本發(fā)明屬于航天技術(shù)領(lǐng)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(shù)：

空間碎片，專指人類在太空活動(dòng)中產(chǎn)生的廢棄物及其衍生物。空間碎片有多種來源，沒人能夠數(shù)清空間碎片的確切數(shù)目，人類目前只能對(duì)直徑10厘米以上的碎片進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，小于1厘米的碎片據(jù)估計(jì)有數(shù)千萬乃至數(shù)億，航天器已經(jīng)根本無法避免與其相撞，只能通過加強(qiáng)自身的防護(hù)能力來應(yīng)對(duì)。

空間碎片特別是微小空間碎片(1厘米以下)由于數(shù)量眾多、分布廣泛，難以有效監(jiān)測跟蹤，其對(duì)空間環(huán)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(dāng)前國際上研究的熱點(diǎn)和前沿領(lǐng)域。

現(xiàn)有技術(shù)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(shù)的基本思想是利用高能脈沖激光束照射碎片表面，產(chǎn)生類似于火箭推進(jìn)的“熱物質(zhì)射流”，為碎片提供一定的速度負(fù)增量來降低近地點(diǎn)高度，達(dá)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(yùn)行軌道；脈沖式激光清除碎片技術(shù)需要的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的推力，這就意味著對(duì)碎片位置探測與瞄準(zhǔn)發(fā)射的精度要求非常高，因此，對(duì)微小空間碎片(1厘米以下)幾乎無法有效地清除，且現(xiàn)有的空間碎片收集裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較大，回收效率低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)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(xiàn)有技術(shù)中空間碎片收集裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本大、回收效率低等問題。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案，一種空間碎片特定軌道清除裝置，包括用于收集并儲(chǔ)存空間碎片的碗狀結(jié)構(gòu)，碗狀結(jié)構(gòu)的外側(cè)底部通過連結(jié)部與固定架相連接；

連結(jié)部用于當(dāng)任務(wù)航天器攜帶空間碎片特定軌道清除裝置時(shí)，控制碗狀結(jié)構(gòu)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(wù)航天器時(shí)，脫離固定架外壁并形成碗狀結(jié)構(gòu)；

固定架遠(yuǎn)離碗狀結(jié)構(gòu)的一端安裝有主發(fā)動(dòng)機(jī)，主發(fā)動(dòng)機(jī)與碗狀結(jié)構(gòu)之間，且沿主發(fā)動(dòng)機(jī)至碗狀結(jié)構(gòu)方向上依次安裝有控制板、姿態(tài)檢測裝置和電源；

碗狀結(jié)構(gòu)上安裝有多臺(tái)小型發(fā)動(dòng)機(jī)，每臺(tái)小型發(fā)動(dòng)機(jī)均通過導(dǎo)線連接至控制板；

主發(fā)動(dòng)機(jī)用于在空間碎片收集空間內(nèi)調(diào)整空間碎片特定軌道清除裝置到達(dá)預(yù)設(shè)的收集軌道；姿態(tài)檢測裝置用于獲取空間碎片特定軌道清除裝置的當(dāng)前姿態(tài)信息，并發(fā)送至控制板；控制板用于接收姿態(tài)檢測裝置發(fā)出的信息，并發(fā)送信息至每臺(tái)小型發(fā)動(dòng)機(jī)，以保證空間碎片特定軌道清除裝置按照預(yù)設(shè)姿態(tài)運(yùn)行；電源用于為控制板、每臺(tái)小型發(fā)動(dòng)機(jī)、主發(fā)動(dòng)機(jī)和姿態(tài)檢測裝置提供電能。

進(jìn)一步地，連接部為形狀記憶合金，碗狀結(jié)構(gòu)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(nèi)吸收太陽輻射所發(fā)出的熱能而產(chǎn)生形變，并帶動(dòng)與其連接的多根折疊桿展開形成碗狀結(jié)構(gòu)。。

進(jìn)一步地，碗狀結(jié)構(gòu)上設(shè)置有用于使相鄰兩根折疊桿保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的尼龍網(wǎng)，尼龍網(wǎng)與碗狀結(jié)構(gòu)之間設(shè)置有高分子膜，高分子膜用于捕捉粉塵級(jí)空間碎片。

進(jìn)一步地，主發(fā)動(dòng)機(jī)、控制板、姿態(tài)檢測裝置、電源均通過連接箍安裝在所述固定架的內(nèi)部，且主發(fā)動(dòng)機(jī)、控制板、姿態(tài)檢測裝置、電源與固定架之間均安裝有保護(hù)氣囊。

進(jìn)一步地，控制板與主發(fā)動(dòng)機(jī)之間設(shè)置有隔熱層，隔熱層用于保證控制板的工作環(huán)境不受所述主發(fā)動(dòng)機(jī)影響。

