CN109279050B - 一种模块化太阳帆可组装重构的天基碎片清除平台和方法 - Google Patents

Abstract

一种模块化太阳帆可组装重构的天基碎片清除平台，能够改变针对单一尺度碎片清除任务的现状，通过灵活的在轨重构，覆盖高轨十厘米级以上的大尺度空间碎片和废弃卫星、低轨失效立方星等小型卫星以及低轨大量的毫米级的微小空间碎片等多种清除任务。针对特定碎片清除任务，首先确定需要的帆体面积，通过面积确定单元模块的数量，一定数量的单元模块从平台释放后进行在轨对接重构，并在轨展开后执行相应任务。

Description

一种模块化太阳帆可组装重构的天基碎片清除平台和方法

技术领域

本发明涉及一种模块化太阳帆可组装重构的天基碎片清除平台和方法，适用于低、高轨不同碎片尺寸的清除任务，属于总体系统设计技术领域。

背景技术

随着航天事业的蓬勃发展，人类的航天活动日益增多。近年来，空间碎片对空间活动的威胁已越来越突显，空间碎片环境日益恶化。为此各航天大国都在加强对空间碎片的跟踪监测和防护研究。研究人员发现现有碎片减缓措施在一定程度上能够减缓空间碎片的增长趋势，但不能改变空间碎片总量继续增长的趋势。空间碎片之间的相互碰撞成为未来碎片数量增长的主要因素，只有采取主动清除措施，清除影响比较大的碎片，才能从根本上阻止空间碎片的增长趋势，进而改善空间碎片环境。

目前的空间碎片主动清除分为包括飞网抓捕技术、可附着离轨装置、激光清除、碎片收集装置等。一个完整的空间碎片清除过程包括发射、推进、精确跟踪导航控制、轨道交会、稳定、捕获以及降轨或拖入坟墓轨道等过程。上述清除技术关键技术难度较大，目前还处于理论研究和关键技术验证阶段，距离实用还有一定距离。虽然现有技术已经能满足部分清除阶段的要求，但航天器造价较高、能源需求较大，故最主要的问题是如何最大限度地降低成本。

越来越多碎片清除任务航天器方案采用无工质消耗的轨道保持、轨道机动以及离轨技术，以此来降低消耗降任务成本。通过利用空间环境降低轨道运行成本，基于持续性、重复性碎片捕获技术，提高捕获技术的寿命长度，可重复捕获碎片效率。包括NASA提出的利用绳系系统的MXER项目、DAPPA提出的利用电力绳系自旋系统的EDDE项目，这两个项目采用低工质消耗的轨道保持、机动及离轨技术，但在捕捉碎片是依然采用飞网类抓捕机构。在此类任务中，存在以下问题：(1)飞网类抓捕机构依然比较复杂。(2)任务较为单一，针对十厘米及以上的大型空间碎片进行捕获。(3)绳系系统较大，相对空间碎片灵活性较差。除了绳系系统外还有大型薄膜系统包括日本在2001年提出的名为“Furoshiki”的新型空间绳网系统，用来构建未来轻质巨型结构。该绳网系统首先由人造卫星携带进入预定轨道，四个角卫星和靠拉力连接的巨大的绳网或薄膜来打捞轨道内的太空垃圾。以及近期刚刚由NASA自助研究的薄膜航天器，具备通过调整光压来实现无工质消耗的在轨运行，通过整体控制包覆住目标空间碎片来对其进行清除等。在此类任务中，存在以下问题：(1)巨型绳网系统的在轨展开是非常困难的，极易产生大面积的缠绕和自锁。(2)且巨大绳网和薄膜的控制姿态轨道控制全部由四个角卫星来完成，难度较高且需要大量燃料消耗支持。(3)同时，任务较为单一，只能够拦截特定轨道相对速度较低的空间碎片。(4)对于相对速度较高的空间碎片，则容易对超薄的帆面造成损伤，轻则失去有效面积，重则造成薄膜撕裂后整个失效，可靠性较低。(5)系统轨道维持、轨道转移的燃料消耗较大，成本较高，且长时间在轨执行多次碎片清除任务需要燃料加注等辅助操作。

