太空垃圾回收衛(wèi)星的研究報告

王語軒

摘 要：目前太空垃圾日漸增多，垃圾的回收和處理衛(wèi)星應(yīng)運(yùn)而生。它屬于對抗類衛(wèi)星，搭載高級芯片和對抗類載荷，采用自主控制、太空交會與對接、電磁牽引、機(jī)器人自動抓捕等技術(shù)，在保持太空干凈的同時，回收后的太空垃圾將用于宇宙空間研究并為核電站提供原料等。

關(guān)鍵詞：太空垃圾回收；應(yīng)用衛(wèi)星

探索浩瀚的宇宙，是人類千百年來的美好夢想。1957年，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星上天，此后美國、蘇聯(lián)、中國、日本等國家以及歐洲航天局先后研制出約80種運(yùn)載火箭，向宇宙空間發(fā)射了數(shù)以千計的各類衛(wèi)星、載人航天器、空間探測器。然而，在航空事業(yè)得到大力發(fā)展的同時，太空垃圾帶來的飛行安全等問題隨之而來。任意一個宇宙碎片飛行速度都在每秒十公里左右，運(yùn)動過程中的動能巨大，一個10克的太空垃圾動量就可達(dá)到3.6*10^7，若發(fā)生碰撞，將給其撞擊的物體帶來巨大的沖擊力，相當(dāng)于兩輛1300千克的汽車以100千米每秒的速度相撞?？芍^太空第一大殺手。太空本是廣袤無垠的空間，卻由于人類活動頻繁而顯得日益擁擠?？茖W(xué)家們擔(dān)心，數(shù)目龐大的太空垃圾會威脅各種宇宙探索活動，甚至可能令人類徹底失去可以利用的地球同步衛(wèi)星軌道。

中國作為全球第三大航天國家，在太空科技領(lǐng)域進(jìn)行突破的同時，也應(yīng)該盡到維護(hù)地球同步衛(wèi)星軌道安全的責(zé)任，為全球航天事業(yè)做出自己的應(yīng)有貢獻(xiàn)。對于太空垃圾，我們首先想到的是盡可能去躲避，然而隨著人類太空活動越來越頻繁，太空垃圾起來越多，因此躲避只能解一時之需，唯有將垃圾盡可能清理，才是從根本上解決人類和平利用太空的問題。機(jī)器人吸附捕捉類衛(wèi)星在應(yīng)用類衛(wèi)星中還屬首創(chuàng)，如果研制成功，將成為清理太空垃圾的中堅力量，進(jìn)而降低航天器和宇航員在太空中的危險程度。

一、 設(shè)計思路

衛(wèi)星要想捕捉到垃圾恬首先與之進(jìn)行交會，即相互接近。具體地說，就是衛(wèi)星在太空飛行過程中通過對軌道參數(shù)、運(yùn)行速度的不斷調(diào)整，與目的物在同一時間到達(dá)空間同一位置的過程。

1.調(diào)整衛(wèi)星從遠(yuǎn)程導(dǎo)引到近程導(dǎo)引階段。衛(wèi)星在飛行過程中，利用三軸姿態(tài)控制系統(tǒng)①，追蹤太空垃圾并進(jìn)行飛行姿態(tài)、變軌、追蹤、再同速的調(diào)控。當(dāng)衛(wèi)星接近太空垃圾，進(jìn)入近程導(dǎo)引階段，衛(wèi)星根據(jù)自身的微波和激光敏感器測得的與太空垃圾的相對運(yùn)動參數(shù)，自動引導(dǎo)到垃圾附近的初始瞄準(zhǔn)點(diǎn)（距目標(biāo)飛行器0.5～1千米）。

2.瞄準(zhǔn)完成后，衛(wèi)星進(jìn)入最終逼近段。衛(wèi)星首先捕獲太空垃圾的對接軸，當(dāng)對接軸線不沿軌道飛行方向時，要求追蹤飛行器在軌道平面外進(jìn)行繞飛機(jī)動，以進(jìn)入對接走廊，此時兩個飛行器之間的距離約100米，相對速度約1～3米/秒。

3.?？繉与A段。追蹤飛行器利用由攝像敏感器和接近敏感器組成的測量系統(tǒng)精確測量兩個飛行器的距離、相對速度和姿態(tài)，同時啟動小發(fā)動機(jī)進(jìn)行機(jī)動，使之沿對接走廊向目標(biāo)最后逼近。在對接前關(guān)閉發(fā)動機(jī)，以0.15～0.18米/秒的?？克俣扰c目標(biāo)相撞，最后利用栓-錐或異體同構(gòu)周邊對接裝置的抓手、緩沖器、傳力機(jī)構(gòu)和鎖緊機(jī)構(gòu)使兩個飛行器在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)硬連接，完成信息傳輸總線、電源線和流體管線的連接。

4.根據(jù)垃圾體積，質(zhì)量不同，還需要實(shí)時調(diào)控電流大小來控制磁力。使用電磁設(shè)備，就會對其他的一些信號有干擾，必須加防護(hù)措施。

