一种空间碎片的捕获及清除装置及其方法与流程

本发明属于航空航天领域，涉及一种空间碎片的捕获及清除装置；还涉及一种空间碎片的捕获和清除方法。

背景技术：

随着人类探索太空的步伐不断加快，空间任务的复杂性和多样性也不断提高，发射到太空的航天器数量日益增加，轨道上的航天器由于发生故障、燃料耗尽或发生碰撞而形成了越来越多的空间碎片。近年来空间碎片的数量更是以指数级增长，这些空间碎片长期占据着宝贵的轨道资源，不仅威胁到轨道上其他正常运行的航天器的安全，更给未来的太空任务的开展带来巨大困难。

世界上各航天大国都逐渐意识到空间碎片的危害，并认为主动清除空间碎片是最为直接有效的方法。国外航天机构如nasa、esa等早在20世纪80年代就开始了空间碎片清除技术的研究，提出了很多清除技术概念，主要有利用机械臂捕获、利用激光烧蚀、飞网、电动力缆绳、增阻装置和可附着离轨装置等。目前，这些技术都尚处于概念提出或理论研究阶段，还没有进行工程实验验证。

近年来，小卫星技术得到了突飞猛进的发展。目前，小卫星主要应用于遥感、测量和编队飞行等任务。其具有的低成本、研制周期短、工作方式灵活等优点使得小卫星的应用范围越来越广泛，未来将会有更多借助于小卫星平台来完成的任务概念出现。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种空间碎片的捕获及清除装置，该装置采用多个小卫星实现了空间碎片的捕获和清除，其成本低，捕获效率高，并且有效减少燃料消耗。

本发明还提供了一种空间碎片的捕获及清除方法，该方法能够实现对空间碎片的捕获和清除，扫清空间轨道的空间碎片，为太空任务提供方便。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

这种空间碎片的捕获及清除装置，包括卫星组，卫星组通过导电缆绳与捕获网连接；所述卫星组包括多个小卫星，小卫星的缆绳收放装置通过导电缆绳与捕获网连接，卫星组通过导电缆绳带动捕获网和碎片一起旋转；所述捕获网包括上层网和下层网，其中下层网为底部封闭结构，上层网上设置有能够收缩/张开的捕获网入口，导电缆绳通过牵引绳与下层网的底部连接。

更进一步的，本发明的特点还在于：

其中卫星组包括3个小卫星。

其中捕获网入口上还均匀分布有多个单向过线器，导电缆绳穿过单向过线器。

其中下层网内设置有牵引绳，牵引绳与导电缆绳连接。

其中牵引绳张紧，单向过线器通过导电缆绳使捕获网入口收紧。

其中小卫星还包括推力器、电子收发装置。

本发明的另一技术方案是，一种空间碎片捕获及清除方法，包括以下步骤：

步骤1，使用卫星组带动捕获网，使空间碎片进入捕获网内；

步骤2，卫星组通过导电缆绳与空间碎片连接，并且带动捕获网和碎片一起旋转；

步骤3，卫星组通过电子收发装置使导电缆绳形成电流，使得导电缆绳切割地磁场；

步骤4，卫星组的轨道高度逐渐降低至300km以下；

步骤5，释放捕获网内的空间碎片。

更进一步的，本发明的特点还在于：

其中卫星组包括有3个小卫星组成，小卫星通过导电缆绳与捕获网连接；所述捕获网包括上层网和下层网，其中下层网为底部封闭结构，上层网上设置有能够收缩/张开的捕获网入口，导电缆绳通过牵引绳与下层网的底部连接。

其中步骤5还包括卫星组运行至捕获轨道。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：使用小卫星组成卫星组，小卫星能够进行灵活的轨道激动，并且小卫星的成本低，多个小卫星能够实现对捕获网的完全控制，在空间碎片通过捕获网入口进入捕获网后，捕获网入口收缩，然后卫星组带动捕获网和碎片一起旋转，保持稳定的编队飞行构型；同时卫星组脱离捕获轨道，下降至300km以下高空，然后卫星组与捕获网和碎片分离，使空间碎片下坠至大气层，并且燃烧殆尽。

更进一步的，使用3个小卫星组成卫星组，并且导电缆绳通过单向过线器与牵引绳连接，在牵引绳受力张紧的同时，导电缆绳通过单向过线器使捕获网入口收缩，实现了空间碎片的捕获。

更进一步的，小卫星具有的推力器为动力装置；电子收发装置用于收集和释放周围环境中的电子，使导电缆绳上形成电流；姿轨控制装置用于调节小卫星的运行轨道以及运行方向。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中小卫星的结构示意图；

