 подавления вращения обнаруживает вращение корпуса 10, запускает узел 60 подавления вращения корпуса и в результате управления работой узла 60 подавления вращения корпуса в соответствии со скоростью вращения корпуса 10 подавляет вращение корпуса 10 (этап подавления вращения корпуса). Следовательно, вращательное движение космического мусора D постепенно ослабляется.
В устройстве 1 подавления вращения согласно варианту осуществления, описываемому выше, средство 40 захвата может захватывать космический мусор D, а вращающийся узел 30, закрепленный на средстве 40 захвата, и вал 20, установленный на вращающемся узле 30, могут вращаться вместе с космическим мусором D. При этом вращение вала 20 может постепенно подавляться тормозным узлом 50, а вращение корпуса 10, возникающее при запуске тормозного узла 50, может подавляться с помощью узла 60 подавления вращения корпуса. То есть за счет приведения, например, средства 40 захвата во вращение с космическим мусором D как единого целого и подавления этого вращения тормозным узлом 50 с последующим подавлением вращения корпуса 10, возникающего при запуске тормозного узла 50 (т.е. за счет передачи углового момента космического мусора D на узел 60 подавления вращения корпуса и последующей нейтрализации этого углового момента этим узлом при поддержании неизменности положения корпуса 10), обеспечивается возможность эффективного подавления вращательного движения космического мусора D относительно больших размеров (с большим угловым моментом).
В устройстве 1 подавления вращения согласно варианту осуществления, описываемому выше, внутри цилиндрического элемента 32а, соединяющего диск 31 и конец 21 вала 20, установлен выступающий элемент 33, выступание которого из цилиндрического элемента 32а в сторону клея (в сторону средства 40 захвата) обеспечивает возможность отделения космического мусора D, захваченного с помощью клея, от этого клея.
В устройстве 1 подавления вращения согласно варианту осуществления, описываемому выше, вал 20 и вращающийся узел 30 имеют возможность совместного вращения в состоянии, при котором ось вращения вала 20 (первая ось А1 вращения) и ось вращения вращающегося узла 30 (вторая ось А2 вращения) образуют заданный угол (то есть с наклоном вращающегося узла 30 относительно вала 20), и этот угол может изменяться. Таким образом, в случае захвата космического мусора D средством 40 захвата вращающийся узел 30 может наклоняться в соответствии с формой и положением космического мусора D, и в этом состоянии вращающийся узел 30 и вал 20 могут вращаться, что обеспечивает возможность использования устройства 1 подавления вращения в самых разных ситуациях и в результате повышает вероятность захвата космического мусора D.
В варианте осуществления, описываемом выше, ось вращения вала 20 (первая ось А1 вращения) является отличной от оси вращения вращающегося узла 30 (от второй ось А2 вращения). В другом варианте изобретения ось вращения вала 20 и ось вращения вращающегося узла 30 могут быть общей осью, что позволяет упростить конструкцию устройства.
В варианте осуществления, описываемом выше, средство 40 захвата представляет собой клей. В другом варианте изобретения средство 40 захвата может быть реализовано в другой форме, позволяющей захватывать космический мусор D (например, в форме удерживающего механизма для удерживания космического мусора D или связывающего вещества, обеспечивающего мгновенное связывание космического мусора D с последующим отверждением).
В варианте осуществления, описываемом выше, целевой объект представляет собой космический мусор D. Однако целевой объект, вращение которого должно быть подавлено с помощью устройства 1 подавления вращения, не ограничивается приведенным примером. Например, использовать устройство 1 подавления вращения можно и для подавления вращения вышедшего из строя искусственного спутника (то есть не космического мусора), предпринимаемого в целях оценки состояния и ремонта этого вышедшего из строя искусственного спутника.