二、衛(wèi)星說明

1.運(yùn)行軌道：低軌道衛(wèi)星（LEO）1500Km以下。

2.保障系統(tǒng)：1）能源部分。a.太陽能電池板：使用單晶硅光電池串聯(lián)或并聯(lián)組成電池組與鎳鎘電池配合、可作為人造衛(wèi)星的直接能源，且電池板要達(dá)到三級折疊效果。b.三級可分離式可回收物體存放箱：回收系統(tǒng)共搭載三級回收箱，在升空時，可攜帶大量固體燃料用于提高續(xù)航時間、變軌變速以及調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)。在將最后一級回收箱中裝滿太空垃圾后，最后一級回收箱將等待時機(jī)與主體分離、離軌返回地球，并將太空垃圾帶回地球，垃圾中的大量輻射可用于核電站發(fā)電或科研等多項領(lǐng)域，來達(dá)到廢物利用的目的。后兩級回收箱也是同樣的工作性質(zhì)，在回收過程中減輕負(fù)載量，以延長工作時間。2）動力部分。氙離子發(fā)動機(jī)是一種新型的發(fā)動機(jī)，一定壓力的氣體進(jìn)入電離室，在高頻振蕩電流的作用下，使少量的自由電子與室壁碰撞產(chǎn)生二次電子，電子與氣體碰撞而引發(fā)電離，產(chǎn)生等離子體。在負(fù)電位的吸引下，使離子束引出同時進(jìn)入直線加速器，通過多級加速電極，使離子束的速度達(dá)到所需，再由噴管噴出產(chǎn)生推力，或直接從外界收集離子作為工質(zhì)，進(jìn)行加速?？招年帢O工作在額定狀態(tài)下（發(fā)射電流5.00 A），其壽命可達(dá)到40000 h以上。發(fā)動機(jī)正常工作要考慮到其工作環(huán)境下的熱應(yīng)力，使其熱應(yīng)力滿足工程應(yīng)用要求。3）返回部分。當(dāng)?shù)谝粌Υ嫦溥_(dá)到極限容積時，停止衛(wèi)星工作，等待地面控制臺指令，落點(diǎn)確定后，動力系統(tǒng)調(diào)整姿態(tài)，連接處斷開，其他返回艙亦然。若燃料達(dá)到一定極限時，則無條件停止衛(wèi)星工作，等待地面控制臺指令，落點(diǎn)確定后，動力系統(tǒng)調(diào)整姿態(tài)，返回地面。4）材料部分。衛(wèi)星機(jī)體結(jié)構(gòu)材料大多采用鋁合金和鎂合金，要求高強(qiáng)度的零部件則采用鈦合金。衛(wèi)星體和儀器設(shè)備表面覆有溫控涂層，利用熱輻射或熱吸收特性來調(diào)節(jié)溫度。航天器上的大面積太陽翼初期為鋁合金加筋板或夾層板結(jié)構(gòu)，衛(wèi)星體內(nèi)還使用多層材料、工程塑料、玻璃鋼等作為隔熱材料，用二硫化鉬固體潤滑劑等作為運(yùn)動部件的潤滑材料，用硅橡膠等作為艙室的密封材料。芯片艙段的側(cè)壁采取輻射防熱措施，外蒙皮為耐高溫的鎳基合金或鈹板，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為耐熱鈦合金。外蒙皮與內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間填以石英纖維等各種隔熱材料。芯片艙靠外蒙皮的高輻射特性和隔熱層的良好隔熱特性，保持艙內(nèi)有適宜的工作溫度。衛(wèi)星的軌道器用鋁合金制造。支承主發(fā)動機(jī)的推力結(jié)構(gòu)用鈦合金制造；中機(jī)身的部分主框采用以硼纖維增強(qiáng)鋁合金的金屬基復(fù)合材料；貨艙艙門用石墨纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料作面板的特制紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。衛(wèi)星再入大氣層時使用了各類表面隔熱材料，其中主要是新型陶瓷隔熱瓦。

