空间碎片清除方法与系统与流程

本发明一般涉及空间安全技术领域，具体涉及一种空间碎片清除方法与系统。

背景技术：

人类的航天活动主要集中在距离地球200km～2000km之间的近地轨道区域进行，航天器在近地轨道区域运行的安全性是航天活动必须考虑的问题。

航天活动的不安全因素主要来自空间碎片，空间碎片包括完成任务的火箭箭体、卫星本体、火箭的喷射物、在执行航天任务过程中的抛弃物和空间物体之间的碰撞产生的碎块；以及近地轨道区域的天然流行体，这些空间碎片很有可能与航天器发生碰撞，造成事故。

为了保证航天器可以在近地轨道区域安全运行，通常可以通过追赶和捕捉方法、布网捕获方式、附着离轨装置、电力绳索、以及在碎片轨道上布置凝结云雾，气体或气凝胶降低空间碎片速度等方式清除空间碎片，但这些方式对于直径较小的微小空间碎片的清除效果差。

技术实现要素：

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种可以有效清除微小空间碎片的空间碎片清除方法与系统。

第一方面，本申请实施例提供一种空间碎片清除方法，包括：

控制搭载有碎片清除装置的卫星平台运动至预先确定的微小空间碎片聚集轨道；

控制碎片清除装置发射高能粒子束，高能粒子束中的高能粒子附着于微小空间碎片表面，增大微小空间碎片表面的电荷量，以使微小空间碎片降低运行轨道后坠入地球大气层。

第二方面，本申请实施例提供一种空间碎片清除系统，包括卫星平台和碎片清除装置，碎片清除装置搭载于卫星平台上，碎片清除装置与卫星平台的控制系统连接，

控制系统控制卫星平台运动至预先确定的微小空间碎片聚集轨道，控制碎片清除装置喷射高能粒子束，高能粒子束附着于微小空间碎片表面，增大微小空间碎片表面的电荷量，以使微小空间碎片降低运行轨道后坠入地球大气层。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请实施例提供的空间碎片清除方法与系统，控制搭载有碎片清除装置的卫星平台运动至预先确定的微小空间碎片聚集轨道；控制碎片清除装置发射高能粒子束，高能粒子束中的高能粒子附着于微小空间碎片表面，增大微小空间碎片表面的电荷量，以使微小空间碎片降低运行轨道后坠入地球大气层。可以实现对近地轨道微小空间碎片的有效清除。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本申请实施例提供的一种空间碎片清除系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的另一种空间碎片清除系统的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种任一空间微小碎片降轨前后的轨道变化示意图；

图4为本申请实施例提供的一种空间碎片清除方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

空间碎片是影响航天器安全运行的不安全因素之一，航天器在低空轨道区域中的多个近地轨道中的任意一个近地轨道上运行时，可能与其所在低空轨道上的空间碎片发生碰撞，发生航天安全事故。

空间碎片的尺寸分布范围很广，根据空间碎片的尺寸大小，可以将空间碎片分为三类：直径大于10cm的大型空间碎片，直径小于1cm的小型空间碎片，以及直径介于1cm到10cm之间的中型空间碎片。

相关技术中提供的空间碎片清除技术与手段，通常对于直径较大的大型空间碎片比较有效，而对于中小型空间碎片，现有的空间碎片清除技术与手段显然有些力不从心。例如，若利用布网捕获方式来清除中小型空间碎片，因为难以捕获中小型空间碎片，无法达到空间碎片清除的目标。

本申请实施例提供一种空间碎片清除系统。该系统用于清除尺寸较小的中小型空间碎片，在本申请实施例中，将该中小型空间碎片统称为微小空间碎片。如图1所示，该包括卫星平台100和碎片清除装置200，碎片清除装置200搭载于卫星平台上100，碎片清除装置200与卫星平台100的控制系统110连接，控制系统110可以控制携带碎片清除装置200的卫星平台100运动至预先确定的微小空间碎片聚集轨道，该微小空间碎片聚集轨道可以是近地轨道区域中的多个近地轨道中的任意一个。

