CN106114918A - 一种基于气垫可容许碰撞的空间碎片抓捕装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气垫可容许碰撞的空间碎片抓捕装置及方法，在减速过程中，抓捕机构表面的电场使抓捕机构表面产生等离子体，在电场作用下等离子体将形成一层可以变刚度缓冲的等离子体气垫，并将碰撞能量均匀地分布到抓捕机构整个表面，避免碰撞对抓捕机构的损坏；在对空间碎片消旋过程中，电场中的等离子体在外部磁场的作用下对碎片的翻滚运动进行阻碍，从而进行消旋；碎片消旋完成后抓捕机构将对其进行抓捕。本发明能对空间碎片进行变刚度的缓冲，避免抓捕结构在碰撞过程中的损坏，且可对任意材质的空间碎片进行非接触式的消旋，适用于对空间碎片高效安全的主动清理。

Description

一种基于气垫可容许碰撞的空间碎片抓捕装置及方法

技术领域

本发明属于航天技术领域，具体涉及一种基于气垫可容许碰撞的空间碎片抓捕装置及方法。

背景技术

日益增长的空间碎片已经严重影响到人类正常的航天活动。近年来各航天大国及国际研究机构均已达成普遍共识：仅实施碎片减缓还远远不够，即使不再生成新碎片，空间现存的碎片与碎片、碎片与卫星的碰撞仍将继续，也会产生更多的碎片，从而发生链式反应，因此必须进行空间碎片主动清除工作。

在碎片清除系统方案的选择上，当前各国一致倾向于“捕获+离轨”式清除方案。其工作过程是：碎片清除器首先依靠跟踪定位系统逐渐逼近失去姿控能力的目标碎片(非合作目标)，对其进行捕获，然后依靠轨道转移(离轨)系统将目标拖入大气层烧毁，或降低其轨道，待其日后自行衰减。由此可见，非合作目标捕获技术是空间碎片主动清理的关键技术。

在抓捕过程中，由于空间碎片一般处于高速翻滚状态，为了尽量避免对抓捕机构的碰撞，一般有以下两种方法：一种方案是使抓捕航天器的角速度与空间碎片的翻滚角速度进行匹配，使二者没有相对运动，进而对空间碎片实施抓捕。但是该方案有很多不足之处，首先，由于碎片的翻滚速度一般很大，在角速度匹配的过程中会消耗很多能量；其次，如果碎片翻滚速度过大，将无法对其进行速度匹配，这是因为有可能导致抓捕航天器因离心力过大而解体；最后，由于碎片翻滚的不确定性，抓捕航天器和碎片在速度匹配后仍会有相对运动存在，这将导致碎片与抓捕机构的碰撞，对抓捕机构产生损坏，更有可能在抓捕过程中产生新的碎片。第二种方案是对碎片进行非接触式的消旋，目前最常见的方式是采用电磁消旋，利用抓捕航天器上携带的线圈通电后产生的磁场，在碎片中产生涡流进行消旋。但是该方式也存在很多局限性，比如，必须要求碎片中存在导体，且导体比例要在一定值以上，否则将导致消旋时间过长，消旋效果差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于气垫可容许碰撞的空间碎片抓捕装置及方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明能有效抵抗抓捕过程中空间碎片的冲击，避免抓捕结构的损坏，并且可以对任意材质的空间碎片进行非接触式的消旋，可对空间碎片进行高效安全的主动清理。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于气垫可容许碰撞的空间碎片抓捕装置，包括抓捕机构，抓捕机构上连接有储气装置，抓捕机构的内表面设有能够将储气装置产生的气体电离形成等离子体气垫的电场发生装置，抓捕机构上还设有能够产生磁场的磁场发生装置，且所述磁场能够使等离子体气垫沿与空间碎片运动方向相反的方向运动。