故现在并没有一个碎片清除平台能够解决不同轨道高度不同尺寸大小的空间碎片清除任务，并能够高效率低成本的长时间在轨运行。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种模块化太阳帆可组装重构的天基碎片清除平台和方法，提供低成本的面向多种任务模式的以米级太阳帆为基本单元的可组装重构的薄膜结构空间碎片清除平台方案。

本发明的技术解决方案是：一种模块化太阳帆可组装重构的天基碎片清除平台，包括平台信息处理模块、平台无线通信模块和太阳帆单元模块；

所述平台信息处理模块识别目标任务，将识别出的任务信息通过所述平台无线通信模块发送至所述太阳帆单元模块；所述任务信息包括目标所需的太阳帆单元模块的数量、组装方式以及任务轨道位置；

所述太阳帆单元模块根据任务信息进行展开、组装成捕获网，前往任务轨道对目标实施捕获和清理。

进一步地，所述太阳帆单元模块包括柱状结构的中心体、帆面、支撑臂、帆单元信息处理模块和帆单元无线通信模块；所述中心体包括帆面收展机构和支撑臂收展机构，分别位于中心体的上部和下部；所述帆面包括至少三个角，一个角固定在所述帆面收展机构上，另有两个角分别固定连接在相邻的两个支撑臂的末端；所述支撑臂至少四个，沿所述中心体成圆周分布，其一端固定连接在支撑臂收展机构上，另一端装有用于太阳帆单元模块间组装的模块对接装置；太阳帆核心单元模块折叠时，所述帆面折叠后盘绕在帆面收展机构上，所述支撑臂压紧盘绕在支撑臂收展机构上；所述帆单元无线通信模块接收所述任务信息，发送至帆单元信息处理模块，所述帆单元信息处理模块控制支撑臂、帆面收展机构和支撑臂收展机构，实现太阳帆单元模块展开、组装成捕获网。

进一步地，所述的太阳帆单元模块还包括底座，所述底座上装有限位装置，用于对所述支撑臂展开时的固定限位。

进一步地，所述帆面表面覆有变反射率贴片，帆单元信息处理模块控制所述变反射率贴片的反射率实现太阳帆单元模块前往任务轨道。

进一步地，所述帆面个数为四。

进一步地，所述帆面表面覆有薄膜太阳能电池。

进一步地，所述模块对接装置包括爪形对接锥构型和球构型两种，进行组装的两个太阳帆单元模块的模块对接装置为不同的种类。

一种模块化太阳帆可组装重构的天基碎片清除方法，包括如下步骤：

S1，接收目标任务；所述目标任务的任务信息包括完成目标任务所需的太阳帆单元模块的数量、组装方式、任务轨道位置和清除方式；所述太阳帆单元模块包括柱状结构的中心体、帆面、支撑臂和变反射率贴片；所述中心体包括帆面收展机构和支撑臂收展机构，分别位于中心体的上部和下部；所述帆面包括至少三个角，一个角固定在所述帆面收展机构上，另有两个角分别固定连接在相邻的两个支撑臂的末端；所述支撑臂至少四个，沿所述中心体成圆周分布，其一端固定连接在支撑臂收展机构上；所述帆面表面覆有变反射率贴片；

S2，接收所述任务信息，通过控制支撑臂、帆面收展机构和支撑臂收展机构实现帆面展开、组装成捕获网；通过控制所述变反射率贴片，使得帆面在太阳光压力作用下获得由于反射率不同得到的姿轨控力矩，驱动实现太阳帆单元模块前往任务轨道，按本次目标任务的清除方式对目标实施捕获和清理；完成目标任务后，继续在任务轨道运行，等待接收下一次任务信息；

S3，接收到下一次目标任务信息后，太阳帆单元模块根据新的任务信息，按新的组装方式进行构型调整并前往新的任务轨道，按新的清除方式对新目标实施捕获和清理；完成目标任务后，继续在任务轨道运行，等待接收下一次任务信息。

