CN106184830B - 空间碎片自动移除装置及其移除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了空间碎片自动移除装置，包括由记忆合金制成的飞网，飞网为一端设有开口以捕捉空间碎片的网状结构，飞网上设置有加热器，飞网通过信号处理板连接有用于使空间碎片减速的主发动机，主发动机的喷口方向与飞网的开口方向位于同一条直线且相互背离，信号处理板还连接有用于调整空间碎片自动移除装置飞行姿态的微型发动机，信号处理板的边缘设有用于接收外部信号的光电探测装置，信号处理板上还设置有电源装置。解决了现有技术中太空拖船技术可重复性差、以及柔性飞网捕获技术中捕获后对空间碎片处理难的问题。

Description

空间碎片自动移除装置及其移除方法

【技术领域】

本发明属于航天器技术领域，具体涉及一种空间碎片自动移除装置及其移除方法。

【背景技术】

近些年发展起来的太空拖船技术以及柔性飞网捕捉技术。

太空拖船：太空拖船是利用成熟的卫星控制技术，通过绳系使任务航天器和捕获装置相连，在捕获目标后，通过卫星拖拽捕获装置以及目标碎片，最终使空间碎片和卫星一同坠毁的技术。优点在于容易实现，技术成熟。缺点在于一个卫星一次发射只能进行一次任务，缺乏可重复性。

柔性飞网捕捉技术：随着空间非合作目标的增多和对非合作目标清理工作的开展，一种利用航天器携带飞网并在捕获时释放飞网最终捕获目标的柔性飞网捕捉技术被提出。柔性飞网捕捉技术是一种新型的非合作目标捕捉装置，相比于的机械臂捕捉，飞网具有安全性高，消耗能量少，捕获范围大的优点。但对于柔性飞网捕获空间碎片这一过程来说，捕获后对空间碎片无法有效处理，只能通过卫星携带碎片和捕获装置坠毁，而不能自动坠毁，销毁碎片。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种空间碎片自动移除装置，以解决现有技术中太空拖船技术可重复性差、以及柔性飞网捕获技术中捕获后对空间碎片处理难的问题。

本发明采用以下技术方案，空间碎片自动移除装置，包括由记忆合金制成的飞网，所述飞网为一端设有开口以捕捉空间碎片的网状结构，所述飞网上设置有加热器，所述飞网通过信号处理板连接有用于使空间碎片减速的主发动机，所述主发动机的喷口方向与所述飞网的开口方向位于同一条直线且相互背离，所述信号处理板还连接有用于调整所述空间碎片自动移除装置飞行姿态的微型发动机，所述信号处理板的边缘设有用于接收外部控制信号的光电探测装置，所述信号处理板上还设置有电源装置；

所述的信号处理板，用于接收由所述光电探测装置发送来的控制信号，以控制飞网的收缩与展开、控制活塞的推出与收回、控制微型发动机的启动与停止、以及控制主发动机的启动。

进一步的，信号处理板的上下两侧分别设置有的微型发动。

进一步的，信号处理板上位于所述飞网内部安装有活塞，所述活塞可相对于所述信号处理板伸缩，以顶住或放开位于所述飞网内的空间碎片。

进一步的，电源装置为锂电池环，所述锂电池环套装于所述主发动机靠近所述信号处理板的一端。

进一步的，电源装置为电池板，设置在所述信号处理板的内部。

进一步的，信号处理板的边缘对称布置有四个所述光电探测装置，每个所述光电探测装置均朝向所述主发动机的方向设置。

进一步的，飞网上缠绕有用于对其进行加热以使得飞网收缩的电阻丝。

本发明还提供了一种空间碎片自动移除装置的移除方法，按照以下步骤实施：

步骤1、当所述空间碎片自动移除装置靠近空间碎片时，由信号处理板控制加热器加热飞网，使得飞网收缩，并将空间碎片捕获；

步骤2、飞网收缩完成后，由信号处理板控制活塞推向空间碎片，使得空间碎片与空间碎片自动移除装置之间无相对运动；

步骤3、由信号处理板控制两个微型发动机开始工作，通过两个微型发动机使得空间碎片自动移除装置无自转，在主发动机的作用下，使得主发动机的推力方向与空间碎片环绕地球转动的切向速度方向一致，然后两个微型发动机停止工作；