3.專用系統(tǒng)：載荷部分。1）傳感器。A.攝影類型的傳感器；6個全方位攝像頭：發(fā)現(xiàn)太空垃圾并追蹤的一種方式，也可以防止自己被太空垃圾撞到。B.掃描成像類型的傳感器；2）收集器。收集輻射能量。具體的元件如透鏡組、反射鏡組、天線等。機(jī)械手臂位于衛(wèi)星頂部兩側(cè)，運(yùn)用機(jī)械自動化技術(shù)，自動將磁力吸引裝置捕獲的太空垃圾抓住并放入空置的最后一級存儲艙中。3）探測器。將收集的輻射能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能或電能。具體的無器件如感光元件、光電管、光敏和熱敏探測元件、共振腔諧振器等。4）處理器。對收集的信號進(jìn)行處理。如顯影、信號放大、變換、校正和編碼等。具體的處理器類型有攝影處理裝置和電子處理裝置。5）輸出器。輸出獲取的數(shù)據(jù)。輸出器類型有掃描曬像儀、陰極射線管、磁帶記錄儀、XY彩色噴筆記錄儀。6）搭載“萬能”錐型接口裝置，它可與壽命終止的通信衛(wèi)星的遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動機(jī)對接，構(gòu)成衛(wèi)星與推進(jìn)艙的組合體，然后為組合體提供軌道保持和姿態(tài)控制能力，從而延長在軌通信衛(wèi)星的工作壽命。7）遠(yuǎn)程測距儀為微波交會雷達(dá)，并由L、S、C頻段向Ku頻段和毫米波頻段發(fā)展；在最后逼近和對接階段，光學(xué)成像敏感器有更突出的優(yōu)點(diǎn)，同時輔以激光雷達(dá)，其優(yōu)點(diǎn)是波束窄、分辨率高、體積小、重量輕、精度高，適合于近距離測量。8）電磁牽引部分。A.主電路，由電動機(jī)、接觸器主觸點(diǎn)，主令電器等電器元件組成。B.控制電路，由接觸器線圈，繼電器等組成。C.低壓控制系統(tǒng)，由低壓斷路器，熔斷器，繼電器組成。D.感測部分，接受外界輸入信號，使執(zhí)行部分動作，實(shí)現(xiàn)控制目的。E.短路環(huán)，使合成后的吸力在任一時刻都大于反力，消除振動和噪聲。F.滅弧罩，用于交流和直流滅弧。

4.衛(wèi)星三軸姿態(tài)控制系統(tǒng)一般由姿態(tài)敏感器、姿態(tài)控制器和姿態(tài)執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成。姿態(tài)敏感器的作用是感應(yīng)和測量衛(wèi)星的姿態(tài)變化，其捕獲目標(biāo)飛行器的范圍一般為15～100千米。姿態(tài)控制器的作用是把姿態(tài)敏感器輸出的衛(wèi)星姿態(tài)角變化值的信號，經(jīng)過一系列的比較、處理，產(chǎn)生控制信號輸送到姿態(tài)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。姿態(tài)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用是根據(jù)姿態(tài)控制器輸出的控制信號產(chǎn)生力矩，使衛(wèi)星姿態(tài)恢復(fù)到正確的位置。

三、整體分析

優(yōu)勢：1、衛(wèi)星可以像火箭那樣，邊減重邊工作，這可以大大提高衛(wèi)星的工作時長，清理高度，清理量，加長工作周期，2、存在可返回艙，可帶回地球用于科學(xué)研究。

不足：1、衛(wèi)星體積較大，質(zhì)量較大。2、目前只能處理中低軌道太空垃圾。

四、可行性分析

1.首先，核心芯片具有反應(yīng)速度快，性能穩(wěn)定，受宇宙輻射，電磁干擾小。相對而言，對于突發(fā)情況，有可能會出現(xiàn)誤判，因此在發(fā)射前要做好多套預(yù)案。如果采用地面實(shí)時操控，就會產(chǎn)生延誤，影響捕捉。

2.其次，將所有低軌衛(wèi)星的軌道運(yùn)行狀況進(jìn)行提前數(shù)據(jù)輸入，在遇到太空物體時，進(jìn)行數(shù)據(jù)的識別，來判斷當(dāng)前物體是否為太空垃圾。

3.對所遇到的太空垃圾進(jìn)行質(zhì)量與體積進(jìn)行估算，判斷是否符合電磁牽引范圍以及回收裝置可盛放范圍。

4.選用電磁牽引是在太空中抓取垃圾最簡單最可靠的方法，太空中衛(wèi)星飛行速度快，電池牽引的可能性為85%，只要做到變軌，拉近距離就極有可能抓到它。關(guān)于太空中存在的電磁場對芯片電磁干擾，需對芯片進(jìn)行電磁加固。

5.關(guān)于衛(wèi)星的材料，鈦合金耐熱性好，有強(qiáng)度和韌性，是最佳選擇。另外，衛(wèi)星受太陽直射，兩側(cè)溫差較大，因此采用泵驅(qū)動超臨界流體循環(huán)回路的方式來進(jìn)行衛(wèi)星熱平衡。研究結(jié)果表明，泵驅(qū)動超臨界流體循環(huán)回路具有功耗小、傳熱量大、熱傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，其傳熱性能與機(jī)械泵驅(qū)動兩相流體回路相當(dāng)， 而工作的穩(wěn)定性和可靠性又優(yōu)于機(jī)械泵驅(qū)動兩相流體回路。

五、進(jìn)一步改進(jìn)方案

1.為了提高剛度和減輕重量，采用高模量石墨纖維增強(qiáng)的新型復(fù)合材料。

2.將航天器上的大面積太陽翼初期為鋁合金加筋板或夾層板結(jié)構(gòu)，改用石墨纖維復(fù)合材料作面板的鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，更先進(jìn)的輕型太陽翼則以石墨纖維復(fù)合材料作框架，蒙上聚酰胺薄膜。

3.進(jìn)行返回艙保護(hù)膜探究，對返回艙進(jìn)行對內(nèi)+對外雙層保護(hù)，對外引用吸熱涂料突破大氣層，對內(nèi)防止太空垃圾的輻射泄露。

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