一種空間碎片特定軌道清除裝置及其使用方法與流程

本發明屬于航天技術領域，具體涉及一種空間碎片特定軌道清除裝置及其使用方法。

背景技術：

空間碎片，專指人類在太空活動中產生的廢棄物及其衍生物。空間碎片有多種來源，沒人能夠數清空間碎片的確切數目，人類目前只能對直徑10厘米以上的碎片進行跟蹤監測，小于1厘米的碎片據估計有數千萬乃至數億，航天器已經根本無法避免與其相撞，只能通過加強自身的防護能力來應對。

空間碎片特別是微小空間碎片(1厘米以下)由于數量眾多、分布廣泛，難以有效監測跟蹤，其對空間環境造成的污染已威脅到在軌航天器的安全。如何有效減緩和清除微小空間碎片正成為當前國際上研究的熱點和前沿領域。

現有技術中清除空間碎片的方法和裝置主要是通過脈沖式激光清除空間碎片。該技術的基本思想是利用高能脈沖激光束照射碎片表面，產生類似于火箭推進的“熱物質射流”，為碎片提供一定的速度負增量來降低近地點高度，達到縮短碎片軌道壽命的目的。利用脈沖式激光的作用力改變空間碎片運行軌道；脈沖式激光清除碎片技術需要的是點對點的推力，這就意味著對碎片位置探測與瞄準發射的精度要求非常高，因此，對微小空間碎片(1厘米以下)幾乎無法有效地清除，且現有的空間碎片收集裝置結構復雜，成本較大，回收效率低。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種空間碎片特定軌道清除裝置，以解決現有技術中空間碎片收集裝置結構復雜、成本大、回收效率低等問題。

本發明采用以下技術方案，一種空間碎片特定軌道清除裝置，包括用于收集并儲存空間碎片的碗狀結構，碗狀結構的外側底部通過連結部與固定架相連接；

連結部用于當任務航天器攜帶空間碎片特定軌道清除裝置時，控制碗狀結構沿其連接端展開并貼合在固定架外壁上，并在空間碎片特定軌道清除裝置脫離任務航天器時，脫離固定架外壁并形成碗狀結構；

固定架遠離碗狀結構的一端安裝有主發動機，主發動機與碗狀結構之間，且沿主發動機至碗狀結構方向上依次安裝有控制板、姿態檢測裝置和電源；

碗狀結構上安裝有多臺小型發動機，每臺小型發動機均通過導線連接至控制板；

主發動機用于在空間碎片收集空間內調整空間碎片特定軌道清除裝置到達預設的收集軌道；姿態檢測裝置用于獲取空間碎片特定軌道清除裝置的當前姿態信息，并發送至控制板；控制板用于接收姿態檢測裝置發出的信息，并發送信息至每臺小型發動機，以保證空間碎片特定軌道清除裝置按照預設姿態運行；電源用于為控制板、每臺小型發動機、主發動機和姿態檢測裝置提供電能。

進一步地，連接部為形狀記憶合金，碗狀結構包括多根與形狀記憶合金連接的折疊桿，形狀記憶合金用于在空間碎片收集空間內吸收太陽輻射所發出的熱能而產生形變，并帶動與其連接的多根折疊桿展開形成碗狀結構。。

進一步地，碗狀結構上設置有用于使相鄰兩根折疊桿保持結構穩定的尼龍網，尼龍網與碗狀結構之間設置有高分子膜，高分子膜用于捕捉粉塵級空間碎片。

進一步地，主發動機、控制板、姿態檢測裝置、電源均通過連接箍安裝在所述固定架的內部，且主發動機、控制板、姿態檢測裝置、電源與固定架之間均安裝有保護氣囊。

進一步地，控制板與主發動機之間設置有隔熱層，隔熱層用于保證控制板的工作環境不受所述主發動機影響。

進一步地，主發動機為固定火箭發動機，固體火箭發動機包括遠離控制板的拉法爾噴管和靠近控制板的燃燒室。

進一步地，姿態檢測裝置包括定向陀螺儀，定向陀螺儀外部設置有用于保護定向陀螺儀的圓柱殼體。

進一步地，電源為鋰電池塊。

本發明還提供了一種空間碎片特定軌道清除裝置的使用方法，按照以下步驟實施：

步驟一、通過任務航天器將空間碎片特定軌道清除裝置送入空間碎片收集空間后，在太陽輻射的照射下，形狀記憶合金吸收熱能進行形變，并帶動多根與其連接的折疊桿展開，并形成一端敞口的碗狀結構，碗狀結構用于收集并儲存空間碎片；

步驟二、當所述空間碎片特定軌道清除裝置的碗狀結構形成后，通過控制板發送信號啟動固體火箭發動機，通過固體火箭發動機使空間碎片特定軌道清除裝置在空間碎片收集空間內由當前軌道進入預設軌道，同時在固體火箭發動機的熱量影響下，保護氣囊內的產氣固體受熱變成氣體，并充滿保護氣囊；

步驟三、通過進入預設軌道的空間碎片特定軌道清除裝置，將該軌道內與該裝置碰觸且在該軌道內的分速度小于該裝置的空間碎片收集并儲存在碗狀結構內，并攜帶所收集儲存的空間碎片沿預設軌道運行；