Настоящее изобретение не ограничивается рассмотренным выше вариантом осуществления, и специалисты в данной области техники могут вносить в конструкцию устройства согласно настоящему изобретению соответствующие изменения, которые при условии, что эти изменения включают в себя признаки настоящего изобретения, следует рассматривать как не выходящие за пределы объема настоящего изобретения. То есть элементы, а также размещение, материалы, положение, формы, размеры и т.д. этих элементов в варианте осуществления, рассмотренном выше, не ограничиваются приведенными выше примерами и могут быть подвергнуты соответствующим изменениям. Кроме того, в пределах, допускаемых технологическими возможностями, возможно комбинирование элементов в варианте осуществления, и при условии, что такие комбинации включают в себя признаки настоящего изобретения, эти комбинации следует рассматривать как не выходящие за пределы объема настоящего изобретения.
В случае когда устройство 1 подавления вращения включает в себя реактивный двигатель, такой как реактивный двигатель малой тяги, возможно приклеивание средства 40 захвата в устройстве 1 подавления вращения к целевому объекту и последующее изменение орбиты целевого объекта в результате использования реактивного двигателя устройства 1 подавления вращения. В этом случае функции тормозного узла 50 и узла 60 подавления вращения корпуса устройства 1 подавления вращения могут быть подавлены (или приостановлены), а вращение средства 40 захвата, а также вращающегося узла 30 и вала 20, закрепленных на средстве 40 захвата, вместе с целевым объектом может быть продолжено. Кроме того, возможно также непосредственное закрепление средства 40 захвата на корпусе 10, минуя вращающийся узел 30 и/или вал 20, приклеивание средства 40 захвата к целевому объекту и последующее изменение орбиты целевого объекта в результате использования реактивного двигателя при продолжении вращения средства 40 захвата и корпуса 10 вместе с целевым объектом.
Список ссылочных позиций:
1 - устройство подавления вращения, 10 - корпус, 20 - вал, 21 - конец с противоположной от корпуса стороны, 30 - вращающийся узел, 31 - диск, 32 - соединительный узел, 32а - цилиндрический элемент, 33 - выступающий элемент, 40 - средство захвата, 50 - тормозной узел, 60 - узел подавления вращения корпуса, А1 - первая ось вращения, А2 - вторая ось вращения, D - космический мусор (целевой объект)
1. Устройство подавления вращения целевого объекта в космосе, содержащее:
корпус;
вал, проходящий наружу из корпуса, выполненный с возможностью вращения вокруг первой оси вращения;
вращающийся узел, установленный на конце вала с противоположной от корпуса стороны и выполненный с возможностью вращения вокруг второй оси вращения вместе с валом;
средство захвата, закрепленное на вращающемся узле и выполненное с возможностью захвата целевого объекта;
тормозной узел, установленный в корпусе и выполненный с возможностью подавления вращения вала; и
узел подавления вращения корпуса, выполненный с возможностью подавления вращения корпуса, возникающего при запуске тормозного узла.
2. Устройство подавления вращения по п. 1, отличающееся тем, что
вращающийся узел включает в себя диск и соединительный узел, соединяющий диск с концом вала, а
средство захвата включает в себя клей, закрепленный на поверхности диска.
3. Устройство подавления вращения по п. 2, отличающееся тем, что
соединительный узел включает в себя цилиндрический элемент, соединяющий диск с концом вала, и
выступающий элемент, установленный внутри цилиндрического элемента и выполненный с возможностью выступания в сторону клея.
4. Устройство подавления вращения по п. 2, отличающееся тем, что
между диском и клеем размещен теплоизолятор.
5. Устройство подавления вращения по п. 1, отличающееся тем, что
первая ось вращения и вторая ось вращения представляют собой общую ось вращения.
6. Устройство подавления вращения по п. 1, отличающееся тем, что
вал и вращающийся узел совершают совместное вращение в состоянии, при котором первая ось вращения и вторая ось вращения образуют заданный угол, который может изменяться.
7. Устройство подавления вращения по п. 1, отличающееся тем, что
тормозной узел включает в себя блок генерирования мощности, осуществляющий преобразование теплоты, образующейся при подавлении вращения вала, в электричество.
8. Устройство подавления вращения по п. 1, отличающееся тем, что
узел подавления вращения корпуса представляет собой маховик, установленный внутри корпуса.
