專利名稱：一種基于電動力繩系的衛(wèi)星離軌裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星離軌裝置及方法。
背景技術(shù)：
到2002年為止，太空碎片和廢棄的飛行器有二百萬千克，近期的研究表明，如果 不采取措施，太空碎片將以每年5%的速度增加，特別是軌道高度在500km到2000km之間的 低地球軌道的碎片在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)是逐年增加的，正常工作的飛行器與太空碎片碰撞的 可能性正逐年增加，這使人類的天空活動面臨巨大的風(fēng)險(xiǎn)。這不僅僅是由于碎片和運(yùn)行衛(wèi) 星的碰撞，還由于碰撞后產(chǎn)生的新碎片，導(dǎo)致碎片的數(shù)目成幾何級數(shù)增加。這對未來發(fā)射的 衛(wèi)星，特別是組成星座的衛(wèi)星來說是個(gè)更大的問題。2009年2月10日，俄羅斯的廢棄衛(wèi)星 "宇宙2251"和美國的"銥星33"發(fā)生太空碰撞事故，這是歷史上首次衛(wèi)星相撞事故，說明對 于已經(jīng)完成使命的衛(wèi)星實(shí)施離軌、減少其滯空時(shí)間非常必要。 離軌是指當(dāng)運(yùn)載末級和空間飛行器任務(wù)完成后，將其從原來的軌道上移開，減少 滯空時(shí)間。目前衛(wèi)星經(jīng)常使用的離軌方式主要有兩種一種是采用推進(jìn)離軌技術(shù)，對于采 用推進(jìn)方式進(jìn)行離軌的衛(wèi)星來說，其推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量的相當(dāng)一部分是用于在衛(wèi)星壽命末期離 軌的，對于一個(gè)在700 1400km高度的近地軌道衛(wèi)星，這部分質(zhì)量占衛(wèi)星質(zhì)量的10%甚 至更多，成本高昂。另外一種離軌方式是利用大氣阻力離軌，這種方式成本低，但是靠大氣 阻力進(jìn)行軌道衰減時(shí)間漫長，廢棄衛(wèi)星可能在近地空間漂蕩幾十年才最終墜入地球或者燒 毀，效率比較低下。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的推進(jìn)劑離軌方法的離軌成本高、而大氣阻力離軌方法的
離軌效率低的問題，從而提供一種基于電動力繩系的衛(wèi)星離軌裝置及方法。 —種基于電動力繩系的衛(wèi)星離軌裝置，它由繩索、繩索釋放及回收裝置、控制模塊
和電子收集發(fā)射器組成，所述繩索由絕緣繩段和導(dǎo)電繩段組成；所述控制模塊的控制信號
輸出端與繩索釋放及回收裝置的控制信號輸入端連接，繩索的絕緣繩段的末端固定在繩索
釋放及回收裝置上，繩索的導(dǎo)電繩段的末端與電子收集發(fā)射器連接。 基于上述裝置的一種基于電動力繩系的衛(wèi)星離軌方法，它由以下步驟實(shí)現(xiàn) 步驟一、繩索釋放及回收裝置釋放繩索； 步驟二、根據(jù)衛(wèi)星初始軌道六要素，確定當(dāng)前時(shí)刻衛(wèi)星所在位置的經(jīng)度、緯度和高 度，獲得當(dāng)前位置的磁場強(qiáng)度B ;
步驟三、根據(jù)公<formula>formula see original document page 4</formula> 獲得繩索產(chǎn)生的洛侖茲力；式中R為繩索總電阻；L是繩索長度，V。是衛(wèi)星的運(yùn)行速度，a是繩索與當(dāng)前位置的鉛垂線的夾角；所述繩索與當(dāng)前位置的鉛垂線的夾角a由公式<formula>formula see original document page 5</formula>
V
獲得，式中me為末端質(zhì)j
4
乂
所述梯度場的場強(qiáng)r由公式:
、niT為繩索的質(zhì)j/入二
r為梯度場的場強(qiáng)；
r = w0 二 v0
一 二 G見/,
五
.3