当卫星平台100运行至微小空间碎片聚集轨道后，该控制系统110在控制卫星平台100在该微小空间碎片聚集轨道运行过程中，可以控制该碎片清除装置200开启，控制碎片清除装置200喷射高能粒子束，该高能粒子束中的高能粒子为电子或者质子，高能粒子束附着在运行于微小空间碎片聚集轨道上的微小空间碎片表面后，该微小空间碎片的悬浮电压增大，微小空间碎片表面的电荷量也增大，该微小空间碎片在近地轨道区域的地球磁场中受到的地磁偏转力也增大，该地磁偏转力为足以降低微小空间碎片运行轨道的向心力，可以使微小空间碎片降低运行轨道后坠入地球大气层，其中，该变轨后的微小空间碎片的近地点高度低于变轨前的微小空间碎片的近地点高度。

在本申请实施例中，卫星平台的控制系统可以根据至少一个已知微小空间碎片的轨道参数，确定该至少一个已知微小空间碎片的运行轨道，将该至少一个已知微小空间碎片的运行轨道确定为微小空间碎片聚集轨道。需要说明的是，在本申请实施例中，外太空的微小空间碎片可能会在近地轨道区域的多个近地轨道上运行，当确定了多个微小空间碎片聚集轨道时，可以控制卫星平台运动至每个微小空间碎片聚集轨道上执行空间碎片清除工作。

可选的，如图2所示，该碎片清除装置200包括：粒子加速器210和电子枪220，粒子加速器210用于加速带电粒子，以使带电粒子成为能量值大于能量阈值的高能粒子，并将高能粒子聚集成高能粒子束，电子枪220用于向外太空发射高能粒子束，该高能粒子束的出射方向与地球磁场磁力线之间的夹角小于角度阈值。优选的，该角度阈值为30度。可以防止高能粒子束中的高能粒子由于受地球磁场的影响，偏离微小空间碎片聚集轨道，改变运行方向，无法附着于在该微小空间碎片聚集轨道上运行的微小空间碎片上，无法完成微小空间碎片清除工作。

可选的，该碎片清除装置200发射的高能粒子束中的高能粒子的能量大于等于能量阈值，优选的，能量阈值为10000电子伏。可以保证该微小空间碎片上的电荷量可以充分增加，以使该微小空间碎片在地球磁场中受到的地磁偏转力可以降低该微小空间碎片的运行轨道。

在本申请实施例中，高能粒子附着于微小空间碎片表面，实现该微小空间碎片清除的过程可以是：可以根据已有经验确定该微小空间碎片的等效电容c，若附着于该微小空间碎片上的高能粒子的能量值为n电子伏，则该微小空间碎片的悬浮电位u可以上升nv(福特)，则根据电容c、电压u与电荷量q之间的关系式：

可以确定该微小空间碎片所带的电荷量q。

进一步的，可以确定该运动状态下的微小空间碎片在近地轨道区域的地球磁场中受到的地磁偏转力f，该地磁偏转力f＝qvb，其中v为该的微小空间碎片在微小空间碎片聚集轨道上的运行速度，该速度可以利用微小空间碎片聚集轨道的轨道参数确定，该b为近地轨道区域的地球磁场强度。该微小空间碎片可以在该地磁偏转力f的作用下降低运行轨道后坠入地球大气层，实现空间微小碎片清除的目标。

示例的，假设微小空间碎片的等效电容c为1uf(微法)，若附着于该微小空间碎片上的高能粒子的能量值为10000电子伏，则该微小空间碎片的悬浮电位u可以上升10000v(福特)，则可以确定该微小空间碎片所带的电荷量q为0.01c(库伦)。

进一步的，假设可以确定该运动状态下的微小空间碎片在该微小空间碎片聚集轨道上的运动速度大约v为6999m/s(米/秒)，近地轨道区域的地球磁场强度b为3×10^-5t(特斯拉)，则可以确定该微小空间碎片受到的地磁偏转力为2×10^-3n(牛)，可以使该微小空间碎片降低运行轨道坠入地球大气层。