步驟四、待步驟三中的碗狀結構內收集一定數量的空間碎片后，空間碎片特定軌道清除裝置的運行速度減慢至無法維持該裝置沿預設軌道繼續運行時，該裝置攜帶其收集并儲存的空間碎片一起墜入大氣層銷毀。

進一步地，碗狀結構上設置有用于使相鄰兩根折疊桿保持結構穩定的尼龍網，尼龍網與碗狀結構之間還設置有高分子膜，高分子膜用于捕捉粉塵級空間碎片。

本發明的有益效果是：該裝置結構簡單，而且只需要由任務航天器帶到空間碎片收集空間內便可以執行碎片清除任務，使得單次回收空間碎片的成本很低，再加上裝置在釋放后完全不需要人為控制，使得回收碎片的難度降低，另外，任務航天器一次可以攜帶多枚該裝置，因而利于大規模回收空間碎片，除此之外，該裝置還可以清除其他裝置所不能清除的粉塵級別的空間碎片，對空間碎片的清除更徹底。

【附圖說明】

圖1為本發明空間碎片特定軌道清除裝置的結構示意圖；

圖2為本發明空間碎片特定軌道清除裝置由任務航天器攜帶時的結構示意圖；

圖3為本發明中的碗狀結構安裝尼龍網和高分子膜后的結構示意圖。

其中：1.拉法爾噴管；2.連接箍；3.燃燒室；4.隔熱層；5.定向陀螺儀；6.鋰電池塊；7.折疊桿；8.控制板。

【具體實施方式】

下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。

本發明提供了一種空間碎片特定軌道清除裝置，如圖1所示，包括用于收集并儲存空間碎片的碗狀結構，碗狀結構的外側底部通過連結部與固定架相連接。

如圖2所示，連結部用于當任務航天器攜帶所述空間碎片特定軌道清除裝置時，控制碗狀結構沿其連接端展開并貼合在固定架外壁上，并在空間碎片特定軌道清除裝置脫離任務航天器時，脫離固定架外壁并形成碗狀結構；這樣一來，當任務航天器運送該裝置時可節省空間，以便攜帶更多枚該裝置。

固定架遠離碗狀結構的一端安裝有主發動機，主發動機與碗狀結構之間，且沿主發動機至碗狀結構方向上依次安裝有控制板8、姿態檢測裝置和電源；

碗狀結構上安裝有多臺小型發動機，每臺小型發動機均通過導線連接至控制板8；

連接部為形狀記憶合金，由多個條狀的形狀記憶合金組成，每個條狀的形狀記憶合金均連接一根折疊桿7，碗狀結構包括多根與形狀記憶合金連接的折疊桿7，形狀記憶合金用于在空間碎片收集空間內吸收太陽輻射所發出的熱能而產生形變，并帶動與其連接的多根折疊桿7展開形成碗狀結構，另外，每根折疊桿7上均設置有多個由形狀記憶合金構成的連接塊，連接塊可以保證在太空太陽輻射下使得折疊桿7展開，并且能夠承受一定的載荷作用，不至于使多根折疊桿7在展開后被外界作用力改變形狀而失去作用。

每根折疊桿7上均安裝有多臺小型發動機，每臺小型發動機均通過導線連接至控制板8，每臺小型發動機均根據控制板8發出的指令啟動或停止，以調節空間碎片特定軌道清除裝置的姿態，保證該裝置按照預設姿態運行。

碗狀結構上設置有用于使相鄰兩根折疊桿7保持結構穩定的尼龍網9，尼龍網9具有一定的強度，其貼敷在碗狀結構的內部，使得相鄰兩跟折疊桿7之間沒有相對運動，且能夠對進入碗狀結構的空間碎片進行束縛作用，直至空間碎片燒毀在大氣層中，除此之外，在尼龍網9與碗狀結構之間設置有一層高分子膜，高分子膜用于捕捉粉塵級空間碎片，可以清除一定數量的粉塵級空間碎片，但是高分子膜的強度不宜過高，如果高分子膜與空間碎片迎面相遇，兩者具有很大的相對速度，高分子膜會被擊穿，從而整個結構能安全的在預設軌道運行，高分子膜與尼龍網9完全貼合，用來保證空間碎片即便破壞高分子膜，也只能破壞一個網格內的高分子膜，而其余部分保持良好。

如圖3所示，尼龍網9與高分子膜貼合安裝在折疊桿7上，當折疊桿7展開貼合在固定架外壁時，尼龍網9和高分子膜隨其貼合在固定架外壁上，當折疊桿7脫離固定架外壁時，尼龍網9和高分子膜隨折疊桿7脫離固定架外壁，且尼龍網9和高分子膜不會影響折疊桿7的運動。

