本发明涉及超高速撞击航天器防护技术领域，特别涉及一种抵御物理撞击的卫星柔性可重复折展防御装置。
背景技术：
空间环境日益恶化，空间碎片数量增长速度加快，各航天大国大力发展动能反卫星武器，严重威胁航天器在轨运行安全；现有的空间碎片防护技术采用被动防结构，而且基本用于空间站等大型航天器，只能防御毫米级空间碎片攻击，防护效果欠佳，防护性能有限。有必要设计一种主动式空间碎片防护载荷代替传统固定外挂式被动防护结构，提高卫星生存能力，延长在轨服务寿命。
技术实现要素：
本发明意在提供一种抵御物理撞击的卫星柔性可重复折展防御装置，解决了现有的空间碎片防护结构防护效果差且防护性能有限的问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种抵御物理撞击的卫星柔性可重复折展防御装置，包括对称设置在卫星本体上的电机、与电机连接的可重复折展机构和对接锁紧机构，所述可重复折展机构包括结构相同的根部关节铰、中部关节铰和顶部关节铰，所述根部关节铰转动连接在电机的输出轴上，所述根部关节铰与中部关节铰之间设有第一下连接板、第一上连接板和第一同步带轮，所述根部关节铰用于带动第一连接板和同步带动转动，所述中部关节铰与顶部关节铰之间设有第二下连接板、第二上连接板、第二同步带轮和第三同步带轮，所述中部关节铰设置在第一上连接板上，所述中部关节铰用于带动第二下连接板和第三同步带轮转动，所述第二同步带轮与第一同步带轮之间设有第一同步带，所述顶部关节铰设置在第二上连接板上，所述顶部关节铰与对接锁紧机构之间设有第三下连接板、第三上连接板和第四同步带轮，所述顶部关节铰用于带动第三下连接板转动，所述第四同步带轮与第三同步带轮之间设有第二同步带，所述第三上连接板与第三下连接板之间、第二上连接板与第二下连接板之间、以及第一上连接板与第一下连接板之间均设有柔性防护层，每个所述柔性防护层的两侧均对称设有分别位于第三下连接板、第二下连接板或第一下连接板上的多级缓冲器，所述多级缓冲器可根据不同撞击速度为对应的第三上连接板、第二上连接板或第一上连接板提供多级缓冲减速功能；所述对接锁紧机构包括伸缩套筒、吸片和与吸片相配合的电磁锁体，四个所述伸缩套筒均对称设置在每个可重复折展机构的第三上连接板上，所述吸片和电磁锁体上均设有对接板，两块所述对接板分别与对应的第三上连接板之间设有伸处于压缩状态的缩套筒和爆炸螺栓上。
技术方案的原理及效果：在常规状态下可重复折展机构处于收缩状态，当卫星本体感应到空间碎片的威胁时利用电机带动根部关节铰转动，根部关节铰转动后利用第一同步带轮、第一同步带和第二同步带轮带动中部关节铰转动，中部关节铰转动后利用第三同步带轮、第二同步带和第四同步带轮带动顶部关节铰转动，使得本方案中的两个可重复折展机构展开启动爆炸螺栓，此时伸缩套筒伸长而使得电磁锁体和吸片将两个可重复折展机构固定连接在一起，从而对卫星本体实现了环形包围，可有效的防止空间碎片对卫星本体的破坏，延长了卫星本体的使用寿命。
进一步的，所述根部关节铰包括空间圆柱凸轮和穿射在空间圆柱凸轮中心的丝杠；所述空间圆柱凸轮的两端均设有与丝杠相配合的端盖，每个所述端盖上均设有与丝杠相配合轴承，所述丝杠的一端与电机之间连接有联轴器，所述丝杠的另一端与第一同步带轮连接，所述丝杠上螺纹连接有螺母，所述螺母上设有滚子连接件，所述滚子连接件上穿设有与螺母螺纹连接的螺栓，所述滚子连接件上设有与空间圆柱凸轮相配合的凸轮滚子。
