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(tuán)的運(yùn)載器，運(yùn)載器形成高拋彈道，發(fā)射速度低于第一宇宙速度，運(yùn)載器高拋彈道的頂點(diǎn)位于需清除的空間碎片軌道的附近區(qū)域；2)在運(yùn)載器接近其高拋彈道頂點(diǎn)時(shí)，運(yùn)載器調(diào)姿，在運(yùn)載器位于其高拋彈道頂點(diǎn)時(shí)，運(yùn)載器將其所帶有的微粒團(tuán)彈出，使微粒團(tuán)均勻散布在需清除的空間碎片軌道上，形成微粒云團(tuán)；3)需清除的空間碎片與散布在其軌道上的微粒云團(tuán)碰撞，損失動(dòng)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(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)，從而使碎片清除的成本可以大大降低。
【專利說(shuō)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(lǐng)域
[0001]本發(fā)明主要涉及航天控制技術(shù)領(lǐng)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(lǐng)域的降低成本問(wèn)題?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]地球附近日益增多的空間碎片，對(duì)人類太空繁榮發(fā)展產(chǎn)生了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。其中，對(duì)航天器飛行安全造成威脅的碎片已超過(guò)50萬(wàn)，對(duì)這些碎片進(jìn)行清除已成為國(guó)際社會(huì)共識(shí)，然而，高昂的清除成本使得各國(guó)并未開(kāi)展大規(guī)模的空間碎片清除活動(dòng)。可見(jiàn)，要徹底解決空間碎片問(wèn)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(fèi)用高昂的化學(xué)火箭將碎片清除裝置運(yùn)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(duì)象加速的發(fā)射運(yùn)載方式，它直接在地面上給發(fā)射對(duì)象以很大初速度。由于電磁發(fā)射裝置的電磁力密度遠(yuǎn)大于化學(xué)內(nèi)燃發(fā)射裝置燃燒室里的燃?xì)鈮毫γ芏?，所以，電磁發(fā)射的能量密度遠(yuǎn)大于化學(xué)能，這使得其發(fā)射運(yùn)載成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于化學(xué)內(nèi)燃發(fā)射。目前，電磁發(fā)射有逐步代替化學(xué)發(fā)射的趨勢(shì)，例如，艦載機(jī)的電磁彈射正在代替蒸汽彈射，電磁炮也正在代替化學(xué)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(diǎn)。在成本方面，電磁發(fā)射所耗費(fèi)的電能成本與化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及燃料的成本相比是微不足道的，并且可以重復(fù)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(guó)立大學(xué)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境將3克彈丸加速到5.9km/s，1980年，西屋公司在實(shí)驗(yàn)室將300克彈丸加速到4km/s，真空發(fā)射則能達(dá)到8?10km/s，這些實(shí)驗(yàn)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(shí)際環(huán)境中使技術(shù)成熟。 2014年1月，美國(guó)海軍研究室主管發(fā)布消息，美國(guó)海軍艦載型地基電磁炮已經(jīng)完成原理樣機(jī)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(dá)到32兆焦，令化學(xué)內(nèi)燃發(fā)射方式(如火炮)難以企及。2016年，美國(guó)海軍啟動(dòng)了電磁炮的實(shí)船實(shí)裝、連續(xù)發(fā)射測(cè)試，即將正式列裝。美軍認(rèn)為，電磁炮不僅可以打擊遠(yuǎn)程目標(biāo)，還可以打擊彈道導(dǎo)彈和衛(wèi)星等大氣層外目標(biāo)，威力巨大。尤其是在反導(dǎo)反衛(wèi)方面，電磁炮與反導(dǎo)反衛(wèi)導(dǎo)彈相比，發(fā)射過(guò)程僅僅耗費(fèi)電能，而反導(dǎo)反衛(wèi)導(dǎo)彈在加速過(guò)程中必須使用一次性的化學(xué)燃燒推進(jìn)器(即火箭發(fā)動(dòng)機(jī))，因此，只要電能充足，電磁炮具有重復(fù)發(fā)射能力，與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(lái)運(yùn)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(guò)解決地基電磁發(fā)射和空間碎片清除這兩者的結(jié)合問(wèn)題， 進(jìn)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(duì)現(xiàn)有空間碎片清除技術(shù)存在的成本過(guò)高問(wèn)題，提供一種使用地基電磁發(fā)射器、具有低成本優(yōu)勢(shì)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(tuán)的運(yùn)載器，運(yùn)載器形成高拋彈道，運(yùn)載器高拋彈道的頂點(diǎn)位于需清除的空間碎片軌道的附近區(qū)域；
