CN103434658A

CN103434658A - 一种清除空间碎片的方法和装置

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Publication number: CN103434658A
Application number: CN2013103805900A
Authority: CN
Inventors: 李怡勇; 沈怀荣; 李智; 王卫杰; 陈勇; 邵琼玲; 张雅声; 王盛军
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-08-28
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2033-08-28
Also published as: CN103434658B

Abstract

本发明公开了一种清除空间碎片的方法和装置。所述方法是对在原轨道运行的空间碎片施加电磁力；空间碎片在电磁力的作用下速度的大小和/或方向发生改变；改变速度后的空间碎片在地球引力的作用下改在新轨道运行；空间碎片至少在新轨道的近地点高度比该空间碎片在原轨道的近地点高度低；在新轨道运行的空间碎片在大气阻力的作用下最终坠入地球大气层。所述装置包括卫星承载平台；所述卫星承载平台设置有清除空间碎片的电场装置或磁场装置或电场装置和磁场装置的结合。本发明无需对空间碎片位置探测的精度要求很高，可有效地清除微小空间碎片，可以充分利用太阳能发电，节约自带能源，具有结构简单、制造成本低和脉冲作用效果更好的有益效果。

Description

一种清除空间碎片的方法和装置

技术领域

本发明属于航天技术领域，尤其涉及一种清除空间碎片的方法和装置。

背景技术

空间碎片，专指人类在太空活动中产生的废弃物及其衍生物。空间碎片有多种来源。没人能够数清空间碎片的确切数目。人类目前只能对直径10厘米以上的碎片进行跟踪监测，截至2013年4月，这类碎片共有16649多个。其中，开展空间活动时间较长的美、俄两国，所产生的空间碎片约占总数的29.7%和37.6%，我国产生的约占22.5%。小于1厘米的碎片据估计有数千万乃至数亿，航天器已经根本无法避免与其相撞，只能通过加强自身的防护能力来应对。

空间碎片特别是微小空间碎片（1厘米以下）由于数量众多、分布广泛，难以有效监测跟踪，其对空间环境造成的污染已威胁到在轨航天器的安全。如何有效减缓和清除微小空间碎片正成为当前国际上研究的热点和前沿领域。

现有技术中清除空间碎片的方法和装置主要是通过脉冲式激光清除空间碎片。该技术的基本思想是利用高能脉冲激光束照射碎片表面，产生类似于火箭推进的“热物质射流”，为碎片提供一定的速度负增量来降低近地点高度，达到缩短碎片轨道寿命的目的。文献《强激光清除空间碎片的力学行为初探》（彭玉峰,盛朝霞等，应用激光，2004.24(1)：24-26）对脉冲式激光清除空间碎片技术的理论进行了初步分析，计算了在理想情况下清除近地轨道（LEO）小于10cm空间碎片所需的激光器参数。利用脉冲式激光的作用力改变空间碎片运行轨道；脉冲式激光清除碎片技术需要的是点对点的推力，这就意味着对碎片位置探测与瞄准发射的精度要求非常高，因此，对微小空间碎片（1厘米以下）几乎无法有效地清除。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种清除空间碎片的方法，使用该方法无需对空间碎片位置探测的精度要求很高，可有效地清除微小空间碎片（1厘米以下）。

本发明要解决的另一个技术问题是提供一种清除空间碎片的装置，该装置无需对空间碎片位置探测的精度要求很高，可有效地清除微小空间碎片（1厘米以下）。

就清除空间碎片的方法而言，为解决上述技术问题，本发明提供了一种清除空间碎片的方法，对在原轨道运行的空间碎片施加电磁力；所述电磁力包括电场力或磁场力或电场力和磁场力的结合；所述电场力和磁场力的结合是先对空间碎片施加电场力再对空间碎片施加磁场力，或先对空间碎片施加磁场力再对空间碎片施加电场力，或对空间碎片施加电场力的同时还对空间碎片施加磁场力；空间碎片在电磁力的作用下速度的大小和/或方向发生改变；改变速度后的空间碎片在地球引力的作用下改在新轨道运行；空间碎片至少在新轨道的近地点高度比该空间碎片在原轨道的近地点高度低；在新轨道运行的空间碎片在大气阻力的作用下最终坠入地球稠密大气层。

所述电场力的方向与空间碎片速度的方向之间的夹角大于或等于63.4°且小于或等于243.4°。

所述电场力的方向与空间碎片速度的方向之间的夹角大于或等于150°且小于或等于160°。

所述电磁力中的电场力是脉冲电场力。

本发明清除空间碎片的方法相对于现有技术具有以下有益效果。

1、本技术方案由于采用了对在原轨道运行的空间碎片施加电磁力的技术手段，空间碎片通常带有负电荷，所以，空间碎片在电磁力的作用下速度的大小和/或方向发生改变，改变速度后的空间碎片在地球引力的作用下改在新轨道运行；空间碎片至少在新轨道的近地点高度比该空间碎片在原轨道的近地点区高度低；在新轨道运行的空间碎片在大气阻力的作用下最终坠入地球大气层。又由于电磁力是通过电场和磁场实现的，而电场和磁场可在较大范围内产生，空间碎片与电场和磁场相比，好似一个小球体和一个大空间相比一样，因为空间碎片的数量很多，所以，空间碎片很容易进入电场和磁场的作用范围。使用该方法无需对空间碎片位置探测的精度要求很高，可有效地清除微小空间碎片（1厘米以下）。

