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增阻离轨清除技术的优化方案

时间:2023-06-27 理论教育 版权反馈
【摘要】:由于分布在低地球轨道上的空间碎片所受大气阻力较大,因此增阻离轨清除技术适用于LEO 轨道。然而,如果小空间碎片撞到了GOLD 上,那么清除任务就会失败,这是碰撞增阻离轨的一大弊端。基于纤维的增阻离轨清除技术是将纤维从清除卫星的热源喷出,包裹并拦截住空间碎片,使空间碎片的面质比增大,从而使空间碎片再入大气层[16]。

增阻离轨清除技术的优化方案

增阻离轨技术就是通过某种方法,增加空间碎片飞行阻力,降低飞行速度,缩短轨道运行寿命,使其再入大气层而坠毁。增阻离轨清除技术中执行清除任务的卫星(清除卫星)与空间碎片保持较大的距离,避免了清除卫星与碎片的直接接触,降低了清除困难,并且较自然阻力(大气阻力)对降低碎片寿命的作用更明显。通过增加碎片的面质比可增大其所受大气阻力,并且对于不同尺寸的碎片,需使用不同的增阻离轨方法。由于分布在低地球轨道上(LEO)的空间碎片所受大气阻力较大,因此增阻离轨清除技术适用于LEO 轨道。

1.泡沫增阻离轨

当清除卫星与空间碎片交会并且绕碎片飞行时,泡沫增阻离轨方法为:清除卫星通过安装的喷射装置向空间碎片喷射泡沫,泡沫黏附在碎片上,接着泡沫包覆碎片的整个表面逐渐形成泡沫球。通过喷射泡沫,碎片的面质比由于泡沫球的低密度、大体积特性而因此增大[12]。为了将碎片有效地清除,泡沫增阻系统和电推进系统经常是联合工作的,当空间碎片成为泡沫球体后,清除卫星使用电推进系统使其脱离轨道并加快速度进入大气层,清除卫星在任务结束后也会使用电推进系统脱离轨道[13]

2.膨胀增阻离轨

膨胀增阻离轨是使用膨胀球代替了泡沫球,在此方法中,低层轨道游丝网(Gossamer Orbit Lowering Device,GOLD)是一个有效的工具。GOLD 是一个非常大且轻的“气球”,当它膨胀到足够大时,开始吸附空间碎片,使得空间碎片在再入大气层过程中,弹道系数减小一到两个量级。与电推进系统脱离轨道方法比较,对于大空间碎片和已损毁的其他在轨卫星而言,GOLD 方法风险更小[14]。然而,如果小空间碎片撞到了GOLD 上,那么清除任务就会失败,这是碰撞增阻离轨的一大弊端。为了解决这一问题,提出了一种先使用3 个膨胀机械爪抓住空间碎片再使用GOLD 清除碎片的方法[15]

3.基于纤维增阻离轨

此方法与上述方法类似,只是材质由泡沫变为了纤维。基于纤维的增阻离轨清除技术是将纤维从清除卫星的热源喷出,包裹并拦截住空间碎片,使空间碎片的面质比增大,从而使空间碎片再入大气层[16]

4.电动力绳系增阻离轨

电动力绳系(EDT)增阻捕获离轨方法中,电动力绳系以轨道速度在地磁场中运动,绳系上产生了电势电离层中的带电粒子在绳系顶端被收集起来,并从末端发射出去,形成了稳定的电流,地磁场则对绳系产生了洛伦兹力并垂直于绳系上电流的方向,由于洛伦兹力与空间碎片运动速度方向相反,使得卫星的轨道能量减少,轨道高度下降,使碎片降轨移除[17-18],图11-7 所示为电动力绳系示意图和工作原理图[19]。与利用电推进使目标离轨相比,由于电磁场强度的限制,电动力绳系无法清除轨道高度高于LEO 的空间碎片,并且由于通过电动力绳系的电流较低,导致所受洛伦兹力较小,绳系不具备足够的力实现轨道的转移,因而此法适用于低轨碎片移除。(www.xing528.com)

图11-7 电动力绳系示意图和工作原理图[19]

当使用电动力绳系进行碎片清除时,首先使用机械臂抓取空间碎片,接着伸出绳系与碎片连接起来。为了探究EDT 的稳定性和动力调度能力,Kawmoto进行了数值仿真,建立了绳系的模型并且研究了绳系的灵活性[20]。由于空间环境的复杂,电动力绳系在椭圆轨道上并不稳定,而是处于振动状态,Zhong 等人建立了数值仿真模型表明,通过模型耦合证明,轨道面外的振动比面内的振动对绳系的稳定性具有更大的影响,因此可以通过控制轨道面外的振动来保持绳系的稳定[21]

2010 年,美国国防先进研究计划局(DARPA)提出了“电动碎片移除器”(Electro Dynamic Debris Eliminator,EDDE)计划,如图11-8 所示,拟通过电动力缆绳+小型绳网移除低轨碎片[22]日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)研究了“空间碎片微型移除器”(SDMR),通过机械臂抓捕碎片,并展开电动力缆绳,实现增阻离轨[23],如图11-9 所示。

图11-8 EDDE 计划示意图[22]

图11-9 SDMR 项目示意图[23]

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