[0010]2)在運(yùn)載器接近其高拋彈道頂點(diǎn)時(shí)，運(yùn)載器調(diào)姿，在運(yùn)載器位于其高拋彈道頂點(diǎn)時(shí)，運(yùn)載器將其所帶有的微粒團(tuán)彈出，使微粒團(tuán)均勻散布在需清除的空間碎片軌道上，形成微粒云團(tuán)；
[0011]3)需清除的空間碎片與散布在其軌道上的微粒云團(tuán)碰撞，損失動(dòng)能，逐步降低軌道，直至墜入大氣層銷毀。
[0012]更進(jìn)一步地，所述的運(yùn)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(gè)地球軌道。
[0013]更進(jìn)一步地，所述的運(yùn)載器為細(xì)長(zhǎng)圓錐體，運(yùn)載器外表面具有防熱層，防止其出入大氣層時(shí)燒毀。
[0014]更進(jìn)一步地，所述的運(yùn)載器高拋彈道的頂點(diǎn)與需清除的空間碎片軌道的距離為 10-10000m〇
[0015]更進(jìn)一步地，所述的微粒團(tuán)為在太陽(yáng)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(diǎn)在于:本發(fā)明的方法利用了地基電磁發(fā)射這種新興運(yùn)載方式所具有的低成本、高可靠性、可重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)，從而避免了使用化學(xué)火箭發(fā)射方式所帶來(lái)的成本高昂、可靠性低、難以重復(fù)使用的缺點(diǎn)，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(yùn)載到太空的成本，再加上裝置本身的成本。
[0018]運(yùn)載到太空的成本分析:化學(xué)火箭將1千克載荷運(yùn)送到近地軌道的成本通常為1至 6萬(wàn)美元，這是化學(xué)火箭的不可重用性導(dǎo)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(dòng)能僅相當(dāng)于8.7度電，而電磁發(fā)射系統(tǒng)電能效率通常能達(dá)到30%以上， 因而電能成本幾乎可以忽略不計(jì)。而發(fā)射裝置在充分維護(hù)的條件下又可以不斷重復(fù)發(fā)射， 具有一次投入、反復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)。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(yùn)載成本幾乎可以忽略。
[0019]裝置本身的成本分析:使用化學(xué)火箭的空間碎片清除裝置，通常要使用費(fèi)用高昂的燃料來(lái)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(tuán)與空間碎片交會(huì)時(shí)的自然碰撞，對(duì)近地軌道碎片可達(dá)7000m/s以上的碰撞速度，從而在充分使用微粒云團(tuán)的條件下，30千克的微粒云團(tuán)即可使1000千克的空間碎片減速200m/s以上，從而使其近地點(diǎn)低于200公里，達(dá)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(dá)到的。因而本發(fā)明所提出的清除裝置，效費(fèi)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(diǎn)，能夠解決空間碎片清除中的降低成本難題。【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為本發(fā)明的方法采用的電磁發(fā)射器和運(yùn)載器示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明的方法采用的未散開(kāi)狀態(tài)的微粒團(tuán)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3為本發(fā)明的方法采用的運(yùn)載器飛行示意圖；[〇〇24]圖4為本發(fā)明的方法采用的運(yùn)載器調(diào)姿放微粒云團(tuán)示意圖；[〇〇25]圖5為本發(fā)明的方法中微粒云團(tuán)與空間碎片碰撞示意圖。
[0026]其中，1運(yùn)載器，2微粒團(tuán)，3電磁發(fā)射器，4空間碎片，[〇〇27]21包裹層、22未散開(kāi)狀態(tài)的微粒本體、23起爆藥柱和24延時(shí)燃燒引信。【具體實(shí)施方式】
[0028]以下將結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0029]如圖1所示，給出了地基電磁發(fā)射器與運(yùn)載器的一種【具體實(shí)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(shí)現(xiàn)，通過(guò)約40米長(zhǎng)的加速器，可以將物體加速到 5000m/s速度，雖然未達(dá)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(zhǎng)的加速器和更大的速度增量;二、運(yùn)載器為細(xì)長(zhǎng)圓錐體，頭部和外殼采用防熱設(shè)計(jì)以適應(yīng)在稠密大氣層內(nèi)的熱負(fù)荷，運(yùn)載器腹內(nèi)為未散開(kāi)狀態(tài)的微粒團(tuán)及其彈射裝置。三、關(guān)于微粒團(tuán)，如圖2所示，由包裹層、未散開(kāi)狀態(tài)的微粒本體、起爆藥柱和延時(shí)燃燒引信組成。