2、本技术方案由于采用了电场力的方向与空间碎片速度的方向之间的夹角大于或等于63.4°且小于或等于243.4°的技术手段，所以，可确保空间碎片向地心方向运行。

3、本技术方案由于采用了电场力的方向与空间碎片速度的方向之间的夹角大于或等于150°且小于或等于160°的技术手段，所以，可确保空间碎片更显著地向地心方向运行。

4、本技术方案由于采用了电磁力中的电场力是脉冲电场力的技术手段，脉冲电场力对空间碎片具有很大的冲击作用，所以，可进一步提高对空间碎片的作用效果。

就清除空间碎片的装置而言，为解决上述技术问题，本发明提供了一种清除空间碎片的装置，包括卫星承载平台；所述卫星承载平台设置有清除空间碎片的电场装置或磁场装置或电场装置和磁场装置的结合。

所述清除空间碎片的电场装置包括两个相互间隔一定距离、相面对且相互平行的网状电容板；所述两个网状电容板分别与直流电源的正极和负极电连接；所述清除空间碎片的磁场装置包括两个相互间隔一定距离、相面对且相互平行的板状磁铁；其中，一个板状磁铁的S极与另一个板状磁铁的N极相面对；所述清除空间碎片的电场装置和磁场装置的结合是：所述电场装置和所述磁场装置相并置，即所述磁场装置的两个板状磁铁位于所述电场装置的一个网状电容板的外侧，所述两个板状磁铁相互平行并垂直于所述网状电容板；所述电场装置中的电力线与所述磁场装置中的磁力线垂直；或者，所述电场装置和所述磁场装置相交置，即所述磁场装置的两个板状磁铁位于所述电场装置两个网状电容板之间的两侧，所述两个网状电容板分别垂直于所述两个板状磁铁；所述电场装置中的电力线与所述磁场装置中的磁力线垂直。

所述两个网状电容板通过电场脉冲装置分别与直流电源的正极和负极电连接；所述磁场装置中的两个板状磁铁相背的面通过两端向内弯折的“U”形铁芯固定连接；所述“U”形铁芯上绕有线圈；所述线圈的两端分别与所述电源的正极和负极电连接；所述电源是太阳能电池或太阳能蓄电池。

所述电场脉冲装置包括第一三极管和第二三极管；第一三极管的基极与第二三极管的集电极电连接；所述第二三极管的基极与电阻的一端和第一电容的一端电连接；所述电阻的另一端与第一三极管的发射极、第二电容的一端和电源的正极电连接；所述第二电容的另一端与电源的负极、第二三极管的发射极和升压变压器初极线圈的一端电连接；所述第一电容的另一端与第一三极管的集电极和升压变压器初极线圈的另一端电连接；所述升压变压器次极线圈的两端分别与所述两个网状电容板电连接。

所述清除空间碎片的装置设置有控制器和空间碎片探测器；所述空间碎片探测器的信号输出端与所述控制器的信号输入端电连接；所述两个网状电容板之间通过短路开关电连接；所述短路开关的信号输入端与所述控制器的信号输出端电连接；所述两个网状电容板与所述电场脉冲装置之间通过第一电极切换开关装置电连接，或者，所述电场脉冲装置与电源之间通过第一电极切换开关装置电连接；所述第一电极切换开关装置的信号输入端与所述控制器的信号输出端电连接；所述两个板状磁铁和所述“U”形铁芯分别由软铁或硅钢材料制作而成；所述线圈两端通过第二电极切换开关装置分别与直流电源的正极和负极电连接；所述第二电极切换开关装置的信号输入端与所述控制器的信号输出端电连接。

本发明清除空间碎片的装置相对于现有技术具有以下有益效果。

1、本技术方案由于采用了卫星承载平台，卫星承载平台设置有清除空间碎片的电场装置或磁场装置或电场装置和磁场装置结合的技术手段，空间碎片通常带有负电荷，所以，空间碎片在电场装置和/或磁场装置的作用下速度的大小和/或方向发生改变，改变速度后的空间碎片在地球引力的作用下改在新轨道运行；空间碎片至少在新轨道的近地点高度比该空间碎片在原轨道的近地点高度低；在新轨道运行的空间碎片在大气阻力的作用下最终坠入地球大气层。又由于电磁力是通过电场和磁场实现的，而电场和磁场可在较大范围内产生，空间碎片与电场和磁场相比，好似一个小球体和一个大空间相比一样，因为空间碎片的数量很多，所以，空间碎片很容易进入电场和磁场的作用范围。使用该方法无需对空间碎片位置探测的精度要求很高，可有效地清除微小空间碎片（1厘米以下）。

2、本技术方案由于采用了清除空间碎片的电场装置包括两个相互间隔一定距离、相面对且相互平行的网状电容板，两个网状电容板分别与直流电源的正极和负极电连接的技术手段，所以，具有结构简单，制造容易的有益效果。当采用了清除空间碎片的磁场装置包括两个相互间隔一定距离、相面对且相互平行的板状磁铁；其中，一个板状磁铁的S极与另一个板状磁铁的N极相面对的技术手段，同样地，具有结构简单，制造容易的有益效果。当采用了电场装置和磁场装置相并置，电场装置的两个网状电容板分别垂直于所述磁场装置的两个板状磁铁，电场装置中的电力线与所述磁场装置中的磁力线交叉垂直的技术手段，不但具有结构简单，制造容易的有益效果，而且，可充分发挥电场力和磁场力各自的优势，更有利地清除空间碎片。当采用了电场装置和磁场装置相交置，电场装置的两个网状电容板分别垂直于磁场装置的两个板状磁铁，电场装置中的电力线与磁场装置中的磁力线相交垂直的技术手段，不但具有上述的技术效果，而且，还有利于将电场装置和磁场装置紧凑地组合在一起，便于将清除空间碎片的装置送入太空。

