CN114750982A - 空间碎片清除方法、装置、系统及存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种空间碎片清除方法、装置、系统及存储介质。该空间碎片清除方法，应用于运载火箭的留轨末子级，包括：控制所述留轨末子级捕获空间碎片；控制所述留轨末子级返回大气层。本申请实施例利用原本是太空垃圾的运载火箭的留轨末子级，利于通过低成本改造实现针对空间碎片的主动清除，不需要专门设计、制造具有清理碎片功能的专用航天器，也无需提供专用运载火箭实现单独发射、入轨的运送任务，有效提高了针对运载物的火箭发射任务的利用率，极大地降低了主动清除空间碎片的成本，具有重大的经济效益。

Description

空间碎片清除方法、装置、系统及存储介质

技术领域

本申请涉及航天技术领域，具体而言，本申请涉及一种空间碎片清除方法、装置、系统及存储介质。

背景技术

太空垃圾又称空间垃圾、空间碎片，是指太空中所有在轨的、废弃的人造物体，包括卫星等航天器解体造成的各类碎片，也包括火箭末级、弃置卫星等废弃的航天器。

目前在地球近地轨道上漂浮着大量的空间碎片，这些空间碎片不仅导致近地轨道异常拥挤，而且危害惊人。

在减少这些空间碎片对在轨航天器的威胁的各种方式中，相比于监测和预警、碰撞规避和防护等方式而言，主动清除的方式更为有效，但是现有的主动清除方式代价极大，难以普及和推广。

发明内容

本申请针对现有方式的缺点，提出一种空间碎片清除方法、装置、系统及存储介质，用以解决现有技术存在主动清除空间碎片的代价极大的技术问题。

第一个方面，本申请实施例提供了一种空间碎片清除方法，应用于运载火箭的留轨末子级，包括：

控制留轨末子级捕获空间碎片；

控制留轨末子级返回大气层。

可选地，控制留轨末子级捕获空间碎片，包括：

根据预定清除计划控制留轨末子级进入并保持在第一抵近轨道，以靠近空间碎片；

确定留轨末子级与空间碎片之间的实时距离小于设定距离后，控制留轨末子级抵近并捕获空间碎片。

可选地，预定清除计划包括以下方法确定得到：

根据运载火箭携带的运载物的指定轨道信息确定运载火箭的弹道信息；

根据弹道信息预测空间碎片的轨道信息、和留轨末子级的剩余燃料信息；

根据运载物的指定轨道信息、空间碎片的轨道信息、以及留轨末子级的剩余燃料信息，确定预定清除计划。

可选地，确定预定清除计划，包括：

确定空间碎片中的待清除碎片、以及待清除碎片的清除顺序。

可选地，确定留轨末子级与空间碎片之间的实时距离小于设定距离，包括：

以留轨末子级的中心为原点建立第一空间坐标系；

探测并确定空间碎片基于第一空间坐标系的实时坐标；

根据实时坐标确定留轨末子级与空间碎片之间的实时距离。

可选地，控制留轨末子级捕获空间碎片之前，还包括：控制留轨末子级与运载物分离。

可选地，控制留轨末子级与运载物分离，包括：

控制携带运载物的留轨末子级进入第一目标轨道；

控制留轨末子级与运载物分离，使得运载物进入或保持在指定轨道、以及留轨末子级进入或保持在第一留轨轨道。

第二个方面，本申请实施例提供了一种空间碎片清除装置，应用于运载火箭的留轨末子级，包括：

碎片捕获模块，用于控制留轨末子级捕获空间碎片；

返回控制模块，用于控制留轨末子级返回大气层。

可选地，空间碎片清除装置还包括：分离控制模块，用于控制留轨末子级与运载物分离。

第三个方面，本申请实施例提供了一种控制系统，包括：处理器，与处理器连接的存储器，以及存储在存储器上的计算机程序；

其中，处理器执行计算机程序以实现如第一个方面提供的空间碎片清除方法。

第四个方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被控制系统执行时实现如第一个方面提供的空间碎片清除方法。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益技术效果包括：利用原本是太空垃圾的运载火箭的留轨末子级，利于通过低成本改造后实现针对空间碎片的主动清除。

不需要专门设计、制造具有清理碎片功能的专用航天器，也无需提供专用运载火箭实现单独发射、入轨的运送任务，有效提高了针对运载物的火箭发射任务的利用率，极大地降低了主动清除空间碎片的成本，具有重大的经济效益。

