[发明专利]气凝胶组装的开孔泡沫结构空间碎片捕获装置

说明书

本发明公开了一种气凝胶组装的开孔泡沫结构空间碎片捕获装置，包括低放气材料制作的壳体以及固定在壳体内的泡沫金属结构，其中泡沫金属结构的孔隙中组装有气凝胶，用于微小空间碎片的在轨捕获。本发明利用泡沫金属结构和气凝胶组合的毫米级和微米级空间碎片捕获装置，安装在航天器的迎风面上，可以实现对空间碎片尤其是微小空间碎片的在轨捕获。

技术领域

本发明属于空间碎片探测与捕获技术领域，具体涉及一种气凝胶组装的开孔泡沫结构空间碎片捕获装置。

背景技术

在太空环境中，“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。

目前，为了探测空间碎片的位置，需要设计不同的空间碎片的探测装置，其中，空间碎片探测器按照撞击感知传感器的不同可以分为压电型探测器、半导体型探测器、电离型探测器等。

压电型探测器采用高性能的压电材料作为传感器，主要有聚偏二氟乙烯（PVDF）传感器和压电陶瓷（PZT）传感器。其中，PVDF探测器是常用的探测手段，其探测原理是利用PVDF薄膜的压电效应，即当空间粉尘高速碰撞PVDF薄膜时，在撞击力作用下会产生一个不可逆的弹坑，同时在薄膜的两个电极上产生电荷信号。测量电路对该电荷信号进行分析可以得到粉尘粒子的速度和质量等信息，适合用作微小空间碎片和微流星体的探测传感器。

半导体型探测器的工作原理是在高纯度硅（Si）晶片上氧化出一层很薄的二氧化硅（SiO₂），再在二氧化硅（SiO₂）膜上镀一层铝膜，硅、二氧化硅膜和铝膜形成一个平板电容器，常称为MOS半导体传感器。用MOS传感器制作成空间粉尘探测器，称之为半导体型探测器。当探测器工作时，由外部电路给电容器提供偏置电压。当空间粉尘与传感器发生碰撞穿过铝膜和二氧化硅膜时，电容就会放电产生电流，在外部电路中产生一个电信号，通过对该信号的分析可得到微小空间碎片或微流星体的信息。

撞击电离型探测器最常用的是等离子体型探测器，其基本原理是当微小空间碎片与探测器的纯金靶心发生碰撞时，巨大动能产生等离子体云；通过对等离子体的测量，可以获得空间碎片的质量、速度和成分等信息。

然而，以上所有的空间碎片探测装置均是属于间接探测，实际的空间碎片，尤其是微小碎片的组成、大小、形状等并不清楚。因此，通过在轨收集空间碎片，尤其是微小碎片，对研究空间碎片的在轨分布、大小、尺寸等有重要意义。

目前，气凝胶是一种由超微颗粒相互聚结构成的并以空气作为分散介质的高分散固态材料,是目前世界上密度最低、热导率最小的固体材料。由于气凝胶具有高通透性的三维纳米多孔网络结构,使其呈现出很高的比表面积(600-1200m^２/g)和孔隙率(高达９０％以上),以及其它许多优异的特性,因此在隔热、隔音、气体过滤器、吸附介质、催化等领域都有巨大的应用价值。