CN106428653B - 一种空间碎片特定轨道清除装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间碎片特定轨道清除装置，包括用于收集并储存空间碎片的碗状结构，碗状结构的外侧底部通过连结部与固定架相连接；连结部用于当任务航天器携带空间碎片特定轨道清除装置时，控制碗状结构沿其连接端展开并贴合在固定架外壁上，并在空间碎片特定轨道清除装置脱离任务航天器时，脱离固定架外壁并形成碗状结构；固定架远离碗状结构的一端安装有主发动机，主发动机与碗状结构之间，且沿主发动机至碗状结构方向上依次安装有控制板、姿态检测装置和电源；碗状结构上安装有多台小型发动机，每台小型发动机均通过导线连接至控制板；主发动机用于调整该装置在空间内的运行轨道；该装置结构简单、成本低、回收效率高。

Description

一种空间碎片特定轨道清除装置及其使用方法

【技术领域】

本发明属于航天技术领域，具体涉及一种空间碎片特定轨道清除装置及其使用方法。

【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，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。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，且现有的空间碎片收集装置结构复杂，成本较大，回收效率低。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种空间碎片特定轨道清除装置，以解决现有技术中空间碎片收集装置结构复杂、成本大、回收效率低等问题。

本发明采用以下技术方案，一种空间碎片特定轨道清除装置，包括用于收集并储存空间碎片的碗状结构，碗状结构的外侧底部通过连结部与固定架相连接；

连结部用于当任务航天器携带空间碎片特定轨道清除装置时，控制碗状结构沿其连接端展开并贴合在固定架外壁上，并在空间碎片特定轨道清除装置脱离任务航天器时，脱离固定架外壁并形成碗状结构；

固定架远离碗状结构的一端安装有主发动机，主发动机与碗状结构之间，且沿主发动机至碗状结构方向上依次安装有控制板、姿态检测装置和电源；

碗状结构上安装有多台小型发动机，每台小型发动机均通过导线连接至控制板；

主发动机用于在空间碎片收集空间内调整空间碎片特定轨道清除装置到达预设的收集轨道；姿态检测装置用于获取空间碎片特定轨道清除装置的当前姿态信息，并发送至控制板；控制板用于接收姿态检测装置发出的信息，并发送信息至每台小型发动机，以保证空间碎片特定轨道清除装置按照预设姿态运行；电源用于为控制板、每台小型发动机、主发动机和姿态检测装置提供电能。

进一步地，连接部为形状记忆合金，碗状结构包括多根与形状记忆合金连接的折叠杆，形状记忆合金用于在空间碎片收集空间内吸收太阳辐射所发出的热能而产生形变，并带动与其连接的多根折叠杆展开形成碗状结构。。

进一步地，碗状结构上设置有用于使相邻两根折叠杆保持结构稳定的尼龙网，尼龙网与碗状结构之间设置有高分子膜，高分子膜用于捕捉粉尘级空间碎片。

进一步地，主发动机、控制板、姿态检测装置、电源均通过连接箍安装在所述固定架的内部，且主发动机、控制板、姿态检测装置、电源与固定架之间均安装有保护气囊。

进一步地，控制板与主发动机之间设置有隔热层，隔热层用于保证控制板的工作环境不受所述主发动机影响。

进一步地，主发动机为固定火箭发动机，固体火箭发动机包括远离控制板的拉法尔喷管和靠近控制板的燃烧室。

进一步地，姿态检测装置包括定向陀螺仪，定向陀螺仪外部设置有用于保护定向陀螺仪的圆柱壳体。

进一步地，电源为锂电池块。

本发明还提供了一种空间碎片特定轨道清除装置的使用方法，按照以下步骤实施：

步骤一、通过任务航天器将空间碎片特定轨道清除装置送入空间碎片收集空间后，在太阳辐射的照射下，形状记忆合金吸收热能进行形变，并带动多根与其连接的折叠杆展开，并形成一端敞口的碗状结构，碗状结构用于收集并储存空间碎片；

步骤二、当所述空间碎片特定轨道清除装置的碗状结构形成后，通过控制板发送信号启动固体火箭发动机，通过固体火箭发动机使空间碎片特定轨道清除装置在空间碎片收集空间内由当前轨道进入预设轨道，同时在固体火箭发动机的热量影响下，保护气囊内的产气固体受热变成气体，并充满保护气囊；

步骤三、通过进入预设轨道的空间碎片特定轨道清除装置，将该轨道内与该装置碰触且在该轨道内的分速度小于该装置的空间碎片收集并储存在碗状结构内，并携带所收集储存的空间碎片沿预设轨道运行；

步骤四、待步骤三中的碗状结构内收集一定数量的空间碎片后，空间碎片特定轨道清除装置的运行速度减慢至无法维持该装置沿预设轨道继续运行时，该装置携带其收集并储存的空间碎片一起坠入大气层销毁。