步骤4、由信号处理板启动主发动机，空间碎片在主发动机的作用下减速，随后空间碎片自动移除装置与碎片通过与大气层的摩擦最终销毁。

进一步的，光电探测装置接收外部控制信号，并将外部控制信号发送至所述信号处理板，以通过所述信号处理板来控制飞网的收缩与展开、控制活塞的推出与收回、控制微型发动机的启动与停止、以及控制主发动机的启动。

进一步的，由任务航天器携带所述空间碎片自动移除装置到达预定捕获的地点，并利用弹射装置将其弹出并接近空间碎片。

本发明的有益效果是，结合太空拖船和柔性飞网捕捉技术，给出一种有效的、安全的空间碎片清除方案；同时，提高了任务航天器的可重复性，使一个任务航天器可以多次进行空间碎片捕获工作，解决了太空拖船技术的可重复性差以及柔性飞网捕获技术中捕获后对空间碎片处理的难题。

【附图说明】

图1为本发明空间碎片自动移除装置的结构示意图；

图2为本发明空间碎片自动移除装置的立体图。

其中：1.主发动机；2.锂电池环；3.光电探测装置；4.信号处理板；5.活塞；6.飞网；7.微型发动机。

【具体实施方式】

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明提供了一种空间碎片自动移除装置，如图1所示，包括由记忆合金制成的飞网6，飞网6为一端设有开口以捕捉空间碎片的网状结构。飞网6上设置有加热器，该加热器可以为在飞网6上缠绕着的用于对其进行加热的电阻丝，或者其他的加热器件。记忆合金采用NiTi记忆合金，根据碎片的轨道选择最为合适的捕获地点，该地点的温度变化梯度较小，确定这一温度后，经过对记忆合金的处理，使空间上指定点的温度等于或高于记忆合金的变形温度。此外，针对不同的空间碎片，记忆合金变形后的形状会有所改变，以适用于不同碎片的抓捕。

飞网6通过信号处理板4连接有用于使空间碎片减速的主发动机1，主发动机1的轴线方向与信号处理板4垂直。主发动机1的作用是实现空间碎片的变轨，因此不同轨道不同质量的空间碎片所选择的主发动机的总冲量也会不同，以假设的理想空间碎片为例，主发动机所需提供的总冲量为5.5kN·s，主发动机1为固体火箭发动机，且发动机尾气成分中不含氧化铝等可以成为新的空间碎片的物质。

飞网6的形状可以根据不同的空间碎片进行调整，可以是如图1所示的捕获后呈完全封闭装，也可以在捕获后仅仅做到了让空间碎片与装置无相对运动，并没有将碎片完全封在飞网6内，此时，可以不安置活塞5，但是，飞网6的材料必须包含有记忆合金。

信号处理板4的边缘设有用于接收外部信号的光电探测装置3，该外部信号为来自于任务航天器发出的光电信号。任务航天器向光电探测装置3发出光电信号，光电探测装置3收集航天器发出的光电信号，然后将光电信号传递给信号处理板4，信号处理板4再根据任务航天器传出的指令来分别控制飞网6的收缩与展开、控制活塞5的推出与收回、控制微型发动机7的启动与停止、以及控制主发动机1的启动。

信号处理板4的边缘对称布置有四个光电探测装置3，每个光电探测装置3均朝向主发动机1的方向设置。主发动机1与信号处理板4的连接方式为可拆卸连接，这样可以根据不同的空间碎片选取不同的主发动机1，并且主发动机1的外壳经过隔热处理。

