CN108177801B - 基于太阳帆的空间碎片清理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于太阳帆的空间碎片清理装置及方法，旨在提高厘米级空间碎片的清理效率，并降低轨道清理过程中的能量消耗和机动平台的制造成本，太阳帆的支撑杆伸展并带动帆面展开；支撑杆上的滑块根据探测控制模块的指令滑动，调整太阳帆姿态，太阳帆向目标碎片靠近；吸纳器通过腔体内的电磁线圈将磁性碎片吸入到粉碎腔内；粉碎腔内的分解网粉碎磁性碎片，球磨机将粉碎后的碎块研磨为磁性粉尘；静电加速器内的放电装置对经过粉碎腔和静电加速器之间隔离板上的出尘孔进入腔体内的磁性粉尘充电，并在静电发生器提供的高压静电场内使磁性粉尘加速；喷枪管向非磁性碎片喷射在缓冲区混合的膨胀泡沫和高速磁性粉尘，使非磁性碎片降轨。

Description

基于太阳帆的空间碎片清理装置及方法

技术领域

本发明属于航天技术领域，涉及一种空间碎片清理装置及方法，具体涉及一种以太阳帆为机动平台的空间碎片清理装置及方法，可用于清理厘米级的高危空间碎片。

背景技术

空间碎片是人类空间活动的产物，例如卫星自身解体、碰撞爆炸过程中产生的碎块和宇航员执行任务过程中的抛弃物等。根据ESA的监测模型估计，尺寸介于1～10cm之间的空间碎片已经达到了75000个，且呈现快速增长趋势，该尺寸的空间碎片难以由地面监测跟踪，如与航天器发生碰撞，会造成巨大破坏，需对其进行主动清理。现有的主动清理对策均采用卫星或航天飞机作为机动平台，主要有捕获离轨、推移离轨和增阻离轨三类，其中捕获离轨和推移离轨两类清理方式的相关研究较多。

捕获离轨方式的思想是通过抓捕装置捕获空间碎片后，由航天器平台进行轨道转移，将目标拖入大气层烧毁，或将其拖拽至坟墓轨道。使用机械臂、抓钩等方式捕获空间碎片是一类常见的捕获离轨方式，这类刚性抓捕方式更适合大型废弃卫星等空间垃圾的清除，对厘米级空间碎片捕获成功率较低。

推移离轨是一类重要的空间碎片清理方式，利用激光、离子束等高能量射束与碎片作用时产生的力来推移空间碎片，使其获得一个速度增量，偏离原运行轨道，从而达到使空间碎片降轨的目的。对于微小的空间碎片，还可利用射束的强大的能量直接烧蚀。专利授权公告号CN104155748B，名称为“基于自适应光学技术的激光合束空间碎片清除系统”的中国专利，公开了一种地面发射激光清理空间碎片的系统，系统中采用自适应光学技术对光学元件热变形和大气引起的扰动进行校正，能够通过实现光束整形与大气传输校正，准确照射到空间碎片上进行清理。但是由于地面无法监测到厘米级空间碎片，因此地面发射激光的方式无法清理厘米级空间碎片，天基发射激光虽然可以清理尺寸较小的空间碎片，但天基激光器制造成本昂贵，而且清理过程中发射的激光需要消耗巨大能量。

此外采用卫星、航天飞机等传统航天器，均需携带推进剂燃料，并且机动平台的制造成本高。而太阳帆是一种使用巨大的薄膜帆面，依靠太阳光子撞击反射获得推力的新型航天器，不需燃料，结构简单，制造成本低廉，在航天任务中具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供了一种基于太阳帆的空间碎片清理装置及方法，旨在提高厘米级空间碎片的清理效率，并降低轨道清理过程中的能量消耗和机动平台的制造成本。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于太阳帆的空间碎片清理装置，包括太阳帆1和轨道清理机构2，其中：

所述太阳帆1，包括至少三个支撑杆11和载荷收纳仓12，所述支撑杆11采用双股伸展式结构，其上嵌套有调整太阳帆姿态的滑块14，所述载荷收纳仓12的内部安装有探测控制模块，用于定位目标碎片和生成控制指令；各支撑杆11的一端分别与载荷收纳仓12固定，形成平面放射状骨架，相邻支撑杆11之间固定有帆面13，该帆面13上铺设有太阳能薄膜电池15；

