CN105966643B - 一种使用地基电磁发射器的空间碎片低成本清除方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了使用地基电磁发射器的空间碎片低成本清除方法，其特征在于，具体包括以下步骤：1)采用电磁发射器发射带有微粒团的运载器，运载器形成高抛弹道，发射速度低于第一宇宙速度，运载器高抛弹道的顶点位于需清除的空间碎片轨道的附近区域；2)在运载器接近其高抛弹道顶点时，运载器调姿，在运载器位于其高抛弹道顶点时，运载器将其所带有的微粒团弹出，使微粒团均匀散布在需清除的空间碎片轨道上，形成微粒云团；3)需清除的空间碎片与散布在其轨道上的微粒云团碰撞，损失动能，逐步降低轨道，直至坠入大气层销毁。本发明的方法利用了地基电磁发射，具有低成本、高可靠性、可重复使用的优点，从而使碎片清除的成本可以大大降低。

Description

一种使用地基电磁发射器的空间碎片低成本清除方法

技术领域

本发明主要涉及航天控制技术领域，特指一种使用地基电磁发射器的空间碎片低成本清除方法，适用于解决空间碎片清除领域的降低成本问题。

背景技术

地球附近日益增多的空间碎片，对人类太空繁荣发展产生了严峻挑战。其中，对航天器飞行安全造成威胁的碎片已超过50万，对这些碎片进行清除已成为国际社会共识，然而，高昂的清除成本使得各国并未开展大规模的空间碎片清除活动。可见，要彻底解决空间碎片问题，就必须大幅降低清除空间碎片的成本。

传统的空间碎片清除方法，包括抛射飞网、喷涂增阻剂等，都必须使用费用高昂的化学火箭将碎片清除装置运输到太空，这是造成空间碎片清除成本非常高昂的根本原因。

电磁发射是一种利用电磁力给发射对象加速的发射运载方式，它直接在地面上给发射对象以很大初速度。由于电磁发射装置的电磁力密度远大于化学内燃发射装置燃烧室里的燃气压力密度，所以，电磁发射的能量密度远大于化学能，这使得其发射运载成本远远低于化学内燃发射。目前，电磁发射有逐步代替化学发射的趋势，例如，舰载机的电磁弹射正在代替蒸汽弹射，电磁炮也正在代替化学火炮。作为一种新型的发射方式，电磁发射具有成本低、可靠性高、控制精确的优点。在成本方面，电磁发射所耗费的电能成本与化学火箭发动机及燃料的成本相比是微不足道的，并且可以重复使用。

目前，地基电磁发射装置是电磁发射方式中技术最成熟的装置，其典型代表是电磁轨道炮。1978年，澳大利亚国立大学在实验室环境将3克弹丸加速到5.9km/s，1980年，西屋公司在实验室将300克弹丸加速到4km/s，真空发射则能达到8～10km/s，这些实验室环境的装置，已将技术成熟度推至3，此后，电磁炮的研究旨在在工程实际环境中使技术成熟。2014年1月，美国海军研究室主管发布消息，美国海军舰载型地基电磁炮已经完成原理样机研制，可以将20千克的弹丸加速到2.5km/s，约7马赫，发射能量达到32兆焦，令化学内燃发射方式(如火炮)难以企及。2016年，美国海军启动了电磁炮的实船实装、连续发射测试，即将正式列装。美军认为，电磁炮不仅可以打击远程目标，还可以打击弹道导弹和卫星等大气层外目标，威力巨大。尤其是在反导反卫方面，电磁炮与反导反卫导弹相比，发射过程仅仅耗费电能，而反导反卫导弹在加速过程中必须使用一次性的化学燃烧推进器(即火箭发动机)，因此，只要电能充足，电磁炮具有重复发射能力，与火箭发动机相比，其加速装置不是一次性的。

使用地基电磁发射装置来运载空间碎片清除装置，显然可以大大降低空间碎片的清除成本。然而，地基电磁发射的技术限制决定了它依赖位于地面的发射装置，而并不能直接用于空间碎片清除。本发明通过解决地基电磁发射和空间碎片清除这两者的结合问题，进而提出了使用地基电磁发射的空间碎片清除方法。

发明内容

本发明的发明目的是针对现有空间碎片清除技术存在的成本过高问题，提供一种使用地基电磁发射器、具有低成本优势的空间碎片清除方法。

本发明的具体技术方案是一种使用地基电磁发射器的空间碎片低成本清除方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

