一種使用地基電磁發(fā)射器的空間碎片低成本清除方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了使用地基電磁發(fā)射器的空間碎片低成本清除方法，其特征在于，具體包括以下步驟：1)采用電磁發(fā)射器發(fā)射帶有微粒團的運載器，運載器形成高拋彈道，發(fā)射速度低于第一宇宙速度，運載器高拋彈道的頂點位于需清除的空間碎片軌道的附近區(qū)域；2)在運載器接近其高拋彈道頂點時，運載器調(diào)姿，在運載器位于其高拋彈道頂點時，運載器將其所帶有的微粒團彈出，使微粒團均勻散布在需清除的空間碎片軌道上，形成微粒云團；3)需清除的空間碎片與散布在其軌道上的微粒云團碰撞，損失動能，逐步降低軌道，直至墜入大氣層銷毀。本發(fā)明的方法利用了地基電磁發(fā)射，具有低成本、高可靠性、可重復使用的優(yōu)點，從而使碎片清除的成本可以大大降低。
【專利說明】
一種使用地基電磁發(fā)射器的空間碎片低成本清除方法
技術(shù)領域
[0001]本發(fā)明主要涉及航天控制技術(shù)領域，特指一種使用地基電磁發(fā)射器的空間碎片低成本清除方法，適用于解決空間碎片清除領域的降低成本問題。【背景技術(shù)】
[0002]地球附近日益增多的空間碎片，對人類太空繁榮發(fā)展產(chǎn)生了嚴峻挑戰(zhàn)。其中，對航天器飛行安全造成威脅的碎片已超過50萬，對這些碎片進行清除已成為國際社會共識，然而，高昂的清除成本使得各國并未開展大規(guī)模的空間碎片清除活動?？梢?，要徹底解決空間碎片問題，就必須大幅降低清除空間碎片的成本。
[0003]傳統(tǒng)的空間碎片清除方法，包括拋射飛網(wǎng)、噴涂增阻劑等，都必須使用費用高昂的化學火箭將碎片清除裝置運輸?shù)教?，這是造成空間碎片清除成本非常高昂的根本原因。
[0004]電磁發(fā)射是一種利用電磁力給發(fā)射對象加速的發(fā)射運載方式，它直接在地面上給發(fā)射對象以很大初速度。由于電磁發(fā)射裝置的電磁力密度遠大于化學內(nèi)燃發(fā)射裝置燃燒室里的燃氣壓力密度，所以，電磁發(fā)射的能量密度遠大于化學能，這使得其發(fā)射運載成本遠遠低于化學內(nèi)燃發(fā)射。目前，電磁發(fā)射有逐步代替化學發(fā)射的趨勢，例如，艦載機的電磁彈射正在代替蒸汽彈射，電磁炮也正在代替化學火炮。作為一種新型的發(fā)射方式，電磁發(fā)射具有成本低、可靠性高、控制精確的優(yōu)點。在成本方面，電磁發(fā)射所耗費的電能成本與化學火箭發(fā)動機及燃料的成本相比是微不足道的，并且可以重復使用。[〇〇〇5]目前，地基電磁發(fā)射裝置是電磁發(fā)射方式中技術(shù)最成熟的裝置，其典型代表是電磁軌道炮。1978年，澳大利亞國立大學在實驗室環(huán)境將3克彈丸加速到5.9km/s，1980年，西屋公司在實驗室將300克彈丸加速到4km/s，真空發(fā)射則能達到8?10km/s，這些實驗室環(huán)境的裝置，已將技術(shù)成熟度推至3,此后，電磁炮的研究旨在在工程實際環(huán)境中使技術(shù)成熟。 2014年1月，美國海軍研究室主管發(fā)布消息，美國海軍艦載型地基電磁炮已經(jīng)完成原理樣機研制，可以將20千克的彈丸加速到2.5km/s，約7馬赫，發(fā)射能量達到32兆焦，令化學內(nèi)燃發(fā)射方式(如火炮)難以企及。2016年，美國海軍啟動了電磁炮的實船實裝、連續(xù)發(fā)射測試，即將正式列裝。美軍認為，電磁炮不僅可以打擊遠程目標，還可以打擊彈道導彈和衛(wèi)星等大氣層外目標，威力巨大。尤其是在反導反衛(wèi)方面，電磁炮與反導反衛(wèi)導彈相比，發(fā)射過程僅僅耗費電能，而反導反衛(wèi)導彈在加速過程中必須使用一次性的化學燃燒推進器(即火箭發(fā)動機)，因此，只要電能充足，電磁炮具有重復發(fā)射能力，與火箭發(fā)動機相比，其加速裝置不是一次性的。