光电探测装置3的位置也可以变化，但是其朝向必须向后，即指向主发动机1方向，背向飞网6方向，而且光电探测装置3必须安放在信号处理板4的外沿，以便接受四周传来的信号。光电探测装置3可以选择以固定连接的方式放在信号处理板4上，如图1中所示，也可以通过连接装置与信号处理板4相连，类似于卫星的太阳能板与卫星的关系，不管采用哪种方式光电探测装置3必须为四个，且均匀分布在装置四周。

信号处理板4上还设置有电源装置。电源装置可以为锂电池环2，锂电池环2套装于主发动机1靠近信号处理板4的一端。主发动机1外围的锂电池环2与信号处理板4采用固定连接的方式，锂电池环2的主要作用是为装置提供所需能源，因此位置可以变化，它也可以做成板状结构放置在信号处理板4的中间，即将信号处理板4设计成两块放在锂电池的正反面，然后放置在图示的信号处理板4的位置。

信号处理板4的连接有用于阻止空间碎片自动移除装置随着空间碎片一起自转的微型发动机7。可以采用一个或两个微型发动机7，与信号处理板4采用固定连接的方式，其点火装置就是信号处理板4上的线路。

信号处理板4上位于飞网6内部安装有活塞5，活塞5可关于信号处理板4伸缩，以顶住或放开位于飞网6内的空间碎片。活塞5位于飞网6的轴线位置，与信号处理板4之间为活动连接，在信号处理板4的作用下可以沿飞网6的轴线运动。

实施例：

下面以设想的在880km轨道上的质量为24kg，边长为20cm的正方体空间碎片(材质假定为铝合金)举例来描述本发明空间碎片自动移除装置的移除方法：

步骤1、由任务航天器携带空间碎片自动移除装置依次到达预定捕获的地点，并在恰当的时机利用弹射装置将其弹出，借助弹射装置所提供的能量接近空间碎片；

步骤2、当空间碎片自动移除装置与空间碎片距离达到预定要求时，由信号处理板4发出指令，通过缠绕在记忆合金上的电阻丝或是其他方式对飞网6进行加热，同时借助空间上温度的热量传递，使得飞网6收缩，将空间碎片捕获到飞网6内；其中，空间碎片自动移除装置与空间碎片的预定距离，受碎片的运行轨道限制，并根据捕获地点周围的情况和碎片的大小形状来确定。

步骤3、飞网6收缩完成后，将活塞5推向空间碎片，使得空间碎片与空间碎片自动移除装置之间无相对运动；

步骤4、由于空间碎片具有较高的自转速度，因此当活塞5固定住空间碎片后，空间碎片自动移除装置会随之自转；启动两个微型发动机7来阻止空间碎片自动移除装置的自转，可以根据情况使用微型发动机7中不同的发动机单元，在不发生自转的情况下，主发动机1带动空间碎片自动移除装置运动至其推力方向与空间碎片环绕地球转动的切向速度方向一致后，两个微型发动机7可以停止工作；

步骤5、空间碎片在主发动机1的作用下减速，进而由圆轨道变成椭圆轨道，按照设定，椭圆轨道的近地点高度为200km，随后装置与碎片通过与大气层的摩擦最终销毁。

本发明空间碎片自动移除装置将飞网捕获装置改装成一种由主发动机1，信号处理板4和飞网6三部分组成的一个完整装置，其中信号处理板4带有用于调整飞行姿态的两个微型发动机7，这样在飞网6完成捕获后可以通过信号处理板4调整飞行姿态，最终通过主发动机1点火，使本发明的空间碎片自动移除装置携带空间碎片坠毁。

本发明空间碎片自动移除装置在采用太空拖船技术基础上，使一个任务航天器携带多个空间碎片自动移除装置，每次捕获完成，完成调整姿态过程后，装置就与任务航天器脱离，使任务航天器可以继续安装下一个装置进行下一次空间碎片清除任务，提高了任务航天器的可重复性。

