[发明专利]一种脉冲式空间碎片粉末激光爆震发动机

说明书

本发明公开了一种脉冲式空间碎片粉末激光爆震发动机，属于航天工程领域，包括一两端开敞的主腔，主腔内沿轴向设置依次连通的初步分解器、行星式球磨器、爆震室和尾喷管，主腔侧壁上分别设置有粉末存储室、控制系统、反射聚焦部和激光发生器；粉末存储室的两端分别与行星式球磨器和爆震室连通；激光发生器产生的脉冲式纳秒激光通过反射聚焦部射入爆震室，并与爆震室内的碎片粉末发生间歇式爆震产生高温高压的等离子体气团，该等离子体气团通过尾喷管排出；控制系统分别与初步分解器、行星式球磨器和激光发生器相连，控制整个发动机的各项动作。本发明一方面清除了空间碎片，另一方面又为航天器提供变轨调姿所需的动量。

技术领域

本发明属于航天工程领域，特别涉及一种用于清除空间碎片，并将空间碎片转化为航天器推进工质的脉冲式空间碎片粉末激光爆震发动机。

背景技术

空间碎片是人类航天活动的产物，其来源包括：完成任务的火箭箭体、卫星本体、火箭喷射物、执行航天任务过程中的抛弃物、空间物体之间的碰撞产生的碎块等，是空间环境的主要污染源。以空间碎片与航天器之间的相对平均速度10km/s计算，1克空间碎片的撞击动能相当于24克TNT炸药的爆炸当量。因此，空间碎片对航天器的寿命和安全带来了严重威胁。

目前，地面监控系统可以监测到10cm量级以上的空间碎片，其数量超过了30000个，航天器可以通过主动规避方式避免撞击。1cm量级以下的空间碎片估计有200亿个，虽然数量众多，但是所具有的动能较小，航天器可以通过结构防护的方式抵御撞击。处于1–10cm量级之间的空间碎片数量估计有67000个，目前地面监控系统无法监测到它们的轨道，且其动能较大，对航天器的威胁也最大。

空间碎片的主要成分是铝合金及铝、锌、钛等金属及其氧化物，部分为航天员产生的含钠、钾成分的废物及电子产品产生的含铜、银等成分的碎片。可以简单地将这些空间碎片按密度分为三类：高密度碎片，中密度碎片和低密度碎片。目前合理的估计：90％的空间碎片属于中密度范畴，约有10％的空间碎片属于高密度范畴，低密度碎片相对较少，且比较容易受大气层作用而降轨。高密度材料主要包括Fe(7.9g/cc),Ag(10.5g/cc),Cu(8.8g/cc)。中等密度材料主要包括Al(2.8g/cc),Ti(4.5g/cc)及一些功能涂料(2.5g/cc)，其中铝合金占了很大的比重。可以说，铝和钛合金占所有空间碎片组成成分的70％以上。

大部分空间碎片不会自然消失。研究表明，只有在500km轨道高度以下的空间碎片，受大气层的作用，才可能自然返回大气层并陨毁，这个过程也需花费数年到数十年的时间。 500km以上的空间碎片受大气层的影响微乎其微，几乎不可能自然降轨。NASA等航天机构拟共同制定条例，规定需对将来发射的航天器做一定的后续处理，使其在完成任务之后轨道寿命不得超过25年。这样的措施也仅仅是减缓碎片增长的进程。由于空间碎片间的相互碰撞，自身剥离，碎片数量依然会持续增加。根据模拟计算，在接下来的一二十年里，航天器与空间碎片相撞的几率将急剧增加，并有可能造成灾难性的链式反应。

对于主动清除空间碎片的技术，目前主要集中于以下两种方式，即小尺寸空间碎片的清除和大尺寸空间垃圾的捕获。技术上可行且经济适用的清理方法是目前研究的重点。

激光清除空间碎片的方法可分为地基激光降轨方法和天基激光降轨方法。其原理都是通过高能激光，辐射到空间碎片表面，从而使空间碎片表面汽化并以球状蒸汽形式向后喷射，提供降轨所需的冲量。经过一段时间的积累，空间碎片主体获得相应的速度增量，从而实现空间碎片的减速降轨，如美国的猎户座(ORION)计划以及欧空局的太空清理(CLEANSPACE)计划等。由于遥感和定轨的技术限制，地基激光降轨方法只适用于大尺寸的空间碎片。天基激光器变轨和调姿过程中所需能耗，以及昂贵的制造和发射费用也是需要考虑的问题。