将运载火箭的留轨末级变废为宝，不仅能有效减少单次火箭发射任务产生新的空间碎片量，还能利用每次火箭发射任务不断减少在轨空间碎片的量，为航天事业提供了环保新思路。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本申请实施例提供的一种空间碎片清除方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的一种空间碎片清除方法中，控制留轨末子级捕获空间碎片的流程示意图；

图3为本申请实施例提供的一种空间碎片清除方法中，确定预定清除计划的流程示意图；

图4为本申请实施例提供的一种空间碎片清除方法中，确定留轨末子级与空间碎片之间的实时距离小于设定距离的流程示意图；

图5为本申请实施例提供的另一种空间碎片清除方法的流程示意图；

图6为本申请实施例提供的另一种空间碎片清除方法中，控制留轨末子级与运载物分离的流程示意图；

图7为本申请实施例提供的一种空间碎片清除装置的实施方式一的框架结构示意图；

图8为本申请实施例提供的一种空间碎片清除装置的实施方式二的框架结构示意图；

图9为本申请实施例提供的一种控制系统的框架结构示意图；

图10为本申请实施例提供的一种留轨末子级的实施方式一的框架结构示意图；

图11为本申请实施例提供的一种留轨末子级的实施方式二的框架结构示意图；

图12为本申请实施例提供的一种太阳能电源组件的框架结构示意图；

图13为本申请实施例提供的一种留轨末子级的实施方式三的框架结构示意图；

图14为本申请实施例提供的一种末子级本体的实施方式一的框架结构示意图；

图15为本申请实施例提供的一种末子级本体的实施方式二的框架结构示意图。

图中：

100-留轨末子级；

110-末子级本体；111-本体结构；112-动力系统；113-控制系统；114-探测系统；115-遥测系统；

120-碎片捕获结构；121-粘合结构层；

130-太阳能电源组件；131-太阳能帆板；132-蓄电池；

200-运载物；

300-空间碎片清除装置；310-碎片捕获模块；320-返回控制模块；330-分离控制模块；

10-处理器；20-存储器；30-总线；40-通信单元；50-输入单元；60-输出单元。

具体实施方式

下面结合本申请中的附图描述本申请的实施例。应理解，下面结合附图所阐述的实施方式，是用于解释本申请实施例的技术方案的示例性描述，对本申请实施例的技术方案不构成限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除实现为本技术领域所支持其他特征、信息、数据、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合等。应该理解，当我们称一个元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，该一个元件可以直接连接或耦接到另一元件，也可以指该一个元件和另一元件通过中间元件建立连接关系。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的术语“和/或”指该术语所限定的项目中的至少一个，例如“A和/或B”可以实现为“A”，或者实现为“B”，或者实现为“A和B”。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

首先对本申请涉及的几个名词进行介绍和解释：

留轨末子级：是运载火箭的最后一级。在运载火箭的发射过程中，留轨末子级随运载物（例如：卫星）一起入轨，运载物分离后，留轨末子级也留在了轨道上，成为较大尺寸的太空垃圾。留轨末子级可以具备一定的机动能力。

本申请的研发思路包括：现有的主动清除空间碎片的方式，通常是专门设计、制造具有清理碎片功能的专用航天器，并将这样的专用航天器作为运载物，为其提供专用运载火箭实现单独发射、入轨的运送任务，可见代价极大。

本申请提供的空间碎片清除方法、装置、系统及存储介质，旨在解决现有技术的如上技术问题。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。需要指出的是，下述实施方式之间可以相互参考、借鉴或结合，对于不同实施方式中相同的术语、相似的特征以及相似的实施步骤等，不再重复描述。

本申请实施例提供了一种空间碎片清除方法，应用于运载火箭的留轨末子级，该空间碎片清除方法的流程示意图如图1所示，包括但不限于以下步骤S101-S102：

S101：控制留轨末子级捕获空间碎片。

S102：控制留轨末子级返回大气层。

在本实施例中，经过步骤S101-S102，利用原本是太空垃圾的运载火箭的留轨末子级，利于通过低成本改造后实现针对空间碎片的主动清除，留轨末子级完成空间碎片捕获之后，可以携带捕获的空间碎片主动离轨，进入大气层烧毁。