进一步地，若所述本次目标任务所需太阳帆单元模块的数量比上一次目标任务多，则调取差额的太阳帆单元模块；若本次目标任务所需太阳帆单元模块的数量比上一次目标任务少，多余的太阳帆单元模块继续在当前轨道运行。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明能够改变针对单一尺度碎片清除任务的现状，通过灵活的在轨重构，覆盖高轨十厘米级以上的大尺度空间碎片和废弃卫星、低轨失效立方星等小型卫星以及低轨大量的毫米级的微小空间碎片等多种清除任务。

(2)本发明中的太阳帆单元模块可以通过变反射率贴片调节帆面反射率来改变光压力进行姿态轨道控制，无需携带推进工质，系统成本较低。

(3)本发明中的太阳帆单元模块帆面上覆有薄膜太阳能电池，为模块通讯模块和变反射率贴片进行供电，无需附加能源系统。

(4)本发明中的太阳帆模块单元之间的对接机构可反复锁紧、解锁。模块参与完成一次任务后，可以进行重组进行下一次碎片清除任务。模块单元的反复使用使平台效率大大提高。

(5)本发明中的薄膜结构采用模块化在轨构建，在碎片清除任务中可靠性较高，单个模块单元损毁到一定程度后可实时进行更换。维持整个系统的长时间运行，在轨寿命较长。

附图说明

图1为本发明低轨大面积薄膜收集模式流程示意图；

图2为本发明高轨废弃卫星及残骸部件转移模式流程示意图；

图3为本发明低轨厘米及碎片及失效小型卫星转移模式流程示意图；

图4为本发明太阳帆模块包装及中心体示意图；

图5为本发明中太阳帆模块构型示意图；

图6为本发明太阳帆模块对接接口示意图；

图7为本发明无线通信任务规划网络示意图；

图8为本发明在轨组装展开过程示意图。

具体实施方式

天基清除卫星平台上载多组可展开太阳帆单元模块，太阳帆单元模块均为米级的小型太阳帆航天器。太阳帆单元模块为标准的支撑臂方形太阳帆，采用可展开支撑臂支撑四片三角形帆面。展开前收拢于立方星内，进入任务时可在轨道内自行展开。单元模块的姿轨控制通过布置在帆面上的变反射率贴片对光压力的控制来实现。针对特定碎片清除任务，首先确定需要的帆体面积，通过面积确定单元模块的数量，一定数量的单元模块从平台释放后进行在轨对接重构，并在轨展开后执行相应任务。针对高轨的废弃卫星等大尺寸空间碎片，组合体向高轨进行转移，后附着在碎片上，通过调整整个组合帆体的姿态，对其进行缓慢的加速升轨操作将其送入坟墓轨道。针对低轨失效立方星等空间碎片，则同样将组合帆面附着在碎片上后通过帆面增大碎片的迎风面积，增大气动阻力从而使其轨道高度降低。针对低轨的厘米级以下空间碎片，平台采用大面积组合帆面长时间在轨的方式进行碎片收集。通过多个单元模块对接展开形成较大范围的薄膜结构对相对速度较低的毫米级空间碎片进行捕获，相对速度较高的碎片则可能击穿帆面进行减速或消除。损坏的帆面单元可进行模块更换，来提高任务的可靠性及在轨寿命。

以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

本发明平台运行于中高轨，根据不同轨道高度及碎片分布特点，有三种主要的任务模式：

(1)低轨大面积薄膜收集模式

如图1所示，针对低轨毫米级空间碎片的收集，首先由平台1对大尺度薄膜结构在轨构建任务进行规划，释放大量太阳帆单元模块2，在二维平面内通过电磁对接接口3相互组合后转移至低轨，到达指定轨道后，展开形成长时间在轨的大面积薄膜结构，通过撞击减速来收集和清除碎片。

