[发明专利]一种利用空间碎片实现航天器轨道保持的装置

说明书

技术领域

发明涉及一种利用空间碎片实现航天器轨道保持的装置，属于航空技术领 域。

背景技术

自1957年前苏联把全世界的第一颗人造卫星送上天，至今53年的时间， 人类的空间活动共制造了数以亿计的空间碎片。一个仅10克重的空间碎片的太 空撞击能量，不亚于一辆以每小时100公里速度行驶的小汽车所产生的撞击能 量。近年来空间碎片的增长速度越来越快，仅10厘米以上碎片，平均每年净增 200个。科学家估计，照这个速度发展下去，数百年后空间碎片将使太空变得无 法使用，航天器将无法在空间生存，太空探索可能因此而止步。

自1993年美、俄、日、欧空局联合发起成立“空间碎片协调委员会”以来， 许多国家都成立了相关组织从事空间碎片的研究，其目标自然是如何让空间碎 片为空间飞行器让出轨道。近年来，相关机构一直对数以千计的空间碎片进行 跟踪，以便将新的航天器部署在畅通无阻的轨道上，使操作者更容易控制航天 器避免与空间碎片的碰撞。

拴绳无限公司(Tethers Unlimited，Inc.)为小卫星开发一种能够抓获空间碎片 并使之脱离轨道或消失的技术，其核心是利用轻质可膨胀支架展开一张巨大的 网状结构，并驱动该结构在空间碎片的周围来回晃动，待捕获空间碎片后立即 收网。这种捕获系统结构简单，小型航天器，甚至纳卫星都可以携带。

美国专利号为5153407的专利《Method and device for removing space debris》 中提出一种清除以轨道速度在太空运行的空间碎片的简单而经济的方法和装 置，其方法是利用某种射线使空间碎片的材料蒸发，也就是通过蒸发碎片的材 料使之从轨道上消失。其设备包括产生能够使空间碎片的材料蒸发的辐射源以 及将射线作用于在轨移动的空间碎片的辅助手段。对于体积较大的空间碎片， 特别是在采用小功率辐射的情形，这种方法是一种理想的应急措施，因为材料 的蒸发将会对碎片的剩余物产生反冲，使之沿不同的路线离开轨道。这种方法 的优点是即使对于较大的空间碎片，通过对其一小部分材料的蒸发，利用蒸发 过程中碎片剩余物产生的类似于火箭原理的反冲加速度，也可以达到清除空间 碎片的目的。蒸发过程之后，碎片剩余物将进入返回地球大气层的下降路径中， 因而将逐步从太空中消失；或者进入逃离路径，离开地球重力场而徘徊在太空 中。

总之，目前国际上对付空间碎片的方法不外乎两种：一种是躲避，另一种 是清除。难道就没有更好的方法了？中国明代思想家吕坤在《呻吟语》一书中 说：“上等手段用贼，其次拿贼，其次躲着贼走。”简言之：上策用贼，中策擒 贼，下策躲贼。预警、防碰撞、规避等属“躲贼”，为下策；清除、捕获等属“擒 贼”，为中策；只有利用空间碎片为航天器“造福”方为上策。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种利用空间碎片实现航天器轨道保持的装置， 能够将威胁航天器生存的废物变为航天器机动的动力。

航天器轨道保持装置包括捕获机构、抛射机构和控制系统。，所述捕获机构 包括三根“S”形支撑杆、环形网；三根“S”形支撑杆均布在环形网上，形成 一个漏斗形网状结构；漏斗形网状结构的敞口端用作捕获机构碎片入口，收缩 口端用作捕获机构的碎片出口；捕获机构的碎片出口与抛射机构连接。

抛射机构由固定部分和旋转部分组成。固定部分和旋转部分通过电机的输 出轴连接在一起。固定部分包括电机、机座、碎片定向环及定向环支撑架。电 机固定在机座上，并与控制系统相连，空心圆柱套在电机的输出轴上，定向环 支撑架为中心固接于空心圆柱上的“十”字形结构，空心圆柱的外表与机座焊 接在一起。碎片定向环焊接在定向环支撑架上，在碎片定向环的表面开有碎片 定向孔，用于将碎片抛出。

旋转部分包括轮盘、轮盘转轴、弹性挡板和弹性挡板转轴。轮盘转轴与电 机输出轴固连，环形轮盘内表面均布有三根支撑架，支撑架与轮盘转轴固接在 一起。轮盘端面开有立方体口用做碎片存储区，碎片存储区的侧面留有抛射机 构碎片入口，抛射机构碎片入口与捕获机构的碎片出口连接。轮盘外表面与碎 片存储区相切的位置有弹性挡板，弹性挡板通过弹性挡板转轴与轮盘连接，弹 性挡板转轴上带有弹簧，以保证在未达到一定动能前，空间碎片不会飞出碎片 存储区。