所述轨道清理机构2，包括均为腔体结构且依次连接的吸纳器21、粉碎腔22、静电加速器23和泡沫存储仓25，所述吸纳器21的腔体内部设置有电磁线圈211，用于吸附磁性碎片；所述粉碎腔22的腔体内设置有分解网221和球磨机222；所述静电加速器23的腔体靠近入口位置处固定有放电装置231，腔体内部设置有与放电装置231连接的静电发生器232，该静电加速器23与粉碎腔22的贯通处设置有隔离板26；所述泡沫存储仓25的顶部设置有顶盖，底部封闭，该泡沫存储仓25与静电加速器23之间的缓冲区侧壁上设置有喷枪管24，用于向非磁性碎片喷射泡沫；

所述轨道清理机构2的泡沫存储仓25的底部与载荷收纳仓12固定，且轨道清理机构2的中心轴线与帆面13垂直。

上述基于太阳帆的空间碎片清理装置，所述支撑杆11，其双股伸展式结构由多个菱形杆架连接而成。

上述基于太阳帆的空间碎片清理装置，所述吸纳器21，其入口端为漏斗型。

上述基于太阳帆的空间碎片清理装置，所述球磨机222，采用行星式球磨机。

上述基于太阳帆的空间碎片清理装置，所述喷枪管24，数量至少为两个，且均匀分布在泡沫存储仓25与静电加速器23之间的缓冲区侧壁上。

上述基于太阳帆的空间碎片清理装置，所述隔离板26，其上设置有可开闭的出尘孔。

上述基于太阳帆的空间碎片清理装置，所述放电装置231，采用钨针放电装置。

上述基于太阳帆的空间碎片清理装置，所述泡沫存储仓25，其顶盖上设置有可开闭的排液孔。

一种基于太阳帆的空间碎片清理方法，包括如下步骤：

(1)太阳帆展开：

(1a)空间站发射太阳帆空间碎片清理装置；

(1b)支撑杆根据控制模块预设的指令，由多个菱形杆架连接的双股状态伸展为单股状态，带动帆面展开；

(2)探测控制模块获取控制指令：

探测控制模块对目标碎片进行定位，根据定位获取的目标碎片相对于太阳帆的位置和速度信息，计算太阳帆到目标碎片运动轨迹的控制量，并根据控制量生成控制指令；

(3)太阳帆根据控制指令向目标碎片靠近：

根据控制指令，太阳帆在支撑杆上滑块滑动的带动下转动，通过改变太阳帆的帆面法线与太阳帆所在位置处的太阳光线之间的夹角，获得实时的光压推力和加速度，太阳光压推动太阳帆运动到目标碎片附近，且太阳帆与目标碎片之间无相对运动；

(4)吸纳器对磁性碎片进行吸附：

吸纳器通过腔体内利用太阳能薄膜电池提供的电能产生电磁场的电磁线圈，将磁性碎片吸入到粉碎腔内；

(5)粉碎腔对磁性碎片进行粉碎和研磨：

粉碎腔通过分解网对磁性碎片进行初步粉碎，并通过球磨机对粉碎后的磁性碎块进行研磨，得到磁性粉尘；

(6)静电加速器对磁性粉尘进行加速：

(6a)静电加速器腔体靠近入口位置处固定的放电装置释放电子束，对经过隔离板上的出尘孔进入腔体内的磁性粉尘充电；

(6b)静电加速器腔体内部设置的静电发生器为带电后的磁性粉尘提供高压静电场，使磁性粉尘加速进入缓冲区；

(7)喷枪管对非磁性碎片进行喷移：

(7a)泡沫存储仓顶部设置的顶盖上的排液孔打开，释放膨胀泡沫；

(7b)喷枪管向非磁性碎片喷射在缓冲区混合的膨胀泡沫和高速磁性粉尘，使非磁性碎片降轨；

(8)泡沫存储仓判断膨胀泡沫剩余量：

泡沫存储仓判断膨胀泡沫剩余量是否大于预设门限值，若是，执行步骤(2)，否则，太阳帆返回空间站补给膨胀泡沫，执行步骤(1)。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明通过吸纳器腔体内的电磁线圈对磁性碎片进行吸附，并通过喷枪管向非磁性碎片喷射磁性粉尘与膨胀泡沫混合物，使其降轨，实现对所有厘米级空间碎片的清理，与现有技术相比，提高了空间碎片的清理效率。

2.本发明的轨道清理机构在对非磁性碎片的清理时，通过喷枪管向非磁性碎片喷射膨胀泡沫和经静电加速器加速后的磁性粉尘的混合物，能够产生类似于激光推移的效果，减少了清理过程中的能量消耗。

