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容器收集器捕获离轨的优化策略

时间:2023-07-15 理论教育 版权反馈
【摘要】:然而,针对单颗大型碎片的捕获装置通常不能适用于中小碎片的捕获这一问题,一种可行的方法是制造一个被动式收集器,该收集器允许碎片撞击它,进而对这些碎片进行捕获或使其减速离轨。下面以气凝胶收集器为例,说明容器收集器的主要特征和进展。然而,对于利用气凝胶捕获中等碎片的研究尚未进行,二者的撞击预期会产生二次碎片。典型的容器收集器在轨飞行试验是由美国NRL牵头研发的LAD-C。国际空间站上使用的气凝胶收集面积约为10 m2。

容器收集器捕获离轨的优化策略

虽然大尺寸碎片对于正常工作航天器的威胁更大,但是大尺寸的碎片通常容易被跟踪观测,进而可以提前向航天器发出有关避碰的指令,而对于数量众多、分布广泛的中小碎片,往往难以跟踪,使得大部分的空间碰撞来自中小型碎片。然而,针对单颗大型碎片的捕获装置通常不能适用于中小碎片的捕获这一问题,一种可行的方法是制造一个被动式收集器,该收集器允许碎片撞击它,进而对这些碎片进行捕获或使其减速离轨。

已提出的容器收集器目前主要有气凝胶收集器(Large Area Debris Collector,LADC)和多层聚合箔片收集器(Multi-Layer Polymer Experiment,MUPLEX)两种方式[90,91]。下面以气凝胶收集器为例,说明容器收集器的主要特征和进展。

气凝胶(Aerogel)是气凝胶收集器的主体构成材料。其是捕获小超高速粒子的介质,在实验室已经对其进行了演示验证。针对宇宙尘埃的撞击,有关气凝胶的冲击动力学、气凝胶特性效果、气凝胶纳米结构材质等已经有很长一段时间的研究。因此,对于一定范围内微流星体和小碎片,气凝胶可以认为是一种成熟的技术。然而,对于利用气凝胶捕获中等碎片的研究尚未进行,二者的撞击预期会产生二次碎片。尽管如此,这种结果也可以减小碎片尺寸,将中等碎片转换为小碎片,降低碎片与航天器发生碰撞时的风险。

典型的容器收集器在轨飞行试验是由美国NRL牵头研发的LAD-C。2002年,相关学者提出了在轨进行碎片试验的概念。NRL将此概念具体化并在美国国防部STP(Space Test Program)计划的赞助下,最终研制出了LAD-C,并用于国际空间站(ISS)的试验。LAD-C由两大部分组成:气凝胶瓦和声敏元件。前者用于捕获超高速撞击粒子,后者设计为记录收集样片的撞击特征。LAD-C由按照倒T形排列的面板组成。3个手臂连接在ISS右舷架构S3上。LAD-C的装备构型如图8-15所示,每个手臂由4个1 m×1 m×2 m的托盘组成。每个托盘可进一步分为两个铝制面板。每个铝板(6061-T6)包括许多小型的气凝胶瓦,以及12个附着在铝框架上的声敏元件。国际空间站上使用的气凝胶收集面积约为10 m2

图8-15 大面积碎片收集器示意图

【注释】

[1]Liedahl D A,Libby S B,Rubenchik A.Momentum transfer by laser ablation of irregularly shaped space debris[C].AIP Conference Proceedings,American Institute of Physics,2010.

[2]Kitamura S.Large Space Debris Reorbiter Using Ion Beam Irradiation[C].61st International Astronautical Congress,2010.

[3]柏树,杨建斌,颜昌林,等.大口径抽氙气低温泵的研制[C].中国真空学会2014学术年会论文摘要集,2014.

[4]Henry M D,Brinza D E,Mactutis A T,et al.NSTAR diagnostic package architecture and Deep Space One spacecraft event detection[C].Aerospace Conference,2000.

[5]Killinger R,Kukies R,Holtz L V,et al.Orbit Raising with Ion Propulsion on ESA's ARTEMIS Satellite[C].AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit,2002.(www.xing528.com)

[6]Kaplan M.Survey of Space Debris Reduction Methods.AIAA Space Conference & Exposition[C].Padena,California,2009.

[7]沈振民,尚卫东,罗萍萍.空间碎片激光清除技术探析[C].第二届空间目标与碎片监测、清理技术及应用学术研讨会论文集,2015.

[8]Toyoda K,Cho M,MasuiH,etal.Preliminary investigation of space debris removalmethod using electrostatic force in space plasma[C].AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum & Aerospace Exposition,2009.

[9]Andrenucci M,Pergola P,Ruggiero A,et al.Active Removal of Space Debris-Expanding foam application for active debris removal,2011.

[10]Pergola P,Ruggiero A,Andrenucci M,et al.Expanding Foam Application for Active Space Debris Removal Systems[C].62nd International Astronautical Congress,2011.

[11]Pergola P,Ruggiero A,Andrenucci M,etal.Low thrust Missions for Expanding Foam Space Debris Removal[C].International Electric Propulsion Conference,2011.

[12]NRL scientists propose mitigation conceptof LEO debris[EB/OL].http://www.nrl.navy.miVmedia/news-releases/2012/nrl-scientists-propose-mitigation-concept-of-leo-debris,2012-06-20.

[13]Jared B,Stephanie C,Edward D,et al.Eliminating space debris:applied technology and policy prescriptions[R].Global Innovation and Strategy Center,2008.

[14]Hoyt R,Forward R.The term inator tether:autonomous deorbit of LEO spacecraft for space debris mitigation[C].Proc.of 38 th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit,Reno Nevada,2000.

[15]Jared B,Stephanie C,Edward D,et al.Eliminating space debris applied technology and policy prescriptions[R].Global Innovation and Strategy Center,2008.

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