图3为本发明中捕获网的结构示意图；

图4为本发明中捕获空间碎片目标的过程示意图；

图5为本发明中使空间碎片目标降轨的过程示意图。

其中：1为小卫星；2为导电缆绳；3为捕获网；4为捕获网入口；5为导电编织绳；6为上层网；7为单向过线器；8为牵引绳；9为下层网；10为捕获轨道；11为缆绳收放装置；12为推力器；13为电子收发装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明提供了一种空间碎片的捕获及清除装置，如图1所示，包括卫星组，卫星组包括多个小卫星1，优选为3个小卫星1；小卫星1通过导电缆绳2与捕获网3连接；捕获网3的一端密封，另一端设置有捕获网入口4。

如图2所示，小卫星1上设置有用于控制导电缆绳2收/放的缆绳收放装置11；用于推进小卫星1运行的推力器12；用于收集周围环境中电子以及释放电子的电子收发装置13，电子收发装置13用于收集和释放环境中的电子，通过导电缆绳2与环境形成闭环回路；还有用于对小卫星1运行轨道及运行姿势调节的姿轨控制系统；其中缆绳收放装置11与导电缆绳2连接。

如图3所示，捕获网3包括互相连接的下层网9和上层网6，下层网9底部为密封结构，上层网6上设置有捕获网入口4；其中上层网6和下层网9均由导电编织绳5编织而成；捕获网入口4处均匀设置有3个单向过线器7，下层网9内设置有多条牵引线8，多条牵引线8的一端均固定在下层网9底部的中心位置处，牵引线8通过单向过线器7与导电缆绳2连接。

其中牵引绳8收紧的同时，带动导电缆绳2将捕获网入口4进行收缩，并且小卫星1能够使捕获网3起旋，将捕获网3内的空间碎片完全包裹。

本发明一种空间碎片的捕获及清除装置的工作过程是：如图4所示，三颗小卫星1保持编队飞行，三根导电缆绳2牵引捕获网3，在捕获轨道10上运行，并且逼近空间碎片时，空间碎片通过捕获网入口4进入到下层网9内，空间碎片以相对速度撞击到下层网9的底部时，导致连接在下层网9底部的三根牵引线8受力张紧，从而借助单向过线器7将捕获网入口4收缩，至此完成空间碎片目标的捕获。

如图5所示，捕获完成之后，卫星组通过导电编织绳5和导电缆绳2与空间碎片相连，并且在推力器12和小卫星1的控制系统下起旋，形成稳定的辐射开环编队构型，并且小卫星1上的电子收发装置13收集其周围环境的电子，然后释放其自身的电子，从而使导电缆绳2上形成电流，通电的导电缆绳2在切割地磁场时产生安培力，并且在安培力的持续耗能作用下，整个卫星组编队的能量逐渐消耗，从而使卫星组的轨道高度降低，偏离捕获轨道10，当空间碎片的高度降低至300km或以下时，卫星组将空间碎片释放出，空间碎片在大气阻力作用下将会迅速坠毁，这就完成了空间碎片的清除过程，释放空间碎片后的小卫星还可以继续完成其他任务。

本发明还提供了一种空间碎片的捕获及清除的方法，其具体过程是：

步骤1，使用卫星组带动捕获网，使空间碎片进入捕获网内；

步骤2，卫星组通过导电缆绳与空间碎片连接，并且带动捕获网和碎片一起旋转；

步骤3，卫星组通过电子收发装置使导电缆绳形成电流，使得导电缆绳切割地磁场；

步骤4，卫星组的轨道高度逐渐降低至300km以下；

步骤5，释放捕获网内的空间碎片；然后卫星组继续完成其他空间任务。

其中，上述方法中，卫星组包括3个小卫星1，小卫星1通过导电缆绳2与捕获网3连接；捕获网3包括互相连接的上层网6和下层网9，上层网6和下层网9均由导电编织绳5编制而成，下层网9的一端封闭，上层网6设置有捕获网入口4，且捕获网入口4处均匀分布有3个单向过线器7；下层网9上分布有3条牵引绳8，牵引绳8的一端均固定连接在下层网9底部的中心位置；牵引绳8穿过单向过线器7与导电缆绳2连接。

小卫星1设置有用于控制导电缆绳2收/放的缆绳收放装置11；用于推进小卫星1运行的推力器12；用于收集周围环境中电子以及释放电子的电子收发装置13，电子收发装置13用于收集和释放环境中的电子，通过导电缆绳2与环境形成闭环回路；还有用于对小卫星1运行轨道及运行姿势调节的姿轨控制系统；其中缆绳收放装置11与导电缆绳2连接。