(2)高轨废弃卫星及残骸部件的坟墓轨道转移

如图2所示，针对高轨废弃卫星及残骸部件，首先由平台1对任务进行规划，通过目标的质量估算将其转移至坟墓轨道所需要的单元模块数量以及组装模式，确定后释放相应数量的太阳帆单元模块2，在二维平面内通过电磁对接接口3相互组合后转移至地球同步轨道，展开形成需求尺寸薄膜结构后，附着在目标碎片上，通过缓慢加速，将目标送入坟墓轨道后与之分离，而后针对下一次任务进行重构及轨道转移。

(3)低轨厘米级碎片及失效小型卫星降轨

如图3所示，针对低轨失效小型立方星，平台1将释放一个太阳帆模块单元2，展开后附着在目标碎片上，通过增加大气阻力降低目标速度，将目标送入大气层烧毁前与之分离，变轨进行下一次任务。

平台1作为系统载体，主要负责承载大量太阳帆单元模块，主要负责利用平台信息处理模块11进行总体任务规划，后通过平台无线通信模块12，将任务分发至各个太阳帆单元模块2。

如图4所示，核心太阳帆单元模块2为收纳尺度1-3U、展开尺度米级的太阳帆航天器。太阳帆单元模块航天器2包含：外壳21、中心体22、豆荚杆式自回弹支撑臂23、帆面24、太阳能电池25、帆单元信息处理模块26、帆单元无线通信模块27、变反射率贴片28、模块间标准对接接口3。

如图5所示，太阳帆核心单元模块2折叠后收拢与1-3U的立方星外壳21中，外壳中心处的中心体22作为整个核心单元的主承力结构，包括两个部分、上部为帆面的收展机构221，帆面24折叠后收纳于机构中，待入轨后由支撑臂23带领展开；下部为双Ω形支撑臂23的收展机构222，支撑臂23统一收拢于机构中。太阳帆核心单元模块2展开时，支撑臂23展开的同时带动帆面24同步展开。单元模块在轨展开后为四组帆面24结构，每块三角帆24由两根支撑臂23支撑，可通过变反射率贴片28调整帆面光压力分布以达到姿轨控的功能。

如图6所示，太阳帆单元模块2每个支撑臂23末端都布置有一个模块间标准对接接口3。两个太阳帆单元模块2运行至捕获距离，双方捕获到彼此信号后开始捕获程序，一方对接机构为球构型31，一方为爪形对接锥构型32，并通过双方中心的电磁装置33进行软对接及对准，到达锁定位置后，爪形对接锥由智能材料34驱动锁紧。

如图7、8所示，在每个清除任务中，首先由平台1确认清除模式及目标，并针对清除对象计算任务所需的单元模块数量及任务模式，并在平台上由平台信息处理模块11进行任务规划后，通过本体通信模块12将任务规划包括组装序列以及任务轨道位置等信息传递至各个太阳帆单元无线通信模块27。脱离本体后，各个太阳帆模块2由各自的帆单元信息处理模块26及无线通信模块27进行姿态轨道位置信息互换并自主进行在轨组装，完成适应任务的构型。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种模块化太阳帆可组装重构的天基碎片清除平台，其特征在于：包括平台信息处理模块(11)、平台无线通信模块(12)和太阳帆单元模块(2)；

所述平台信息处理模块(11)识别目标任务，将识别出的任务信息通过所述平台无线通信模块(12)发送至所述太阳帆单元模块(2)；所述任务信息包括目标所需的太阳帆单元模块(2)的数量、组装方式以及任务轨道位置；