不需要专门设计、制造具有清理碎片功能的专用航天器，也无需提供专用运载火箭实现单独发射、入轨的运送任务，有效提高了针对运载物的火箭发射任务的利用率，极大地降低了主动清除空间碎片的成本，具有重大的经济效益。

将运载火箭的留轨末级变废为宝，不仅能有效减少单次火箭发射任务产生新的空间碎片量，还能利用每次火箭发射任务不断减少在轨空间碎片的量，为航天事业提供了环保新思路。

在一些可能的实施方式中，如图2所示，上述步骤S101中控制留轨末子级捕获空间碎片，包括但不限于以下步骤S201-S202：

S201：根据预定清除计划控制留轨末子级进入并保持在第一抵近轨道，以靠近空间碎片。

在本步骤S201中，第一抵近轨道的轨道高度与空间碎片所在轨道的轨道高度存在一定的高度差，这样不仅可以实现留轨末子级与空间碎片相遇，还能利用第一抵近轨道的轨道速度节约留轨末子级的驱动能源。

其中，轨道高度指的是轨道离地面（或地球中心）的距离，不同高度的轨道对应的轨道速度不同，轨道速度随着轨道高度的增加而减小，反之亦然。

在一些示例中，留轨末子级位于空间碎片的前方，此时可以采用控制留轨末子级减速等空间碎片追上的相遇策略。在这种情况下，上述步骤S201具体可以包括：控制留轨末子级先加速，利用离心力从当前的留轨轨道切换至高于空间碎片所在轨道的轨道高度的第一抵近轨道，再控制留轨末子级减速至第一抵近轨道的轨道速度。其中，第一抵近轨道的轨道高度高于空间碎片所在轨道的轨道高度，因此第一抵近轨道的轨道速度小于空间碎片所在轨道的轨道速度。

在另一些示例中，留轨末子级位于空间碎片的后方，此时可以采用控制留轨末子级加速追上空间碎片的相遇策略。在这种情况下，上述步骤S201具体可以包括：控制留轨末子级先减速，利用向心力从当前的留轨轨道切换至低于空间碎片所在轨道的轨道高度的第一抵近轨道，再控制留轨末子级加速至第一抵近轨道的轨道速度。其中，第一抵近轨道的轨道高度低于空间碎片所在轨道的轨道高度，则第一抵近轨道的轨道速度大于空间碎片所在轨道的轨道速度。

S202：确定留轨末子级与空间碎片之间的实时距离小于设定距离后，控制留轨末子级抵近并捕获空间碎片。

在本步骤S202中，可以采用留轨末子级上的探测系统实现对周围空间碎片的探测，得到例如位置、距离、相对速度等参考信息。

在一些可能的实施方式中，如图3所示，上述步骤S201中的预定清除计划包括但不限于以下步骤S301-S303确定得到：

S301：根据运载火箭携带的运载物的指定轨道信息确定运载火箭的弹道信息。

S302：根据弹道信息预测空间碎片的轨道信息、和留轨末子级的剩余燃料信息。

S303：根据运载物的指定轨道信息、空间碎片的轨道信息、以及留轨末子级的剩余燃料信息，确定预定清除计划。

在本实施例中，上述步骤S301-S303可以在运载火箭发射之前制定。

可选地，上述步骤S303中的确定预定清除计划，包括：确定空间碎片中的待清除碎片、以及待清除碎片的清除顺序。

在一些可能的实施方式中，如图4所示，上述步骤S202中确定留轨末子级与空间碎片之间的实时距离小于设定距离，包括但不限于以下步骤S401-S403：

S401：以留轨末子级的中心为原点建立第一空间坐标系。

S402：探测并确定空间碎片基于第一空间坐标系的实时坐标。

S403：根据实时坐标确定留轨末子级与空间碎片之间的实时距离。

在本实施例中，经过上述步骤S401-S403，采用以留轨末子级的中心为原点建立的第一空间坐标系，有利于统一、规范参照系，利于对各空间碎片定位、以及实时距离的计算，提高空间碎片捕获任务的精度和成功率。

基于同一发明构思，本申请实施例提供了另一种空间碎片清除方法，应用于运载火箭的留轨末子级，该空间碎片清除方法的流程示意图如图5所示，包括但不限于以下步骤S501-S503：