獲得；式中"。為衛(wèi)星角速度；r為軌道半徑；G為萬有引力常量；ME為地球質(zhì)量；步驟四、根據(jù)衛(wèi)星軌道攝動方程將步驟三獲得的洛侖茲力沿徑向、切向和平面外三個(gè)方向分解為徑向力f。切向力f e和平面外力fn，獲得下一時(shí)刻的軌道六要素，確定衛(wèi)星軌道的當(dāng)前高度； 步驟五、判斷步驟四獲得的衛(wèi)星軌道的當(dāng)前高度是否小于等于120km，如果判斷結(jié)果為否，則返回執(zhí)行步驟二 ；如果判斷結(jié)果為是，則完成衛(wèi)星離軌過程。 步驟二所述根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻衛(wèi)星所在位置的經(jīng)度、緯度和高度，獲得當(dāng)前位置的磁場強(qiáng)度B的方法是將當(dāng)前時(shí)刻衛(wèi)星所在位置的經(jīng)度、緯度和高度轉(zhuǎn)換到13階精確地磁場模型中，即可獲得當(dāng)前位置的磁場強(qiáng)度B。 步驟四所述根據(jù)衛(wèi)星軌道攝動方程將步驟三獲得的洛侖茲力沿徑向、切向和平面外三個(gè)方向分解為徑向力f。切向力f e和平面外力fn基于衛(wèi)星動力學(xué)模型實(shí)現(xiàn)的。
有益效果本發(fā)明的系統(tǒng)及方法可以對廢棄后的衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)離軌，尤其是對低軌道、傾角小于50°的小傾角衛(wèi)星的離軌效果好。對于700-1400km高度的近地軌道衛(wèi)星，使用采用繩索系統(tǒng)只需要離軌系統(tǒng)的質(zhì)量占衛(wèi)星質(zhì)量1 %左右，相比現(xiàn)有的推進(jìn)離軌裝置，成本得以大大降低；同時(shí)，相比現(xiàn)有的僅靠大氣阻力離軌方法，離軌效率得以大幅度高，離軌所需時(shí)間大大縮短，對軌道傾角小于50°的小傾角衛(wèi)星，離軌時(shí)間在14天 200天。


圖l是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)框圖；圖3是本發(fā)明方法的流程示意圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一、結(jié)合圖1和圖2說明本具體實(shí)施方式
，一種基于電動力繩系的衛(wèi)星離軌裝置，它由繩索1、繩索釋放及回收裝置2、控制模塊3和電子收集發(fā)射器4組成，所述繩索1由絕緣繩段和導(dǎo)電繩段組成；所述控制模塊3的控制信號輸出端與繩索釋放及回收裝置2的控制信號輸入端連接，繩索1的絕緣繩段的末端固定在繩索釋放及回收裝置2上，繩索1的導(dǎo)電繩段的末端與電子收集發(fā)射器4連接。
工作原理電動力繩系離軌系統(tǒng)硬件設(shè)備的四部分的功能如下繩索1的大部分是裸露的導(dǎo)線，可以從電離層的等離子體中收集電子，并把收集到的電子送回控制模塊3 ;控制模塊3由4個(gè)部分構(gòu)成帶有微處理器、存儲器和數(shù)據(jù)采集器的電子組件；無線電頻率接收器，可以將控制電動力繩索的釋放速度；以及由傳感器組成的傳感組件，一個(gè)用于檢測系統(tǒng)狀態(tài)，另一個(gè)用于檢測繩索1末端質(zhì)量動力；電源系統(tǒng)包括電池和DC/DC轉(zhuǎn)換器。其中電池要有足夠的使用壽命，能夠保證系統(tǒng)度過休眠階段，DC/DC轉(zhuǎn)換器用來給控制模塊3進(jìn)行重復(fù)充電；電子收集發(fā)射器4收集的電子流經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)換器，DC/DC轉(zhuǎn)換器吸收部分繩索1上的電能來維持控制模塊3中的電池正常工作；其余電子進(jìn)入電子收集發(fā)射器4，由電子收集發(fā)射器4再將其發(fā)射回電離層的等離子體中?？刂颇K3主要功能是監(jiān)測衛(wèi)星的可控階段(這個(gè)階段電子設(shè)備處于休眠階段)；到了衛(wèi)星離軌的時(shí)刻，啟動發(fā)射繩索，監(jiān)測并控制繩索釋放速度達(dá)到最優(yōu)；并接收衛(wèi)星的系統(tǒng)信號，執(zhí)行離軌操作。
電子收集發(fā)射器4是一種Spindt陰極裝置，也稱為場發(fā)射陣列。電子收集發(fā)射器4安裝在繩索導(dǎo)電端的末端，發(fā)射收集到的電子，以便在鋁制繩索中形成穩(wěn)定持續(xù)的電流。