3.本发明采用太阳帆作为轨道清理机构的机动平台，空间碎片清理装置的运行是通过太阳帆依靠太阳光子撞击到帆面上并发生反射获得推力实现的，不需要消耗推进剂燃料，且太阳帆的结构简单，制造成本低。

附图说明

图1是本发明实施例空间碎片清理装置的整体结构示意图；

图2是本发明支撑杆的展开原理图；

图3是本发明轨道清理机构的剖面图；

图4是本发明空间碎片清理方法的实现流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：

参照图1，基于太阳帆的空间碎片清理装置，包括太阳帆1和轨道清理机构2。

太阳帆1使用四根嵌套有滑块14的支撑杆11，各支撑杆11的一端分别与载荷收纳仓12固定，形成平面放射状骨架，相邻支撑杆11之间固定有等腰直角三角形的帆面13，每个等腰三角形帆面13的两个侧面的腰部均设有太阳能薄膜电池15。

为了降低太阳帆1本身的质量，支撑杆11应采用密度小、强度大的材质，本例中选择碳纤维复合材料；为了降低太阳帆1进行姿态控制的难度，相邻支撑杆11之间的夹角均设计为90°。支撑杆11采用多个菱形杆架连接组成的双股伸展式结构，其展开原理如图2所示，每个菱形杆架由四根杆通过铆合连接构成，且相邻菱形杆架之间也通过铆合连接，支撑杆11伸展前，两根杆的夹角∠1为180°，通过改变∠1的大小，∠2、∠3及至∠n的大小也随之改变，当∠1改变为0°时，∠α为180°，此时支撑杆11处于完全伸直的状态。

滑块14的工作原理是通过滑动到支撑杆11上的不同位置，使本装置的质心位置发生偏移，从而产生转动力矩，改变太阳帆1所在位置处的太阳光线与帆面13的法线之间的夹角，改变太阳帆1受到的光压推力，进而改变太阳帆1的运动状态。

帆面13未展开时收藏于载荷收纳仓12内，其上铺设的太阳能薄膜电池片15用于吸收太阳能并将其转化为电能，为轨道清理机构2提供能量。由于太阳光作用在帆面13上的光压很小，因此帆面13需要较大的设计尺寸，才能保证太阳帆1在太阳光压下获得足够的推力。

载荷收纳仓12内安装的探测控制模块，用于对目标碎片进行定位，并根据定位获取的目标碎片相对于太阳帆1的位置和速度信息，计算太阳帆1到目标碎片运动轨迹的控制量，进而根据控制量生成控制指令。由于目标碎片相对于太阳帆1属于运动目标，因此在计算运动轨迹的过程中不仅需要目标碎片相对于太阳帆1的位置信息，还需要目标碎片相对与太阳帆1的速度信息。

轨道清理机构2的剖面结构如图3所示，包括均为腔体结构且依次连接的吸纳器21、粉碎腔22、静电加速器23和泡沫存储仓25，各腔体中心轴线重合。静电加速器23与粉碎腔22的贯通处设置有隔离板26。泡沫存储仓25的底部封闭，顶部设置有顶盖，与静电加速器23之间的缓冲区侧壁上设置有两个喷枪管24。

吸纳器21内部设置的电磁线圈211，依靠太阳能薄膜电池15供电产生电磁场，吸引空间中的磁性碎片。吸纳器21的入口端设计为漏斗型，增大吸附范围，便于吸附磁性碎片，电磁线圈211产生的吸引力可以通过改变线圈匝数来调节，线圈匝数越多，产生的吸引力越大。

粉碎腔22腔体内依次设置有分解网221和球磨机222，将吸纳器21吸入的磁性碎片研磨为磁性粉尘。由于太空中的重力加速度不足以产生研磨所需的冲击力，因此球磨机222采用行星式球磨机，行星式球磨机工作时高速旋转，依靠研磨球与研磨罐之间的速度差产生研磨所需的摩擦和撞击，冲击效应巨大，研磨效率较高。

隔离板26上设置多个均匀分布的，可开闭的出尘孔。需要喷枪管24对非磁性碎片进行喷移时，出尘孔打开，粉尘进入静电加速器23加速；否则，出尘孔关闭，将磁性粉尘保存在球磨机22中，避免磁性粉尘直接进入静电加速器23中完成加速。

静电加速器23靠近腔体入口位置的放电装置231采用钨针放电装置，与腔体内部的静电发生器232连接。静电发生器232通过放电装置231释放电子束，为磁性粉尘充电，并在静电加速器23出口位置将电子释放入缓冲区，保持静电加速器23的电平衡。带电的磁性粉尘将会在静电发生器232提供的高压静电场下加速，成为高速磁性粉尘。