进一步地，抓捕机构为壳型抓捕机构或爪型抓捕机构。

进一步地，电场发生装置为电极。

进一步地，磁场发生装置为线圈。

一种基于气垫可容许碰撞的空间碎片抓捕方法，包括以下步骤：

步骤一、对空间碎片减速：在抓捕机构上连接储气装置，在对空间碎片的减速过程中，对抓捕机构表面施加电场，对储气装置释放的气体进行电离，从而在抓捕机构表面产生等离子体，由于受到电场的作用，等离子体在抓捕机构表面漂浮聚集，形成一层等离子体气垫，从而对高速空间碎片进行减速缓冲；

步骤二、对空间碎片消旋：在对空间碎片减速后，对电场中的等离子体施加外部磁场，从而使等离子体中的带电粒子在电场和磁场的共同作用下，沿着与空间碎片的翻滚运动相反的方向运动，对空间碎片的翻滚运动产生阻力，从而对空间碎片进行消旋；

步骤三、对空间碎片抓捕：对空间碎片消旋至空间碎片的翻滚速度降到小于预设值后，采用抓捕机构对空间碎片进行抓捕。

进一步地，抓捕机构的内表面设有能够将储气装置产生的气体电离形成等离子体气垫的电场发生装置。

进一步地，电场发生装置为电极。

进一步地，抓捕机构上设有能够产生磁场的磁场发生装置。

进一步地，磁场发生装置为线圈。

进一步地，抓捕机构为壳型抓捕机构或爪型抓捕机构。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明装置通过设置储气装置和电场发生装置，在对空间碎片进行抓捕的过程中，通过电场作用在抓捕机构表面漂浮聚集高浓度的等离子体，在抓捕机构表面形成一层等离子体气垫，当高速碎片撞击到抓捕机构表面时，由于等离子体气垫的存在，将对空间碎片实现变刚度的缓冲，从而避免碎片和刚性抓捕机构的直接撞击，减少新碎片产生的可能；不仅如此，由于等离子体气垫均匀地覆盖在抓捕机构表面，因此可以将在某点或某一小面积的撞击能量均匀地分布在整个抓捕机构上，最大程度地减小各部位所承受的撞击能量的峰值，从而进一步减小了对抓捕机构的危害，另外本发明装置通过设置磁场发生装置，在对空间碎片进行消旋时，对电场中的等离子体施加外部磁场，从而使等离子体中的带电粒子在电场和磁场的共同作用下，沿着与空间碎片的翻滚运动相反的方向运动，对空间碎片的翻滚运动产生阻力，从而对空间碎片进行消旋，采用的是一种非接触式消旋方式，避免了碎片高速旋转过程中可能对抓捕结构产生的碰撞，相比于仅能作用于导体的电磁消旋，本发明所提出的消旋方式的作用原理利用等离子体运动对碎片表面产生压力，从而减小相对运动，消旋过程中对碎片的材料组成没有要求，具有广泛的适用性。

本发明方法通过电场作用，在抓捕机构表面漂浮聚集高浓度的等离子体，在抓捕机构表面形成一层等离子体气垫，当高速碎片撞击到抓捕机构表面时，由于等离子体气垫的存在，将对空间碎片实现变刚度的缓冲，从而避免碎片和刚性抓捕机构的直接撞击，减少新碎片产生的可能；不仅如此，由于等离子体气垫均匀地覆盖在抓捕机构表面，因此可以将在某点或某一小面积的撞击能量均匀地分布在整个抓捕机构上，最大程度低减小各部位所承受的撞击能量的峰值，从而进一步减小了对抓捕机构的危害。另外本发明方法对电场中的等离子体施加外部磁场，从而使等离子体中的带电粒子在电场和磁场的共同作用下，沿着与空间碎片的翻滚运动相反的方向运动，对空间碎片的翻滚运动产生阻力，从而对空间碎片进行消旋，采用的是一种非接触式消旋方式，避免了碎片高速旋转过程中可能对抓捕结构产生的碰撞，相比于仅能作用于导体的电磁消旋，本发明所提出的消旋方式的作用原理利用等离子体运动对碎片表面产生压力，从而减小相对运动，消旋过程中对碎片的材料组成没有要求，具有广泛的适用性。

