[发明专利]基于太阳帆的空间碎片清理装置及方法

说明书

本发明提出了一种基于太阳帆的空间碎片清理装置及方法，旨在提高厘米级空间碎片的清理效率，并降低轨道清理过程中的能量消耗和机动平台的制造成本，太阳帆的支撑杆伸展并带动帆面展开；支撑杆上的滑块根据探测控制模块的指令滑动，调整太阳帆姿态，太阳帆向目标碎片靠近；吸纳器通过腔体内的电磁线圈将磁性碎片吸入到粉碎腔内；粉碎腔内的分解网粉碎磁性碎片，球磨机将粉碎后的碎块研磨为磁性粉尘；静电加速器内的放电装置对经过粉碎腔和静电加速器之间隔离板上的出尘孔进入腔体内的磁性粉尘充电，并在静电发生器提供的高压静电场内使磁性粉尘加速；喷枪管向非磁性碎片喷射在缓冲区混合的膨胀泡沫和高速磁性粉尘，使非磁性碎片降轨。

技术领域

本发明属于航天技术领域，涉及一种空间碎片清理装置及方法，具体涉及一种以太阳帆为机动平台的空间碎片清理装置及方法，可用于清理厘米级的高危空间碎片。

背景技术

空间碎片是人类空间活动的产物，例如卫星自身解体、碰撞爆炸过程中产生的碎块和宇航员执行任务过程中的抛弃物等。根据ESA的监测模型估计，尺寸介于1～10cm之间的空间碎片已经达到了75000个，且呈现快速增长趋势，该尺寸的空间碎片难以由地面监测跟踪，如与航天器发生碰撞，会造成巨大破坏，需对其进行主动清理。现有的主动清理对策均采用卫星或航天飞机作为机动平台，主要有捕获离轨、推移离轨和增阻离轨三类，其中捕获离轨和推移离轨两类清理方式的相关研究较多。

捕获离轨方式的思想是通过抓捕装置捕获空间碎片后，由航天器平台进行轨道转移，将目标拖入大气层烧毁，或将其拖拽至坟墓轨道。使用机械臂、抓钩等方式捕获空间碎片是一类常见的捕获离轨方式，这类刚性抓捕方式更适合大型废弃卫星等空间垃圾的清除，对厘米级空间碎片捕获成功率较低。

推移离轨是一类重要的空间碎片清理方式，利用激光、离子束等高能量射束与碎片作用时产生的力来推移空间碎片，使其获得一个速度增量，偏离原运行轨道，从而达到使空间碎片降轨的目的。对于微小的空间碎片，还可利用射束的强大的能量直接烧蚀。专利授权公告号CN104155748B，名称为“基于自适应光学技术的激光合束空间碎片清除系统”的中国专利，公开了一种地面发射激光清理空间碎片的系统，系统中采用自适应光学技术对光学元件热变形和大气引起的扰动进行校正，能够通过实现光束整形与大气传输校正，准确照射到空间碎片上进行清理。但是由于地面无法监测到厘米级空间碎片，因此地面发射激光的方式无法清理厘米级空间碎片，天基发射激光虽然可以清理尺寸较小的空间碎片，但天基激光器制造成本昂贵，而且清理过程中发射的激光需要消耗巨大能量。

此外采用卫星、航天飞机等传统航天器，均需携带推进剂燃料，并且机动平台的制造成本高。而太阳帆是一种使用巨大的薄膜帆面，依靠太阳光子撞击反射获得推力的新型航天器，不需燃料，结构简单，制造成本低廉，在航天任务中具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供了一种基于太阳帆的空间碎片清理装置及方法，旨在提高厘米级空间碎片的清理效率，并降低轨道清理过程中的能量消耗和机动平台的制造成本。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于太阳帆的空间碎片清理装置，包括太阳帆1和轨道清理机构2，其中：

所述太阳帆1，包括至少三个支撑杆11和载荷收纳仓12，所述支撑杆11采用双股伸展式结构，其上嵌套有调整太阳帆姿态的滑块14，所述载荷收纳仓12的内部安装有探测控制模块，用于定位目标碎片和生成控制指令；各支撑杆11的一端分别与载荷收纳仓12固定，形成平面放射状骨架，相邻支撑杆11之间固定有帆面13，该帆面13上铺设有太阳能薄膜电池15；