泡沫存储仓25底部封闭，顶盖上设置有多个均匀分布的，可开闭的排液孔。需要喷枪管24对非磁性碎片进行喷移时，排液孔打开，膨胀泡沫进入缓冲区与高速磁性粉尘混合；否则，排液孔关闭，将膨胀泡沫保存在泡沫存储仓25中，避免膨胀泡沫直接流入静电加速器23和泡沫存储仓25之间的缓冲区。

缓冲区侧壁上设置了两个均匀分布的喷枪管24，清理非磁性碎片时同时喷射，互相平衡各自产生的力矩。为了保持喷射过程中太阳帆1的姿态稳定，在缓冲区侧壁上应设置至少两个均匀分布的喷枪管24，并且所有的喷枪管24以相同的角度向轨道清理机构2的中心轴线弯曲，使各喷枪管24的延长线能交于一点。

轨道清理机构2的泡沫存储仓25的底部与载荷收纳仓12固定，且轨道清理机构2的中心轴线与帆面13垂直。

基于太阳帆的空间碎片清理方法，包括如下步骤：

步骤1、太阳帆1展开：

步骤1a)空间站发射太阳帆空间碎片清理装置；

步骤1b)支撑杆11根据控制模块预设的指令，由多个菱形杆架连接的双股状态伸展为单股状态，带动帆面13展开。帆面13展开后，只要有太阳光线照射到帆面13上，帆面13上铺设的太阳能薄膜电池15就会吸收光能并将光能转化为电能；

步骤2、探测控制模块获取控制指令：

探测控制模块对目标碎片进行定位，并根据定位获取的目标碎片相对于太阳帆1的位置和速度信息，计算太阳帆1到目标碎片运动轨迹的控制量，并根据控制量生成控制指令。由于目标碎片在轨道上不断运动，因此探测控制模块实时不断地进行运动所需控制量的解算，所以对应生成的控制指令是一连串连续的控制指令；

步骤3、太阳帆1根据控制指令向目标碎片靠近：

根据控制指令，太阳帆1在支撑杆11上滑块14滑动的带动下转动，通过改变帆面13的法线与太阳帆1所在位置处的太阳光线之间的夹角，获得实时的光压推力和加速度，太阳光压推动太阳帆1运动到目标碎片附近，且太阳帆1与目标碎片之间无相对运动。在太阳帆1向目标碎片运动的过程中，滑块14根据控制指令不断滑动，实时调整太阳帆1的姿态，使太阳帆1接近目标碎片；

步骤4、吸纳器21吸附磁性碎片：

吸纳器21通过腔体内利用太阳能薄膜电池15提供的电能产生电磁场的电磁线圈211，将磁性碎片吸入到粉碎腔22内。对于尺寸较大的磁性碎片，可以通过增加电磁线圈211的线圈匝数，来增大吸引力；

步骤5、粉碎腔22对磁性碎片进行粉碎和研磨：

粉碎腔22通过分解网221对磁性碎片进行初步粉碎，并通过球磨机222对粉碎后的磁性碎块进行研磨，得到磁性粉尘。球磨机222采用行星式球磨机，工作时高速旋转，依靠研磨球与研磨罐之间的速度差产生研磨所需的摩擦和撞击；

步骤6、静电加速器23对磁性粉尘进行加速：

步骤6a)静电加速器23腔体靠近入口位置处固定的放电装置231释放电子束，对经过隔离板26上的出尘孔进入腔体内的磁性粉尘充电；

步骤6b)静电加速器23腔体内部设置的静电发生器232为带电后的磁性粉尘提供高压静电场，使磁性粉尘加速进入缓冲区；

步骤7、喷枪管24对非磁性碎片进行喷移：

泡沫存储仓25顶盖上的排液孔打开，释放膨胀泡沫，膨胀泡沫和高速磁性粉尘在缓冲区混合，两个喷枪管24同时向非磁性碎片喷射高速磁性粉尘泡沫混合物。泡沫与非磁性碎片接触后，附着在非磁性碎片上并膨胀，使非磁性碎片表面积增大，受到的阻力变大，速度逐渐减小，同时高速磁性粉尘产生的推力使非磁性碎片立即获得一个速度变化量，加速其降轨，最终降轨至地球大气层中焚毁；

