[发明专利]一种基于地磁储能释能的多自由度投送地面系统与方法

说明书

本发明公开了一种基于地磁储能释能的多自由度投送地面系统，包括支撑通轴磁矩生成装置，姿态控制模块，支撑通轴位于双轴承装置顶部的轴身上同轴转动安装有第一目标投送组件和第二目标投送组件，第一目标投送组件和第二目标投送组件均用于投送目标的安装和释放，其投送方法为，磁矩生成装置被配置成通入工作电流后在地磁场作用下受到磁力矩作用开始转动；双轴承装置用于提供支撑通轴的随动状态；第一目标投送组件和第二目标投送组件被配置成接收磁矩生成装置的开始转动的信号后以支撑通轴为转动轴进行对向转动，并在投送目标处的线速度到达系统设定的线速度时，投送目标被释放，实现了在微重力环境下的地磁储能释能投送系统的原理验证。

技术领域

本发明涉及物料码垛分离技术领域，具体涉及一种基于地磁储能释能的多自由度投送地面系统与方法。

背景技术

直径10cm大小的空间碎片可给航天器和宇航员带来严重威胁，哈勃望远镜、航天飞机以及国际空间站均受到过空间碎片的撞击。随着人类空间活动的日益活跃，同时考虑到碰撞级联效应(Kessler效应)，空间碎片的数量迅速增加，对空间活动造成威胁的概率快速增加。如果不能主动地有效清除现有空间碎片，或减缓空间碎片增加速度，未来将严重影响人类的空间开发进程。目前在轨的近20000余个尺度大于10cm的空间碎片，有近70％分布在高度500km～1000km不同倾角的低地球轨道上，这些碎片如仅靠自身的大气阻力衰减轨道高度，在数十年内都无法进入地球大气层。相比于地球同步轨道(高度36000km，轨道唯一，资源稀缺)，低轨空间碎片分布散、数量多兼具高威胁和低价值特点，尽管可以主动清除，但清除低轨道太空碎片的效率性和经济性问题却难以解决。

现有问题：主动降低空间碎片的轨道高度是清除空间碎片的较优方式，将其轨道的近地点高度降低至200km以下，受地球大气阻力的影响，它的轨道半长轴迅速减小并最终坠入大气层烧毁。目前提出的各种空间碎片主动清除方法中，使用化学/电推力的主动拖拽离轨方法最为成熟，但耗费极高；在碎片上安装气囊阻力帆/涂抹泡沫等增加面质比的被动降轨方式，虽然省去了离轨推进工质消耗，但需要消耗安装材料，且碎片降轨所需的时间也数以年计，这无疑极大增加了二次碰撞的概率。此外，各国均积极的发展无工质消耗型碎片清除方法，一些方法虽然设想很好，但难以实现，比如使用地面/天基高能激光清理碎片，其基本原理是通过高能激光灼烧，使灼烧产物急剧膨胀离开碎片，碎片获得反冲量而降轨，这种方法虽有理论实现的可能性，但如何产生预期的反冲量，如何有效灼烧而非破坏产生新的碎片群等问题均难以解决，因此目前只能用于清除直径10cm以下的微碎片。在无工质消耗型变轨/离轨方法中，空间电动绳系是目前认为可行性和可实现性最高的一种方式。电动绳系通过收集空间的带电粒子，在低轨空间的地球磁场中通过通电绳所受到的安培力进行轨道调整，仅有电力消耗，没有工质消耗。然而，空间电动绳系效能依赖于绳系尺度，数千米至数十千米的巨大尺度使绳系系统在空间稳定运行的可靠性问题非常突出。尽管有多个理论研究和空间试验表明绳系系统具有相当的安全系数，但是也有惨痛经历，美国的SED-2(1994年发射，绳系展开19.7km)绳系在轨展开仅4天便被空间碎片/微流星切断，说明绳系的空间安全问题还需要慎重和细致地考虑和设计。因此，现有无工质消耗型空间碎片主动清除方法均是原理可行，但都存在各自的技术问题。

而，由于地磁场能可无限获取，采用简单、空间尺度小的储能投送机构，可实现地磁场能的获取和储存，实现碎片快速离轨，理论可行且技术可实现(例如：专利申请号为CN201910774236.3的一种地磁蓄能低轨道空间碎片离轨投送轨姿耦合调整方法)，但在现有的理论技术手段中为实现投送目标的储能和线速度之间的理论关系、储能投送系统姿态动力学特性缺乏具体的验证过程，限制了他们的发展与实际在轨应用。

综上，克服地面空气阻力获取理论无上限的线速度、同时演示储能投送系统姿态动力学特性是现有的地面实验验证系统要突破的难点，因此研究解决该难点的地磁储能-释能投送地面系统与方法对于推动该离轨方法的进一步发展至关重要，而现有的验证系统中，系统的转动惯量大多固定，而对于在进行时刻变化的地磁场作用时的空间环境重力工装下，则现有的验证系统无法适用和进行验证实验。

发明内容