通过上述设置，电机可带动丝杠和螺母转动，螺母转动后通过滚子连接件带动凸轮滚子可沿空间圆柱凸轮上的轨迹移动，使得空间圆柱凸轮转动一定的角度，从而实现了柔性防护层的转动。
进一步的，所述丝杠的形状采用台阶形状。
通过上述设置，借助台阶形状的丝杠可实现螺母的限位，增强了本方案的稳定性。
进一步的，所述多级缓冲器包括第一级缓冲机构、第二级缓冲机构和第三级缓冲机构，所第一级缓冲机构包括第一缸体、壳体和滑动连接在壳体内的活塞杆，所述第一缸体的顶部设有第一端盖，所述第一缸体与活塞杆之间设有缝隙，所述第一缸体的底部设有底座，所述壳体的底部设有注油孔座，所述注油孔座与第一缸体之间、底座与壳体之间均设有“o”型的密封圈，所述活塞杆与第一缸体之间采用油封，所述活塞杆上包覆有与底座连接的复位弹簧；所述第二缓冲机构包括包覆在第一缸体外的第二缸体，第二缸体内填充有缓冲吸能材料；所述第三缓冲机构包括固定连接在第二缸体底部的第三缸体，所述第三缸体与第二缸体连接的空气弹簧。
通过上述设置，在空间碎片撞击可重复折展机构时，根据撞击的速度可通过复位弹簧、缓冲吸能材料和空气弹簧提来提供不同的缓冲力，提高了缓冲的效果，延长了课重复折展机构的使用寿命。
进一步的，所述柔性防护层包括内到外依次设有芳纶纤维布防护层、聚氨酯泡沫和玄武岩纤维织布缓冲层。
与现有技术相比，本方案的有益效果：
1、本方案的可重复折展机构相对于被动式防护结构更加灵活可靠，在未展开、半展开状态依然具备一定的防御能力，当卫星本体遭受到空间碎片撞击的危险预警解除时，可重复折展机构可折叠收拢，对星载天线、雷达等设备的信号接收不造成影响；
2、本方案的丝杠螺旋副具有自锁功能，使得可重复折展机构稳定可靠；
3、本方案采用多级缓冲器与柔性防护层配合使用，其结构紧凑、缓冲吸能、防护性能优异，可根据撞击程度作出不同的缓冲调整，缓冲吸能协调性更好；
4、本方案使用电磁锁体和吸片进行对接锁紧，增强了本方案的稳定性及强度，降低了机构的对接精度，使得对接可靠性更高；
5、本方案应用范围广，除了应用于卫星冲击动能防御外，还可应用到空间站、太空望远镜等重要航天设备，也可应用到地面重要设施、设备等的缓冲防撞击。
附图说明
图1是本发明一种抵御物理撞击的卫星柔性可重复折展防御装置的结构示意图，
图2是本发明一种抵御物理撞击的卫星柔性可重复折展防御装置折叠状态的结构示意图，
图3是本发明中可重复折展机构展开状态的结构示意图，
图4是本发明中根部关节铰的结构示意图，
图5是本发明中多级缓冲器的结构示意图，
图6是本发明中对接锁紧机构的结构示意图，
图7是本发明中伸缩套筒的结构示意图，
图8是本发明中柔性防护层的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
说明书附图中的附图标记包括：卫星本体1、电机2、根部关节铰3、中部关节铰4、顶部关节铰5、丝杠6、螺母7、端盖8、滚子连接件9、凸轮滚子10、第一下连接板11、第一同步带轮12、第一上连接板13、柔性防护层14、多级缓冲器15、第二同步带轮16、第一同步带17、第三同步带轮18、第二下连接板19、第二上连接板20、第四同步带轮21、第三下连接板22、第三上连接板23、第二同步带24、芳纶纤维布防护层25、聚氨酯泡沫26、玄武岩纤维织布缓冲层27、第一缸体28、活塞杆29、第一端盖30、底座31、壳体32、注油孔座33、复位弹簧34、第二缸体35、缓冲吸能材料36、第三缸体37、空气弹簧38、伸缩套筒39、吸片40、电磁锁体41、对接板42、爆炸螺栓43、一级套筒44、二级套筒45、三级套筒46、压缩弹簧47。