3、本技术方案由于采用了两个网状电容板通过电场脉冲装置分别与直流电源的正极和负极电连接的技术手段，所以，可进一步提高对空间碎片的作用效果。采用连续脉冲电压工作方式，一是可以减轻操控平台充电装置持续承受高电压的负载；二是可以有效减缓高压电极对周围环境中等离子体的吸附作用，避免在其周围形成等离子体屏蔽（即德拜屏蔽，避免使高压电极的电场作用距离只局限在很短的距离之内）。又由于采用了磁场装置中的两个板状磁铁相背的面通过两端向内弯折的“U”形铁芯固定连接，“U”形铁芯上绕有线圈，线圈的两端分别与电源的正极和负极电连接的技术手段，所以，可实现对磁场的控制；还由于采用了电源是太阳能电池或太阳能蓄电池的技术手段，所以，可以充分利用太阳能发电，节约自带能源。

4、本技术方案由于采用了电场脉冲装置包括两个三极管；第一三极管的基极与第二三极管的集电极电连接；第二三极管的基极与电阻的一端和第一电容的一端电连接；电阻的另一端与第一三极管的发射极、第二电容的一端和电源的正极电连接；第二电容的另一端与电源的负极、第二三极管的发射极和升压变压器初极线圈的一端电连接；第一电容的另一端与第一三极管的集电极和升压变压器初极线圈的另一端电连接；升压变压器次极线圈的两端分别与所述两个网状电容板电连接的技术手段，所以，具有结构简单、制造成本低和脉冲作用效果更好的有益效果。

5、本技术方案由于采用了清除空间碎片的装置设置有控制器和空间碎片探测器，空间碎片探测器的信号输出端与控制器的信号输入端电连接的技术手段，所以，可提前预测出空间碎片的运行状态，为实现清除空间碎片装置的自动控制提供了有利的条件。又由于采用了两个网状电容板之间通过短路开关电连接，短路开关的信号输入端与所述控制器的信号输出端电连接，两个网状电容板与电场脉冲装置之间通过第一电极切换开关装置电连接，第一电极切换开关装置的信号输入端与所述控制器的信号输出端电连接的技术手段，所以，不但控制器可以根据空间碎片的位置和运行的方向改变电场的方向，而且，还可以进一步地减轻操控平台充电装置持续承受高电压的负载；更有效地减缓高压电极对周围环境中等离子体的吸附作用，避免在其周围形成等离子体屏蔽（即德拜屏蔽，避免使高压电极的电场作用距离只局限在很短的距离之内）。当采用了两个板状磁铁和“U”形铁芯分别由软铁或硅钢材料制作而成，线圈两端通过第二电极切换开关装置分别与直流电源的正极和负极电连接，第二电极切换开关装置的信号输入端与控制器的信号输出端电连接的技术手段，同样地，控制器可以根据空间碎片的位置和运行的方向改变磁场的方向。

附图说明

图1为本发明的方法通过电磁力清除空间碎片的总体构思示意图。

图2为本发明的方法通过电场力清除空间碎片第一种实施例的示意图。

图3为本发明的方法通过电场力清除空间碎片第二种实施例的示意图。

图4为本发明的方法通过电场力清除空间碎片第三种实施例的示意图。

图5为本发明的方法通过磁场力清除空间碎片实施例的示意图。

图6为本发明清除空间碎片的装置结构示意图（仅示出电场装置）。

图7为本发明清除空间碎片的装置（电场）第一种清除空间碎片状态的示意图。

图8为本发明清除空间碎片的装置（电场）第二种清除空间碎片状态的示意图。

图9为本发明清除空间碎片的装置（磁场）第一种清除空间碎片状态的示意图。

图10为本发明清除空间碎片的装置（磁场）第二种清除空间碎片状态的示意图。

图11为本发明清除空间碎片的装置中电场装置和磁场装置并置的结构示意图。

图12为本发明清除空间碎片的装置中电场装置和磁场装置交置的结构示意图。

图13为本发明清除空间碎片的装置中电场脉冲装置电路结构的示意图。

图14为本发明清除空间碎片的装置中控制器与各部件电连接的示意图。

图15为空间碎片在轨寿命（年）与轨道高度（千米）的对应关系示意图。

图16为空间碎片速度增量矢量示意图。

图17为空间碎片速度夹角与降轨高度的关系示意图。

图18为空间碎片表面充电悬浮电压与降轨高度的关系（d=1cm）示意图。

图19为空间碎片移动电势差与降轨高度的关系（d=1cm）示意图。

图20为空间碎片直径与降轨高度的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

如图1至图5所示，本发明实施方式提供的一种清除空间碎片的方法，对在原轨道运行的空间碎片2施加电磁力F；所述电磁力F包括电场力F_e或磁场力F_m或电场力F_e和磁场力F_m的结合；所述电场力F_e和磁场力F_m的结合是先对空间碎片2施加电场力F_e再对空间碎片2施加磁场力F_m，或先对空间碎片2施加磁场力F_m再对空间碎片2施加电场力F_e，或对空间碎片2施加电场力F_e的同时还对空间碎片施加磁场力F_m；空间碎片2在电磁力F的作用下速度V的大小和/或方向发生改变；改变速度后的空间碎片2在地球1引力的作用下，离开原轨道向新轨道运行，新轨道的近地点高度小于原轨道近地点的高度；在新轨道运行的空间碎片2在大气3阻力的作用下最终坠入地球稠密大气层1内。

