本发明属于空间碎片与微流星体环境防护领域技术领域，具体涉及一种航天器的伞型空间碎片或微流星体防护装置。
背景技术：
“空间碎片”,亦称太空垃圾,是人类航天活动遗弃在空间的废弃物，是空间环境的主要污染源。从1957年发射第一颗人造地球卫星以来，空间碎片总数已经超过4千万个，总质量已达数百万公斤，地面望远镜和雷达能观测到的空间碎片平均每年增加大约200个，大于10厘米的空间碎片现在已经超过了9200个。空间碎片主要分布在2000公里以下的低轨道区，它们对近地空间的航天器构成严重威胁。
空间碎片尺寸范围包含微米级、毫米级、厘米级，甚至米级，其中，厘米级及其以上空间碎片主要是运载火箭上面级、任务终了的航天器、工作时遗弃的物体、意外的解体碎片、三氧化二铝残渣、钠钾颗粒等；毫米级空间碎片主要是航天器表面剥落碎片、溅射物、三氧化二铝残渣、钠钾颗粒、微流星体、意外的解体碎片等；微米级空间碎片主要包含剥落碎片、溅射物、三氧化二铝粉尘、微流星体等。
大于10厘米的空间碎片将导致航天器毁灭性损坏，由于目前能够通过地基望远镜或雷达测定其轨道，可以采取预警规避的策略有效地防止其伤害；厘米级空间碎片也可以导致航天器彻底损坏，目前尚无切实可行的防护措施，唯一办法是在航天器设计及运营上，设法降低使航天员及航天器发生致命性损害的风险；毫米级空间碎片能够导致航天器表面产生撞坑甚至使舱壁穿孔，撞击部位不同，危害的程度也会有很大差异。其中,表1列出了空间碎片的基本信息。
表1空间碎片的基本信息
对尺寸大于10cm的大空间碎片，主要采取监控和规避的措施；对1cm以下的小空间碎片，主要采取防护的措施；而尺寸超过1cm的空间素片，防护将带来重量的增加而导致成本急剧升高。近地轨道，空间碎片的速度为几千米每秒，与航天器发生碰撞时，相对速度可达10km/s以上，因此风险很大。
微流星体是指起源于彗星和小行星带并在星际空间中运动的固态粒子。微流星体可能与航天器发生撞击并导致航天器的损伤，损伤的种类与程度取决于航天器大小、构型、工作时间以及微流星体质量、密度、速度等特性。这种撞击损伤包括压力容器的破裂、舷窗的退化、热控涂层的层裂、热防护性能的降低和天线系统的损伤等。
目前，针对空间碎片与微流星体防护方法，航天器采用了不同的措施以避免空间碎片与微流星体的超高速撞击，对于尺寸大于10cm的空间碎片，由于其具有的动能很大，撞击航天器时会产生毁灭性破坏，然而这些碎片中的绝大部分可以被地面观测设备跟踪观测，因此，航天器采用主动规避的方式予以躲避；对于尺寸小于1cm的空间碎片，由于其具有的动能较小，撞击航天器时通常不会产生毁灭性破坏，因此航天器采用被动防护的方法予以防护。对于1-10cm之间的碎片，由于其具有的动能较大且观测不到，航天器没有有效的防护措施，因此这些碎片成为危险碎片。
空间碎片的防护目前主要使用whipple防护结构，即在航天器舱壁前面设置一块缓冲板，将入射弹丸破碎，甚至熔化、汽化，形成碎片云团，从而将空间碎片撞击的点载荷变成面载荷，降低冲击载荷的强度，减小航天器舱壁遭受的损伤。人们把这种结构形式称为whipple防护结构，见图1。
但是随着空间碎片环境的急剧恶化，其防护能力不足的问题逐渐显露。人们基于whipple防护结构开发了多种结构，这些结构按照缓冲屏的层数可以分为：单缓冲屏防护结构、双缓冲屏防护结构和多缓冲屏防护结构。相较于whipple防护结构，这些防护结构的防护能力有了大幅度的提升，因此也称为增强型防护结构。下面以单层屏增强防护结构和多层防护结构为例说明。
单层屏增强型防护结构包含蜂窝板夹层板结构和泡沫铝防护结构。前层的面板相当于whipple防护结构中的缓冲屏，后层的面板相当于whipple防护结构中的后墙。蜂窝板根据面板的不同，可以分为铝面板蜂窝板结构和碳纤维蜂窝板结构(参见文献i.w.members.version4.0oftheiadcprotectionmanual[r].germany,2009.)。
多层冲击防护结构(ms与whipple防护结构相比，多层冲击防护结构增加了缓冲屏的数目(一般3-5层)，如图2所示。缓冲屏数目的增加，使弹丸在撞击防护结构时，多层缓冲屏可以对弹丸进行层层拦截，保证弹丸能够充分的破碎，甚至熔化和汽化，使大量的动能变为内能。当碎片云撞击后墙时，由于碎片云中粒子尺寸和速度都非常小，对后墙损伤大大降低，从而提高了防护能力。与典型whipple防护结构相比，多层冲击防护结构防护能力提高近40％。