所述太阳帆单元模块(2)根据任务信息进行展开、组装成捕获网，前往任务轨道对目标实施捕获和清理；

所述太阳帆单元模块(2)包括柱状结构的中心体(22)、帆面(24)、支撑臂(23)、帆单元信息处理模块(26)和帆单元无线通信模块(27)；所述中心体(22)包括帆面收展机构(221)和支撑臂收展机构(222)，分别位于中心体(22)的上部和下部；所述帆面(24)包括至少三个角，一个角固定在所述帆面收展机构(221)上，另有两个角分别固定连接在相邻的两个支撑臂(23)的末端；所述支撑臂(23)至少四个，沿所述中心体(22)成圆周分布，其一端固定连接在支撑臂收展机构(222)上，另一端装有用于太阳帆单元模块(2)间组装的模块对接装置(3)；太阳帆核心单元模块(2)折叠时，所述帆面(24)折叠后盘绕在帆面收展机构(221)上，所述支撑臂(23)压紧盘绕在支撑臂收展机构(222)上；所述帆单元无线通信模块(27)接收所述任务信息，发送至帆单元信息处理模块(26)，所述帆单元信息处理模块(26)控制支撑臂(23)、帆面收展机构(221)和支撑臂收展机构(222)，实现太阳帆单元模块(2)展开、组装成捕获网；

所述模块对接装置(3)包括爪形对接锥构型(31)和球构型(32)两种，进行组装的两个太阳帆单元模块(2)的模块对接装置(3)为不同的种类。

2.根据权利要求1所述的一种模块化太阳帆可组装重构的天基碎片清除平台，其特征在于：所述的太阳帆单元模块(2)还包括底座，所述底座上装有限位装置，用于对所述支撑臂(23)展开时的固定限位。

3.根据权利要求1所述的一种模块化太阳帆可组装重构的天基碎片清除平台，其特征在于：所述帆面(24)表面覆有变反射率贴片(28)，帆单元信息处理模块(26)控制所述变反射率贴片(28)的反射率实现太阳帆单元模块(2)前往任务轨道。

4.根据权利要求1所述的一种模块化太阳帆可组装重构的天基碎片清除平台，其特征在于：所述帆面(24)个数为四。

5.根据权利要求1所述的一种模块化太阳帆可组装重构的天基碎片清除平台，其特征在于：所述帆面(24)表面覆有薄膜太阳能电池。

6.一种模块化太阳帆可组装重构的天基碎片清除方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1，接收目标任务；所述目标任务的任务信息包括完成目标任务所需的太阳帆单元模块(2)的数量、组装方式、任务轨道位置和清除方式；所述太阳帆单元模块(2)包括柱状结构的中心体(22)、帆面(24)、支撑臂(23)和变反射率贴片(28)；所述中心体(22)包括帆面收展机构(221)和支撑臂收展机构(222)，分别位于中心体(22)的上部和下部；所述帆面(24)包括至少三个角，一个角固定在所述帆面收展机构(221)上，另有两个角分别固定连接在相邻的两个支撑臂(23)的末端；所述支撑臂(23)至少四个，沿所述中心体(22)成圆周分布，其一端固定连接在支撑臂收展机构(222)上；所述帆面(24)表面覆有变反射率贴片(28)；

S2，接收所述任务信息，通过控制支撑臂(23)、帆面收展机构(221)和支撑臂收展机构(222)实现帆面(24)展开、组装成捕获网；通过控制所述变反射率贴片(28)，使得帆面(24)在太阳光压力作用下获得由于反射率不同得到的姿轨控力矩，驱动实现太阳帆单元模块(2)前往任务轨道，按本次目标任务的清除方式对目标实施捕获和清理；完成目标任务后，继续在任务轨道运行，等待接收下一次任务信息；

S3，接收到下一次目标任务信息后，太阳帆单元模块(2)根据新的任务信息，按新的组装方式进行构型调整并前往新的任务轨道，按新的清除方式对新目标实施捕获和清理；完成目标任务后，继续在任务轨道运行，等待接收下一次任务信息。

7.根据权利要求6所述的一种模块化太阳帆可组装重构的天基碎片清除方法，其特征在于：若所述本次目标任务所需太阳帆单元模块(2)的数量比上一次目标任务多，则调取差额的太阳帆单元模块(2)；若本次目标任务所需太阳帆单元模块(2)的数量比上一次目标任务少，多余的太阳帆单元模块(2)继续在当前轨道运行。

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