[发明专利]大型充气式防逃逸空间碎片清理装置及空间碎片释放方法

说明书

本发明一种大型充气式防逃逸空间碎片清理装置及空间碎片释放方法，属于航天领域；该装置包括夹持端、收纳箱箱体、单向门和开关门；收纳箱箱体为两端开口的充气式腔体结构，通过其外周面设置的夹持端与服务航天器机械臂的末端臂连接；单向门和开关门分别同轴固定于收纳箱箱体的两端开口处，作为空间碎片的收纳入口和释放出口；单向门密封安装于收纳箱箱体的的收纳入口处；开关门为由电机驱动的抽绳式收口结构，通过控制系绳的收紧与释放并辅以气囊的收缩与膨胀，实现开关门的开合状态转换。整个装置轻质可折叠，降低了对火箭整流罩尺寸和火箭最大运载能力的要求，从而可大型制造和发射，能收纳大型空间碎片，清理对象范围广且收纳箱箱体容量大。

技术领域

本发明属于航天技术领域，具体涉及一种大型充气式防逃逸空间碎片清理装置及空间碎片释放方法。

背景技术

人类对外太空的探索活动逐渐增加，带来效益的同时也对空间环境也产生了持续深远的影响，太空中残留有火箭末级、失效卫星、航天箱任务抛弃物、航天箱解体及碰撞衍生物等大量空间碎片(又名太空垃圾)。

有数字显示，目前，碎片总数量已超过1亿，其中大于10厘米的超过2万，大于1厘米的超过20万。也就是说，5％的工作航天器生活在95％的碎片中，面临很大威胁。

由于空间碎片的在轨运行速度比较快，各种尺寸的碎片都会对航天器造成危害，较大碎片撞击会使航天器破裂、爆炸、结构解体，微小碎片累积效应会改变元器件的性能，导致航天器性能下降或功能失效。

而且，厘米级碎片不易监测。“目前美国等空间碎片监测能力较强的国家，能较全面监测到的最小碎片尺寸也只有10厘米左右。故而难于预测微小碎片的运行轨道，来进行主动规避。空间碎片的主动移除技术已成为目前航天领域研究的热点。

空间碎片主动移除的首要关键是实施在轨捕获，而空间碎片大多是非合作目标，由于目标已失去姿态调整能力，且长期处于失控状态运行，受太阳光压、重力梯度等摄动力矩及失效前自身残余角动量的影响，往往会出现复杂的旋转运动，乃至最终趋向于自由翻滚运动。

现有的处理空间碎片的一种途径是消旋后进行抓捕，捕获后带其机动至坟墓轨道；另一种途径是不消旋直接收纳，收纳仓满后统一处理。

对于途径二，中国专利公开号CN106428652A提出的一种被动式空间碎片捕获装置，如图1(a)所示。该方案在航天器顶部设置有记忆合金材质的空间碎片收纳仓，被动式地捕获中小型空间碎片。但该方案仍存在以下问题需要解决：

1)采用普通的只在周向分割的单向门结构，未考虑已收纳空间碎片二次逃逸的防止。然而对于收纳方案而言，收集后的空间碎片处在一个封闭的舱内，航天器机动过程中，在惯性作用下彼此的碰撞会产生更为零碎的空间碎片，这种零碎的空间碎片在收纳新的空间碎片(尤其是相对较大的空间碎片)时，更加容易逃逸出去，造成收纳失败。

就工程实际需求而言，防止已收纳空间碎片的二次逃逸是至关重要的考虑点。没有了重力、空气阻力的作用，空间碎片在穿过单向门进入收纳箱后，并不会像地面实验那样老老实实地呆在收纳箱近地面一侧的内壁上，而是在收纳仓内处于漂浮状态且大小不同、运动状态各异。其间彼此在惯性力的作用下相互碰撞作用，空间碎片具有复杂的运动学和动力学特性。

由于彼此刚性的碰撞会导致原有的结构解体，产生更多零碎的小型空间碎片，这种相互作用在航天器进行机动的时尤为剧烈，从而使得收纳仓呈现类似于“空间碎片粉碎机的效果”。但该粉碎效果仅仅是类似，不足以将之处理到安全的微小尺寸。零碎的小型空间碎片逃逸后会恶化太空环境，增加轨道不安全性。

当空间碎片和航天器因一方变轨而相遇时，由于具有较大相对速度，因此，厘米级碎片产生的动能就能将卫星裸露的的太阳帆版等重要结构严重损坏。小型空间碎片的危害可想而知。