步骤8、泡沫存储仓25判断膨胀泡沫剩余量：

泡沫存储仓25通过测量仓内膨胀泡沫的压强，判断膨胀泡沫剩余量是否大于预设门限值，若是，执行步骤2，否则，太阳帆1返回空间站补给膨胀泡沫，执行步骤1。

本发明的轨道清理机构2对磁性碎片进行吸附，对非磁性碎片进行喷移，可以完成对所有厘米级空间碎片的清理，具有较高的清理效率。在整个清理过程中，对非磁性碎片进行一次喷射可能无法使其进入大气层焚毁，在降轨过程中会再次稳定到较低的轨道上，可以通过在不同的轨道高度带上设置该太阳帆空间碎片清理装置，实现协同清理。

以上所描述的具体实施例仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的限制，在不背离本发明原理的情况下，进行形式或细节上的各种修改和改变，仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于太阳帆的空间碎片清理方法，其特征在于，是通过基于太阳帆的空间碎片清理装置实现的，该清理装置包括太阳帆和轨道清理机构，其中：

所述太阳帆，包括至少三个支撑杆和载荷收纳仓，所述支撑杆采用双股伸展式结构，其上嵌套有调整太阳帆姿态的滑块，所述载荷收纳仓的内部安装有探测控制模块，用于定位目标碎片和生成控制指令；各支撑杆的一端分别与载荷收纳仓固定，形成平面放射状骨架，相邻支撑杆之间固定有帆面，该帆面上铺设有太阳能薄膜电池；

所述轨道清理机构，包括均为腔体结构且依次连接的吸纳器、粉碎腔、静电加速器和泡沫存储仓，所述吸纳器的腔体内部设置有电磁线圈，用于吸附磁性碎片；所述粉碎腔的腔体内设置有分解网和球磨机；所述静电加速器的腔体靠近入口位置处固定有放电装置，腔体内部设置有与放电装置连接的静电发生器，该静电加速器与粉碎腔的贯通处设置有隔离板；所述泡沫存储仓的顶部设置有顶盖，底部封闭，该泡沫存储仓与静电加速器之间的缓冲区侧壁上设置有喷枪管，用于向非磁性碎片喷射泡沫；

所述轨道清理机构的泡沫存储仓的底部与载荷收纳仓固定，且轨道清理机构的中心轴线与帆面垂直；

具体实现方法包括如下步骤：

(1)太阳帆展开：

(1a)空间站发射太阳帆空间碎片清理装置；

(1b)支撑杆根据探测控制模块预设的控制指令，由多个菱形杆架连接的双股状态伸展为单股状态，带动帆面展开；

(2)探测控制模块获取控制指令：

探测控制模块对目标碎片进行定位，根据定位获取的目标碎片相对于太阳帆的位置和速度信息，计算太阳帆到目标碎片运动轨迹的控制量，并根据控制量生成控制指令；

(3)太阳帆根据控制指令向目标碎片靠近：

根据控制指令，太阳帆在支撑杆上滑块滑动的带动下转动，通过改变太阳帆的帆面法线与太阳帆所在位置处的太阳光线之间的夹角，获得实时的光压推力和加速度，太阳光压推动太阳帆运动到目标碎片附近，且太阳帆与目标碎片之间无相对运动；

(4)吸纳器对磁性碎片进行吸附：

吸纳器通过腔体内利用太阳能薄膜电池提供的电能产生电磁场的电磁线圈，将磁性碎片吸入到粉碎腔内；

(5)粉碎腔对磁性碎片进行粉碎和研磨：

粉碎腔通过分解网对磁性碎片进行初步粉碎，并通过球磨机对粉碎后的磁性碎块进行研磨，得到磁性粉尘；

(6)静电加速器对磁性粉尘进行加速：

(6a)静电加速器腔体靠近入口位置处固定的放电装置释放电子束，对经过隔离板上的出尘孔进入腔体内的磁性粉尘充电；

(6b)静电加速器腔体内部设置的静电发生器为带电后的磁性粉尘提供高压静电场，使磁性粉尘加速进入缓冲区；

(7)喷枪管对非磁性碎片进行喷移：

(7a)泡沫存储仓顶部设置的顶盖上的排液孔打开，释放膨胀泡沫；

(7b)喷枪管向非磁性碎片喷射在缓冲区混合的膨胀泡沫和高速磁性粉尘，使非磁性碎片降轨；

(8)泡沫存储仓判断膨胀泡沫剩余量：

泡沫存储仓判断膨胀泡沫剩余量是否大于预设门限值，若是，执行步骤(2)，否则，太阳帆返回空间站补给膨胀泡沫，执行步骤(1)。

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