[发明专利]碎片清除任务的拖曳区域到质量比拖曳增强尺寸方法

说明书

本发明涉及碎片清除任务的拖曳区域到质量比拖曳增强尺寸方法，属于空间碎片清除领域。本方法核心思想是：碎屑自然衰减时间与其初始质量之间的关系与最终期望的离轨时间所需的帆表面相连，并基于目前的碎片清除标准，本方法所设计的拖曳帆已被考虑用于驱动最终方程；且本方法一般并不影响帆类型，它可限制任何拖曳帆的设计参数以进一步优化设计循环；已使用了世界主要空间机构的类似任务国际标准，所以任何国家定义的任务都可以采用这种方法进行计算。

技术领域

本发明为用于碎片清除任务的被动方法，特别地，与气动拖曳增强系统有关，涉及Ahmadloo不等式，更具体地说，涉及碎片清除任务的拖曳区域到质量比拖曳增强尺寸方法，属于空间碎片清除领域。

背景技术

发射到太空的所有航天器的有效寿命有限。在他们的生命周期之后，航天器和卫星就没有用了，它们在空间积累，增加了碎片的数量。除非在大气中被拆除或燃烧，否则航天器和卫星仍然保留在轨道上，随着碎片数量的增加，它们之间的碰撞成为可能导致产生更多碎屑，这一现象已成为常态。

如今，有几种方法可以使用寿命终止的航天器离轨。所有技术都旨在将近地点高度降低到气动力变得足够大以致最终重新入轨。此时，施加到航天器或卫星的空气动力学加热和压力将增加，且航天器或卫星将在大气中被大面积损毁。

今天，领先的离轨策略涉及使用小型火箭发动机、电动系绳或气动拖曳增强来强制重新进入，从而达到消除目标碎片的目的。

小型火箭发动机可用于以特定的角度和速度将卫星推向地球，以确保重新入轨时毁坏。火箭发动机可能被用来降低卫星其下降而在大气中燃烧的速度。这一技术发展利用了已达商业水平的导弹技术。该火箭的主要优点是通过精确的角度射击来控制拆卸过程。然而，火箭技术具有极其昂贵、质量非常重以及技术复杂的缺陷，包括保持将火箭燃料在其使用寿命终止之前保持10年以上的压力。

电动系绳是一个导电接头，在一个离轨航天器和一个一定距离部署的端部之间延伸，有可能向下延伸几公里距离。因此，系绳技术涉及从卫星通过地球磁场部署和拖曳导线。系绳与地球磁场之间的相互作用产生了可用于提高和降低卫星高度轨道的推进力。通常，系绳及地球的磁场之间相互作用产生推进力使得此力用于同时升和降卫星高度轨道。当需要离轨时，系绳系统的部署单元将在与其连接的主航天器的有效寿命期间，大部分保持休眠。电动动力系绳具有潜力，但是在部署和离轨过程本身期间需要高度的主动控制。

气动拖曳增强涉及空气阻力的增加。空气阻力或拖曳随着高度的增加逐渐变薄而减小。这种离轨策略仅限于LEO。这个地区的卫星体验到一个相当有限的空气动力学拖曳，并且由于空气拖曳导致的卫星速度的降低非常小。能够增强气动阻力的系统增加了空气拖曳，使卫星的速度以在所需时间内对卫星进行离轨的速率降低。

拖曳增强系统中，拖曳帆受到特别关注。到目前为止，所提出的概念包括由航天器运输到靠近目标碎片的位置的压实拖曳帆，然后将压实的拖曳帆连接到目标碎片上，最后将其扩展到其最终表面。这个最终的表面将负责产生拖曳以从其初始位置移除目标碎片。这个拖曳表面越大，装置将会越过目标碎片。鉴于航天器内的空间有限，拖曳帆必须在其压实版本中加载，这限制了拖曳帆的最大拖曳面。

被动拖曳增强方法的优点与总图中任务的简单性有关，并且每个待移除的碎片所需的有效载荷量也较少。虽然，此技术目前已经有大量的研究，但是没有发展出具体的方法来确保表面积与离轨时间之间的关系。作为每个任务的主要要求，离轨时间是主要因素，与帆的大小完全相关。拖曳帆尺寸算法的难度在于：在离轨相位的轨道高度的减少是非线性的。考虑到任务的所有要求，研究一个简单的方法可以用于精确优化任何特定碎片的相关轨道元素及其初始质量和横截面是很必要的。

发明内容

本发明的目的是针对特定碎片开发的拖曳帆面积与质量比尺寸方法能够根据任务要求，保证任何轨道时间要求的所需帆尺寸，提出了碎片清除任务的拖曳区域到质量比拖曳增强尺寸方法。