实施例
如附图1至图8所示：一种抵御物理撞击的卫星柔性可重复折展防御装置，包括对称设置在卫星本体1上的电机2、与电机2连接的可重复折展机构和对接锁紧机构，可重复折展机构包括结构相同的根部关节铰3、中部关节铰4和顶部关节铰5，根部关节铰3包括空间圆柱凸轮和穿射在空间圆柱凸轮中心的丝杠6，其中根部关节铰3、中部关节铰4和顶部关节铰5中的空间圆柱凸轮可根据转动角度的需要设计不同形状的凸轮槽，本实施例中所有的空间圆柱凸轮的凸轮槽均采用右旋；丝杠6的形状采用台阶形状，丝杠6的左右两端为光轴，丝杠6的左右两端均位于空间圆柱凸轮外，空间圆柱凸轮的两端均卡合有与丝杠6相配合的端盖8，每个端盖8上均设有与丝杠6相配合的轴承，丝杠6的左端与电机2之间连接有联轴器，丝杠6的右端同轴连接有第一同步带轮12，丝杠6上螺纹连接有螺母7，螺母7上设有滚子连接件9，滚子连接件9是圆环块，滚子连接件9上穿设有与螺母7螺纹连接的螺栓，滚子连接件9上设有与空间圆柱凸轮相配合的凸轮滚子10，凸轮滚子10即使阶梯状的圆柱块，凸轮滚子10的底部粘附在滚子连接件上，凸轮滚子10的顶部滑动连接在凸轮槽内。
根部关节铰3与中部关节铰4之间设有第一下连接板11、第一同步带轮12和第一上连接板13，第一下连接板11上焊接有第一支板，第一支板与根部关节铰3上的空间圆柱凸轮铰接；第一同步带轮12插接在根部关节铰3上丝杆的后侧，第一上连接板13与中部关节铰4的空间圆柱凸轮之间焊接有第一支杆，第一上连接板13与第一下连接板11之间设有柔性防护层14和位于柔性防护层14两侧的多级缓冲器15，中部关节铰4上的丝杆后侧同轴连接有第二同步带轮16，第二同步带轮16与第一同步带轮12之间连接有第一同步带17，中部关节铰4上的丝杆前侧同轴连接有第三同步带轮18；中部关节铰4与顶部关节铰5之间设有第二下连接板19和第二上连接板20，第二下连接板19与中部关节铰4上的空间圆柱凸轮之间铰接有第二支板，第二上连接板20与顶部关节铰5之间焊接有第二支杆，第二上连接板20与第二下连接板19之间设有柔性防护层14和位于柔性防护层14两侧的多级缓冲器15；顶部关节铰5的空间圆柱凸轮与第二上连接板20之间铰接有第二支杆，顶部关节铰5与对接锁紧机构之间设有第四同步带轮21、第三下连接板22和第三上连接板23，顶部关节铰5的丝杆前侧与第四同步带轮21同轴连接，第四同步带轮21与第三同步带轮18之间连接有第二同步带24，第三下连接板22与顶部关节铰5的空间圆柱凸轮之间铰接有第三支板；第三下连接板22与第三上连接板23之间设有柔性防护层14和位于柔性防护层14两侧的多级缓冲器15。
上述的柔性防护层14均包括内到外依次设有芳纶纤维布防护层25、聚氨酯泡沫26和玄武岩纤维织布缓冲层27。其中外层的玄武岩纤维织布具有高比强度、耐高温性能优异、耐酸碱、抗紫外线性能强、绝缘性好等特性，对空间碎片的破碎效果好，具有良好的力学性能；聚氨酯泡沫26对柔性防护层14的整体结构起支撑作用，对空间碎片也具优异的缓冲作用，内层的芳纶纤维布可将空间碎片进一步拦截，且具有较强的动能吸收能力，此柔性防护层14结构已在空间站等航天设施得到应用，防护效果明显，相较于同等质量的传统被动防护结构能力提高了50％以上。