S501：控制留轨末子级与运载物分离。

S502：控制留轨末子级捕获空间碎片。

S503：控制留轨末子级返回大气层。

本申请实施例提供的另一种空间碎片清除方法与前述实施例提供的一种空间碎片清除方法基本相同，区别在于：在控制留轨末子级捕获空间碎片之前，先控制留轨末子级与运载物分离。即，优先完成针对运载物的运送任务，减少对当次火箭发射主要任务的影响，并且，与运载物分离后的留轨末子级负载减小，机动性更强、能耗更低。

在一些可能的实施方式中，如图6所示，上述步骤S501中控制留轨末子级与运载物分离，包括但不限于以下步骤S601-S602：

S601：控制携带运载物的留轨末子级进入第一目标轨道。

在本步骤S601中，考虑到留轨末子级与运载物分离时可能会发生一定的动量变化、或位移，为补偿这些变化、提高运针对载物的运送任务精度，可以控制留轨末子级与其携带的运载物构成的整体先到达与运载物所需抵达的指定轨道关联的第一目标轨道，再执行下一步骤S602。

S602：控制留轨末子级与运载物分离，使得运载物进入或保持在指定轨道、以及留轨末子级进入或保持在第一留轨轨道。

在本实施例中，上述步骤S601-S602，利用留轨末子级完成针对运载物的运送任务的最后一程，例如：将卫星精确送入指定轨道，并使卫星具备保持在该指定轨道的轨道速度；或，帮助运载物进入指定轨道，以与空间站实现对接，等等。

需要说明的是，根据实际的飞行情况，第一目标轨道、指定轨道和第一留轨轨道可以至少部分相同。

本申请实施例提供了一种空间碎片清除装置300，该空间碎片清除装置300的框架结构示意图如图7所示，包括但不限于：碎片捕获模块310和返回控制模块320。

碎片捕获模块310用于控制留轨末子级捕获空间碎片。

返回控制模块320用于控制留轨末子级返回大气层。

本实施例提供的一种空间碎片清除装置300，利用原本是太空垃圾的运载火箭的留轨末子级，利于通过低成本改造后实现针对空间碎片的主动清除。

不需要专门设计、制造具有清理碎片功能的专用航天器，也无需提供专用运载火箭实现单独发射、入轨的运送任务，有效提高了针对运载物的火箭发射任务的利用率，极大地降低了主动清除空间碎片的成本，具有重大的经济效益。

将运载火箭的留轨末级变废为宝，不仅能有效减少单次火箭发射任务产生新的空间碎片量，还能利用每次火箭发射任务不断减少在轨空间碎片的量，为航天事业提供了环保新思路。

在一些可能的实施方式中，碎片捕获模块310用于控制留轨末子级捕获空间碎片的过程中，具体用于：根据预定清除计划控制留轨末子级进入并保持在第一抵近轨道，以靠近空间碎片；确定留轨末子级与空间碎片之间的实时距离小于设定距离后，控制留轨末子级抵近并捕获空间碎片。

在一些可能的实施方式中，碎片捕获模块310还可以用于确定预定清除计划，具体用于：根据运载火箭携带的运载物的指定轨道信息确定运载火箭的弹道信息；根据弹道信息预测空间碎片的轨道信息、和留轨末子级的剩余燃料信息；根据运载物的指定轨道信息、空间碎片的轨道信息、以及留轨末子级的剩余燃料信息，确定预定清除计划。

可选地，确定预定清除计划，包括：确定空间碎片中的待清除碎片、以及待清除碎片的清除顺序。

在一些可能的实施方式中，碎片捕获模块310用于确定留轨末子级与空间碎片之间的实时距离小于设定距离的过程中，具体用于：以留轨末子级的中心为原点建立第一空间坐标系；探测并确定空间碎片基于第一空间坐标系的实时坐标；根据实时坐标确定留轨末子级与空间碎片之间的实时距离。

本申请实施例提供了另一种空间碎片清除装置300，该空间碎片清除装置300的框架结构示意图如图8所示，包括但不限于：分离控制模块330，碎片捕获模块310和返回控制模块320。

分离控制模块330用于控制留轨末子级与运载物分离。

碎片捕获模块310用于控制留轨末子级捕获空间碎片。

返回控制模块320用于控制留轨末子级返回大气层。

本申请实施例提供的另一种空间碎片清除装置300与前述实施例提供的一种空间碎片清除装置300基本相同，区别在于：本申请实施例提供的另一种空间碎片清除装置300还包括用于控制留轨末子级与运载物分离的分离控制模块330。该分离控制模块330可以在控制留轨末子级捕获空间碎片之前，先控制留轨末子级与运载物分离。即，优先完成针对运载物的运送任务，减少对当次火箭发射主要任务的影响，并且，与运载物分离后的留轨末子级负载减小，机动性更强、能耗更低。