在繩索釋放及回收裝置中，繩索1纏繞在繩索釋放及回收裝置2的蒙皮內(nèi)的巻軸上，底端支架與衛(wèi)星通過裝配螺釘相連。當(dāng)進(jìn)行在軌操作時(shí)，使用機(jī)械彈射機(jī)構(gòu)驅(qū)使該裝置向下并離開衛(wèi)星，留下支架和繩系錨。繩索釋放及回收裝置2中，繩索1纏繞在直徑為8 10cm的巻軸上，巻軸上包括繩系控制單元和其他組成部分。 整個(gè)電動力繩系的衛(wèi)星離軌系統(tǒng)被固定在衛(wèi)星中。控制模塊3、電子收集發(fā)射器4以及電池都放在一個(gè)圓形的殼體中，可以使電子設(shè)備在休眠階段免受鋁制導(dǎo)線的輻射。電動力繩系離軌系統(tǒng)通過壓縮幾個(gè)彈射彈簧固定在衛(wèi)星中。當(dāng)控制模塊3激活展開裝置時(shí)，觸發(fā)彈簧釋放展開裝置，彈射出全部的電動力繩系離軌系統(tǒng)，并以每秒幾米的速度釋放末端質(zhì)量，使繩索1展開工作。繩索1的末端質(zhì)量帶動繩索1展開后，繩索1的末端和電離層接觸，電動勢在繩索1中感應(yīng)出電流，在繩索1的頂端，電子被收集起來流向繩索1底端，底端從周圍電離層收集離子與電子中和，保證繩索1中有穩(wěn)定的電流存在。電流通過繩索1，繩索1在地磁場中運(yùn)動，電磁感應(yīng)生成洛侖茲力會對繩索1有拖曳作用，消耗整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械能，使衛(wèi)星的軌道高度降低，最終墜入大氣層燒毀。 本系統(tǒng)將導(dǎo)體的繩索1作為離軌裝置的一部分，繩索1以軌道速度在地球磁場中運(yùn)動，沿繩索1感應(yīng)出電流。電流流過繩索1時(shí)產(chǎn)生的熱所消耗的能量是來自衛(wèi)星的，由此，衛(wèi)星的軌道能量將減少，導(dǎo)致它比單純的依靠大氣阻力更迅速的離軌。電動力繩系離軌裝置不需要攜帶推進(jìn)劑，重量很小，不需要太復(fù)雜的控制系統(tǒng)，使用被動的電磁拖曳力使衛(wèi)星離軌。 本發(fā)明尤其適用于離軌系統(tǒng)質(zhì)量低于50kg或小于宿主衛(wèi)星質(zhì)量的1%、軌道高度500-1400km、軌道傾角小于50°的小傾角衛(wèi)星的離軌過程，離軌時(shí)間在14天 200天。
具體實(shí)施方式
二、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
一所述的一種基于電動力繩系的衛(wèi)星離軌系統(tǒng)的區(qū)別在于，所述繩索1的導(dǎo)電繩段為鋁導(dǎo)線編制的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
本具體實(shí)施方式
采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，較單股或雙股結(jié)構(gòu)的繩索的存活能力高。
本實(shí)施方式可以提供多條路徑來分散機(jī)械載荷和電流，能夠給在空間碎片環(huán)境中飛行的電動力繩系提供幾周或幾個(gè)月的高存活性，以達(dá)到離軌的目的。
具體實(shí)施方式
三、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
一或二所述的一種基于電動力繩系的衛(wèi)星離軌系統(tǒng)的區(qū)別在于，繩索1的絕緣繩段為具有高抗壓能力和強(qiáng)絕緣性能的復(fù)
6合材料。 本實(shí)施方式可以保證繩索在釋放后不會被拉斷，又能使繩系和衛(wèi)星絕緣。
具體實(shí)施方式
四、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
三所述的一種基于電動力繩系
的衛(wèi)星離軌系統(tǒng)的區(qū)別在于，繩索1為長度小于或等于10KM的繩索。
具體實(shí)施方式
五、基于上述裝置的一種基于電動力繩系的衛(wèi)星離軌方法，它由以下步驟實(shí)現(xiàn) 步驟一、繩索釋放及回收裝置釋放繩索； 步驟二、根據(jù)衛(wèi)星初始軌道六要素，確定當(dāng)前時(shí)刻衛(wèi)星所在位置的經(jīng)度、緯度和高度，獲得當(dāng)前位置的磁場強(qiáng)度B ;