附图说明

图1为本发明中减速缓冲的示意图；

图2为本发明中消旋的示意图。

其中：1为抓捕机构；2为电极；3为储气装置；4为等离子体气垫；5为磁场；6为空间碎片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

参见图1和图2，本发明提供一种基于气垫可容许碰撞的空间碎片抓捕装置及方法。在对空间碎片6的减速过程中，对抓捕机构1表面施加电场，对储气装置3释放的气体进行电离，从而在抓捕机构1表面产生等离子体，由于受到电场的作用，等离子体将在抓捕机构1表面漂浮聚集，形成一层等离子体气垫4，且随着空间碎片6与抓捕机构1的距离逐渐减小，对等离子体气垫4的压缩也逐渐增大，从而使抓捕机构1与空间碎片6之间的等离子体气垫4的刚度随着二者距离的减小而增大，因此在对高速空间碎片进行减速缓冲的过程中，抓捕机构1表面的等离子体气垫4起着变刚度缓冲机构的作用，且将碰撞过程中的能量均匀地分布到抓捕机构1的整个表面，从而避免抓捕机构1的损坏；在对空间碎片6减速后还需对翻滚的空间碎片6进行消旋，在这一过程中，对电场中的等离子体施加外部磁场5，等离子体将在电场和磁场5的共同作用下运动，对空间碎片6的翻滚运动进行阻碍，从而对空间碎片6进行消旋；当空间碎片6的翻滚速度降到一定数值以下后，抓捕机构1对其进行抓捕，并安装离轨机构将碎片拖入大气层烧毁，或降低其轨道，待其日后自行衰减。

下面结合附图对本发明的实施过程作进一步描述：

图1为本发明提出的基于气垫可容许碰撞的空间碎片抓捕方法在减速缓冲阶段的示意图，其中，1为抓捕机构，采用壳型抓捕机构是因为壳型结构对力有非常出色的分散能力，抓捕机构也可以采用爪型等其他构型；2为电极，用于对从储气装置3中释放的气体施加电场，从而使气体分子被电离为离子和自由电子，形成了等离子体。在电场的作用下，等离子体中的离子和电子在电场中漂浮聚集着，从而在抓捕结构1表面形成一层稳定的可变刚度的等离子体气垫4。

当空间碎片6以极高的运动速度向抓捕机构1飞来时，将首先撞到抓捕机构1表面的等离子体气垫4，此时，等离子体气垫4被压缩，其中的离子、自由电子和分子运动加速，将空间碎片6和抓捕机构1之间的撞击能量一部分转化为了等离子体的热能，且随着空间碎片6和抓捕机构1的距离越来越近，等离子体气垫4随着压缩程度的增大，缓冲“刚度”也逐渐增大，对空间碎片6的缓冲作用逐渐增强，因此等离子体气垫4充当着一种有效的可变刚度的缓冲机构，同时，离子、自由电子和分子对空间碎片6和抓捕机构1的表面产生剧烈碰撞，将撞击能量传递到抓捕机构1上，但是由于等离子体气垫4均匀分布在抓捕机构1的整个表面上，因此，被减缓过的撞击力通过等离子体气垫4均匀地施加在抓捕机构1的表面上，进一步减小的撞击力的峰值。由此可见，等离子体气垫4不仅对空间碎片6进行刚度可变的有效缓冲，避免了空间碎片6和刚性抓捕机构1的直接碰撞，而且将碰撞能量部分转变为了等离子体气垫4的热能，对碰撞能量进行耗散，并且将剩余的撞击力通过等离子体气垫4均匀地分布在抓捕机构1的表面上，起到了非常有效的减速缓冲作用。