从图2中可以看出，假设空间碎片2开始时在原轨道作匀速圆周运动，当在电场力Fe的作用下，该电场力Fe的方向与空间碎片2运行速度的方向之间的夹角大于90°且电场力Fe的方向偏向地心一侧，空间碎片2速度的大小和方向均改变，在地球引力的作用下，空间碎片2离开原轨道向离地面更近的椭圆轨道运行。由于离地面越近大气越稠密，空间碎片飞行的大气阻力也就越大，所以，空间碎片2在大气3阻力的作用下轨道高度会不断降低，最终坠入地球稠密大气层1内。

从图3中可以看出，假设空间碎片2开始时在原轨道作匀速圆周运动，当在电场力Fe的作用下，该电场力Fe的方向与空间碎片2运行速度的方向之间的夹角等于90°且电场力Fe的方向背离地心，空间碎片2速度的大小和方向均改变，在地球引力的作用下，空间碎片2的轨道偏心率增加形成椭圆轨道，椭圆轨道近地点高度小于原轨道高度，空间碎片2在椭圆轨道近地点区域内大气阻力增大。空间碎片2在大气3阻力的作用下最终坠入地球稠密大气层1内。

从图4中可以看出，假设空间碎片2开始时在原轨道作匀速圆周运动，当在电场力Fe的作用下，该电场力Fe的方向与空间碎片2运行速度的方向之间的夹角等于90°且电场力Fe的方向指向地心，空间碎片2速度的大小和方向均改变，在地球引力的作用下，空间碎片2的轨道偏心率增加形成椭圆轨道，椭圆轨道近地点高度小于原轨道高度，空间碎片2在椭圆轨道近地点区域内大气阻力增大。空间碎片2在大气3阻力的作用下最终坠入地球稠密大气层1内。

从图5中可以看出，假设空间碎片2开始时在原轨道作匀速圆周运动，当在磁场力Fm的作用下，该磁场力Fm的方向与空间碎片2运行速度的方向之间的夹角等于90°且磁场力Fm的方向指向地心，空间碎片2速度的方向改变，在地球引力的作用下，空间碎片2的轨道偏心率增加形成椭圆轨道，椭圆轨道近地点高度小于原轨道高度，空间碎片2在椭圆轨道近地点区域内大气阻力增大。空间碎片2在大气3阻力的作用下最终坠入地球稠密大气层1内。

以上的分析可以推广到空间碎片2开始时在原轨道作椭圆变速运动的情形。

经研究发现，空间碎片在空间等离子体环境中飞行时通常带有负电荷。通过设计产生一个人造电场，当带电空间碎片飞过人造电场时产生电场力的作用，使空间碎片减速，从而降低空间碎片的运行轨道，使其直接坠入大气层烧毁或者因大气阻力增大加速坠入大气层，达到清除空间碎片的目的。

本发明的特点是根据空间碎片在自然空间等离子体环境中带电的固有属性，利用电场或磁场作用的非接触性和方向性，对一定区域内的带电物体施加电场力和/或磁场力作用，使其获取一定的速度增量（通常为负增量）进而改变运行轨道，而无需事先精确跟踪每个微小碎片的状态。

由于地球周围的大气在离地面越高处越稀薄，对在轨空间碎片的阻力越弱，空间碎片在轨寿命越长。相反，如果轨道高度降低，则因大气阻力增加，空间碎片在轨寿命会大大缩短，如图15所示。一般，在离地面高度小于2000km的轨道上大气阻力作用比较明显，所以，本发明清除的对象主要是离地面高度小于2000km的微小空间碎片。

以下对空间碎片在自然环境中的带电情况加以说明。

空间等离子体是空间环境的重要组成部分，几乎充满整个日地空间，地球周围大多数的轨道环境都处于等离子体状态。在离地面高度小于2000km的轨道区域和处于等离子体状态的地球电离层基本重合。电离层是由太阳高能电磁辐射、宇宙线和沉降粒子作用于高层大气，使之产生电离而生成的由电子、离子和中性离子构成的能量很低的准中性等离子体区域，温度为180~3000K。空间等离子体的密度、组分、能量随高度而变化。表1给出了60~2000km高度范围内在太阳活动高峰时的典型电子密度随高度的变化值，其浓度峰值一般出现在高度约300km处。

表1太阳活动高峰时的典型电子密度、电子能量随高度的变化值

离地面高度/km	电子密度/cm-3
		60	2 10²
85	1 10⁴
		140	210⁵
200	5 10⁵
		300	2 10⁶
400	1.5 10⁶
		500	1 10⁶
600	6 10⁵
		700	4 10⁵
800	3 10⁵
		900	2 10⁵
1000	1 10⁵
		2000	2.5 10⁴

空间碎片在空间等离子体环境中飞行时表面通常会累积一定量的负电荷，相对空间环境呈现负电位。研究表明，在低地球轨道（LEO，轨道高度小于2000km）环境中，空间物体表面充负电，电位一般在几伏至几十伏，高时可达上千伏。

