CN106809405A - 一种子母星空间碎片清除平台及清除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种子母星空间碎片清除平台，包括多个用于清除空间碎片的子星，每个子星均可拆卸连接至同一母星，母星用于带动子星在多个空间碎片之间移动，每个子星上均安装有空间碎片清除装置，空间碎片清除装置包括用于测量空间碎片位姿的子星测量装置和子星抓捕装置；通过一颗微小卫星作为母星，多个微纳卫星作为子星，协同完成多碎片清除任务中的轨道转移、抵近详查、抓捕离轨等操作，具有成本低、相应速度快、可靠性高等特点；释放子星后，组成的空间碎片观测网可通过协同观测获得更精确的碎片位姿信息；子星独立完成离轨操作，母星可直接前往下一个待清除的空间碎片，节省时间与能量，提高空间碎片清除效益，降低成本。

Description

一种子母星空间碎片清除平台及清除方法

【技术领域】

本发明属于航空航天技术领域，尤其涉及一种子母星空间碎片清除平台及清除方法。

【背景技术】

广义上的空间碎片可以分为微流星体(Micrometeoroid)和人造空间碎片(Space/Orbital Debris)两类，而人造空间碎片的运行区域与在轨服务航天器运行区域重合，对人类航天探索造成巨大障碍，引起了广泛关注。由于近地轨道最易开发且用途广泛，其可用轨道数不断减少，卫星空间密度已经达到警戒值，无法预测的空间碰撞开始发生，所以保护近地轨道资源不受空间碎片危害势在必行。

根据近几十年人类对近地轨道的使用情况，从第一颗人造地球卫星至今，近地轨道已逐渐不堪重负。有研究预测如果人类按照当前科技发展速度不加节制地使用轨道资源，那么到2210年，近地轨道物体(>10cm)将到达约70000个，但实际观测显示截至2014年空间碎片数量已经超过预测的200年后的水平。

当下并没有强制性空间碎片减缓政策(mandatory space debris mitigationpolicies)，无法缓解轨道拥挤的现状。并且空间碎片的数量也在逐年增加，两次激增分别发生在07年风云1C实验和09年美国Iridium 33与俄罗斯Cosmos 2251碰撞，这与北美防空联合司令部(NORAD)检测到的碎片数量变化一致。空间碎片失控地在轨道中飞行，会极大地影响到现役航天器的安全，Kessler效应(Kessler syndrome)便描述了空间碎片对空间环境爆炸式的影响。面对如此恶劣的形势，想要彻底治理空间碎片和改善空间环境，完全依靠稀薄大气阻力使空间碎片轨道衰减离轨已经无法完成。而主动碎片清除技术(ActiveDebris Removal，ADR)是一种有效减少空间碎片的方法，它依靠航天器抓捕、拖拽等方式来主动地清理空间碎片，彻底治理空间环境。

现有的主动碎片清除方法主要包括：激光太阳帆推移离轨方法、航天器捕获离轨方法和电动绳系离轨方法等。其中多数离轨方式都需要ADR航天器作为平台完成碎片清除操作，这也正是本发明讨论的对象。

目前，ADR技术主要考虑通过ADR航天器对特定单一碎片进行引导、抵近、消旋、抓捕和拖曳离轨，最终实现碎片的再入烧毁。但是，碎片清除航天器往往具备一定的广域碎片感知、清除和轨道变换能力，而当下多数研究由于任务局限，无法完成多个碎片的交会与抓捕，使得现有ADR技术没有最大限度地发挥ADR航天器及其载荷的多碎片捕获能力，无法满足大量低轨空间碎片清除任务低成本、高可靠和高能效的需求。有研究表明，如果人类在2020年实现每年清理5个大型空间碎片，则轨道环境有望得到控制。所以如果ADR航天器在一次飞行中能完成多颗碎片的清除，那么ADR任务将更加高效。

针对大型空间碎片，采用抓捕的碎片清除方法只适用于一次任务清除一个碎片，航天器寿命短，成本高，且航天器随空间碎片一同再入大气层烧毁。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种子母星空间碎片清除平台及清除方法，以解决现有技术中无法实现同时清除大量低轨空间碎片问题。

本发明第一种技术方案是，一种子母星空间碎片清除平台，包括多个用于清除空间碎片的子星3，每个子星3均可拆卸连接至同一母星1，母星1用于带动子星3在多个空间碎片之间移动，每个子星3上均安装有空间碎片清除装置，空间碎片清除装置包括用于测量空间碎片位姿的子星测量装置和子星抓捕装置。