在一些可能的实施方式中，分离控制模块330用于控制留轨末子级与运载物分离的过程中，具体用于：控制携带运载物的留轨末子级进入第一目标轨道；控制留轨末子级与运载物分离，使得运载物进入或保持在指定轨道、以及留轨末子级进入或保持在第一留轨轨道。

基于同一发明构思，本申请实施例提供了一种控制系统113，如图9所示，包括但不限于：处理器10，与处理器10连接的存储器20，以及存储在存储器20上的计算机程序。

其中，处理器10执行计算机程序以实现如上述任一实施例提供的空间碎片清除方法。

本申请实施例提供的一种控制系统113适用于实现上述任一实施例提供的空间碎片清除方法，其实现原理和有益效果相类似，在此不再赘述。

本技术领域技术人员可以理解，本申请实施例提供的控制系统113可以为所需的目的而专门设计和制造，或者也可以包括通用计算机中的已知设备。这些设备具有存储在其内的计算机程序，这些计算机程序选择性地激活或重构。这样的计算机程序可以被存储在设备（例如，计算机）可读介质中或者存储在适于存储电子指令并分别耦联到总线的任何类型的介质中。

本申请在一个可选实施例中提供了一种控制系统113，如图9所示，图9所示的控制系统113包括：处理器10和存储器20。其中，处理器10和存储器20相通信连接，如通过总线30相连。

处理器10可以是CPU（Central Processing Unit，中央处理器），通用处理器，DSP（Digital Signal Processor，数据信号处理器），ASIC（Application SpecificIntegrated Circuit，专用集成电路），FPGA（Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。其可以实现或执行结合本申请公开内容所描述的各种示例性的逻辑方框，模块和电路。处理器10也可以是实现计算功能的组合，例如包含一个或多个微处理器组合，DSP和微处理器的组合等。

总线30可包括一通路，在上述组件之间传送信息。总线30可以是PCI（PeripheralComponent Interconnect，外设部件互连标准）总线或EISA（Extended Industry StandardArchitecture，扩展工业标准结构）总线等。总线30可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图9中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

存储器20可以是ROM（Read-Only Memory，只读存储器）或可存储静态信息和指令的其他类型的静态存储设备，RAM（random access memory，随机存取存储器）或者可存储信息和指令的其他类型的动态存储设备，也可以是EEPROM（Electrically ErasableProgrammable Read Only Memory，电可擦可编程只读存储器）、CD-ROM（Compact DiscRead-Only Memory，只读光盘）或其他光盘存储、光碟存储（包括压缩光碟、激光碟、光碟、数字通用光碟、蓝光光碟等）、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质，但不限于此。

可选地，控制系统113还可以包括通信单元40。通信单元40可用于信号的接收和发送。通信单元40可以允许控制系统113与其他设备进行无线或有线通信以交换数据。需要说明的是，实际应用中通信单元40不限于一个。

可选地，控制系统113还可以包括输入单元50。输入单元50可用于接收输入的数字、字符、图像和/或声音信息，或者产生与控制系统113的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输入单元50可以包括但不限于触摸屏、物理键盘、功能键（比如音量控制按键、开关按键等）、轨迹球、鼠标、操作杆、拍摄装置、拾音器等中的一种或多种。

可选地，控制系统113还可以包括输出单元60。输出单元60可用于输出或展示经过处理器10处理的信息。输出单元60可以包括但不限于显示装置、扬声器、振动装置等中的一种或多种。

虽然图9示出了具有各种装置的控制系统113，但是应理解的是，并不要求实施或具备所有示出的装置。可以替代地实施或具备更多或更少的装置。

可选的，存储器20用于存储执行本申请方案的应用程序代码，并由处理器10来控制执行。处理器10用于执行存储器20中存储的应用程序代码，以实现本申请实施例提供的任一种空间碎片清除方法。

可选地，控制系统113包括但不限于：留轨级计算机。

应当注意，图9仅仅示意性地示出了可以用于实现本申请中各个实施方式的控制系统113的示意图。本领域技术人员可以理解，该控制系统113还可通过引入附加计算设备来实现。