作为本实施方式的一种改进，所述电场力的方向与空间碎片速度的方向之间的夹角大于或等于63.4°且小于或等于243.4°。

本实施方式由于采用了电场力的方向与空间碎片速度的方向之间的夹角大于或等于63.4°且小于或等于243.4°的技术手段，所以，可确保空间碎片向地心方向运行。

作为本实施方式的进一步的改进，所述电场力的方向与空间碎片速度的方向之间的夹角大于或等于150°且小于或等于160°。

作为本实施方式再进一步的改进，所述电磁力F中的电场力F_e是脉冲电场力。

利用人造电场装置清除空间碎片的效果分析。

人造电场装置产生的（优选为脉冲）电势作用于带负电荷的空间碎片，相当于对空间碎片施加了一个冲量，使空间碎片瞬时获得一定的速度增量。空间碎片获得速度增量也即空间碎片获得一定的能量。

若带电量为q的空间碎片在电场中移动的电势差为ΔV _p，则人造电场对空间碎片的做功大小为

(1)

其中，带电量q可由下式近似求得

(2)

式中，真空电容率

，d为碎片直径，V _f为空间碎片表面充电后的悬浮电位。把式(2)代入式(1)得

Figure 2013103805900100002DEST_PATH_IMAGE005

(3)

人造电场对空间碎片所做的功转换为空间碎片的动能，有

(4)

式中，

Figure 2013103805900100002DEST_PATH_IMAGE007

即为人造电场作用后空间碎片获得的速度增量。将式(3)带入上式有

(5)

对于球形空间碎片有

Figure 2013103805900100002DEST_PATH_IMAGE009

(6)

式中，为空间碎片密度，一般可取

。

将(6)带入(5)可得

(7)

人造电场的目的是降低空间碎片的轨道高度，而轨道高度仅取决于轨道的半长轴和偏心率。由轨道动力学知识可知，轨道半长轴和偏心率在冲量作用下的瞬时变化为

(8)

(9)

式中，

、、

、

分别为轨道半长轴、偏心率、真近地角、偏近点角，

为空间碎片平均运动角速度，

、

分别为人造电场作用下在空间碎片轨道径向和横向产生的速度增量，如图16所示。

又轨道近地点高度r _p为

(10)

若空间碎片的初始轨道为圆轨道（e=0），则(8)和(9)可进一步简化为

(11)

(12)

而空间碎片平均运动角速度为

(13)

式中，地球引力常数

。

如图16所示，将角θ称为速度增量和空间碎片轨道速度的速度夹角，速度增量在横向和径向的分量可表示为

(14)

(15)

如空间碎片初始轨道为圆轨道，结合式(10)、(11)和(12)可得，脉冲电压作用前后空间碎片近地点轨道的改变量为

(16)

将式(14)和(15)带入上式可得

(17)

式(17)即为评价人造电场空间操控效果的模型依据（Δr _p与在轨寿命的关系可以参见图15）。结合式(7)可以看出，影响人造电场操控效果（Δr _p）的主要因素为：

速度夹角θ

空间碎片表面充电悬浮电压V _f

空间碎片在人造电场中移动的电势差ΔV _p

空间碎片直径d

下面结合具体案例分析各个因素对操控效果的影响。在案例分析中，取表2中太阳活动一般周期的等离子体参数。

表2太阳活动一般周期条件下LEO轨道上电离层的等离子体特征

参数	符号	数值
			轨道高度	h	320km
电子/离子密度		1×10⁵cm^-3
			电子/离子温度		约1000K
电子热力速度		约200km/s
			离子热力速度		1.1km/s
轨道速度		7.7km/s

速度夹角θ对操控效果Δr _p的影响分析

1）理论分析

根据式(17)，假设其他参数不变，只把速度夹角θ作为变量，则空间碎片轨道高度改变量Δr _p随θ的改变有周期性的变化。对两端求θ的偏导数，并使其等于0，即

，可得

(18)

所以，当速度夹角θ满足上式时，Δr _p取极值。

根据式(7)易知，对于LEO轨道上的厘米或毫米级空间物体，所获得的速度增量

一般远小于其轨道速率v ₀，即存在如下关系

Δv<<na=v ₀(19)

此时，要求

(20)

所以

，式(18)可简化为

(21)

求解得，速度夹角θ=153.4°或333.4°，此时，Δr _p取极值。该结论在确定操控方向时具有重要意义，可在图17的改进中用于控制电容板的方向，使其电场线的方向与碎片的飞行方向满足式(21)的最佳减速效果。

2）案例分析

【案例1】设直径为1cm的空间碎片处于320km高度的圆轨道上，表3是相关输入参数。经计算，速度夹角θ和空间碎片轨道高度改变量Δr _p之间的关系如图17所示。可以看出当速度夹角为155°左右时，降轨高度最大约为-280m，此时操控平台处于最佳作用位置，具有最好的操控效果。这也验证了上面理论分析的结论。

表3案例输入参数

轨道高度/km	空间碎片直径/cm	空间碎片移动电势差/V	充电电位/V
				320	1	-10⁸	-0.28

Δr _p的影响分析

1）理论分析

根据式(17)，假设其他参数不变，只把空间碎片表面充电悬浮电压V _f作为变量，并且式(20)成立，则空间碎片轨道高度改变量Δr _p与V _f的关系可简化为

(22)