进一步地，碗状结构上设置有用于使相邻两根折叠杆保持结构稳定的尼龙网，尼龙网与碗状结构之间还设置有高分子膜，高分子膜用于捕捉粉尘级空间碎片。

本发明的有益效果是：该装置结构简单，而且只需要由任务航天器带到空间碎片收集空间内便可以执行碎片清除任务，使得单次回收空间碎片的成本很低，再加上装置在释放后完全不需要人为控制，使得回收碎片的难度降低，另外，任务航天器一次可以携带多枚该装置，因而利于大规模回收空间碎片，除此之外，该装置还可以清除其他装置所不能清除的粉尘级别的空间碎片，对空间碎片的清除更彻底。

【附图说明】

图1为本发明空间碎片特定轨道清除装置的结构示意图；

图2为本发明空间碎片特定轨道清除装置由任务航天器携带时的结构示意图；

图3为本发明中的碗状结构安装尼龙网和高分子膜后的结构示意图。

其中：1.拉法尔喷管；2.连接箍；3.燃烧室；4.隔热层；5.定向陀螺仪；6.锂电池块；7.折叠杆；8.控制板。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种空间碎片特定轨道清除装置，如图1所示，包括用于收集并储存空间碎片的碗状结构，碗状结构的外侧底部通过连结部与固定架相连接。

如图2所示，连结部用于当任务航天器携带所述空间碎片特定轨道清除装置时，控制碗状结构沿其连接端展开并贴合在固定架外壁上，并在空间碎片特定轨道清除装置脱离任务航天器时，脱离固定架外壁并形成碗状结构；这样一来，当任务航天器运送该装置时可节省空间，以便携带更多枚该装置。

固定架远离碗状结构的一端安装有主发动机，主发动机与碗状结构之间，且沿主发动机至碗状结构方向上依次安装有控制板8、姿态检测装置和电源；

碗状结构上安装有多台小型发动机，每台小型发动机均通过导线连接至控制板8；

连接部为形状记忆合金，由多个条状的形状记忆合金组成，每个条状的形状记忆合金均连接一根折叠杆7，碗状结构包括多根与形状记忆合金连接的折叠杆7，形状记忆合金用于在空间碎片收集空间内吸收太阳辐射所发出的热能而产生形变，并带动与其连接的多根折叠杆7展开形成碗状结构，另外，每根折叠杆7上均设置有多个由形状记忆合金构成的连接块，连接块可以保证在太空太阳辐射下使得折叠杆7展开，并且能够承受一定的载荷作用，不至于使多根折叠杆7在展开后被外界作用力改变形状而失去作用。

每根折叠杆7上均安装有多台小型发动机，每台小型发动机均通过导线连接至控制板8，每台小型发动机均根据控制板8发出的指令启动或停止，以调节空间碎片特定轨道清除装置的姿态，保证该装置按照预设姿态运行。

碗状结构上设置有用于使相邻两根折叠杆7保持结构稳定的尼龙网9，尼龙网9具有一定的强度，其贴敷在碗状结构的内部，使得相邻两跟折叠杆7之间没有相对运动，且能够对进入碗状结构的空间碎片进行束缚作用，直至空间碎片烧毁在大气层中，除此之外，在尼龙网9与碗状结构之间设置有一层高分子膜，高分子膜用于捕捉粉尘级空间碎片，可以清除一定数量的粉尘级空间碎片，但是高分子膜的强度不宜过高，如果高分子膜与空间碎片迎面相遇，两者具有很大的相对速度，高分子膜会被击穿，从而整个结构能安全的在预设轨道运行，高分子膜与尼龙网9完全贴合，用来保证空间碎片即便破坏高分子膜，也只能破坏一个网格内的高分子膜，而其余部分保持良好。

如图3所示，尼龙网9与高分子膜贴合安装在折叠杆7上，当折叠杆7展开贴合在固定架外壁时，尼龙网9和高分子膜随其贴合在固定架外壁上，当折叠杆7脱离固定架外壁时，尼龙网9和高分子膜随折叠杆7脱离固定架外壁，且尼龙网9和高分子膜不会影响折叠杆7的运动。

固定架一般为圆柱形，固定架内部远离碗状结构的一端安装有主发动机，主发动机用于在空间碎片收集空间内调整空间碎片特定轨道清除装置的运行轨道，直至其到达预设的收集轨道，当该装置脱离任务航天器时，其运行轨道为低圆轨道，预设的收集轨道为椭圆轨道，主发动机靠近碗状结构的一端连接有控制板8，控制板8用于接收姿态检测装置发出的空间碎片特定轨道清除装置的当前姿态信息，然后判断该装置的当前姿态是否与预设的姿态吻合，若不吻合，控制板8发送信息至每台小型发动机，小型发动机启动以保证空间碎片特定轨道清除装置按照预设姿态运行。