Claims (10)

1.空间碎片自动移除装置，其特征在于，包括由记忆合金制成的飞网(6)，所述飞网(6)为一端设有开口以捕捉空间碎片的网状结构，所述飞网(6)上设置有加热器，所述飞网(6)通过信号处理板(4)连接有用于使空间碎片减速的主发动机(1)，所述主发动机(1)的喷口方向与所述飞网(6)的开口方向位于同一条直线且相互背离，所述信号处理板(4)还连接有用于调整所述空间碎片自动移除装置飞行姿态的微型发动机(7)，所述信号处理板(4)的边缘设有用于接收外部控制信号的光电探测装置(3)，所述信号处理板(4)上还设置有电源装置；

所述的信号处理板(4)，用于接收由所述光电探测装置(3)发送来的控制信号，以控制飞网(6)的收缩与展开、控制活塞(5)的推出与收回、控制微型发动机(7)的启动与停止、以及控制主发动机(1)的启动。

2.如权利要求1所述的空间碎片自动移除装置，其特征在于，所述信号处理板(4)的上下两侧分别设置有的微型发动(7)。

3.如权利要求1或2所述的空间碎片自动移除装置，其特征在于，所述信号处理板(4)上位于所述飞网内部安装有活塞(5)，所述活塞(5)可相对于所述信号处理板(4)伸缩，以顶住或放开位于所述飞网(6)内的空间碎片。

4.如权利要求1或2所述的空间碎片自动移除装置，其特征在于，所述电源装置为锂电池环(2)，所述锂电池环(2)套装于所述主发动机(1)靠近所述信号处理板(4)的一端。

5.如权利要求1或2所述的空间碎片自动移除装置，其特征在于，所述电源装置为电池板，设置在所述信号处理板(4)的内部。

6.如权利要求1或2所述的空间碎片自动移除装置，其特征在于，所述信号处理板(4)的边缘对称布置有四个所述光电探测装置(3)，每个所述光电探测装置(3)均朝向所述主发动机(1)的方向设置。

7.如权利要求1或2所述的空间碎片自动移除装置，其特征在于，所述飞网(6)上缠绕有用于对其进行加热以使得飞网(6)收缩的电阻丝。

8.如上述权利要求1-7中任意一项所述空间碎片自动移除装置的移除方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

步骤1、当所述空间碎片自动移除装置靠近空间碎片时，由信号处理板(4)控制加热器加热飞网(6)，使得飞网(6)收缩，并将空间碎片捕获；

步骤2、飞网(6)收缩完成后，由信号处理板(4)控制活塞(5)推向空间碎片，使得空间碎片与空间碎片自动移除装置之间无相对运动；

步骤3、由信号处理板(4)控制两个微型发动机(7)开始工作，通过两个微型发动机(7)使得空间碎片自动移除装置无自转，在主发动机(1)的作用下，使得主发动机(1)的推力方向与空间碎片环绕地球转动的切向速度方向一致，然后两个微型发动机(7)停止工作；

步骤4、由信号处理板(4)启动主发动机(1)，空间碎片在主发动机(1)的作用下减速，随后空间碎片自动移除装置与碎片通过与大气层的摩擦最终销毁。

9.如权利要求8所述的移除方法，其特征在于，所述光电探测装置(3)接收外部控制信号，并将外部控制信号发送至所述信号处理板(4)，以通过所述信号处理板(4)来控制飞网(6)的收缩与展开、控制活塞(5)的推出与收回、控制微型发动机(7)的启动与停止、以及控制主发动机(1)的启动。

10.如权利要求8或9所述的移除方法，其特征在于，由任务航天器携带所述空间碎片自动移除装置到达预定捕获的地点，并利用弹射装置将其弹出并接近空间碎片。