基于同一的发明构思，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被控制系统执行时实现如上述任一实施例提供的空间碎片清除方法。

本申请实施例提供的一种计算机可读存储介质适用于上述任一实施例提供的空间碎片清除方法，其实现原理和有益效果相类似，在此不再赘述。

本申请实施例提供的计算机可读存储介质可以是ROM（Read-Only Memory，只读存储器）或可存储静态信息和指令的其他类型的静态存储设备，RAM（random access memory，随机存取存储器）或者可存储信息和指令的其他类型的动态存储设备，也可以是EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，电可擦可编程只读存储器）、CD-ROM（Compact Disc Read-Only Memory，只读光盘）或其他光盘存储、光碟存储（包括压缩光碟、激光碟、光碟、数字通用光碟、蓝光光碟等）、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质，但不限于此。

基于同一发明构思，本申请实施例提供了一种运载火箭的留轨末子级100，可用于执行如上述任一实施例提供的空间碎片清除方法，该留轨末子级100的结构示意图如图10所示，包括：末子级本体110和碎片捕获结构120。

末子级本体110用于与运载物200可分离连接。

碎片捕获结构120与末子级本体110连接，碎片捕获结构120用于捕获空间碎片。

在本实施例中，留轨末子级100中的末子级本体110在运载火箭的发射过程中实现与运载物200的有效连接，保持运载物200与运载火箭之间的相对稳固；当运载物200进入既定轨道后，末子级本体110与运载物200分离，完成运载火箭的运送任务。

留轨末子级100中的碎片捕获结构120，可以在末子级本体110与运载物200分离之后，实现针对空间碎片的主动清除。

本申请实施例提供的留轨末子级100，利用原本是太空垃圾的运载火箭的留轨末子级100，通过低成本改造，可以实现针对空间碎片的主动清除。

并且，不需要专门设计、制造具有清理碎片功能的专用航天器，也无需提供专用运载火箭实现单独发射、入轨的运送任务，有效提高了针对运载物200的火箭发射任务的利用率，极大地降低了主动清除空间碎片的成本，具有重大的经济效益。

将运载火箭的留轨末级变废为宝，不仅能有效减少单次火箭发射任务产生新的空间碎片量，还能利用每次火箭发射任务不断减少在轨空间碎片的量，为航天事业提供了环保新思路。

需要说明的是，本申请实施例提供的留轨末子级100完成空间碎片捕获任务之后，可以携带捕获的空间碎片主动离轨，进入大气层烧毁。

本申请的研发思路还包括：电能是太空作业中的重要能源，电能的储备量决定了飞行器的有效时长（包括作业时间和待机时间）。为此，本申请为留轨末子级100提供如下一种可能的实现方式：

如图11所示，本申请实施例的留轨末子级100还包括：太阳能电源组件130。

太阳能电源组件130与末子级本体110连接。

太阳能电源组件130分别与末子级本体110、和/或碎片捕获结构120电连接。

在本实施例中，太阳能电源组件130可以将太阳能转化为电能，为留轨末子级100解决了长期在轨的供电问题，有效延长留轨末子级100的有效时长，这样有利于提高留轨末子级100的利用率，也有利于丰富留轨末子级100对空间碎片的主动清除策略。

在一些可能的实施方式中，如图12所示，太阳能电源组件130包括：分别与末子级本体110连接的太阳能帆板131和蓄电池132。

太阳能帆板131与蓄电池132电连接，蓄电池132别与末子级本体110、和/或碎片捕获结构120电连接。

在本实施例中，太阳能电源组件130中的太阳能帆板131用于将太阳能转化为电能，蓄电池132用于将太阳能帆板131转化得到的电能存储下来，以备留轨末子级100运行到轨道的背阳区域（例如：地球遮挡住太阳的区域）的供电。

可选地，考虑到太阳能帆板131在阳光的照射下可以源源不断地转化得到电能，因此太阳能电源组件130中蓄电池132的容量可以不用设计的过大，这样有利于蓄电池132的小型化，利于减轻整个留轨末子级100的自重，降低运载火箭的发射成本。