進(jìn)一步地，主發(fā)動(dòng)機(jī)為固定火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)包括遠(yuǎn)離控制板的拉法爾噴管和靠近控制板的燃燒室。

進(jìn)一步地，姿態(tài)檢測裝置包括定向陀螺儀，定向陀螺儀外部設(shè)置有用于保護(hù)定向陀螺儀的圓柱殼體。

進(jìn)一步地，電源為鋰電池塊。

本發(fā)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(shí)施：

步驟一、通過任務(wù)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(jìn)行形變，并帶動(dòng)多根與其連接的折疊桿展開，并形成一端敞口的碗狀結(jié)構(gòu)，碗狀結(jié)構(gòu)用于收集并儲(chǔ)存空間碎片；

步驟二、當(dāng)所述空間碎片特定軌道清除裝置的碗狀結(jié)構(gòu)形成后，通過控制板發(fā)送信號(hào)啟動(dòng)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，通過固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)使空間碎片特定軌道清除裝置在空間碎片收集空間內(nèi)由當(dāng)前軌道進(jìn)入預(yù)設(shè)軌道，同時(shí)在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量影響下，保護(hù)氣囊內(nèi)的產(chǎn)氣固體受熱變成氣體，并充滿保護(hù)氣囊；

步驟三、通過進(jìn)入預(yù)設(shè)軌道的空間碎片特定軌道清除裝置，將該軌道內(nèi)與該裝置碰觸且在該軌道內(nèi)的分速度小于該裝置的空間碎片收集并儲(chǔ)存在碗狀結(jié)構(gòu)內(nèi)，并攜帶所收集儲(chǔ)存的空間碎片沿預(yù)設(shè)軌道運(yùn)行；

步驟四、待步驟三中的碗狀結(jié)構(gòu)內(nèi)收集一定數(shù)量的空間碎片后，空間碎片特定軌道清除裝置的運(yùn)行速度減慢至無法維持該裝置沿預(yù)設(shè)軌道繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，該裝置攜帶其收集并儲(chǔ)存的空間碎片一起墜入大氣層銷毀。

進(jìn)一步地，碗狀結(jié)構(gòu)上設(shè)置有用于使相鄰兩根折疊桿保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的尼龍網(wǎng)，尼龍網(wǎng)與碗狀結(jié)構(gòu)之間還設(shè)置有高分子膜，高分子膜用于捕捉粉塵級(jí)空間碎片。

本發(fā)明的有益效果是：該裝置結(jié)構(gòu)簡單，而且只需要由任務(wù)航天器帶到空間碎片收集空間內(nèi)便可以執(zhí)行碎片清除任務(wù)，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(wù)航天器一次可以攜帶多枚該裝置，因而利于大規(guī)?；厥湛臻g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(jí)別的空間碎片，對(duì)空間碎片的清除更徹底。

【附圖說明】

圖1為本發(fā)明空間碎片特定軌道清除裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明空間碎片特定軌道清除裝置由任務(wù)航天器攜帶時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明中的碗狀結(jié)構(gòu)安裝尼龍網(wǎng)和高分子膜后的結(jié)構(gòu)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(shí)施方式】

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)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(chǔ)存空間碎片的碗狀結(jié)構(gòu)，碗狀結(jié)構(gòu)的外側(cè)底部通過連結(jié)部與固定架相連接。

如圖2所示，連結(jié)部用于當(dāng)任務(wù)航天器攜帶所述空間碎片特定軌道清除裝置時(shí)，控制碗狀結(jié)構(gòu)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(wù)航天器時(shí)，脫離固定架外壁并形成碗狀結(jié)構(gòu)；這樣一來，當(dāng)任務(wù)航天器運(yùn)送該裝置時(shí)可節(jié)省空間，以便攜帶更多枚該裝置。

固定架遠(yuǎn)離碗狀結(jié)構(gòu)的一端安裝有主發(fā)動(dòng)機(jī)，主發(fā)動(dòng)機(jī)與碗狀結(jié)構(gòu)之間，且沿主發(fā)動(dòng)機(jī)至碗狀結(jié)構(gòu)方向上依次安裝有控制板8、姿態(tài)檢測裝置和電源；

碗狀結(jié)構(gòu)上安裝有多臺(tái)小型發(fā)動(dòng)機(jī)，每臺(tái)小型發(fā)動(dòng)機(jī)均通過導(dǎo)線連接至控制板8；