上述的多级缓冲器15均包括第一级缓冲机构、第二级缓冲机构和第三级缓冲机构，第一级缓冲机构包括第一缸体28、壳体32和滑动连接在壳体32内的活塞杆29，第一缸体28的顶部设有第一端盖30，第一端盖30下方设有位于第一缸体28与活塞杆29之间的缝隙，该缝隙用于油液的流动，第一缸体28的底部设有底座31，壳体32固定设置在第一缸体28内，壳体32的底部设有位于底座31上的注油孔座33，注油孔座33与底座的中心共同穿设有注油孔，注油孔座33与第一缸体28之间、底座31与壳体32之间均设有“o”型的密封圈，活塞杆29与第一缸体28之间采用油封，活塞杆29与第一缸体28的内壁之间还设有直线轴承，活塞杆29的底部与底座31之间连接有复位弹簧34；第二缓冲机构包括连接在第一缸体28底部的第二缸体35，第二缸体35内填充有位于底座31下的缓冲吸能材料36，本实施例的缓冲吸能材料36采用铝蜂窝缓冲材料；第三缓冲机构包括固定连接在第二缸体35底部的第三缸体37，第三缸体37内设有与第二缸体35连接的空气弹簧38。多级缓冲器15可根据不同撞击速度为对应的第三上连接板23、第二上连接板20或第一上连接板13提供多级缓冲减速功能。
对接锁紧机构包括伸缩套筒39、吸片40和与吸片40相配合的电磁锁体41，四个伸缩套筒39均对称设置在每个可重复折展机构的第三上连接板23上，吸片40和电磁锁体41均上固定连接有对接板42，两块对接板42分别与对应的第三上连接板23之间设有爆炸螺栓43和伸缩套筒39。伸缩套筒39包括一级套筒44、套设在一级套筒44外的二级套筒45和套设在二级套筒45外的三级套筒46，一级套筒44、二级套筒45和三级套筒46外共同包覆有压缩弹簧47。
本方案的工作过程：本装置未工作时，在爆炸螺栓43的连接作用下压缩弹簧47处于压缩状态，一级套筒44和二级套筒45均未伸出，同时两个可重复折展机构均处于收拢状态并依附在卫星本体1的两侧。
当卫星本体1自主感知预警系统感知到空间碎片威胁临近或处于高风险区域时，卫星本体1两侧的电机2启动，电机2启动后通过根部关节铰3的丝杠6带动螺母7和第一同步带轮12转动，螺母7转动后可通过滚子连接件9带动凸轮滚子10沿空间圆柱凸轮的凸轮槽移动，从而带动根部关节铰3转动固定的角度，当螺母7从丝杠6一侧移动至另一侧时停止移动，本实施例中根部关节铰3旋转60°；第一同步带轮12转动后通过第一同步带17和第二同步带轮16带动中部关节铰4的丝杠6转动，该处的丝杠6转动后带动螺母7和第三同步带轮18，本实施例中，中部关节铰4的螺母7转动后可实现中部关节铰4旋转240°；第三同步则通过第二同步带25带动第四同步带轮22转动，第四同步带轮22转动后可带动顶部关节铰5的丝杠6转动，同理，本实施例中，顶部关节铰5可旋转90°，当根部关节铰3、中部关节铰4和顶部关节铰5转动至对应角度后，两个可重复折展机构的电磁锁体41和吸片40相对且位于同一平面。此时两个可重复折展机构上的爆炸螺栓43爆炸解锁，压缩弹簧47在其弹力的作用下带动一级套筒44和二级套筒45滑出，从而实现了伸缩套筒39的伸展，使得电磁锁体41和吸片40相抵，此时对电磁锁体41通电即可锁紧，电磁锁体41产生的吸力为3000n，两个可重复伸展机构连接在一起后实现了对卫星本体1的环形保护层。
以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