本申请的研发思路还包括：空间碎片撞击卫星的平均速度可达10公里/秒，小至5厘米级大小的空间碎片足以摧毁卫星。在轨的空间碎片中，尺寸在5厘米-50厘米区间的中小型空间碎片具有相当庞大的数量，这些空间碎片同样具备较大威胁，但现有的各种清除方案中，包括机械手、飞爪、柔性飞网、“鱼叉”等抓捕手段，都是针对废弃卫星、废弃航天器等大型空间碎片，难以清理50厘米以下尺寸的中小型空间碎片，如10厘米-30厘米的中型空间碎片、尤其是5厘米-10厘米的小型空间碎片。为此，本申请为留轨末子级100提供如下一种可能的实现方式：

如图13所示，本申请实施例的碎片捕获结构120包括：粘合结构层121。粘合结构层121位于末子级本体110的至少部分表面。

在本实施例中，留轨末子级100的碎片捕获结构120采用位于末子级本体110的至少部分表面的粘合结构层121，利用粘合结构层121的粘结特性捕获空间碎片，这样有利于捕获尺寸在5厘米-50厘米区间的中小型空间碎片。

在一些可能的实施方式中，粘合结构层121包括苯醚撑硅橡胶材料。

本申请的研发思路还包括：本申请前述任一实施例提供的留轨末子级100都需要具备一定的机动性。为此，本申请为留轨末子级100提供如下一种可能的实现方式：

如图14所示，本申请实施例的末子级本体110包括：本体结构111、动力系统112和如上述任一实施例提供的控制系统113。

动力系统112、控制系统113和碎片捕获结构120分别与本体结构111连接。

控制系统113与动力系统112信号连接。

在本实施例中，末子级本体110中的本体结构111是留轨末子级100的骨架，是动力系统112、控制系统113等其他组件的安装基础。可以理解的是，留轨末子级100中的碎片捕获结构120连接于末子级本体110的本体结构111，运载物200也可以与末子级本体110的本体结构111可分离连接。

末子级本体110中的动力系统112为留轨末子级100提供机动性，该动力系统112可以采用现有航天器的惯用驱动方式，如喷射高速气体、点火等，在此不赘述。

末子级本体110中的控制系统113可以控制留轨末子级100执行空间碎片捕获任务，具体地，控制系统113可以控制动力系统112以指定方式工作，以驱动留轨末子级100抵近待捕获的空间碎片。可以理解的是，控制系统113内可以存储用于控制留轨末子级100执行空间碎片捕获任务的计算机程序。

在一些可能的实施方式中，如图15所示，末子级本体110还包括：探测系统114。探测系统114与本体结构111连接、并与控制系统113信号连接。

在本实施例中，末子级本体110中的探测系统114可以实现对留轨末子级100周围空间碎片的探测，为控制系统113提供附近空间碎片的例如位置、距离、相对速度等参考信息，即为留轨末子级100提供感知空间碎片的能力，以利于提高留轨末子级100执行空间碎片捕获任务的精度。

可选地，探测系统114包括摄像头、红外传感器、雷达中的至少一种。

在另一些可能的实施方式中，如图15所示，末子级本体110还包括：遥测系统115。

遥测系统115与本体结构111连接、并与控制系统113通讯连接。

遥测系统115用于与地面控制中心、和/或太空控制中心通讯连接。

在本实施例中，遥测系统115可以在留轨末子级100执行空间碎片捕获任务的过程中监测飞行中的各种数据，为控制系统113提供控制参考依据，或向地面控制中心和太空控制中心中的至少一个控制中心反馈。遥测系统115还可以接收来自地面控制中心和太空控制中心中的至少一个控制中心的控制指令，从而实现遥控作业、或更新控制系统113的运行程序，有利于提高空间碎片捕获任务的正确性和多样性。

基于同一发明构思，本申请实施例提供了一种运载火箭，该运载火箭包括：如上述任一实施例提供的运载火箭的留轨末子级100。

在本实施例中，由于运载火箭包括了前述实施例提供的任一种留轨末子级100，其实现原理和有益效果相类似，此处不再赘述。

在一些可能的实施方式中，运载火箭包括整流罩，留轨末子级100、运载物200均位于整流罩内。整流罩可以在运载火箭的发射过程中为留轨末子级100和运载物200提供保护。

应用本申请实施例，至少能够实现如下有益效果：

1、利用原本是太空垃圾的运载火箭的留轨末子级，利于通过低成本改造后实现针对空间碎片的主动清除。

2、不需要专门设计、制造具有清理碎片功能的专用航天器，也无需提供专用运载火箭实现单独发射、入轨的运送任务，有效提高了针对运载物的火箭发射任务的利用率，极大地降低了主动清除空间碎片的成本，具有重大的经济效益。

