CN108248896A - 基于空间碎片运动的无动力空间机动小型航天器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于空间碎片运动的无动力空间机动小型航天器及方法，包括小型航天器本体，设置在小型航天器本体上的电磁弹射装置、电磁回收装置和储能单元，以及通过柔性连接带与电磁回收装置连接的静电吸附装置；方法是利用空间碎片的运动以及小型航天器与空间碎片接近的时机，通过静电吸附装置使得小型航天器与空间碎片相连，并借助该空间碎片的运动来改变小型航天器的运行轨道，实现无动力空间机动。本发明保证小型航天器和空间碎片组成为一个整体，降低由于柔性连接带所引起的摆动，完成了电磁弹射装置的第二次弹射准备工作，由空间碎片将小型航天器携带至与另一空间碎片的接近处，在此过程中，也无需消耗燃料。

Description

基于空间碎片运动的无动力空间机动小型航天器及方法

技术领域

本发明涉及航天技术领域，具体为基于空间碎片运动的无动力空间机动小型航天器及方法。

背景技术

随着计算机、新材料和新工艺等现代科学技术的发展，功能密度高和技术性能强的小型航天器成为各国研究的热点。重量小于100公斤的航天器为小型航天器，其不仅具有体积小、重量轻、技术含量高和研制周期短等一系列优点，同时，可以将小型航天器作为大型航天器平台的补充，二者互相协同，可以完成一些复杂的空间任务，如在轨跟踪、观测、拍照、通讯以及空间碎片清除等任务。但是，由于受到小型航天器技术特点的限制，一般情况下，小型航天器携带的燃料较少，不具有很强的机动能力，只能在大型航天器平台周围进行一些简单的辅助工作，大大限制了小型航天器的利用范围。

随着人类空间活动的日益频繁，空间碎片存在日益增多的趋势，特别是在近地轨道上空间碎片的密度更大，小型航天器在运行过程中与空间碎片之间发生交会的概率显著增加，而空间碎片一般具有较高的轨道运行速度，同时具有较大的质量，不仅无法利用，而且还给附近高度的航天器带来危险。现有的小型航天器采用传统的脉冲机动或连续推进方式，由于不能实现无动力的空间机动，因此其在进行工作时燃料消耗大，寿命短，限制了其使用范围和活动空间。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于空间碎片运动的无动力空间机动小型航天器及方法，使得小型航天器在空间运行时可以借力于空间运行中的空间碎片，实现小型航天器的无动力空间机动，同时提高空间碎片的利用率。

本发明是通过以下技术方案来实现：

基于空间碎片运动的无动力空间机动小型航天器，其特征在于，包括小型航天器本体，设置在小型航天器本体上的电磁弹射装置、电磁回收装置和储能单元，以及通过柔性连接带与电磁回收装置连接的静电吸附装置；

所述电磁弹射装置用于将静电吸附装置以及柔性连接带弹出小型航天器，静电吸附装置用于吸附在空间碎片上与其连接，电磁回收装置用于通过柔性连接带将静电吸附装置回收，储能单元用于给电磁弹射装置、电磁回收装置和静电吸附装置提供电能。

优选的，还包括用于调整自身姿态的发动机。

优选的，还包括与空间检测系统的通讯模块，以及设置在小型航天器上的导航设备；小型航天器通过导航设备以及与空间检测系统的通讯连接确定空间碎片与小型航天器之间的相对运动状态。

基于空间碎片运动的无动力空间机动方法，如上述任一小型航天器，利用空间碎片的运动以及小型航天器与空间碎片接近的时机，通过静电吸附装置使得小型航天器与空间碎片相连，并借助该空间碎片的运动来改变小型航天器的运行轨道，实现无动力空间机动。

优选的，通过空间检测系统和小型航天器自带的导航设备确定需要搭载的空间碎片，当空间碎片与小型航天器接近到吸附范围时，小型航天器通过电磁弹射装置发射出由柔性连接带连接的静电吸附装置，吸附在空间碎片上，与空间碎片自成一体，以完成第一次无动力空间机动，当空间碎片运动到预设位置与另一空间碎片接近时，小型航天器解除吸附作用，并通过电磁弹射装置发射出静电吸附装置，吸附在另一空间碎片上；该过程重复执行，最终小型航天器进入任务轨道。