后来，航天专家又提出了一种密度梯度型防护结构，如图3所示。密度梯度材料是在厚度方向形成波阻抗递增或递减的一种材料。密度梯度型防护结构由一层密度梯度缓冲屏、防护间距和后墙组成。密度梯度缓冲屏是在撞击方向上按照波阻抗递减规律制成的复合屏。这是一种与以往增强型防护结构不同的新型空间碎片防护结构。
但这些材料或结构均是考虑空间碎片正面撞击的情况，而且往往是针对单一空间碎片或者微流星体。如果在航天器上大面积安装，将会极大的增加航天器的重量，而且只能固定在航天器上。
技术实现要素：
本发明的发明目的在于提供一种用于航天器的伞型空间碎片或微流星体防护装置，该装置放置于待防护的航天器前放，利用防护装置相对于空间碎片入射方向倾斜的原理来大大降低空间碎片的撞击强度，同时，也可以利用防护装置的高速旋转来进一步降低空间碎片的撞击损伤。
用于航天器的伞型空间碎片或微流星体防护装置，包括伞型防护罩，可伸缩弹簧，以及固定在航天器上以实现伞型防护罩方向改变的可控铰链，其中，伞型防护罩由多块三角形防护面板紧密拼接成伞状结构，每块防护面板内侧均通过链接件以及与其啮合的侧支撑杆与主支撑杆上滑动设置的可控滑筒连接，各三角形防护面板的顶点共连到滑筒一上，主支撑杆穿过滑筒一且通过可伸缩弹簧将滑筒一固定在主支撑杆的顶端上，主支撑杆末端与可控铰链固定连接，随着空间碎片或微流星体的撞击，伞型防护罩可沿着可控滑筒在主支撑杆上的滑动而改变防护罩的倾斜方向，降低撞击损伤。
其中，可伸缩弹簧为拉伸弹簧。
用于航天器的伞型空间碎片或微流星体防护装置，包括伞型防护罩，可伸缩弹簧，以及固定在航天器上以实现伞型防护罩方向改变的可控铰链，其中，伞型防护罩由多块三角形防护面板紧密拼接成伞状结构，每块防护面板内侧均通过链接件以及与其啮合的侧支撑杆与主支撑杆上滑动设置的可控滑筒连接，各三角形防护面板的顶点共连到滑筒一上，主支撑杆穿过滑筒一和可控滑筒的主轴，且通过可伸缩弹簧将可控滑筒固定在主支撑杆的末端上，主支撑杆末端与可控铰链固定连接，随着空间碎片或微流星体的撞击，伞型防护罩可沿着可控滑筒在主支撑杆上的滑动而改变防护罩的倾斜方向，降低撞击损伤。
其中，可伸缩弹簧为高压缩弹簧。
其中，三角形防护面板的数量大于12。
其中，链接件为铰链结构。
其中，防护罩采用铝合金、钛合金、nextel陶瓷或者kevlar纤维的单一材料或者复合材料制成。
其中，防护罩面板为密度梯度型空间碎片防护面板。
其中，伞型防护罩的倾角大小通过可控滑筒的前后移动来实现。
本发明的空间碎片防护装置，可大大降低空间碎片对防护罩直接的所用力，增加防护罩对空间碎片缓冲时间，从而能够提高对空间碎片的防护能力，以
附图说明
图1为现有技术中whipple防护结构的示意图；
图2为现有技术中多层冲击防护结构的示意图；
图3为密度梯度型空间碎片防护结构的示意图；
图4为本发明的用于航天器的伞型空间碎片或微流星体防护装置中伞型防护罩的结构示意图。；
图5为本发明一具体实施方式的用于航天器的伞型空间碎片或微流星体防护装置的结构示意图；
其中：1、防护罩；2、链接件；3、侧支撑杆；4、可控滑筒；5、主支撑杆；6、可伸缩弹簧；7、滑筒一。
图6为本发明另一具体实施方式的用于航天器的伞型空间碎片或微流星体防护装置的结构示意图；
其中：1、防护罩；2、链接件；3、侧支撑杆；4、可控滑筒；5、主支撑杆；6、可伸缩弹簧；7、滑筒一。
图7为本发明的用于航天器的伞型空间碎片或微流星体防护装置收到空间碎片冲击时的受力和速度分解示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但这仅仅是示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。下面结合附图对本发明专利作进一步的说明。
本发明的核心是利用具有可控倾斜角度的大面积防护罩和可伸缩弹簧，通过降低倾斜角度来降低垂直作用在防护罩上的作用力，通过利用可伸缩弹簧来增加缓冲时间和缓冲距离，从而实现对空间碎片减速和防护的目的。
参见图1，图1给出了本发明中提到的典型whipple结构示意图。由图1可以看出，传统的whipple防护结构为一单层的金属薄板(这里给出了典型材料为铝合金)。空间碎片(相当于一个撞击“弹丸”)是先撞击到防护结构层，而后才有可能再撞击到航天器上(这里即为撞击的“后墙”)。