3、将运载火箭的留轨末级变废为宝，不仅能有效减少单次火箭发射任务产生新的空间碎片量，还能利用每次火箭发射任务不断减少在轨空间碎片的量，为航天事业提供了环保新思路。

4、第一抵近轨道的轨道高度与空间碎片所在轨道的轨道高度存在一定的高度差，这样不仅可以实现留轨末子级与空间碎片相遇，还能利用第一抵近轨道的轨道速度节约留轨末子级的驱动能源。

本技术领域技术人员可以理解，本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本申请中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。

在本申请的描述中，词语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系，为基于附图所示的示例性的方向或位置关系，是为了便于描述或简化描述本申请的实施例，而不是指示或暗示所指的装置或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤的实施顺序并不受限于箭头所指示的顺序。除非本文中有明确的说明，否则在本申请实施例的一些实施场景中，各流程中的步骤可以按照需求以其他的顺序执行。而且，各流程图中的部分或全部步骤基于实际的实施场景，可以包括多个子步骤或者多个阶段。这些子步骤或者阶段中的部分或全部可以在同一时刻被执行，也可以在不同的时刻被执行在执行时刻不同的场景下，这些子步骤或者阶段的执行顺序可以根据需求灵活配置，本申请实施例对此不限制。

以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请的方案技术构思的前提下，采用基于本申请技术思想的其他类似实施手段，同样属于本申请实施例的保护范畴。

Claims (10)

1.一种空间碎片清除方法，应用于运载火箭的留轨末子级，其特征在于，包括：

控制所述留轨末子级捕获空间碎片；

控制所述留轨末子级返回大气层。

2.根据权利要求1所述的空间碎片清除方法，其特征在于，所述控制所述留轨末子级捕获空间碎片，包括：

根据预定清除计划控制所述留轨末子级进入并保持在第一抵近轨道，以靠近所述空间碎片；

确定所述留轨末子级与所述空间碎片之间的实时距离小于设定距离后，控制所述留轨末子级抵近并捕获所述空间碎片。

3.根据权利要求2所述的空间碎片清除方法，其特征在于，所述预定清除计划包括以下方法确定得到：

根据所述运载火箭携带的运载物的指定轨道信息确定所述运载火箭的弹道信息；

根据所述弹道信息预测所述空间碎片的轨道信息、和所述留轨末子级的剩余燃料信息；

根据所述运载物的指定轨道信息、所述空间碎片的轨道信息、以及所述留轨末子级的剩余燃料信息，确定所述预定清除计划。

4.根据权利要求3所述的空间碎片清除方法，其特征在于，所述确定所述预定清除计划，包括：

确定所述空间碎片中的待清除碎片、以及所述待清除碎片的清除顺序。

5.根据权利要求2所述的空间碎片清除方法，其特征在于，所述确定所述留轨末子级与所述空间碎片之间的实时距离小于设定距离，包括：

以所述留轨末子级的中心为原点建立第一空间坐标系；

探测并确定所述空间碎片基于所述第一空间坐标系的实时坐标；

根据所述实时坐标确定所述留轨末子级与所述空间碎片之间的实时距离。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的空间碎片清除方法，其特征在于，所述控制所述留轨末子级捕获空间碎片之前，还包括：控制所述留轨末子级与运载物分离。

7.根据权利要求6所述的空间碎片清除方法，其特征在于，所述控制所述留轨末子级与运载物分离，包括：

控制携带所述运载物的所述留轨末子级进入第一目标轨道；

控制所述留轨末子级与所述运载物分离，使得所述运载物进入或保持在指定轨道、以及所述留轨末子级进入或保持在第一留轨轨道。

8.一种空间碎片清除装置，应用于运载火箭的留轨末子级，其特征在于，包括：

碎片捕获模块，用于控制所述留轨末子级捕获空间碎片；

返回控制模块，用于控制所述留轨末子级返回大气层。

9.一种控制系统，其特征在于，包括：处理器，与所述处理器连接的存储器，以及存储在所述存储器上的计算机程序；

其中，所述处理器执行所述计算机程序以实现如权利要求1-7中任一所述空间碎片清除方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机可读存储介质的特征在于，所述计算机程序被控制系统执行时实现如权利要求1-7中任一所述空间碎片清除方法。

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