优选的，静电吸附装置吸附在空间碎片上的同时，小型航天器通过电磁回收装置将自身拉近空间碎片，与空间碎片自成一体。

优选的，小型航天器解除吸附作用后，以及小型航天器进入任务轨道前均通过发动机调整自身姿态。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明由小型航天器上储能单元提供电能，通过电磁弹射装置将静电吸附装置弹射出小型航天器并与空间碎片相连，多次重复后最终完成小型航天器的无动力空间机动，无需消耗小型航天器的燃料。由于采用柔性连接带的方式，扩大了小型航天器可以吸附空间碎片的范围，增加了小型航天器被空间碎片携带的概率。该方法能够满足较大相对距离内的吸附连接，同时能够耐受较大的冲击力，并且使用可靠，操作方便简洁。

进一步的，由小型航天器上的储能单元提供电能，通过电磁回收装置将小型航天器拉近空间碎片，既保证小型航天器和空间碎片组成为一个整体，降低由于柔性连接带所引起的摆动，同时完成了电磁弹射装置的第二次弹射准备工作，由空间碎片将小型航天器携带至与另一空间碎片的接近处，在此过程中，也无需消耗燃料。

附图说明

图1为本发明实例中所述小型航天器的结构示意图；

图2为本发明实例中所述方法中无动力空间机动起始时刻吸附过程示意图。

图3为本发明实例中所述方法中无动力空间机动起始时刻柔性连接带回收过程示意图。

图4为本发明实例中所述方法中无动力空间机动中间过程示意图。

图5为本发明实例中所述方法中无动力空间机动终止时刻示意图。

图中：1小型航天器，2电磁弹射装置，3电磁回收装置，4柔性连接带，5静电吸附装置，6第一颗空间碎片，7中间空间碎片，8最后一颗空间碎片。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明基于空间碎片运动的无动力空间机动小型航天器，如图1所示，包括小型航天器本体1，设置在小型航天器本体1上的电磁弹射装置2、电磁回收装置3和储能单元，以及通过柔性连接带4与电磁回收装置3连接的静电吸附装置5，其中，电磁弹射装置2将静电吸附装置5以及柔性连接带4弹出小型航天器1，通过静电吸附装置5吸附在空间碎片上而实现与空间碎片之间的连接，然后通过电磁回收装置3将小型航天器拉近空间碎片，与空间碎片形成一个整体，完成空间碎片对小型航天器的搭载作用，降低小型航天器的燃料消耗。所述的基于空间碎片运动的无动力空间机动方法，利用空间碎片的运动以及小型航天器1与空间碎片接近的时机，通过静电吸附装置5使得航天器与空间碎片相连，并借助空间碎片的运动来改变航天器的运行轨道。

通过电磁弹射装置2将静电吸附装置5弹射出航天器1，并且通过柔性连接带4将航天器1与静电吸附装置5连接在一起，采用连接带1可以扩大航天器能够搭载的空间碎片范围，提高搭载成功的概率。

通过电磁回收装置3将航天器1拉近空间碎片，使航天器1与空间碎片成为一体，可以降低由于柔性连接带所引起的摆动，同时可以为下一次弹射作好准备。

通过静电吸附装置5将航天器1与空间碎片相连，便于吸附在空间碎片上同时也方便解除吸附状态。

具体的，如图5所示，空间碎片在A轨道上运行，小型航天器在B轨道上运行，通过空间碎片监测系统以及小型航天器自带的导航设备来确定需要搭载的空间碎片，当空间碎片与小型航天器接近到吸附范围时，小型航天器通过电磁弹射装置发射出带有柔性连接带连接的静电吸附装置，吸附在空间碎片上，然后小型航天器通过电磁回收装置将自身拉近空间碎片，与空间碎片自成一体，以完成小型航天器的第一次空间机动，当空间碎片运动到预设地点与另一空间碎片接近时，小型航天器解除吸附作用，并通过电磁弹射装置弹出连接组件，吸附在另一空间碎片上。该过程重复多次，仅仅消耗了储能单元中的电能，而不消耗自身携带的燃料，从而在无燃料消耗的情况下，实现小型航天器任务轨道的无动力空间机动。

本发明更优的技术方案：首先，当小型航天器与空间碎片接近后，通过电磁弹射装置将静电吸附装置弹射出小型航天器，通过柔性连接带将小型航天器拉近空间碎片，既保证了小型航天器与空间碎片的一体性，实现小型航天器的无动力空间机动，同时完成了电磁弹射装置的第二次弹射准备工作。其次，当空间碎片与另一空间碎片接近时，小型航天器通过解除静电吸附，与空间碎片发生脱离，接着，通过电磁弹射装置将静电吸附装置弹射出小型航天器，吸附在另一空间碎片上，从而完成小型航天器第二次的无动力空间机动。在小型航天器的每次空间机动过程中，只消耗电能，而无需消耗燃料，从而完成小型航天器的无动力空间机动。