即，Δr _p与V _f的平方根近似成正比。

2）案例分析

速度夹角取155°，其他参数与【案例1】一致，图18是空间碎片轨道高度改变量Δr _p与空间碎片表面充电悬浮电压V _f之间的关系。从图中可以看出对于直径为1cm量级的空间碎片，当空间碎片表面充电悬浮电压为-0.1V时就能取得-172m的降轨效果，当空间碎片表面充电悬浮电压为-1V时能取得-544m的降轨效果，而在太阳活动高峰期当空间碎片表面充电悬浮电压达到-10³V时能取得17.2km的降轨效果。

空间碎片移动电势差ΔV _p对操控效果Δr _p的影响分析

1）理论分析

与空间碎片表面充电悬浮电压V _f对操控效果Δr _p的影响类似，由式(22)可知，Δr _p与空间碎片移动电势差ΔV _p的平方根近似成正比。

2）案例分析

速度夹角取155°，其他参数与【案例1】一致，图19是空间碎片轨道高度改变量Δr _p与空间碎片移动电势差ΔV _p之间的关系。从图中可以看出对于直径为1cm量级的空间碎片，当空间碎片移动电势差达到-10⁵V量级时能取得-9m的降轨效果，当空间碎片移动电势差达到-10⁶V时能取得-29m的降轨效果，当空间碎片移动电势差达到-10⁷V时能取得-91m的降轨效果，当空间碎片移动电势差达到-10⁸V时能取得-288m的降轨效果，当空间碎片移动电势差达到-10⁹V时能取得-912m的降轨效果，当空间碎片移动电势差达到-10¹⁰V时能取得-2885m的降轨效果。

空间碎片直径d对操控效果Δr _p的影响分析

1）理论分析

根据式(17)，假设其他参数不变，只把空间碎片直径d作为变量，与空间碎片表面充电悬浮电压V _f对操控效果Δr _p的影响类似，由式(22)可知，Δr _p与d的近似成反比，即d越小Δr _p越大，也就是说空间碎片尺寸越小则操控效果越好。

2）案例分析

速度夹角取155°，其他参数与【案例1】一致，图20是空间碎片轨道高度改变量Δr _p与空间碎片直径d之间的关系。从图中可以看出当空间碎片移动电势差达到-10⁸V量级时，对于直径为10cm的空间碎片能取得-29m的降轨效果，对于直径为1cm的空间碎片能取得-288m的降轨效果，对于直径为1mm的空间碎片能取得-2884m的降轨效果，对于直径为0.1mm的空间碎片则能取得-28.8km的降轨效果。

需要指出的是，上述案例主要针对太阳活动一般周期时的情况，若在太阳活动高峰期，空间碎片表面充电悬浮电压V _f将大约上升3个数量级，而上述降轨高度的结果也将提高1~2个数量级。

如图6至图12所示，本发明提供了一种清除空间碎片的装置4，包括卫星承载平台41；所述卫星承载平台41设置有清除空间碎片的电场装置42（参见图6、图7和图8）或磁场装置43（参见图9和图10）或电场装置42和磁场装置43的结合（参见图11和图12）。

作为本实施方案的一种改进，如图6至图12所示，所述清除空间碎片的电场装置42包括两个相互间隔一定距离、相面对且相互平行的网状电容板421；所述两个网状电容板421分别与直流电源44的正极和负极电连接（参见图6、图7和图8）；所述清除空间碎片的磁场装置43包括两个相互间隔一定距离、相面对且相互平行的板状磁铁431；其中，一个板状磁铁431的S极与另一个板状磁铁431的N极相面对（参见图9和图10）；所述清除空间碎片的电场装置42和磁场装置43的结合是：所述电场装置42和所述磁场装置43相并置，所述电场装置42的两个网状电容板421分别垂直于所述磁场装置43的两个板状磁铁431；所述电场装置42中的电力线与所述磁场装置43中的磁力线交叉垂直（参见图11）；或者，所述电场装置42和所述磁场装置43相交置，所述电场装置42的两个网状电容板421分别垂直于所述磁场装置43的两个板状磁铁431；所述电场装置42中的电力线与所述磁场装置43中的磁力线相交垂直（参见图12）。从图6可以看出，两个网状电容板421分别通过机械支撑结构5与卫星承载平台41相连，两个网状电容板421之间也可以通过绝缘体固连以保持相对几何位置，两个网状电容板421的板面大小可以为几十平方米甚至上千平方米。两个网状电容板421的形状可以为矩形或正方形或圆形或椭圆形。所述网状电容板421上的网孔面积可以为1平方厘米至1平方米。同样，对于磁场装置43与卫星承载平台41的连接，以及电场装置42和磁场装置43的结合与卫星承载平台41的连接可参照上述结构进行连接。

采用网状电容板，可以让微小空间碎片2顺利穿越而不对电容板造成损坏；当遭遇大尺寸碎片时，则要进行躲避，以免对电容板或卫星本体造成破坏。

作为本实施方式进一步的改进，如图6至图10所示，所述两个网状电容板421通过电场脉冲装置45分别与直流电源44的正极和负极电连接（参见图6、图7和图8）；所述磁场装置43中的两个板状磁铁431相背的面通过两端向内弯折的“U”形铁芯433固定连接；所述“U”形铁芯433上绕有线圈432；所述线圈432的两端分别与所述电源44的正极和负极电连接（参见图9和图10）；所述电源44是太阳能电池或太阳能蓄电池。

