基于洛伦兹力的石墨烯薄膜包裹空间碎片清理装置及方法与流程

本发明属于航天技术领域，涉及一种清理空间碎片的方案，具体为石墨烯薄膜包裹空间碎片并通过大电流带电导线切割地磁场产生大洛伦兹力来加速空间碎片的陨落。

背景技术：

随着越来越多的航天器进入太空，其所产生的空间碎片的数量也越来越多。空间碎片的存在严重威胁着在轨运行航天器的安全，碎片与航天器的碰撞能够损坏航天器表面，甚至破坏航天器的主要部件，严重影响航天器的正常工作。如何有效清除空间碎片已成为当前国际上研究的热点和前沿领域。

现有的空间碎片清理方式主要包括捕捉、激光清理和电动力缆绳等，其中：

1)捕捉方式通过飞网、飞爪、机械臂等机构来捕抓空间碎片，然后将碎片储存起来通过轨道转移飞行器进行统一处理。由于轨道转移飞行器空间和能量的限制，这种方式所能清理的空间碎片数目极为有限；

2)激光清理方式主要利用高能激光束照射在碎片表面，使碎片的温度升高直至其升华或使空间碎片获得一个速度增量来降低其飞行轨道、从而缩短其在轨飞行的时间。这种方式对空间碎片位置探测与瞄准发射的精度要求非常高，无法有效清除1厘米以下的空间碎片；此外由于产生高能激光需要消耗大量能量，清理碎片成本高，因此采用空基和天基激光清理方式无法完成大量空间碎片的清理；

3)利用电动力缆绳清理空间碎片的原理为在空间碎片上附着一条带电导线，在碎片的在轨飞行中，带电导线切割地球磁场的磁力线产生洛仑兹力，碎片在洛仑兹力的作用下脱离原先的运行轨道，最终进入大气层烧毁。其不足之处是由于带电导线电流非常小，通常所设计的缆绳长度需为数千米甚至数十千米，在工程中难以实现。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：针对现有空间碎片清理方式所存在的不足，本发明提出了一种基于洛伦兹力的石墨烯薄膜包裹清理空间碎片的装置及方法。

本发明的技术方案是：一种基于洛伦兹力的石墨烯薄膜包裹空间碎片清理装置，其特征在于，包括终端模块3、导线4、薄膜太阳电池5和石墨烯薄膜6；所述薄膜太阳电池5位于石墨烯薄膜6内，薄膜太阳电池5利用太阳光给石墨烯薄膜6供电；石墨烯薄膜6与若干所述导线4连接，若干所述导线4另一端与若干所述终端模块3连接，石墨烯薄膜6能够在若干所述导线4带动下展开。

本发明的进一步技术方案是：所述终端模块3包括导线控制器和电子枪，导线控制器控制导线4的伸缩长度，电子枪射出的电子产生单向电流。

本发明的进一步技术方案是：卫星平台监测到外部空间的碎片时，发射上述清理装置，石墨烯薄膜包裹空间碎片后，导线4切割地磁场产生洛伦兹力，使空间碎片运行轨道降低，加速坠落。

本发明的进一步技术方案是：一种基于洛伦兹力的石墨烯薄膜包裹空间碎片清理装置的清理方法，包括以下步骤：

步骤1：卫星发射平台根据现有碎片相关信息，在保证其与碎片之间的距离能够使清理装置在与空间碎片接触前石墨烯薄膜可以完全展开时，释放清理装置；终端模块向空间碎片飞行，同时拉动石墨烯薄膜展开；

步骤2：终端模块运动至导线能够完全展开的最大位置之前，导线控制器工作，控制导线继续拉伸，使得导线释放的阻力增大，终端模块的相对速度逐渐降低为零，防止撕扯石墨烯薄膜；

步骤3：完全展开的石墨烯薄膜与空间碎片接触，相接触后，终端模块由于惯性继续向前运动，使得石墨烯薄膜完全包裹空间碎片；

步骤4：电子枪工作，四条导线产生单向的电流，带电导线切割磁感线，产生与碎片运动方向相反的洛伦兹力，使轨道逐渐衰减，带动碎片落入地球。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明利用石墨烯材料高效储能的特点，通过电子枪将电子喷出，形成数米长、大电流带电绳索并在磁场中切割产生大洛仑兹力，避免了现有电动力缆绳清理方式需要数千米甚至数十千米缆绳的缺点；此外，由于石墨烯薄膜为柔性体，在卫星平台上折叠放置，因此在卫星平台内有限的空间中可携带尽可能多个清理装置，能够以更少的成本清理更多的空间碎片。具体效果如下：