1)采用电磁发射器发射带有微粒团的运载器，运载器形成高抛弹道，运载器高抛弹道的顶点位于需清除的空间碎片轨道的附近区域；

2)在运载器接近其高抛弹道顶点时，运载器调姿，在运载器位于其高抛弹道顶点时，运载器将其所带有的微粒团弹出，使微粒团均匀散布在需清除的空间碎片轨道上，形成微粒云团；

3)需清除的空间碎片与散布在其轨道上的微粒云团碰撞，损失动能，逐步降低轨道，直至坠入大气层销毁。

更进一步地，所述的运载器的发射速度为2000-16000m/s，发射高度可覆盖100-36000km的整个地球轨道。

更进一步地，所述的运载器为细长圆锥体，运载器外表面具有防热层，防止其出入大气层时烧毁。

更进一步地，所述的运载器高抛弹道的顶点与需清除的空间碎片轨道的距离为10-10000m。

更进一步地，所述的微粒团为在太阳辐射下可逐步挥发解体的固体、液体、气体、等离子体或多相混合体材料。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的方法利用了地基电磁发射这种新兴运载方式所具有的低成本、高可靠性、可重复使用的优点，从而避免了使用化学火箭发射方式所带来的成本高昂、可靠性低、难以重复使用的缺点，从而使碎片清除的成本可以大大降低。

空间碎片清除的成本，主要包含空间碎片清除装置运载到太空的成本，再加上装置本身的成本。

运载到太空的成本分析：化学火箭将1千克载荷运送到近地轨道的成本通常为1至6万美元，这是化学火箭的不可重用性导致的。而电磁发射从地面上将1千克物体加速到第一宇宙速度，所需动能仅相当于8.7度电，而电磁发射系统电能效率通常能达到30％以上，因而电能成本几乎可以忽略不计。而发射装置在充分维护的条件下又可以不断重复发射，具有一次投入、反复使用的优点。因此，使用电磁发射装置从地面发射空间碎片清除装置，运载成本几乎可以忽略。

装置本身的成本分析：使用化学火箭的空间碎片清除装置，通常要使用费用高昂的燃料来将空间碎片拖拽离轨。而本发明所提出的方法，利用了微粒云团与空间碎片交会时的自然碰撞，对近地轨道碎片可达7000m/s以上的碰撞速度，从而在充分使用微粒云团的条件下，30千克的微粒云团即可使1000千克的空间碎片减速200m/s以上，从而使其近地点低于200公里，达到离轨条件，碎片将很快在大气阻力下轨道逐步衰减，直至坠入大气层。这种很高的碎片清除效率是传统的空间碎片清除装置所难以达到的。因而本发明所提出的清除装置，效费比高于传统空间碎片清除装置。