进一步地，母星1上安装有用于辅助子星3清除空间碎片的母星测量装置和母星抓捕装置。

进一步地，子星测量装置和母星测量装置均包括传感器组件，传感器组件包括红外传感器、可见光传感器、激光测距传感器、偏振光传感器。

进一步地，子星抓捕装置为设置在子星3外表面的电吸附层，电吸附层用于：

在初始状态下，通电并使子星3粘附在母星1上；

在工作状态下，断电并使子星3与母星分离1，且在靠近空间碎片时，通电并使子星3粘附在空间碎片上。

进一步地，每个子星3上均安装有姿态控制器和微喷装置，姿态控制器和微喷装置用于调节子星3的位姿，以便对空间碎片进行消旋。

本发明另一种技术方案是，一种空间碎片清除方法，使用上述的子母星空间碎片清除平台，包括以下步骤：

步骤一、通过运载火箭将母星1带入近地轨道；

步骤二、通过母星1带动子星3抵近待清除空间碎片，并伴飞；

步骤三、通过母星1分离出预设数量的子星3，抓捕待清除空间碎片；

步骤四、母星1携带剩余子星3抵近下一个待清除空间碎片，并重复执行步骤三，直至完成清除完计划中所有待清除空间碎片后，母星1离轨，并进入大气层烧毁。

进一步地，步骤三中子星3抓捕待清除空间碎片的具体方法为：

步骤3.1、母星1和每个分离出的子星3建立空间组网；

步骤3.2、通过空间组网确认待清除空间碎片信息；

步骤3.3、每个子星3通过其表面设置电吸附层粘附在待清除空间碎片上；

步骤3.4、通过每个子星3对待清除空间碎片进行消旋，并携带待清除空间碎片进入再入轨道进行烧毁。

进一步地，步骤3.2中测量信息包括待清除空间碎片的运动状态信息和形状信息。

本发明的有益效果是：通过一颗微小卫星作为母星，多个微纳卫星作为子星，协同完成多碎片清除任务中的轨道转移、抵近详查、抓捕离轨等操作，具有成本低、相应速度快、可靠性高等特点；母星采用微小卫星，研制周期块、成本低；子星采用微纳卫星，成本低，且每个子星均采用模块化设计，适配母星即可完成在轨补充；释放子星后，组成的空间碎片观测网可通过协同观测获得更精确的碎片位姿信息；子星独立完成离轨操作，母星可直接前往下一个待清除的空间碎片，节省时间与能量，提高空间碎片清除效益，降低成本；子星在轨补充后即可继续完成空间碎片清除任务，延长平台服务寿命；某颗子星发生故障时不会造成抓捕任务的失败，在轨调试多子星协同策略即可重新完成抓捕与离轨任务，提高任务可靠性。

【附图说明】

图1为本发明一种子母星空间碎片清除平台结构示意图；

图2为本发明一种空间碎片清除方法运行步骤示意图。

其中：1.母星；2.太阳能电池板；3.子星；4.变轨发动机。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本进行详细说明。

本发明公开了一种子母星空间碎片清除平台，如图1所示，包括多个用于清除空间碎片的子星3，多个子星3具备组网通讯能力，对清除空间碎片具有很多优势，每个子星3上均安装有空间碎片清除装置，空间碎片清除装置包括子星测量装置和子星抓捕装置；

母星1上安装有用于辅助子星3清除空间碎片的母星测量装置和母星抓捕装置，母测量装置包括传感器组件，传感器组件包括红外传感器、可见光传感器、激光测距传感器、偏振光传感器等，可分别测量出空间碎片的不同属性信息。

母星抓捕装置可选网、爪、绳、离轨包等各种可实现空间碎片抓捕的装置。

子星测量装置用于测量空间碎片的位姿。子星测量装置和母星测量装置均包括传感器组件，传感器组件包括红外传感器、可见光传感器、激光测距传感器、偏振光传感器等，可分别测量出空间碎片的不同属性信息。

子星抓捕装置和母星抓捕装置均可选网、爪、绳、离轨包等各种可实现空间碎片抓捕的装置，该子星抓捕装置属于子母星空间碎片清除平台的资源，具有消耗性和有限性，除非进行在轨补充，否则耗尽该资源后将无法继续执行任务，所以采用该子母星空间碎片清除平台时必须考虑其资源的约束，使任务更加合理有效。

本实施例中，子星抓捕装置优选为设置在子星3外表面的电吸附层，电吸附层用于：

在初始状态下，通电并使子星3粘附在母星1上；

在工作状态下，断电并使子星3与母星分离1，且在靠近空间碎片时，通电并使子星3粘附在空间碎片上。

采用电吸附层不仅可以使子星3吸附在母星1上还能吸附在空间碎片上，节省了资源，母星抓捕装置优选的选择为抓捕爪。

每个子星3上均安装有姿态控制器和微喷装置，姿态控制器和微喷装置用于控制子星3的位姿，以便粘附在空间碎片上同时对空间碎片进行消旋，微喷装置可以完成小尺度上的空间碎片抵近。

每个子星3均通过可拆卸连接至同一母星1，母星1用于带动子星3在多个空间碎片之间移动，以达到一次任务可清除多个空间碎片的目的；本实施例中通过变轨发动机4完成整体的轨道转移。

优选的母星1体积较大、质量较大，且通信能力较强，能承载多颗子星3，母星1还具备较强的轨道机动能力，能够携带子星在多碎片之间进行变轨交会，而在抵近段时会释放多颗子星3，并通过多子星3在空间碎片周围形成子星网络，使对空间碎片的测量更加精确，为抵近安全控制提供反馈。