步驟三、根據(jù)公式
B2Z2v0 cos "7
速度，式
獲得繩索產(chǎn)生的洛侖茲力；式中R為繩索總電阻；L是繩索長度，v。是衛(wèi)星的運(yùn)行是繩索與當(dāng)前位置的鉛垂線的夾角；所述繩索與當(dāng)前位置的鉛垂線的夾角a由公 a = arcsin
附，
、
r為梯度場的場強(qiáng)；
乂 4 獲得，式中mB為末端質(zhì)量、mT為繩索的質(zhì)
所述梯度場的場強(qiáng)r由公式 r =《二 V。2 /一 = /一 獲得；式中"。為衛(wèi)星角速度；r為軌道半徑；G為萬有引力常量；ME為地球質(zhì)量；
步驟四、根據(jù)衛(wèi)星軌道攝動方程將步驟三獲得的洛侖茲力沿徑向、切向和平面外
三個(gè)方向分解為徑向力f。切向力f e和平面外力fn，獲得下一時(shí)刻的軌道六要素，確定衛(wèi)星
軌道的當(dāng)前高度； 步驟五、判斷步驟四獲得的衛(wèi)星軌道的當(dāng)前高度是否小于等于120km，如果判斷結(jié)果為否，則返回執(zhí)行步驟二 ；如果判斷結(jié)果為是，則完成衛(wèi)星離軌過程。 步驟二所述根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻衛(wèi)星所在位置的經(jīng)度、緯度和高度，獲得當(dāng)前位置的磁場強(qiáng)度B的方法是將當(dāng)前時(shí)刻衛(wèi)星所在位置的經(jīng)度、緯度和高度轉(zhuǎn)換到13階精確地磁場模型中，即可獲得當(dāng)前位置的磁場強(qiáng)度B。 步驟四所述根據(jù)衛(wèi)星軌道攝動方程將步驟三獲得的洛侖茲力沿徑向、切向和平面外三個(gè)方向分解為徑向力f。切向力f e和平面外力fn基于衛(wèi)星動力學(xué)模型實(shí)現(xiàn)的。
所述平面是指軌道平面，徑向、切向在平面內(nèi)，法向在平面外，平面外方向是指法向。 所述軌道六要素為軌道傾角i、升交點(diǎn)經(jīng)度Q 、近心點(diǎn)角距"、真近角9 、軌道半長軸a、偏心率e。<formula>formula see original document page 8</formula>
本具體實(shí)施方式
在計(jì)算出洛侖茲力以后，還可以同時(shí)考慮大氣阻力、J2項(xiàng)攝動等因素影響，以提高整個(gè)離軌計(jì)算的精度。 以下為航天器軌道攝動方程，其中各軌道要素的變化率的關(guān)系如下
smz
cos 6*
sin(9g/; +
廣
、
1 +
cos 6 +

i+二
sm<9 r z)、 ,-g/e — — si咖+ 6>) cot zg/; 式中r為軌道半徑，ii為地球引力常數(shù)，p為半正焦弦。
8
權(quán)利要求
一種基于電動力繩系的衛(wèi)星離軌裝置，其特征是它由繩索(1)、繩索釋放及回收裝置(2)、控制模塊(3)和電子收集發(fā)射器(4)組成，所述繩索(1)由絕緣繩段和導(dǎo)電繩段組成；所述控制模塊(3)的控制信號輸出端與繩索釋放及回收裝置(2)的控制信號輸入端連接，繩索(1)的絕緣繩段的末端固定在繩索釋放及回收裝置(2)上，繩索(1)的導(dǎo)電繩段的末端與電子收集發(fā)射器(4)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電動力繩系的衛(wèi)星離軌裝置，其特征在于所述繩索 (1)的導(dǎo)電繩段為鋁導(dǎo)線編制的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于電動力繩系的衛(wèi)星離軌裝置，其特征在于繩索 (1)的絕緣繩段為具有高抗壓能力和強(qiáng)絕緣性能的復(fù)合材料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于電動力繩系的衛(wèi)星離軌裝置，其特征在于繩索(1) 為長度小于或等于10KM的繩索。