微粒團(tuán)從運(yùn)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(tuán)彈出后，延遲燃燒引信不斷燃燒，在飛到目標(biāo)區(qū)域時(shí)，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(kāi)，成為微粒云團(tuán)， 云團(tuán)的密度應(yīng)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(jí)，這個(gè)量級(jí)的阻力和航天火箭發(fā)射的過(guò)載等量，因此不會(huì)破壞目標(biāo)。微粒材料可以為多種，要求單個(gè)微粒的尺寸小于1微米，因?yàn)楸恍∮?微米的微粒碰撞，可以認(rèn)為不會(huì)對(duì)目標(biāo)造成破壞，這也被在軌航天器的長(zhǎng)期飛行經(jīng)驗(yàn)所證明。薄膜包裹層采用密度小、厚度薄、且強(qiáng)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(jí)厚度的聚酯薄膜，由于薄膜總重小且在起爆藥柱爆炸后會(huì)碎裂成較小的碎片，因而不會(huì)對(duì)減阻效能造成太大影響。
[0030]整個(gè)實(shí)施過(guò)程如下:
[0031]如圖3所示，給出了運(yùn)載器飛行過(guò)程的一種【具體實(shí)施方式】。過(guò)程如下:一、使用地基電磁發(fā)射器在地面給予運(yùn)載器一個(gè)向上的初速;二、運(yùn)載器飛出大氣層后開(kāi)始調(diào)姿，使尾部朝向與空間碎片運(yùn)動(dòng)軌跡的交會(huì)點(diǎn)；三、運(yùn)載器飛到高拋彈道頂點(diǎn)，運(yùn)載器高拋彈道的頂點(diǎn)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(hù)距離，通常為l〇-l〇〇〇〇m;四、運(yùn)載器彈出微粒團(tuán)，使之均勻分布在空間碎片將要經(jīng)過(guò)的飛行軌道上形成微粒云團(tuán)；五、運(yùn)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(yùn)載器使用傘降在柔軟地面或水面降落，以重復(fù)使用。[〇〇32] 如圖3-4所示，運(yùn)載器布撒微粒云團(tuán)過(guò)程的一種具體過(guò)程如下:一、運(yùn)載器連續(xù)調(diào)姿，并同時(shí)彈射出微粒團(tuán)，使得散布形成的微粒云團(tuán)沿著空間碎片飛行軌道排布，以提高微粒云團(tuán)的利用效率;二、微粒團(tuán)被彈出后在太空中散開(kāi)，密度小于l(T6Kg/m3,從而不足以破壞目標(biāo)碎片。[〇〇33]空間碎片在與微粒云團(tuán)的碰撞過(guò)程中，由于相對(duì)速度非常大(二者相對(duì)速度一般可達(dá)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(guò)設(shè)計(jì)起爆藥柱的裝藥量，可以控制微粒云團(tuán)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(dòng)能，并逐步降低軌道， 直至其近地點(diǎn)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(tuán)，與運(yùn)載器一樣，都不具有入軌速度，因而會(huì)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(tuán)顆粒， 將在太陽(yáng)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(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)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(hù)范圍。應(yīng)該指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理前提下的改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
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(tuán)的運(yùn)載器，運(yùn)載器形成高拋彈道，運(yùn)載器高拋彈道 的頂點(diǎn)位于需清除的空間碎片軌道的附近區(qū)域；2)在運(yùn)載器接近其高拋彈道頂點(diǎn)時(shí)，運(yùn)載器調(diào)姿，在運(yùn)載器位于其高拋彈道頂點(diǎn)時(shí)，運(yùn) 載器將其所帶有的微粒團(tuán)彈出，使微粒團(tuán)均勻散布在需清除的空間碎片軌道上，形成微粒 云團(tuán)；3)需清除的空間碎片與散布在其軌道上的微粒云團(tuán)碰撞，損失動(dòng)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(yùn)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(gè)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(yùn)載器為細(xì)長(zhǎng)圓錐體，運(yùn)載器外表面具有防熱層，防止其出入大氣層時(shí)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(yùn)載器高拋彈道的頂點(diǎn)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(tuán)為在太陽(yáng)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(hào)】B64G1/66GK105966643SQ201610339003
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月20日
【發(fā)明人】侯重遠(yuǎn), 李恒年
【申請(qǐng)人】中國(guó)西安衛(wèi)星測(cè)控中心