[0006]使用地基電磁發(fā)射裝置來運載空間碎片清除裝置，顯然可以大大降低空間碎片的清除成本。然而，地基電磁發(fā)射的技術(shù)限制決定了它依賴位于地面的發(fā)射裝置，而并不能直接用于空間碎片清除。本發(fā)明通過解決地基電磁發(fā)射和空間碎片清除這兩者的結(jié)合問題， 進而提出了使用地基電磁發(fā)射的空間碎片清除方法。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的發(fā)明目的是針對現(xiàn)有空間碎片清除技術(shù)存在的成本過高問題，提供一種使用地基電磁發(fā)射器、具有低成本優(yōu)勢的空間碎片清除方法。
[0008]本發(fā)明的具體技術(shù)方案是一種使用地基電磁發(fā)射器的空間碎片低成本清除方法， 其特征在于，具體包括以下步驟:
[0009]1)采用電磁發(fā)射器發(fā)射帶有微粒團的運載器，運載器形成高拋彈道，運載器高拋彈道的頂點位于需清除的空間碎片軌道的附近區(qū)域；
[0010]2)在運載器接近其高拋彈道頂點時，運載器調(diào)姿，在運載器位于其高拋彈道頂點時，運載器將其所帶有的微粒團彈出，使微粒團均勻散布在需清除的空間碎片軌道上，形成微粒云團；
[0011]3)需清除的空間碎片與散布在其軌道上的微粒云團碰撞，損失動能，逐步降低軌道，直至墜入大氣層銷毀。
[0012]更進一步地，所述的運載器的發(fā)射速度為2000-16000m/s，發(fā)射高度可覆蓋100-36000km的整個地球軌道。
[0013]更進一步地，所述的運載器為細長圓錐體，運載器外表面具有防熱層，防止其出入大氣層時燒毀。
[0014]更進一步地，所述的運載器高拋彈道的頂點與需清除的空間碎片軌道的距離為 10-10000m〇
[0015]更進一步地，所述的微粒團為在太陽輻射下可逐步揮發(fā)解體的固體、液體、氣體、 等離子體或多相混合體材料。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:本發(fā)明的方法利用了地基電磁發(fā)射這種新興運載方式所具有的低成本、高可靠性、可重復使用的優(yōu)點，從而避免了使用化學火箭發(fā)射方式所帶來的成本高昂、可靠性低、難以重復使用的缺點，從而使碎片清除的成本可以大大降低。
[0017]空間碎片清除的成本，主要包含空間碎片清除裝置運載到太空的成本，再加上裝置本身的成本。
[0018]運載到太空的成本分析:化學火箭將1千克載荷運送到近地軌道的成本通常為1至 6萬美元，這是化學火箭的不可重用性導致的。而電磁發(fā)射從地面上將1千克物體加速到第一宇宙速度，所需動能僅相當于8.7度電，而電磁發(fā)射系統(tǒng)電能效率通常能達到30%以上， 因而電能成本幾乎可以忽略不計。而發(fā)射裝置在充分維護的條件下又可以不斷重復發(fā)射， 具有一次投入、反復使用的優(yōu)點。因此，使用電磁發(fā)射裝置從地面發(fā)射空間碎片清除裝置， 運載成本幾乎可以忽略。