5. 基于權(quán)利要求1的一種基于電動力繩系的衛(wèi)星離軌方法，其特征是它由以下步驟 實(shí)現(xiàn)步驟一、繩索釋放及回收裝置(2)釋放繩索(1);步驟二、根據(jù)衛(wèi)星初始軌道六要素，確定當(dāng)前時(shí)刻衛(wèi)星所在位置的經(jīng)度、緯度和高度，獲得當(dāng)前位置的磁場強(qiáng)度B; 步驟三、根據(jù)公式<formula>formula see original document page 2</formula>獲得繩索產(chǎn)生的洛侖茲力；式中R為繩索總電阻；L是繩索長度，v。是衛(wèi)星的運(yùn)行速度， a是繩索與當(dāng)前位置的鉛垂線的夾角；所述繩索與當(dāng)前位置的鉛垂線的夾角a由公式<formula>formula see original document page 2</formula>獲得，式中me為末端質(zhì)j<formula>formula see original document page 2</formula>、niT為繩索的質(zhì)j /入二:，r為梯度場的場強(qiáng)所述梯度場的場強(qiáng)r由公式 <formula>formula see original document page 2</formula>獲得；式中"。為衛(wèi)星角速度；r為軌道半徑；G為萬有引力常量；ME為地球質(zhì)量； 步驟四、根據(jù)衛(wèi)星軌道攝動方程將步驟三獲得的洛侖茲力沿徑向、切向和平面外三個(gè)方向分解為徑向力f。切向力f e和平面外力fn，獲得下一時(shí)刻的軌道六要素，確定衛(wèi)星軌道的當(dāng)前高度；步驟五、判斷步驟四獲得的衛(wèi)星軌道的當(dāng)前高度是否小于等于120km，如果判斷結(jié)果為 否，則返回執(zhí)行步驟二 ；如果判斷結(jié)果為是，則完成衛(wèi)星離軌過程。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于電動力繩系的衛(wèi)星離軌方法，其特征在于步驟二所 述根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻衛(wèi)星所在位置的經(jīng)度、緯度和高度，獲得當(dāng)前位置的磁場強(qiáng)度B的方法是將當(dāng)前時(shí)刻衛(wèi)星所在位置的經(jīng)度、緯度和高度轉(zhuǎn)換到13階精確地磁場模型中，即可獲得當(dāng) 前位置的磁場強(qiáng)度B。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于電動力繩系的衛(wèi)星離軌方法，其特征在于步驟四所 述根據(jù)衛(wèi)星軌道攝動方程將步驟三獲得的洛侖茲力沿徑向、切向和平面外三個(gè)方向分解為徑向力f。切向力f 0和平面外力fn基于衛(wèi)星動力學(xué)模型實(shí)現(xiàn)的。
全文摘要
一種基于電動力繩系的衛(wèi)星離軌裝置及方法，涉及衛(wèi)星離軌裝置及方法。它解決了推進(jìn)劑離軌方法的離軌成本高、而大氣阻力離軌方法的離軌效率低的問題。其系統(tǒng)它的控制模塊的控制信號輸出端與繩索釋放及回收裝置的控制信號輸入端連接，繩索的絕緣繩段的末端固定在繩索釋放及回收裝置上，繩索的導(dǎo)電繩段的末端與電子收集發(fā)射器連接。其方法衛(wèi)星初始軌道六要素，確定當(dāng)前時(shí)刻衛(wèi)星所在位置的經(jīng)度、緯度和高度，獲得當(dāng)前位置的磁場強(qiáng)度；計(jì)算繩索產(chǎn)生的洛侖茲力；將洛侖茲力沿徑向、切向和平面外三個(gè)方向分解，獲得下一時(shí)刻的軌道六要素，確定新的衛(wèi)星軌道高度；循環(huán)上述步驟直至衛(wèi)星高度小于等于120km，完成衛(wèi)星離軌過程。本發(fā)明適用于衛(wèi)星離軌過程。
文檔編號B64G1/10GK101767657SQ20091021746
公開日2010年7月7日 申請日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月30日
發(fā)明者孔憲仁, 徐大富 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)