[发明专利]基于洛伦兹力的石墨烯薄膜包裹空间碎片清理装置及方法

说明书

本发明涉及一种基于洛伦兹力的石墨烯薄膜包裹空间碎片清理装置及方法，利用石墨烯材料高效储能的特点，通过电子枪将电子喷出，形成数米长、大电流带电绳索并在磁场中切割产生大洛伦兹力，避免了现有电动力缆绳清理方式需要数千米甚至数十千米缆绳的缺点；此外，由于石墨烯薄膜为柔性体，在卫星平台上折叠放置，因此在卫星平台内有限的空间中可携带尽可能多个清理装置，能够以更少的成本清理更多的空间碎片。

技术领域

本发明属于航天技术领域，涉及一种清理空间碎片的方案，具体为石墨烯薄膜包裹空间碎片并通过大电流带电导线切割地磁场产生大洛伦兹力来加速空间碎片的陨落。

背景技术

随着越来越多的航天器进入太空，其所产生的空间碎片的数量也越来越多。空间碎片的存在严重威胁着在轨运行航天器的安全，碎片与航天器的碰撞能够损坏航天器表面，甚至破坏航天器的主要部件，严重影响航天器的正常工作。如何有效清除空间碎片已成为当前国际上研究的热点和前沿领域。

现有的空间碎片清理方式主要包括捕捉、激光清理和电动力缆绳等，其中：

1)捕捉方式通过飞网、飞爪、机械臂等机构来捕抓空间碎片，然后将碎片储存起来通过轨道转移飞行器进行统一处理。由于轨道转移飞行器空间和能量的限制，这种方式所能清理的空间碎片数目极为有限；

2)激光清理方式主要利用高能激光束照射在碎片表面，使碎片的温度升高直至其升华或使空间碎片获得一个速度增量来降低其飞行轨道、从而缩短其在轨飞行的时间。这种方式对空间碎片位置探测与瞄准发射的精度要求非常高，无法有效清除1厘米以下的空间碎片；此外由于产生高能激光需要消耗大量能量，清理碎片成本高，因此采用空基和天基激光清理方式无法完成大量空间碎片的清理；

3)利用电动力缆绳清理空间碎片的原理为在空间碎片上附着一条带电导线，在碎片的在轨飞行中，带电导线切割地球磁场的磁力线产生洛仑兹力，碎片在洛仑兹力的作用下脱离原先的运行轨道，最终进入大气层烧毁。其不足之处是由于带电导线电流非常小，通常所设计的缆绳长度需为数千米甚至数十千米，在工程中难以实现。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有空间碎片清理方式所存在的不足，本发明提出了一种基于洛伦兹力的石墨烯薄膜包裹清理空间碎片的装置及方法。

本发明的技术方案是：一种基于洛伦兹力的石墨烯薄膜包裹空间碎片清理装置，其特征在于，包括终端模块3、导线4、薄膜太阳电池5和石墨烯薄膜6；所述薄膜太阳电池5位于石墨烯薄膜6内，薄膜太阳电池5利用太阳光给石墨烯薄膜6供电；石墨烯薄膜6与若干所述导线4连接，若干所述导线4另一端与若干所述终端模块3连接，石墨烯薄膜6能够在若干所述导线4带动下展开。

本发明的进一步技术方案是：所述终端模块3包括导线控制器和电子枪，导线控制器控制导线4的伸缩长度，电子枪射出的电子产生单向电流。

本发明的进一步技术方案是：卫星平台监测到外部空间的碎片时，发射上述清理装置，石墨烯薄膜包裹空间碎片后，导线4切割地磁场产生洛伦兹力，使空间碎片运行轨道降低，加速坠落。

本发明的进一步技术方案是：一种基于洛伦兹力的石墨烯薄膜包裹空间碎片清理装置的清理方法，包括以下步骤：

步骤1：卫星发射平台根据现有碎片相关信息，在保证其与碎片之间的距离能够使清理装置在与空间碎片接触前石墨烯薄膜可以完全展开时，释放清理装置；终端模块向空间碎片飞行，同时拉动石墨烯薄膜展开；

步骤2：终端模块运动至导线能够完全展开的最大位置之前，导线控制器工作，控制导线继续拉伸，使得导线释放的阻力增大，终端模块的相对速度逐渐降低为零，防止撕扯石墨烯薄膜；

步骤3：完全展开的石墨烯薄膜与空间碎片接触，相接触后，终端模块由于惯性继续向前运动，使得石墨烯薄膜完全包裹空间碎片；