連接部為形狀記憶合金，由多個(gè)條狀的形狀記憶合金組成，每個(gè)條狀的形狀記憶合金均連接一根折疊桿7，碗狀結(jié)構(gòu)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(nèi)吸收太陽輻射所發(fā)出的熱能而產(chǎn)生形變，并帶動(dòng)與其連接的多根折疊桿7展開形成碗狀結(jié)構(gòu)，另外，每根折疊桿7上均設(shè)置有多個(gè)由形狀記憶合金構(gòu)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(tái)小型發(fā)動(dòng)機(jī)，每臺(tái)小型發(fā)動(dòng)機(jī)均通過導(dǎo)線連接至控制板8，每臺(tái)小型發(fā)動(dòng)機(jī)均根據(jù)控制板8發(fā)出的指令啟動(dòng)或停止，以調(diào)節(jié)空間碎片特定軌道清除裝置的姿態(tài)，保證該裝置按照預(yù)設(shè)姿態(tài)運(yùn)行。

碗狀結(jié)構(gòu)上設(shè)置有用于使相鄰兩根折疊桿7保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的尼龍網(wǎng)9，尼龍網(wǎng)9具有一定的強(qiáng)度，其貼敷在碗狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，使得相鄰兩跟折疊桿7之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，且能夠?qū)M(jìn)入碗狀結(jié)構(gòu)的空間碎片進(jìn)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(wǎng)9與碗狀結(jié)構(gòu)之間設(shè)置有一層高分子膜，高分子膜用于捕捉粉塵級(jí)空間碎片，可以清除一定數(shù)量的粉塵級(jí)空間碎片，但是高分子膜的強(qiáng)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(duì)速度，高分子膜會(huì)被擊穿，從而整個(gè)結(jié)構(gòu)能安全的在預(yù)設(shè)軌道運(yùn)行，高分子膜與尼龍網(wǎng)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(gè)網(wǎng)格內(nèi)的高分子膜，而其余部分保持良好。

如圖3所示，尼龍網(wǎng)9與高分子膜貼合安裝在折疊桿7上，當(dāng)折疊桿7展開貼合在固定架外壁時(shí)，尼龍網(wǎng)9和高分子膜隨其貼合在固定架外壁上，當(dāng)折疊桿7脫離固定架外壁時(shí)，尼龍網(wǎng)9和高分子膜隨折疊桿7脫離固定架外壁，且尼龍網(wǎng)9和高分子膜不會(huì)影響折疊桿7的運(yùn)動(dòng)。

固定架一般為圓柱形，固定架內(nèi)部遠(yuǎn)離碗狀結(jié)構(gòu)的一端安裝有主發(fā)動(dòng)機(jī)，主發(fā)動(dòng)機(jī)用于在空間碎片收集空間內(nèi)調(diào)整空間碎片特定軌道清除裝置的運(yùn)行軌道，直至其到達(dá)預(yù)設(shè)的收集軌道，當(dāng)該裝置脫離任務(wù)航天器時(shí)，其運(yùn)行軌道為低圓軌道，預(yù)設(shè)的收集軌道為橢圓軌道，主發(fā)動(dòng)機(jī)靠近碗狀結(jié)構(gòu)的一端連接有控制板8，控制板8用于接收姿態(tài)檢測裝置發(fā)出的空間碎片特定軌道清除裝置的當(dāng)前姿態(tài)信息，然后判斷該裝置的當(dāng)前姿態(tài)是否與預(yù)設(shè)的姿態(tài)吻合，若不吻合，控制板8發(fā)送信息至每臺(tái)小型發(fā)動(dòng)機(jī)，小型發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)以保證空間碎片特定軌道清除裝置按照預(yù)設(shè)姿態(tài)運(yùn)行。

控制板8與主發(fā)動(dòng)機(jī)之間設(shè)置有隔熱層4，隔熱層4用于保證控制板8的工作環(huán)境不受主發(fā)動(dòng)機(jī)影響。

控制板8遠(yuǎn)離主發(fā)動(dòng)機(jī)的一端分別通過導(dǎo)線連接有姿態(tài)檢測裝置和電源，姿態(tài)檢測裝置用于獲取空間碎片特定軌道清除裝置的當(dāng)前姿態(tài)信息，并發(fā)送至控制板8，姿態(tài)檢測裝置包括定向陀螺儀5，定向陀螺儀5外部設(shè)置有用于保護(hù)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(jié)構(gòu)的美觀性，電源為鋰電池塊6，用于為控制板8、每臺(tái)小型發(fā)動(dòng)機(jī)、主發(fā)動(dòng)機(jī)和姿態(tài)檢測裝置提供電能。

主發(fā)動(dòng)機(jī)、控制板8、姿態(tài)檢測裝置、和電源均通過連接箍2安裝在固定架內(nèi)部，連接箍2的數(shù)量根據(jù)實(shí)際需要確定，且主發(fā)動(dòng)機(jī)、控制板8、姿態(tài)檢測裝置、電源與固定架之間均安裝有保護(hù)氣囊。