作为本实施方式再进一步的改进，如图13所示，所述电场脉冲装置45包括两个三极管Q1和Q2；第一三极管Q1为PNP型三极管，第二三极管Q2为NPN型三极管。第一三极管Q1的基极与第二三极管Q2的集电极电连接；所述第二三极管Q2的基极与电阻R的一端和第一电容C1（电解电容）的一端（正极）电连接；所述电阻R的另一端与第一三极管Q1的发射极、第二电容C2（电解电容）的一端（正极）和电源44的正极电连接；所述第二电容C2的另一端（负极）与电源44的负极、第二三极管Q2的发射极和升压变压器L初极线圈的一端电连接；所述第一电容C1的另一端（负极）与第一三极管Q1的集电极和升压变压器L初极线圈的另一端电连接；所述升压变压器L次极线圈的两端分别与所述两个网状电容板421电连接。

作为本实施方式还进一步的改进，如图6至图10和图14所示，所述清除空间碎片的装置4设置有控制器6和空间碎片探测器46；所述空间碎片探测器46的信号输出端与所述控制器6的信号输入端电连接；所述两个网状电容板421之间通过短路开关47电连接；所述短路开关47的信号输入端与所述控制器6的信号输出端电连接；所述两个网状电容板421与所述电场脉冲装置45之间通过第一电极切换开关装置48电连接，或者，所述电场脉冲装置45与电源44之间通过第一电极切换开关装置48电连接（此时的电场脉冲装置45可以是开关脉冲装置）；所述第一电极切换开关装置48的信号输入端与所述控制器6的信号输出端电连接；所述两个板状磁铁431和所述“U”形铁芯433分别由软铁或硅钢材料制作而成；所述线圈两端通过第二电极切换开关装置49分别与直流电源44的正极和负极电连接；所述第二电极切换开关装置49的信号输入端与所述控制器6的信号输出端电连接。

从图7中可以看出，清除空间碎片的装置以速度V_z逆时针绕地心运行，清除空间碎片的装置有一个电场装置。带负电荷的空间碎片以速度V₀ 顺时针绕地心运行。当空间碎片探测器探测到空间碎片从图中左侧飞来时，空间碎片探测器将信号传送给控制器。当空间碎片飞入图中左侧的网状电容板时，控制器向第一电极切换开关装置发出控制信号。在第一电极切换开关装置的作用下，图中左侧的网状电容板带有正电荷，图中右侧的网状电容板带有负电荷，两个网状电容板之间形成电场，而且，在电场脉冲装置的作用下，形成的电场为脉冲电场。空间碎片在脉冲电场的作用下速度减小并飞出图中右侧的网状电容板。此时，控制器向第一电极切换开关装置发出控制信号，第一电极切换开关装置处于断开状态。控制器向短路开关发出控制信号，短路开关闭合，两个网状电容板放电。控制器再次向短路开关发出控制信号，短路开关断开。飞出后的空间碎片在地球引力的作用下偏向地心运行，在大气阻力的作用下最终坠入地球大气层。

从图8中可以看出，清除空间碎片的装置以速度V_z逆时针绕地心运行，清除空间碎片的装置有一个电场装置。带负电荷的空间碎片以速度V₀ 也逆时针绕地心运行。当空间碎片探测器探测到空间碎片从图中右侧飞来时，空间碎片探测器将信号传送给控制器。当空间碎片飞入图中右侧的网状电容板时，控制器向第一电极切换开关装置发出控制信号。在第一电极切换开关装置的作用下，图中右侧的网状电容板带有正电荷，图中左侧的网状电容板带有负电荷，两个网状电容板之间形成电场，而且，在电场脉冲装置的作用下，形成的电场为脉冲电场。空间碎片在脉冲电场的作用下速度减小并飞出图中左侧的网状电容板。此时，控制器向第一电极切换开关装置发出控制信号，第一电极切换开关装置处于断开状态。控制器向短路开关发出控制信号，短路开关闭合，两个网状电容板放电。控制器再次向短路开关发出控制信号，短路开关断开。飞出后的空间碎片在地球引力的作用下偏向地心运行，在大气阻力的作用下最终坠入地球大气层。

从图9中可以看出，清除空间碎片的装置有一个磁场装置。带负电荷的空间碎片以速度V₀ 从纸内向纸外飞出。当空间碎片探测器探测到空间碎片从纸内向纸外飞出时，空间碎片探测器将信号传送给控制器。当空间碎片飞入图中两个板状磁铁之间时，控制器向第二电极切换开关装置发出控制信号。在第二电极切换开关装置的作用下，图中左侧的板状磁铁为N极，图中右侧的板状磁铁为S极，两个板状磁铁之间形成磁场。空间碎片在磁场的作用下速度的方向向地心偏转并从图中两个板状磁铁之间飞出。此时，控制器向第二电极切换开关装置发出控制信号，第二电极切换开关装置处于断开状态。两个板状磁铁之间的磁场消失。飞出后的空间碎片在地球引力的作用下偏向地心运行，在大气阻力的作用下最终坠入地球大气层。

从图10中可以看出，清除空间碎片的装置有一个磁场装置。带负电荷的空间碎片以速度V₀ 从纸外向纸内飞入。当空间碎片探测器探测到空间碎片从纸外向纸内飞入时，空间碎片探测器将信号传送给控制器。当空间碎片飞入图中两个板状磁铁之间时，控制器向第二电极切换开关装置发出控制信号。在第二电极切换开关装置的作用下，图中左侧的板状磁铁为S极，图中右侧的板状磁铁为N极，两个板状磁铁之间形成磁场。空间碎片在磁场的作用下速度的方向向地心偏转并从图中两个板状磁铁之间飞入纸面。此时，控制器向第二电极切换开关装置发出控制信号，第二电极切换开关装置处于断开状态。两个板状磁铁之间的磁场消失。飞出后的空间碎片在地球引力的作用下偏向地心运行，在大气阻力的作用下最终坠入地球大气层。