控制板8与主发动机之间设置有隔热层4，隔热层4用于保证控制板8的工作环境不受主发动机影响。

控制板8远离主发动机的一端分别通过导线连接有姿态检测装置和电源，姿态检测装置用于获取空间碎片特定轨道清除装置的当前姿态信息，并发送至控制板8，姿态检测装置包括定向陀螺仪5，定向陀螺仪5外部设置有用于保护定向陀螺仪5的圆柱壳体，圆柱壳体可以保证定向陀螺仪5安全不受损害，而且也增加了整体结构的美观性，电源为锂电池块6，用于为控制板8、每台小型发动机、主发动机和姿态检测装置提供电能。

主发动机、控制板8、姿态检测装置、和电源均通过连接箍2安装在固定架内部，连接箍2的数量根据实际需要确定，且主发动机、控制板8、姿态检测装置、电源与固定架之间均安装有保护气囊。

任意两个保护气囊之间互不连通，保护气囊一来可以保证空间碎片不会伤及主发动机、隔热层4、控制板8、姿态检测装置和电源，二来可以使通过保护气囊的空间碎片，因为击穿保护气囊而被减速，从而达到对这一部分运动方向与该装置相反的空间碎片减速。

主发动机为固定火箭发动机，固体火箭发动机包括远离控制板8的拉法尔喷管1和靠近控制板8的燃烧室3，燃烧室3内部储存有固定火箭推进剂，火箭推进剂的携带量由预设的椭圆运动轨道决定，可精准控制，并减少浪费等。

本发明的另外一种方案是基于上述空间碎片特定轨道清除装置的使用方法，按照以下步骤实施：

步骤一、通过任务航天器将空间碎片特定轨道清除装置送入空间碎片收集空间，此时为低圆轨道，在太阳辐射的照射下，形状记忆合金吸收热能进行形变，并带动多根与其相连接的折叠杆7展开，形成一端敞口的碗状结构，碗状结构用于收集并储存空间碎片；

步骤二、在设计时计算好该装置展开所需要的时间，然后在释放之前将指令输入至控制板8内，当步骤一中的碗状结构形成后，通过控制板8发送信号启动固体火箭发动机，通过固体火箭发动机启动使空间碎片特定轨道清除装置在空间碎片收集空间内，由当前的低圆轨道进入预设的椭圆轨道，椭圆轨道近地点距地高度为原来的低圆轨道的高度，远地点高度根据预设的椭圆轨道来确定，并根据远地点高度来确定主发动机燃烧室中所携带的燃料量；

且主发动机、隔热层4、控制板8、姿态检测装置、电源与固定架之间均安装有保护气囊，保护气囊内装有产气固体，利用主发动机在启动时产生的热量，将产气固体变成气体，充满气囊，且任一两个保护气囊之间互不连通；

保护气囊一来可以保证空间碎片不会伤及主发动机、隔热层4、控制板8、姿态检测装置和电源，二来可以使得通过保护气囊的空间碎片，因为击穿保护气囊而被减速，从而达到对这一部分运动方向相反的碎片的减速；

步骤三、通过进入预设轨道的空间碎片特定轨道清除装置，将该轨道内与该装置碰触且在该轨道内的分速度小于该装置的空间碎片收集并储存在所述碗状结构内，并携带所收集储存的空间碎片沿所述预设轨道运行，如此一来，该装置不仅只能收集到预设轨道内的空间碎片，其他轨道内的空间碎片只要其与该装置碰触且在该轨道上分速度小于该装置，均可将其收集并储存至碗状结构内；

在空间碎片与装置相互作用时，可通过控制板8启动小型发动机维持该装置的预设姿态，使该装置携带所收集储存的空间碎片沿预设轨道运行；

步骤四、由于该装置必须比空间碎片的相对速度快一些才能包住碗状结构内的空间碎片，所以每次包住空间碎片，该装置的速度都会降低，待步骤三中的碗状结构内收集一定数量的空间碎片后，该装置及其包含的空间碎片的运行速度减慢，直至无法维持该装置沿预设轨道运行时，该装置携带其收集并储存的空间碎片一起坠入大气层销毁。

另外，碗状结构上设置有用于使相邻两根折叠杆7保持结构稳定的尼龙网9，尼龙网9与碗状结构之间还设置有高分子膜，高分子膜用于捕捉粉尘级空间碎片。

Claims (10)

