[发明专利]用于航天器的设备

说明书

技术领域

本发明涉及对于航天器针对碎片的保护，在优选实施形态中，涉及提供防护结构以及用于监测空间碎片对防护结构的撞击。本发明还涉及离轨装置领域，在优选实施形态中，为大气阻力式离轨装置。本发明还涉及优选用于从空间环境中移除碎片的碎片清扫设备。

背景技术

近地轨道（LEO）中的典型航天器，由于受到大于1mm的轨道碎片群的干扰，会具有高达5%的全寿命撞击引发故障率（through-life impact-induced probability of failure）。在常规的航天器可靠性设定中，对撞击保护的需求是重要的并要凸显该需求。在航天器（例如EURECA，LDEF，及哈勃空间望远镜）上观测到的飞行中撞击损坏数据使该需求更具说服力。

机构间空间碎片协调委员会（IADC）将空间碎片定义为“在地球轨道中或重返大气层中的无功能人造物体，包括其碎块和组件”。总的来说，有三个碎片来源：与发射和航天任务相关的物体（LMRO），爆炸和碰撞碎块，以及非碎块式碎片。目前，在众多在轨碎片中LMRO占据多数。这些物体中的大部分由维护物体及其相关轨道的编目的美国空间监视网（SSN）观测和跟踪。SSN定期监测在近地轨道中大于10cm的物体及在地球同步轨道高度（GEO）上大于1m的物体。

根据欧洲空间局空间碎片处的负责人H. Klinkrad博士所述，当通过物体类别分类时，2005年编目物体中的31.8%是有效载荷（其中6%至7%是有源卫星），17.6%是已燃火箭上面级和助推器，10.5%是与航天任务相关的物体，且剩余约39.9%是主要来自于碎裂事件（28.4%由上面级造成，而11.5%由卫星造成）的碎片。当根据轨道制度分类时，编目物体中的69.2%是在高度低于2000km的近地轨道中，9.3%是在地球同步圆环附近，9.7%是在包括GEO转移轨道（GTO）的高偏心轨道（HEO）上，3.9%是在LEO与GEO之间的中地球轨道（MEO）中，且近7.8%是在GEO区域的外侧。约160的小部分物体投入到地球脱离轨道中。此外，在不可跟踪的尺寸范围内，估计1mm尺寸碎片中的10%和10cm尺寸碎片中的74%是由爆炸或碰撞的航天器和火箭主体造成的碎块。亚厘米碎片的另一主要来源是实质上非碎裂。从固体燃料火箭发动机点火释放的产物是该类别的主要贡献者。

在航天器与可跟踪碎片物体之间的第一次记录的碰撞发生在1996年，当Cerise卫星受到来自于十年前爆炸Ariane火箭级的碎块撞击时。该碰撞切断了使卫星快速翻转的重力梯度稳定杆。最近，在2009年，铱（Iridium）33卫星和过期的COSMOS 2251卫星之间的碰撞摧毁了这两个卫星，并产生了将在轨道中保留多年的数百个碎片碎块，从而增加了环绕地球的轨道中的碎片的增长量。

幸运的是，由于地球轨道中的可跟踪物体（包括碎片）的数量仍然较小（即、截止至2009年7月，大约15000编目物体），这种戏剧性事件很稀少。然而，对于较小的、不可跟踪的碎片却不是如此。据估计，数千万毫米尺寸的碎片绕地球作轨道运行，因此，这些物体撞击航天器的可能性较高。

证据证实航天器经常受到小尺寸碎片和流星体的撞击。对例如航天飞机和国际空间站（ISS）的载人航天器以及例如EURECA，LDEF，及哈勃空间望远镜（HST）的不载人航天器的表面的检查揭示了各种撞击损坏。在这些航天器的外表面上以及其外部安装装备上观测到坑和洞。

对航天器撞击的后果取决于撞击物的特性（例如质量和速度）、撞击的位置以及航天器的设计。因此，可以预料各种损坏效果，从可忽略不计的到航天任务终止的。流星体会以1-72km/s范围内的速度撞击航天器。对于轨道碎片，在近地轨道（LEO）中的撞击速度会高达16km/s，然而在GEO上，相对速度低于1km/s。这些速度，可以近似方式使撞击物尺寸与损坏效果相关。例如，1mm尺寸的碎片颗粒会产生直径大至1cm的坑或洞，且具有足够的能量以穿透典型的航天器夹心板或外部装备。来自1cm颗粒的损坏会穿透深入不载人航天器的内部，导致大范围的内部损坏和航天任务的潜在损失。即使载人航天器上的专用多层防护物也只能抵御1cm的颗粒。10cm的碎片撞击物最有可能造成航天器的损毁。

典型的航天器面板，防护物以及例如电气盒、电线、电池、太阳能电池和推进剂箱的装备零件的撞击响应由其弹道性能经实验量化。重要的参数是弹道限度，其是当撞击结构时故障发生的阈值。对于给定的撞击速度，这是使结构故障所需的颗粒的最小尺寸，其中故障通常定义为穿透。此外，对于给定的颗粒尺寸，这是使颗粒穿透结构所要求的速度。