从图11中可以看出，空间碎片可以先在电场装置中受电场力的作用减小速度，再在磁场装置中受磁场力的作用改变速度的方向，在大气阻力的作用下最终坠入地球大气层。当然，空间碎片可以先在磁场装置中受磁场力的作用改变速度的方向，再在电场装置中受电场力的作用减小速度，在大气阻力的作用下最终坠入地球大气层。

从图12中可以看出，空间碎片可以在电场装置中受电场力的作用减小速度的同时，在磁场装置中受磁场力的作用改变速度的方向，在大气阻力的作用下最终坠入地球大气层。

Claims

1.一种清除空间碎片的方法，其特征在于：对在原轨道运行的空间碎片施加电磁力；所述电磁力包括电场力或磁场力或电场力和磁场力的结合；所述电场力和磁场力的结合是先对空间碎片施加电场力再对空间碎片施加磁场力，或先对空间碎片施加磁场力再对空间碎片施加电场力，或对空间碎片施加电场力的同时还对空间碎片施加磁场力；空间碎片在电磁力的作用下速度的大小和/或方向发生改变；改变速度后的空间碎片在地球引力的作用下改在新轨道运行；空间碎片至少在新轨道的近地点高度比该空间碎片在原轨道的近地点高度低；在新轨道运行的空间碎片在大气阻力的作用下最终坠入地球大气层。

2.根据权利要求1所述的清除空间碎片的方法，其特征在于：所述电场力的方向与空间碎片速度的方向之间的夹角大于或等于63.4°且小于或等于243.4°。

3.根据权利要求2所述的清除空间碎片的方法，其特征在于：所述电场力的方向与空间碎片速度的方向之间的夹角大于或等于150°且小于或等于160°。

4.根据权利要求1所述的清除空间碎片的方法，其特征在于：所述电磁力中的电场力是脉冲电场力。

5.一种清除空间碎片的装置，其特征在于：包括卫星承载平台；所述卫星承载平台设置有清除空间碎片的电场装置或磁场装置或电场装置和磁场装置的结合。

6.根据权利要求5所述清除空间碎片的装置，其特征在于：所述清除空间碎片的电场装置包括两个相互间隔一定距离、相面对且相互平行的网状电容板；所述两个网状电容板分别与直流电源的正极和负极电连接；所述清除空间碎片的磁场装置包括两个相互间隔一定距离、相面对且相互平行的板状磁铁；其中，一个板状磁铁的S极与另一个板状磁铁的N极相面对；所述清除空间碎片的电场装置和磁场装置的结合是：所述电场装置和所述磁场装置相并置，即所述磁场装置的两个板状磁铁位于所述电场装置的一个网状电容板的外侧，所述两个板状磁铁相互平行并垂直于所述网状电容板；所述电场装置中的电力线与所述磁场装置中的磁力线垂直；或者，所述电场装置和所述磁场装置相交置，即所述磁场装置的两个板状磁铁位于所述电场装置两个网状电容板之间的两侧，所述两个网状电容板分别垂直于所述两个板状磁铁；所述电场装置中的电力线与所述磁场装置中的磁力线垂直。

7.根据权利要求6所述清除空间碎片的装置，其特征在于：所述两个网状电容板通过电场脉冲装置分别与直流电源的正极和负极电连接；所述磁场装置中的两个板状磁铁相背的面通过两端向内弯折的“U”形铁芯固定连接；所述“U”形铁芯上绕有线圈；所述线圈的两端分别与所述电源的正极和负极电连接；所述电源是太阳能电池或太阳能蓄电池。

8.根据权利要求7所述清除空间碎片的装置，其特征在于：所述电场脉冲装置包括第一三极管和第二三极管；第一三极管的基极与第二三极管的集电极电连接；所述第二三极管的基极与电阻的一端和第一电容的一端电连接；所述电阻的另一端与第一三极管的发射极、第二电容的一端和电源的正极电连接；所述第二电容的另一端与电源的负极、第二三极管的发射极和升压变压器初极线圈的一端电连接；所述第一电容的另一端与第一三极管的集电极和升压变压器初极线圈的另一端电连接；所述升压变压器次极线圈的两端分别与所述两个网状电容板电连接。

9.根据权利要求7所述清除空间碎片的装置，其特征在于：所述清除空间碎片的装置设置有控制器和空间碎片探测器；所述空间碎片探测器的信号输出端与所述控制器的信号输入端电连接；所述两个网状电容板之间通过短路开关电连接；所述短路开关的信号输入端与所述控制器的信号输出端电连接；所述两个网状电容板与所述电场脉冲装置之间通过第一电极切换开关装置电连接，或者，所述电场脉冲装置与电源之间通过第一电极切换开关装置电连接；所述第一电极切换开关装置的信号输入端与所述控制器的信号输出端电连接；所述两个板状磁铁和所述“U”形铁芯分别由软铁或硅钢材料制作而成；所述线圈两端通过第二电极切换开关装置分别与直流电源的正极和负极电连接；所述第二电极切换开关装置的信号输入端与所述控制器的信号输出端电连接。