任意兩個(gè)保護(hù)氣囊之間互不連通，保護(hù)氣囊一來可以保證空間碎片不會(huì)傷及主發(fā)動(dòng)機(jī)、隔熱層4、控制板8、姿態(tài)檢測裝置和電源，二來可以使通過保護(hù)氣囊的空間碎片，因?yàn)閾舸┍Ｗo(hù)氣囊而被減速，從而達(dá)到對(duì)這一部分運(yùn)動(dòng)方向與該裝置相反的空間碎片減速。

主發(fā)動(dòng)機(jī)為固定火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)包括遠(yuǎn)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(nèi)部儲(chǔ)存有固定火箭推進(jìn)劑，火箭推進(jìn)劑的攜帶量由預(yù)設(shè)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌道決定，可精準(zhǔn)控制，并減少浪費(fèi)等。

本發(fā)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(shí)施：

步驟一、通過任務(wù)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(shí)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(jìn)行形變，并帶動(dòng)多根與其相連接的折疊桿7展開，形成一端敞口的碗狀結(jié)構(gòu)，碗狀結(jié)構(gòu)用于收集并儲(chǔ)存空間碎片；

步驟二、在設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算好該裝置展開所需要的時(shí)間，然后在釋放之前將指令輸入至控制板8內(nèi)，當(dāng)步驟一中的碗狀結(jié)構(gòu)形成后，通過控制板8發(fā)送信號(hào)啟動(dòng)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，通過固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)使空間碎片特定軌道清除裝置在空間碎片收集空間內(nèi)，由當(dāng)前的低圓軌道進(jìn)入預(yù)設(shè)的橢圓軌道，橢圓軌道近地點(diǎn)距地高度為原來的低圓軌道的高度，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度根據(jù)預(yù)設(shè)的橢圓軌道來確定，并根據(jù)遠(yuǎn)地點(diǎn)高度來確定主發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中所攜帶的燃料量；

且主發(fā)動(dòng)機(jī)、隔熱層4、控制板8、姿態(tài)檢測裝置、電源與固定架之間均安裝有保護(hù)氣囊，保護(hù)氣囊內(nèi)裝有產(chǎn)氣固體，利用主發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱量，將產(chǎn)氣固體變成氣體，充滿氣囊，且任一兩個(gè)保護(hù)氣囊之間互不連通；

保護(hù)氣囊一來可以保證空間碎片不會(huì)傷及主發(fā)動(dòng)機(jī)、隔熱層4、控制板8、姿態(tài)檢測裝置和電源，二來可以使得通過保護(hù)氣囊的空間碎片，因?yàn)閾舸┍Ｗo(hù)氣囊而被減速，從而達(dá)到對(duì)這一部分運(yùn)動(dòng)方向相反的碎片的減速；

步驟三、通過進(jìn)入預(yù)設(shè)軌道的空間碎片特定軌道清除裝置，將該軌道內(nèi)與該裝置碰觸且在該軌道內(nèi)的分速度小于該裝置的空間碎片收集并儲(chǔ)存在所述碗狀結(jié)構(gòu)內(nèi)，并攜帶所收集儲(chǔ)存的空間碎片沿所述預(yù)設(shè)軌道運(yùn)行，如此一來，該裝置不僅只能收集到預(yù)設(shè)軌道內(nèi)的空間碎片，其他軌道內(nèi)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(chǔ)存至碗狀結(jié)構(gòu)內(nèi)；

在空間碎片與裝置相互作用時(shí)，可通過控制板8啟動(dòng)小型發(fā)動(dòng)機(jī)維持該裝置的預(yù)設(shè)姿態(tài)，使該裝置攜帶所收集儲(chǔ)存的空間碎片沿預(yù)設(shè)軌道運(yùn)行；

步驟四、由于該裝置必須比空間碎片的相對(duì)速度快一些才能包住碗狀結(jié)構(gòu)內(nèi)的空間碎片，所以每次包住空間碎片，該裝置的速度都會(huì)降低，待步驟三中的碗狀結(jié)構(gòu)內(nèi)收集一定數(shù)量的空間碎片后，該裝置及其包含的空間碎片的運(yùn)行速度減慢，直至無法維持該裝置沿預(yù)設(shè)軌道運(yùn)行時(shí)，該裝置攜帶其收集并儲(chǔ)存的空間碎片一起墜入大氣層銷毀。

另外，碗狀結(jié)構(gòu)上設(shè)置有用于使相鄰兩根折疊桿7保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的尼龍網(wǎng)9，尼龍網(wǎng)9與碗狀結(jié)構(gòu)之間還設(shè)置有高分子膜，高分子膜用于捕捉粉塵級(jí)空間碎片。