因而，本发明相比传统空间碎片清除方法，具有成本较低的优点，能够解决空间碎片清除中的降低成本难题。

附图说明

图1为本发明的方法采用的电磁发射器和运载器示意图；

图2为本发明的方法采用的未散开状态的微粒团的结构示意图；

图3为本发明的方法采用的运载器飞行示意图；

图4为本发明的方法采用的运载器调姿放微粒云团示意图；

图5为本发明的方法中微粒云团与空间碎片碰撞示意图。

其中，1运载器，2微粒团，3电磁发射器，4空间碎片，

21包裹层、22未散开状态的微粒本体、23起爆药柱和24延时燃烧引信。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如图1所示，给出了地基电磁发射器与运载器的一种具体实施方式。其中：一、地基电磁发射器可以使用磁悬浮电磁炮实现，通过约40米长的加速器，可以将物体加速到5000m/s速度，虽然未达到第一宇宙速度，但可以形成从地面到太空的高抛弹道轨迹，高度可以覆盖2000km以下的近地轨道，若要覆盖地球同步轨道则需要更长的加速器和更大的速度增量；二、运载器为细长圆锥体，头部和外壳采用防热设计以适应在稠密大气层内的热负荷，运载器腹内为未散开状态的微粒团及其弹射装置。三、关于微粒团，如图2所示，由包裹层、未散开状态的微粒本体、起爆药柱和延时燃烧引信组成。微粒团从运载器腹内弹出的方法，使用类似“一箭多星”的空间施放方法，诸如弹簧弹出法或火工品弹出法皆可，属于成熟的现有技术，此处不再赘述。微粒团弹出后，延迟燃烧引信不断燃烧，在飞到目标区域时，引信燃完并引爆起爆药柱，高压气体胀破薄膜包裹层，并使微粒在空间散开，成为微粒云团，云团的密度应小于10^-6Kg/m³，约为海平面空气密度的千分之一，这可以使得碎片受到的微粒碰撞阻力加速度小于10g量级，这个量级的阻力和航天火箭发射的过载等量，因此不会破坏目标。微粒材料可以为多种，要求单个微粒的尺寸小于1微米，因为被小于1微米的微粒碰撞，可以认为不会对目标造成破坏，这也被在轨航天器的长期飞行经验所证明。薄膜包裹层采用密度小、厚度薄、且强度和弹性较好的高分子薄膜材料，如采用工业上常用的微米级厚度的聚酯薄膜，由于薄膜总重小且在起爆药柱爆炸后会碎裂成较小的碎片，因而不会对减阻效能造成太大影响。

整个实施过程如下：

如图3所示，给出了运载器飞行过程的一种具体实施方式。过程如下：一、使用地基电磁发射器在地面给予运载器一个向上的初速；二、运载器飞出大气层后开始调姿，使尾部朝向与空间碎片运动轨迹的交会点；三、运载器飞到高抛弹道顶点，运载器高抛弹道的顶点位于需清除的空间碎片轨道的附近区域，与空间碎片飞行轨道之间有一定的安全保护距离，通常为10-10000m；四、运载器弹出微粒团，使之均匀分布在空间碎片将要经过的飞行轨道上形成微粒云团；五、运载器在重力作用下再入稠密大气层(稠密大气层厚度H约为30km)；六、运载器使用伞降在柔软地面或水面降落，以重复使用。

如图3-4所示，运载器布撒微粒云团过程的一种具体过程如下：一、运载器连续调姿，并同时弹射出微粒团，使得散布形成的微粒云团沿着空间碎片飞行轨道排布，以提高微粒云团的利用效率；二、微粒团被弹出后在太空中散开，密度小于10^-6Kg/m³，从而不足以破坏目标碎片。

空间碎片在与微粒云团的碰撞过程中，由于相对速度非常大(二者相对速度一般可达7000m/s以上)，使得空间碎片受到很大的碰撞阻力，由初始速度V₁变为碰撞减速后的V₂。通过设计起爆药柱的装药量，可以控制微粒云团密度小于10^-6Kg/m³，从而控制空间碎片受到的阻力大小小于10g，空间碎片在这些阻力的作用下，逐步损失动能，并逐步降低轨道，直至其近地点低于100Km，从而很快坠入大气层。

未与空间碎片碰撞的剩余微粒云团，与运载器一样，都不具有入轨速度，因而会在引力作用下逐步坠入大气层，从而不留轨为害；而与空间碎片碰撞后留轨的微粒云团颗粒，将在太阳辐射下逐步挥发解体，不形成新的空间垃圾。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种使用地基电磁发射器的空间碎片低成本清除方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

1)采用电磁发射器发射带有微粒团的运载器，运载器形成高抛弹道，运载器高抛弹道的顶点位于需清除的空间碎片轨道的附近区域；

2)在运载器接近其高抛弹道顶点时，运载器调姿，在运载器位于其高抛弹道顶点时，运载器将其所带有的微粒团弹出，使微粒团均匀散布在需清除的空间碎片轨道上，形成微粒云团；

3)需清除的空间碎片与散布在其轨道上的微粒云团碰撞，损失动能，逐步降低轨道，直至坠入大气层销毁。

2.如权利要求1所述的一种使用地基电磁发射器的空间碎片低成本清除方法，其特征在于，所述的运载器的发射速度为2000-16000m/s，发射高度覆盖100-36000km的整个地球轨道。

3.如权利要求1所述的一种使用地基电磁发射器的空间碎片低成本清除方法，其特征在于，所述的运载器高抛弹道的顶点与需清除的空间碎片轨道的距离为10-10000m。

4.如权利要求1所述的一种使用地基电磁发射器的空间碎片低成本清除方法，其特征在于，所述的微粒团为在太阳辐射下逐步挥发解体的固体、液体、气体、等离子体或多相混合体材料。