如图3所示，图3示出了一种任一空间微小碎片降轨前后的轨道变化示意图，其中，该微小空间碎片s在空间碎片聚集轨道c1上的近地点为d1，其与地球中心o的距离为r1，通过本申请实施例中提供的空间碎片清除系统可以将该微小空间碎片s降低运行轨道至轨道c2，该轨道c2的近地点为d2，其与地球中心o的距离为r2，r2小于r1，在轨道c2上运行的微小空间碎片在近地点更靠近地球，可以在地磁偏转力的作用下坠入地球大气层，实现该微小空间碎片s的清除。

综上所述，本申请实施例中提供的空间碎片清除系统，包括：卫星平台和碎片清除装置，碎片清除装置搭载于卫星平台上，碎片清除装置与卫星平台的控制系统连接，控制系统控制卫星平台运动至预先确定的微小空间碎片聚集轨道，控制碎片清除装置喷射高能粒子束，高能粒子束附着于微小空间碎片表面增大微小空间碎片表面的电荷量，以使微小空间碎片降低运行轨道后坠入地球大气层。可以实现对近地轨道微小空间碎片的有效清除。

本申请实施例提供一种空间碎片清除方法，该方法可以应用于上述实施例中的空间碎片清除系统中，卫星平台的控制系统可以用于执行该微小空间碎片清除方法，如图4所示，该方法包括：

步骤301、控制搭载有碎片清除装置的卫星平台运动至预先确定的微小空间碎片聚集轨道。

步骤302、控制碎片清除装置发射高能粒子束。

在本申请实施例中，碎片清除装置为高能粒子束发射装置，卫星平台可以携带该碎片清除装置在预先确定的微小空间碎片聚集轨道运行，该微小空间碎片聚集轨道可以是近地轨道区域中的多个近地轨道中的任意一个。当卫星平台运行至微小空间碎片聚集轨道后，该卫星平台的控制系统可以控制卫星平台在该微小空间碎片聚集轨道运行，并控制该碎片清除装置开启，向外太空发射高能粒子束，该高能粒子束中的高能粒子为电子或者质子。

其中，该高能粒子可以附着在运行于微小空间碎片聚集轨道上的微小空间碎片上，增大微小空间碎片表面的电荷量，在近地轨道区域的地球磁场的作用下，产生足以改变微小空间碎片运行轨道的地磁偏转力，使微小空间碎片降低运行轨道后坠入地球大气层。

可选的，预先确定微小空间碎片聚集轨道的过程可以是：根据记录的微小空间碎片的轨道参数，获取至少一个已知微小空间碎片的轨道参数，确定至少一个已知微小空间碎片的运行轨道，将该至少一个已知微小空间碎片的运行轨道确定为微小空间碎片聚集轨道。且当确定的微小空间碎片聚集轨道为多个时，可以控制该卫星平台运行至每个微小空间碎片聚集轨道，控制碎片清除装置向外太空发射高能粒子束，以清除每个微小空间碎片聚集轨道上的微小空间碎片。

需要说明的是，在本申请实施例中，高能粒子束的出射方向与地球磁场磁力线之间的夹角小于角度阈值。优选的，该角度阈值为30度。该碎片清除装置发射的高能粒子束中的高能粒子的能量大于等于能量阈值，优选的，能量阈值为10000电子伏。

综上所述，本申请实施例中提供的空间碎片清除方法，可以控制搭载有碎片清除装置的卫星平台运动至预先确定的微小空间碎片聚集轨道；控制碎片清除装置发射高能粒子束；高能粒子束中的高能粒子附着于微小空间碎片表面，改变微小空间碎片的悬浮电压，微小空间碎片改变运行轨道后坠入地球大气层。可以实现对近地轨道微小空间碎片的有效清除。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。