1.一种空间碎片特定轨道清除装置，其特征在于，包括用于收集并储存空间碎片的碗状结构，所述碗状结构的外侧底部通过连结部与固定架相连接；

所述连结部用于当任务航天器携带所述空间碎片特定轨道清除装置时，控制所述碗状结构沿其连接端展开并贴合在所述固定架外壁上，并在所述空间碎片特定轨道清除装置脱离所述任务航天器时，脱离所述固定架外壁并形成所述碗状结构；

所述固定架远离所述碗状结构的一端安装有主发动机，所述主发动机与所述碗状结构之间，且沿所述主发动机至所述碗状结构方向上依次安装有控制板(8)、姿态检测装置和电源；

所述碗状结构上安装有多台小型发动机，每台所述小型发动机均通过导线连接至所述控制板(8)；

所述主发动机用于在空间碎片收集空间内调整所述空间碎片特定轨道清除装置到达预设的收集轨道；所述姿态检测装置用于获取所述空间碎片特定轨道清除装置的当前姿态信息，并发送至所述控制板(8)；所述控制板(8)用于接收所述姿态检测装置发出的信息，并发送信息至每台所述小型发动机，以保证所述空间碎片特定轨道清除装置按照预设姿态运行；所述电源用于为所述控制板(8)、每台小型发动机、主发动机和姿态检测装置提供电能。

2.如权利要求1所述的空间碎片特定轨道清除装置，其特征在于，所述连结部为形状记忆合金，所述碗状结构包括多根与所述形状记忆合金连接的折叠杆(7)，所述形状记忆合金用于在空间碎片收集空间内吸收太阳辐射所发出的热能而产生形变，并带动与其连接的多根所述折叠杆(7)展开形成所述碗状结构。

3.如权利要求2所述的空间碎片特定轨道清除装置，其特征在于，所述碗状结构上设置有用于使相邻两根所述折叠杆(7)保持结构稳定的尼龙网(9)，所述尼龙网(9)与所述碗状结构之间设置有高分子膜，所述高分子膜用于捕捉粉尘级空间碎片。

4.如权利要求1-3中任一所述的空间碎片特定轨道清除装置，其特征在于，所述主发动机、控制板(8)、姿态检测装置、电源均通过连接箍(2)安装在所述固定架的内部，且所述主发动机、控制板(8)、姿态检测装置、电源与所述固定架之间均安装有保护气囊。

5.如权利要求1-3中任一所述的空间碎片特定轨道清除装置，其特征在于，所述控制板(8)与所述主发动机之间设置有隔热层(4)，所述隔热层(4)用于保证所述控制板(8)的工作环境不受所述主发动机影响。

6.如权利要求1-3中任一所述的空间碎片特定轨道清除装置，其特征在于，所述主发动机为固体火箭发动机，所述固体火箭发动机包括：远离所述控制板(8)的拉法尔喷管(1)和靠近所述控制板(8)的燃烧室(3)。

7.如权利要求1-3中任一所述的空间碎片特定轨道清除装置，其特征在于，所述姿态检测装置包括定向陀螺仪(5)，所述定向陀螺仪(5)外部设置有用于保护所述定向陀螺仪(5)的圆柱壳体。

8.如权利要求1-3中任一所述的空间碎片特定轨道清除装置，其特征在于，所述电源为锂电池块(6)。

9.如权利要求1-8任一所述的空间碎片特定轨道清除装置的使用方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

步骤一、通过任务航天器将空间碎片特定轨道清除装置送入空间碎片收集空间后，在太阳辐射的照射下，形状记忆合金吸收热能进行形变，并带动多根与其连接的折叠杆(7)展开，并形成一端敞口的碗状结构，所述碗状结构用于收集并储存空间碎片；

步骤二、当所述空间碎片特定轨道清除装置的碗状结构形成后，通过控制板(8)发送信号启动固体火箭发动机，通过所述固体火箭发动机使所述空间碎片特定轨道清除装置在空间碎片收集空间内由当前轨道进入预设轨道，同时在所述固体火箭发动机的热量影响下，保护气囊内的产气固体受热变成气体，并充满保护气囊；

步骤三、通过进入预设轨道的空间碎片特定轨道清除装置，将该轨道内与该装置碰触且在该轨道内的分速度小于该装置的空间碎片收集并储存在所述碗状结构内，并携带所收集储存的空间碎片沿所述预设轨道运行；

步骤四、待步骤三中的碗状结构内收集一定数量的空间碎片后，所述空间碎片特定轨道清除装置的运行速度减慢至无法维持该装置沿预设轨道继续运行时，该装置携带其收集并储存的空间碎片一起坠入大气层销毁。

10.如权利要求9所述的使用方法，其特征在于，所述碗状结构上设置有用于使相邻两根所述折叠杆(7)保持结构稳定的尼龙网(9)，所述尼龙网(9)与所述碗状结构之间还设置有高分子膜，所述高分子膜用于捕捉粉尘级空间碎片。