[0019]裝置本身的成本分析:使用化學火箭的空間碎片清除裝置，通常要使用費用高昂的燃料來將空間碎片拖拽離軌。而本發(fā)明所提出的方法，利用了微粒云團與空間碎片交會時的自然碰撞，對近地軌道碎片可達7000m/s以上的碰撞速度，從而在充分使用微粒云團的條件下，30千克的微粒云團即可使1000千克的空間碎片減速200m/s以上，從而使其近地點低于200公里，達到離軌條件，碎片將很快在大氣阻力下軌道逐步衰減，直至墜入大氣層。這種很高的碎片清除效率是傳統(tǒng)的空間碎片清除裝置所難以達到的。因而本發(fā)明所提出的清除裝置，效費比高于傳統(tǒng)空間碎片清除裝置。
[0020]因而，本發(fā)明相比傳統(tǒng)空間碎片清除方法，具有成本較低的優(yōu)點，能夠解決空間碎片清除中的降低成本難題?！靖綀D說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的方法采用的電磁發(fā)射器和運載器示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明的方法采用的未散開狀態(tài)的微粒團的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3為本發(fā)明的方法采用的運載器飛行示意圖；[〇〇24]圖4為本發(fā)明的方法采用的運載器調(diào)姿放微粒云團示意圖；[〇〇25]圖5為本發(fā)明的方法中微粒云團與空間碎片碰撞示意圖。
[0026]其中，1運載器，2微粒團，3電磁發(fā)射器，4空間碎片，[〇〇27]21包裹層、22未散開狀態(tài)的微粒本體、23起爆藥柱和24延時燃燒引信。【具體實施方式】
[0028]以下將結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步詳細說明。
[0029]如圖1所示，給出了地基電磁發(fā)射器與運載器的一種【具體實施方式】。其中:一、地基電磁發(fā)射器可以使用磁懸浮電磁炮實現(xiàn)，通過約40米長的加速器，可以將物體加速到 5000m/s速度，雖然未達到第一宇宙速度，但可以形成從地面到太空的高拋彈道軌跡，高度可以覆蓋2000km以下的近地軌道，若要覆蓋地球同步軌道則需要更長的加速器和更大的速度增量;二、運載器為細長圓錐體，頭部和外殼采用防熱設計以適應在稠密大氣層內(nèi)的熱負荷，運載器腹內(nèi)為未散開狀態(tài)的微粒團及其彈射裝置。三、關于微粒團，如圖2所示，由包裹層、未散開狀態(tài)的微粒本體、起爆藥柱和延時燃燒引信組成。微粒團從運載器腹內(nèi)彈出的方法，使用類似“一箭多星”的空間施放方法，諸如彈簧彈出法或火工品彈出法皆可，屬于成熟的現(xiàn)有技術(shù)，此處不再贅述。微粒團彈出后，延遲燃燒引信不斷燃燒，在飛到目標區(qū)域時，弓丨信燃完并引爆起爆藥柱，高壓氣體脹破薄膜包裹層，并使微粒在空間散開，成為微粒云團， 云團的密度應小于l(T6Kg/m3,約為海平面空氣密度的千分之一，這可以使得碎片受到的微粒碰撞阻力加速度小于10g量級，這個量級的阻力和航天火箭發(fā)射的過載等量，因此不會破壞目標。微粒材料可以為多種，要求單個微粒的尺寸小于1微米，因為被小于1微米的微粒碰撞，可以認為不會對目標造成破壞，這也被在軌航天器的長期飛行經(jīng)驗所證明。薄膜包裹層采用密度小、厚度薄、且強度和彈性較好的高分子薄膜材料，如采用工業(yè)上常用的微米級厚度的聚酯薄膜，由于薄膜總重小且在起爆藥柱爆炸后會碎裂成較小的碎片，因而不會對減阻效能造成太大影響。
[0030]整個實施過程如下:
[0031]如圖3所示，給出了運載器飛行過程的一種【具體實施方式】。過程如下:一、使用地基電磁發(fā)射器在地面給予運載器一個向上的初速;二、運載器飛出大氣層后開始調(diào)姿，使尾部朝向與空間碎片運動軌跡的交會點；三、運載器飛到高拋彈道頂點，運載器高拋彈道的頂點位于需清除的空間碎片軌道的附近區(qū)域，與空間碎片飛行軌道之間有一定的安全保護距離，通常為l〇-l〇〇〇〇m;四、運載器彈出微粒團，使之均勻分布在空間碎片將要經(jīng)過的飛行軌道上形成微粒云團；五、運載器在重力作用下再入稠密大氣層(稠密大氣層厚度H約為 30km);六、運載器使用傘降在柔軟地面或水面降落，以重復使用。[〇〇32] 如圖3-4所示，運載器布撒微粒云團過程的一種具體過程如下:一、運載器連續(xù)調(diào)姿，并同時彈射出微粒團，使得散布形成的微粒云團沿著空間碎片飛行軌道排布，以提高微粒云團的利用效率;二、微粒團被彈出后在太空中散開，密度小于l(T6Kg/m3,從而不足以破壞目標碎片。[〇〇33]空間碎片在與微粒云團的碰撞過程中，由于相對速度非常大(二者相對速度一般可達7000m/s以上)，使得空間碎片受到很大的碰撞阻力，由初始速度h變?yōu)榕鲎矞p速后的 V2。通過設計起爆藥柱的裝藥量，可以控制微粒云團密度小于1 〇_6Kg/m3，從而控制空間碎片受到的阻力大小小于l〇g，空間碎片在這些阻力的作用下，逐步損失動能，并逐步降低軌道， 直至其近地點低于l〇〇Km，從而很快墜入大氣層。[〇〇34]未與空間碎片碰撞的剩余微粒云團，與運載器一樣，都不具有入軌速度，因而會在引力作用下逐步墜入大氣層，從而不留軌為害;而與空間碎片碰撞后留軌的微粒云團顆粒， 將在太陽輻射下逐步揮發(fā)解體，不形成新的空間垃圾。
[0035]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應該指出，對于本技術(shù)領域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種使用地基電磁發(fā)射器的空間碎片低成本清除方法，其特征在于，具體包括以下 步驟:1)采用電磁發(fā)射器發(fā)射帶有微粒團的運載器，運載器形成高拋彈道，運載器高拋彈道 的頂點位于需清除的空間碎片軌道的附近區(qū)域；2)在運載器接近其高拋彈道頂點時，運載器調(diào)姿，在運載器位于其高拋彈道頂點時，運 載器將其所帶有的微粒團彈出，使微粒團均勻散布在需清除的空間碎片軌道上，形成微粒 云團；3)需清除的空間碎片與散布在其軌道上的微粒云團碰撞，損失動能，逐步降低軌道，直 至墜入大氣層銷毀。2.如權(quán)利要求1所述的一種使用地基電磁發(fā)射器的空間碎片低成本清除方法，其特征 在于，所述的運載器的發(fā)射速度為2000-16000m/s，發(fā)射高度可覆蓋100-36000km的整個地 球軌道。3.如權(quán)利要求1所述的一種使用地基電磁發(fā)射器的空間碎片低成本清除方法，其特征 在于，所述的運載器為細長圓錐體，運載器外表面具有防熱層，防止其出入大氣層時燒毀。4.如權(quán)利要求1所述的一種使用地基電磁發(fā)射器的空間碎片低成本清除方法，其特征 在于，所述的運載器高拋彈道的頂點與需清除的空間碎片軌道的距離為l〇-l〇〇〇〇m。5.如權(quán)利要求1所述的一種使用地基電磁發(fā)射器的空間碎片低成本清除方法，其特征 在于，所述的微粒團為在太陽輻射下可逐步揮發(fā)解體的固體、液體、氣體、等離子體或多相 混合體材料。
【文檔編號】B64G1/66GK105966643SQ201610339003
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月20日
【發(fā)明人】侯重遠, 李恒年
【申請人】中國西安衛(wèi)星測控中心