本发明所述的小型航天器在进行第一次基于空间碎片运动的无动力空间机动时，如图2所示，起始时刻的第一颗空间碎片6在自身轨道上运行，小型航天器1在自身轨道上运行，通过空间检测系统以及小型航天器1自带的导航设备确定第一颗空间碎片6与小型航天器1之间的相对运动状态，当第一颗空间碎片6与小型航天器1接近时，如图3所示，小型航天器1通过电磁弹射装置将静电吸附装置发射出去，吸附在第一颗空间碎片6上，同时通过电磁回收装置完成柔性连接带4的回收，以便进行下一次的发射，最终完成小型航天器空间机动任务的第一次机动。

本发明所述的小型航天器在进行中间过程基于空间碎片运动的无动力空间机动时，如图4所示，当第一颗空间碎片6与中间空间碎片7接近时，通过小型航天器1上的导航系统确定第一颗空间碎片6与中间空间碎片7之间的相对运动状态，当第一颗空间碎片6与中间空间碎片7接近时，小型航天器1解除与第一颗空间碎片6的吸附状态，同时调整发射方向，通过电磁弹射装置2将静电吸附装置5发射出去，吸附在中间空间碎片7上，同时通过电磁回收装置完成连接带的回收，以便进行下一次的发射。如此反复进行，直到小型航天器1接近能携带小型航天器1到达最终的任务轨道上的最后一颗空间碎片8。

本发明所述的小型航天器在进行终止时刻基于空间碎片运动的无动力空间机动时，如图5所示，当最后一颗空间碎片8将小型航天器1携带至与任务轨道的交会处，小型航天器1解除与最后一颗空间碎片8的吸附状态，同时调整自身的姿态，通过携带的发动机，消耗几乎可以忽略的燃料将小型航天器转入任务轨道，最终完成小型航天器的轨道机动。

以上所述，仅是本发明的实施例而已，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 (7)

1.基于空间碎片运动的无动力空间机动小型航天器，其特征在于，包括小型航天器本体(1)，设置在小型航天器本体(1)上的电磁弹射装置(2)、电磁回收装置(3)和储能单元，以及通过柔性连接带(4)与电磁回收装置(3)连接的静电吸附装置(5)；

所述电磁弹射装置(2)用于将静电吸附装置(5)以及柔性连接带(4)弹出小型航天器(1)，静电吸附装置(5)用于吸附在空间碎片上与其连接，电磁回收装置(3)用于通过柔性连接带(4)将静电吸附装置(5)回收，储能单元用于给电磁弹射装置(2)、电磁回收装置(3)和静电吸附装置(5)提供电能。

2.根据权利要求1所述的基于空间碎片运动的无动力空间机动小型航天器，其特征在于，还包括用于调整自身姿态的发动机。

3.根据权利要求1所述的基于空间碎片运动的无动力空间机动小型航天器，其特征在于，还包括与空间检测系统的通讯模块，以及设置在小型航天器(1)上的导航设备；小型航天器(1)通过导航设备以及与空间检测系统的通讯连接确定空间碎片与小型航天器(1)之间的相对运动状态。

4.基于空间碎片运动的无动力空间机动方法，其特征在于，如权利要求1-3中任意一项所述的小型航天器(1)，利用空间碎片的运动以及小型航天器与空间碎片接近的时机，通过静电吸附装置(5)使得小型航天器(1)与空间碎片相连，并借助该空间碎片的运动来改变小型航天器的运行轨道，实现无动力空间机动。

5.根据权利要求4所述的基于空间碎片运动的无动力空间机动方法，其特征在于，通过空间检测系统和小型航天器(1)自带的导航设备确定需要搭载的空间碎片，当空间碎片与小型航天器(1)接近到吸附范围时，小型航天器(1)通过电磁弹射装置(2)发射出由柔性连接带(4)连接的静电吸附装置(5)，吸附在空间碎片上，与空间碎片自成一体，以完成第一次无动力空间机动，当空间碎片运动到预设位置与另一空间碎片接近时，小型航天器(1)解除吸附作用，并通过电磁弹射装置(2)发射出静电吸附装置(5)，吸附在另一空间碎片上；该过程重复执行，最终小型航天器(1)进入任务轨道。

6.根据权利要求5所述的基于空间碎片运动的无动力空间机动方法，其特征在于，静电吸附装置(5)吸附在空间碎片上的同时，小型航天器(1)通过电磁回收装置(3)将自身拉近空间碎片，与空间碎片自成一体。

7.根据权利要求5所述的基于空间碎片运动的无动力空间机动方法，其特征在于，小型航天器(1)解除吸附作用后，以及小型航天器(1)进入任务轨道前均通过发动机调整自身姿态。