图2为本发明提出的基于气垫可容许碰撞的空间碎片抓捕方法在消旋阶段的示意图。此时，空间碎片6位于抓捕机构1的抓捕范围内，且处于不断翻滚状态。为了对空间碎片6进行消旋，需要对等离子体气垫4施加外加磁场5，从而使等离子体中的带电粒子在电场和磁场的共同作用下，沿着与空间碎片6的翻滚运动相反的方向运动，对空间碎片6的翻滚运动产生阻力，从而对空间碎片6进行消旋。采用本发明所提出的消旋方式，可以对空间碎片6进行非接触式的消旋，并且对空间碎片6的材料及形状没有任何要求，具有广泛的适用性。

在减速缓冲和消旋步骤后，在空间碎片6的翻滚速度降到一定数值以下后，抓捕机构1对其进行抓捕，并安装离轨机构将碎片拖入大气层烧毁，或降低其轨道，待其日后自行衰减。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已经以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种基于气垫可容许碰撞的空间碎片抓捕装置，其特征在于，包括抓捕机构(1)，抓捕机构(1)上连接有储气装置(3)，抓捕机构(1)的内表面设有能够将储气装置(3)产生的气体电离形成等离子体气垫(4)的电场发生装置，抓捕机构(1)上还设有能够产生磁场(5)的磁场发生装置，且所述磁场(5)能够使等离子体气垫(4)沿与空间碎片(6)运动方向相反的方向运动。

2.根据权利要求1所述的一种基于气垫可容许碰撞的空间碎片抓捕装置，其特征在于，抓捕机构(1)为壳型抓捕机构或爪型抓捕机构。

3.根据权利要求1所述的一种基于气垫可容许碰撞的空间碎片抓捕装置，其特征在于，电场发生装置为电极(2)。

4.根据权利要求1所述的一种基于气垫可容许碰撞的空间碎片抓捕装置，其特征在于，磁场发生装置为线圈。

5.一种基于气垫可容许碰撞的空间碎片抓捕方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、对空间碎片减速：在抓捕机构(1)上连接储气装置(3)，在对空间碎片(6)的减速过程中，对抓捕机构(1)表面施加电场，对储气装置(3)释放的气体进行电离，从而在抓捕机构(1)表面产生等离子体，由于受到电场的作用，等离子体在抓捕机构(1)表面漂浮聚集，形成一层等离子体气垫(4)，从而对高速空间碎片(6)进行减速缓冲；

步骤二、对空间碎片消旋：在对空间碎片(6)减速后，对电场中的等离子体施加外部磁场(5)，从而使等离子体中的带电粒子在电场和磁场(5)的共同作用下，沿着与空间碎片(6)的翻滚运动相反的方向运动，对空间碎片(6)的翻滚运动产生阻力，从而对空间碎片(6)进行消旋；

步骤三、对空间碎片抓捕：对空间碎片(6)消旋至空间碎片(6)的翻滚速度降到小于预设值后，采用抓捕机构(1)对空间碎片(6)进行抓捕。

6.根据权利要求5所述的一种基于气垫可容许碰撞的空间碎片抓捕方法，其特征在于，抓捕机构(1)的内表面设有能够将储气装置(3)产生的气体电离形成等离子体气垫(4)的电场发生装置。

7.根据权利要求6所述的一种基于气垫可容许碰撞的空间碎片抓捕方法，其特征在于，电场发生装置为电极(2)。

8.根据权利要求5所述的一种基于气垫可容许碰撞的空间碎片抓捕方法，其特征在于，抓捕机构(1)上设有能够产生磁场(5)的磁场发生装置。

9.根据权利要求8所述的一种基于气垫可容许碰撞的空间碎片抓捕方法，其特征在于，磁场发生装置为线圈。

10.根据权利要求5所述的一种基于气垫可容许碰撞的空间碎片抓捕方法，其特征在于，抓捕机构(1)为壳型抓捕机构或爪型抓捕机构。