参见图2，图2给出了现有技术中多层冲击防护结构的示意图。由图2可以看出，相较于单层防护结构，多层防护结构是许多层防护层组成一个防护阵列。空间碎片(相当于一个撞击“弹丸”)只有穿过多层防护结构(即多层防护屏)后才有可能再撞击到航天器上(这里即为撞击的“后墙”)。
参见图3，图3给出了密度梯度型空间碎片防护结构的示意图。由图3可以看出，这里使用密度梯度结构的防护层来代替传统的单一防护层，而密度梯度结构则是材料的密度呈现随着厚度而梯度变化，相当于是多层均质密度材料的叠加。空间碎片(相当于一个撞击“弹丸”)是先撞击到密度梯度结构(这里即密度梯度屏)，而后才有可能再撞击到航天器上(这里即为撞击的“后墙”)。
参见图4，图4显示了本发明的用于航天器的伞型空间碎片或微流星体防护装置中伞型防护罩的结构示意图。由图可以看出，本发明的可倾斜防护罩为伞状结构，防护罩打开后为“伞”状，伞的倾斜角度可调。其中，“伞”型防护罩由12块三角形防护面板组成，每块防护面板通过侧支撑杆与主支撑杆上的可控滑筒连接。
参见图5，图5显示了本发明一具体实施方式中防护装置的结构，其中，该具体实施方式之一的防护装置，包括伞型的铝合金防护罩1，可伸缩弹簧6，以及固定在航天器上以实现伞型防护罩方向改变的可控铰链(未示出，该可控铰链固定到航天器上)，其中，伞型防护罩由多块三角形防护面板紧密拼接成伞状结构，每块防护面板内侧均通过铰链的链接件2以及与其啮合的侧支撑杆3与主支撑杆5上滑动设置的可控滑筒4连接，各三角形防护面板的顶点共连到滑筒一7上，主支撑杆穿过滑筒一7且通过可伸缩弹簧6将滑筒一7固定在主支撑杆5的顶端上，主支撑杆5的末端与可控铰链固定连接，随着空间碎片或微流星体的撞击，伞型防护罩可沿着可控滑筒在主支撑杆5上的滑动而改变防护罩1的倾斜方向，降低撞击损伤。在该实施方式中，可伸缩弹簧为拉升弹簧。
参见图6，图6显示了本发明另一具体实施方式中防护装置的结构，其中，该具体实施方式的星体防护装置，包括伞型防护罩1，可伸缩弹簧6，以及固定在航天器上以实现伞型防护罩方向改变的可控铰链，其中，伞型防护罩1由多块三角形防护面板紧密拼接成伞状结构，每块防护面板内侧均通过铰链的链接件2以及与其啮合的侧支撑杆3与主支撑杆5上滑动设置的可控滑筒4连接，各三角形防护面板的顶点共连到滑筒一7上，主支撑杆5穿过滑筒一7和可控滑筒4的主轴，且通过可伸缩弹簧6将可控滑筒4固定在主支撑杆5的末端上，主支撑杆5的末端与可控铰链固定连接，随着空间碎片或微流星体的撞击，伞型防护罩可沿着可控滑筒在主支撑杆上的滑动而改变防护罩的倾斜方向，降低撞击损伤。在该具体实施方式中，可伸缩弹簧为高压缩弹簧。
在上述两种具体实施方式中，伞保护罩的倾角大小可以通过可控滑筒的前后移动来实现。
当质量为m、截面积为s的空间碎片以速度v撞击到防护罩上后，假设防护罩的厚度为d，当防护罩并不穿透时，防护罩材料的平均抗撞击强度p由下面公式计算。
p×s×d＝0.5×m×(vsinθ)2
则有：
p＝0.5×m×(vsinθ)2/s/d
因此，当防护罩倾角θ越小，则防护罩材料受到的撞击强度越小。当θ为
通常，防护罩材料的厚度为0.1-0.3cm。
参见图7，弹簧的伸缩长度或压缩长度d与极限应力f由拟防护的空间碎片质量和速度来确定。见下面公式：
f×d＝0.5×m×v2
对质量为1g的空间碎片，当速度为10km/s时，由上面公式可知，f×d＝5×104j。
在无弹簧时，防护罩的缓冲距离最大为防护罩的厚度，通常为0.1cm量级，假设弹簧的缓冲距离最小为1cm，则防护罩的缓冲距离至少能提高10倍，因此，其抗撞击能力至少提高10倍以上。
第三，在“伞”的末端，利用可控铰链固定在航天器上，可控铰链可以实现防护罩的方向改变。可控铰链可以利用齿轮装置等实现防护装置朝向的变化。
因此，通过将防护罩相对于空间碎片撞击方向存在一定倾角，同时结合弹簧缓冲装置，可以将抗空间碎片撞击的防护能力提高40倍以上。
尽管上文对本发明专利的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明专利的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明专利的保护范围之内。