1.一种抵御物理撞击的卫星柔性可重复折展防御装置，其特征在于：包括对称设置在卫星本体上的电机、与电机连接的可重复折展机构和对接锁紧机构，所述可重复折展机构包括结构相同的根部关节铰、中部关节铰和顶部关节铰，所述根部关节铰转动连接在电机的输出轴上，所述根部关节铰与中部关节铰之间设有第一下连接板、第一上连接板和第一同步带轮，所述根部关节铰用于带动第一连接板和同步带动转动，所述中部关节铰与顶部关节铰之间设有第二下连接板、第二上连接板、第二同步带轮和第三同步带轮，所述中部关节铰设置在第一上连接板上，所述中部关节铰用于带动第二下连接板和第三同步带轮转动，所述第二同步带轮与第一同步带轮之间设有第一同步带，所述顶部关节铰设置在第二上连接板上，所述顶部关节铰与对接锁紧机构之间设有第三下连接板、第三上连接板和第四同步带轮，所述顶部关节铰用于带动第三下连接板转动，所述第四同步带轮与第三同步带轮之间设有第二同步带，所述第三上连接板与第三下连接板之间、第二上连接板与第二下连接板之间、以及第一上连接板与第一下连接板之间均设有柔性防护层，每个所述柔性防护层的两侧均对称设有分别位于第三下连接板、第二下连接板或第一下连接板上的多级缓冲器，所述多级缓冲器可根据不同撞击速度为对应的第三上连接板、第二上连接板或第一上连接板提供多级缓冲减速功能；所述对接锁紧机构包括伸缩套筒、吸片和与吸片相配合的电磁锁体，四个所述伸缩套筒均对称设置在每个可重复折展机构的第三上连接板上，所述吸片和电磁锁体上均设有对接板，两块所述对接板分别与对应的第三上连接板之间设有伸处于压缩状态的缩套筒和爆炸螺栓上。
2.根据权利要求1所述的一种抵御物理撞击的卫星柔性可重复折展防御装置，其特征在于：所述根部关节铰包括空间圆柱凸轮和穿射在空间圆柱凸轮中心的丝杠；所述空间圆柱凸轮的两端均设有与丝杠相配合的端盖，每个所述端盖上均设有与丝杠相配合轴承，所述丝杠的一端与电机之间连接有联轴器，所述丝杠的另一端与第一同步带轮连接，所述丝杠上螺纹连接有螺母，所述螺母上设有滚子连接件，所述滚子连接件上穿设有与螺母螺纹连接的螺栓，所述滚子连接件上设有与空间圆柱凸轮相配合的凸轮滚子。
3.根据权利要求2所述的一种抵御物理撞击的卫星柔性可重复折展防御装置，其特征在于：所述丝杠的形状采用台阶形状。
4.根据权利要求3所述的一种抵御物理撞击的卫星柔性可重复折展防御装置，其特征在于：所述多级缓冲器包括第一级缓冲机构、第二级缓冲机构和第三级缓冲机构，所第一级缓冲机构包括第一缸体、壳体和滑动连接在壳体内的活塞杆，所述第一缸体的顶部设有第一端盖，所述第一缸体与活塞杆之间设有缝隙，所述第一缸体的底部设有底座，所述壳体的底部设有位于底座上的注油孔座，所述注油孔座与第一缸体之间、底座与壳体之间均设有“o”型的密封圈，所述活塞杆与第一缸体之间采用油封，所述活塞杆上包覆有与底座连接的复位弹簧；所述第二缓冲机构包括包覆在第一缸体外的第二缸体，第二缸体内填充有缓冲吸能材料；所述第三缓冲机构包括固定连接在第二缸体底部的第三缸体，所述第三缸体与第二缸体连接的空气弹簧。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种抵御物理撞击的卫星柔性可重复折展防御装置，其特征在于：所述柔性防护层包括内到外依次设有芳纶纤维布防护层、聚氨酯泡沫和玄武岩纤维织布缓冲层。
技术总结