固定架一般為圓柱形，固定架內部遠離碗狀結構的一端安裝有主發動機，主發動機用于在空間碎片收集空間內調整空間碎片特定軌道清除裝置的運行軌道，直至其到達預設的收集軌道，當該裝置脫離任務航天器時，其運行軌道為低圓軌道，預設的收集軌道為橢圓軌道，主發動機靠近碗狀結構的一端連接有控制板8，控制板8用于接收姿態檢測裝置發出的空間碎片特定軌道清除裝置的當前姿態信息，然后判斷該裝置的當前姿態是否與預設的姿態吻合，若不吻合，控制板8發送信息至每臺小型發動機，小型發動機啟動以保證空間碎片特定軌道清除裝置按照預設姿態運行。

控制板8與主發動機之間設置有隔熱層4，隔熱層4用于保證控制板8的工作環境不受主發動機影響。

控制板8遠離主發動機的一端分別通過導線連接有姿態檢測裝置和電源，姿態檢測裝置用于獲取空間碎片特定軌道清除裝置的當前姿態信息，并發送至控制板8，姿態檢測裝置包括定向陀螺儀5，定向陀螺儀5外部設置有用于保護定向陀螺儀5的圓柱殼體，圓柱殼體可以保證定向陀螺儀5安全不受損害，而且也增加了整體結構的美觀性，電源為鋰電池塊6，用于為控制板8、每臺小型發動機、主發動機和姿態檢測裝置提供電能。

主發動機、控制板8、姿態檢測裝置、和電源均通過連接箍2安裝在固定架內部，連接箍2的數量根據實際需要確定，且主發動機、控制板8、姿態檢測裝置、電源與固定架之間均安裝有保護氣囊。

任意兩個保護氣囊之間互不連通，保護氣囊一來可以保證空間碎片不會傷及主發動機、隔熱層4、控制板8、姿態檢測裝置和電源，二來可以使通過保護氣囊的空間碎片，因為擊穿保護氣囊而被減速，從而達到對這一部分運動方向與該裝置相反的空間碎片減速。

主發動機為固定火箭發動機，固體火箭發動機包括遠離控制板8的拉法爾噴管1和靠近控制板8的燃燒室3，燃燒室3內部儲存有固定火箭推進劑，火箭推進劑的攜帶量由預設的橢圓運動軌道決定，可精準控制，并減少浪費等。

本發明的另外一種方案是基于上述空間碎片特定軌道清除裝置的使用方法，按照以下步驟實施：

步驟一、通過任務航天器將空間碎片特定軌道清除裝置送入空間碎片收集空間，此時為低圓軌道，在太陽輻射的照射下，形狀記憶合金吸收熱能進行形變，并帶動多根與其相連接的折疊桿7展開，形成一端敞口的碗狀結構，碗狀結構用于收集并儲存空間碎片；

步驟二、在設計時計算好該裝置展開所需要的時間，然后在釋放之前將指令輸入至控制板8內，當步驟一中的碗狀結構形成后，通過控制板8發送信號啟動固體火箭發動機，通過固體火箭發動機啟動使空間碎片特定軌道清除裝置在空間碎片收集空間內，由當前的低圓軌道進入預設的橢圓軌道，橢圓軌道近地點距地高度為原來的低圓軌道的高度，遠地點高度根據預設的橢圓軌道來確定，并根據遠地點高度來確定主發動機燃燒室中所攜帶的燃料量；

且主發動機、隔熱層4、控制板8、姿態檢測裝置、電源與固定架之間均安裝有保護氣囊，保護氣囊內裝有產氣固體，利用主發動機在啟動時產生的熱量，將產氣固體變成氣體，充滿氣囊，且任一兩個保護氣囊之間互不連通；

保護氣囊一來可以保證空間碎片不會傷及主發動機、隔熱層4、控制板8、姿態檢測裝置和電源，二來可以使得通過保護氣囊的空間碎片，因為擊穿保護氣囊而被減速，從而達到對這一部分運動方向相反的碎片的減速；

步驟三、通過進入預設軌道的空間碎片特定軌道清除裝置，將該軌道內與該裝置碰觸且在該軌道內的分速度小于該裝置的空間碎片收集并儲存在所述碗狀結構內，并攜帶所收集儲存的空間碎片沿所述預設軌道運行，如此一來，該裝置不僅只能收集到預設軌道內的空間碎片，其他軌道內的空間碎片只要其與該裝置碰觸且在該軌道上分速度小于該裝置，均可將其收集并儲存至碗狀結構內；

在空間碎片與裝置相互作用時，可通過控制板8啟動小型發動機維持該裝置的預設姿態，使該裝置攜帶所收集儲存的空間碎片沿預設軌道運行；

步驟四、由于該裝置必須比空間碎片的相對速度快一些才能包住碗狀結構內的空間碎片，所以每次包住空間碎片，該裝置的速度都會降低，待步驟三中的碗狀結構內收集一定數量的空間碎片后，該裝置及其包含的空間碎片的運行速度減慢，直至無法維持該裝置沿預設軌道運行時，該裝置攜帶其收集并儲存的空間碎片一起墜入大氣層銷毀。

另外，碗狀結構上設置有用于使相鄰兩根折疊桿7保持結構穩定的尼龍網9，尼龍網9與碗狀結構之間還設置有高分子膜，高分子膜用于捕捉粉塵級空間碎片。