(1)清理装置易折叠，折叠后所占体积小，能够实现小型化和轻质化，易于携带和存储，可实现多目标清理任务。

(2)本发明的展开机构简单，由卫星平台的抛射系统给四个终端模块一定的初速度拉动石墨烯薄膜展开，在到位前靠导线的被动摩擦减速，可靠性高。

(3)将石墨烯薄膜作为一种高效储能设备使用，与传统的储能设备相比较，石墨烯薄膜作为储能设备能够存储更多的能量并有效地减轻清理装置的重量。

(4)传统电动力缆绳导线很长，工程上难以实现且易发生断裂等问题，本发明中导线长度较短，工作可靠性高。

附图说明

图1：卫星平台释放清理装置示意图

图2：清理装置示意图

图3：清理装置靠近空间碎片

图4：清理装置成功捉捕目标

图5：清理装置包裹碎片加速陨落

图6：清理过程流程图

附图标记说明：1-卫星平台；2-清理装置；3-终端模块；4-导线；5-薄膜太阳电池；6-石墨烯薄膜；7-空间碎片

具体实施方式

针对现有空间碎片清理方式所存在的不足，本发明提出了一种基于洛伦兹力的石墨烯薄膜包裹清理空间碎片的方案。

本发明所提出的空间碎片清理方案涉及卫星发射平台和空间碎片清理装置。空间碎片清理装置主要由石墨烯薄膜、导线及四个终端模块构成。其中柔性石墨烯薄膜利用石墨烯材料优异的储能性质，主要作为高效储能部件；薄膜太阳电池可用于给石墨烯薄膜充能；四个终端模块由四条柔性导线与石墨烯薄膜相连接，石墨烯薄膜产生的大电流通过柔性导线传输到终端模块形成大电流带电缆绳。清理装置由卫星发射平台发射，其在卫星平台上处于折叠状态。当卫星平台在轨飞行过程中检测到空间碎片时，抛射系统投射清理装置，四个终端模块获得初速度向空间碎片飞行，并通过导线拉动石墨烯薄膜，使得石墨烯薄膜在飞行过程中完全展开。当石墨烯薄膜捕捉到空间碎片后，终端模块由于惯性会继续向前运动，从而使石墨烯薄膜包裹住空间碎片。其后导线切割地磁场产生洛仑兹力，拉动空间碎片，使其运行轨道降低，加速其轨道衰减，使该清理装置与碎片进入大气层后与大气高速摩擦后烧毁。

一种基于洛伦兹力的石墨烯包裹空间碎片清理方法，其特征在于：清理装置主要由石墨烯薄膜、薄膜太阳电池、导线及四个终端模块构成。四个终端模块由柔性导线与石墨烯薄膜相连接。所述的石墨烯薄膜主要有两个作用：包裹空间碎片，使空间碎片和清理装置一起运动；作为高效储能装置，提供产生大电流所需要的电子。所述的薄膜太阳电池的主要作用是利用太阳光对石墨烯薄膜进行充能，避免清理装置在空间飞行时能量不足而无法产生洛仑兹力的情况。所述的柔性导线主要有两个作用：连接终端模块与石墨烯薄膜；电流的通路，切割磁感线，产生与空间碎片运动反向的洛伦兹力，使轨道衰减。所述的终端模块里面包含导线控制器以及电子枪。导线控制器主要是用于终端模块牵引石墨烯薄膜完全展开前对系绳施加阻力，从而降低终端模块的相对分离速度到零并使导线张紧。电子枪的主要作用是把电子枪处的电子喷射出去，保证产生持续的单向电流。

清理装置在收拢状态下，石墨烯薄膜按星形方式折叠，保证所占体积最小。空间碎片清理装置完全展开状态下，四个终端模块分别位于方形石墨烯薄膜的对角线上，四个电子枪通过柔性导线与石墨烯薄膜上的两条绳索连接，避免张开到最大位置时直接对石墨烯薄膜造成撕扯。

空间碎片清理装置清理空间碎片主要包括以下步骤：

步骤1：卫星发射平台根据现有碎片相关信息，运动到设定的卫星平台与碎片的距离，保证清理装置在与空间碎片接触前石墨烯薄膜可以完全展开，由卫星平台发射出清理装置，四个终端模块向空间碎片飞行，同时拉动石墨烯薄膜展开；

步骤2：当四个终端模块运动到弹射设定位置时，导线控制器工作，使得导线释放的阻力增大，分离终端模块的相对速度逐渐降低为零；

步骤3：完全展开的石墨烯薄膜与空间碎片接触，相接触后，终端模块由于惯性继续向前运动，使得石墨烯薄膜完全包裹空间碎片；

步骤4：石墨烯储能装置产生大电流，电子枪工作，四条导线产生单向的电流，带点导线切割磁感线，产生与碎片运动方向相反的洛伦兹力，使轨道逐渐衰减，达到清理碎片的目的。

下面结合附图和实施实例对本发明作进一步的详细说明。需要说明的是，此处所描述的具体实施实例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定；此外，为了便于描述，附图中仅展示了与本发明相关的部分而非全部内容。

如图1所示，卫星发射平台发现空间碎片后，抛射出空间碎片清理装置，四个终端模块以一定初速度向空间碎片运动，当终端模块运动到所允许的最大位置之前，导线控制器工作，使得导线释放的阻力增大，分离终端模块的相对速度逐渐降低为零。清理装置包括终端模块、导线、石墨烯薄膜以及薄膜太阳电池，如图2所示。在清理装置到达空间碎片前，清理装置处于完全展开状态，如图3所示。当石墨烯薄膜捕捉到空间碎片后，终端模块由于惯性会继续向前运动，从而使石墨烯薄膜包裹住空间碎片，如图4所示。带电导线切割地磁场产生洛仑兹力，使空间碎片速度较小，运行轨道降低，最终坠入大气层烧毁，如图5所示。

如图6所示，整个清理过程包括以下步骤：

步骤1：卫星发射平台获取空间碎片信息，确定空间碎片与卫星平台的距离，保证清理装置在与空间碎片接触前石墨烯薄膜可以完全展开，由卫星平台发射出清理装置，四个终端模块以一定初速度向空间碎片飞行，同时拉动石墨烯薄膜展开；

步骤2：当四个终端模块运动到弹射所允许的最大位置之前，导线控制器工作，使得导线释放的阻力增大，分离终端模块的相对速度逐渐降低为零；

步骤3：完全展开的石墨烯薄膜与空间碎片接触，相接触后，终端模块由于惯性继续向前运动，使得石墨烯薄膜完全包裹空间碎片；

步骤4：石墨烯储能装置产生大电流，电子枪工作，四条带电导线切割磁感线，产生与碎片运动方向相反的洛伦兹力，使轨道逐渐衰减，达到清理碎片的目的。