此外，每颗子星3可以根据要清除空间碎片的尺寸质量、表面材料和运动状态配备不同的空间碎片测量装置和空间碎片抓捕装置，从而更好地满足多任务需求。

同时，子星3优选的采用标准化、模块化的微纳卫星，具有成本低、研制周期短和可补充的优点。

综上，本发明的子母星空间碎片清除平台提高了低轨空间碎片的清除速度，高效完成了多异类空间碎片的清除任务。

每个子星3上还设置有多个定位装置，母星1设置有与锥状定位装置相配合的定位槽，定位装置和定位槽配合用于确定每个子星3在母星1上的位置，在使用时每个定位装置插入到与其相配合的定位槽内，可以固定子星3的位置。

另外，在母星1上还可以设置用于辅助子星3抓捕空间碎片的母星抓捕装置和母星测量装置，可以在多个子星3对空间碎片抓捕的时候进行辅助抓捕或对空间碎片进行测量时同时进行测量，以增加抓捕和测量效率。

另外，本发明还提出了一种空间碎片清除方法，使用上述子母星空间碎片清除平台，包括以下步骤：

步骤一、通过运载火箭或其它运载器将母星1带入近地轨道；

步骤二、待得到任务开始指令后，通过母星1带动子星3抵近预设的第一个待清除空间碎片，并伴飞；

步骤三、通过母星1按照预设方案分离出预设数量的子星3，以抓捕第一个待清除空间碎片；抓捕方法具体如下：

步骤3.1、母星1和每个分离出的子星3建立空间组网；

步骤3.2、通过空间组网确认第一个待清除空间碎片信息，测量信息包括待清除空间碎片的运动状态信息和形状信息；

步骤3.3、每个子星3通过其表面设置电吸附层粘附在第一个待清除空间碎片上；

步骤3.4、通过每个子星3通过自主导航对第一个待清除空间碎片进行协同消旋，并启动子星3上的微喷，以携带第一个待清除空间碎片进入再入轨道进行烧毁；同时母星1携带剩下子星3前往下一个空间碎片；

步骤四、母星1携带剩余子星3抵近下一个待清除空间碎片，并重复执行步骤三，直至完成清除完计划中所有待清除空间碎片后，母星1离轨，并进入大气层烧毁。

Claims (8)

1.一种子母星空间碎片清除平台，其特征在于，包括多个用于清除空间碎片的子星(3)，每个所述子星(3)均可拆卸连接至同一母星(1)，所述母星(1)用于带动所述子星(3)在多个空间碎片之间移动，每个所述子星(3)上均安装有空间碎片清除装置，所述空间碎片清除装置包括用于测量空间碎片位姿的子星测量装置和子星抓捕装置。

2.如权利要求1所述的子母星空间碎片清除平台，其特征在于，所述母星(1)上安装有用于辅助所述子星(3)清除空间碎片的母星测量装置和母星抓捕装置。

3.如权利要求2所述的子母星空间碎片清除平台，其特征在于，所述子星测量装置和母星测量装置均包括传感器组件，所述传感器组件包括红外传感器、可见光传感器、激光测距传感器、偏振光传感器。

4.如权利要求1或2所述的子母星空间碎片清除平台，其特征在于，所述子星抓捕装置为设置在所述子星(3)外表面的电吸附层，所述电吸附层用于：

在初始状态下，通电并使所述子星(3)粘附在所述母星(1)上；

在工作状态下，断电并使所述子星(3)与所述母星分离(1)，且在靠近空间碎片时，通电并使所述子星(3)粘附在空间碎片上。

5.如权利要求1-3任一所述的子母星空间碎片清除平台，其特征在于，每个所述子星(3)上均安装有姿态控制器和微喷装置，所述姿态控制器和微喷装置用于调节所述子星(3)的位姿，以便对空间碎片进行消旋。

6.一种空间碎片清除方法，使用权利要求1-5所述的子母星空间碎片清除平台，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、通过运载火箭将母星(1)带入近地轨道；

步骤二、通过母星(1)带动子星(3)抵近待清除空间碎片，并伴飞；

步骤三、通过所述母星(1)分离出预设数量的子星(3)，抓捕待清除空间碎片；

步骤四、所述母星(1)携带剩余子星(3)抵近下一个待清除空间碎片，并重复执行步骤三，直至完成清除完计划中所有待清除空间碎片后，母星(1)离轨，并进入大气层烧毁。

7.如权利要求6所述的空间碎片清除方法，其特征在于，步骤三中所述子星(3)抓捕待清除空间碎片的具体方法为：

步骤3.1、所述母星(1)和每个分离出的所述子星(3)建立空间组网；

步骤3.2、通过所述空间组网确认待清除空间碎片信息；

步骤3.3、每个所述子星(3)通过其表面设置电吸附层粘附在待清除空间碎片上；

步骤3.4、通过每个所述子星(3)对待清除空间碎片进行消旋，并携带待清除空间碎片进入再入轨道进行烧毁。

8.如权利要求7所述的空间碎片清除方法，其特征在于，步骤3.2中所述测量信息包括待清除空间碎片的运动状态信息和形状信息。