航天器论文.docx

太空垃圾清理方案熊创 张晓波 赵钊 印晓鑫 王超摘要我们设计了一套完整的太空垃圾清理的方案，使用收集卫星对太空垃圾进行清 理在地面使用雷达对太空垃圾分布的情况进行初步定位，将收集卫星发送到相应 轨道收集卫星采用雷达激光定位，确定垃圾的精确位置，在收集卫星上搭载太阳 帆 ，运用太阳风提供动力，使收集卫星改变轨道， 进行一定范围的变轨 ，以接近 垃圾的位置，再使用机械手臂拾取垃圾不断重复上述过程，直至卫星的收集舱饱 和，收集结束后，通过太阳风持续提供制动的能量，使其坠入大气，燃烧并自行销 毁此方案也可以应用在即将发射以及已经发射的卫星等航天器上以解决对运转 的卫星、航天飞机以及国际空间站的安全构成威胁的太空垃圾关键词 太阳帆 收集卫星 太空垃圾 激光定位 变轨（引言）研制背景及意义太空垃圾是围绕地球轨道的无用人造物体太空垃圾小到由人造卫星碎片、漆片、粉尘， 大到整个火箭发动机构成目前地球轨道上有大约4000 个运行中或报废的人造卫星和火箭 残体，此外还有大约 6000 个可以看到并跟踪的太空垃圾碎片；而直径超过一厘米的太空垃 圾，更多达20 万个这些物体大多数的运行速度，都在2 万公里/小时以上。

由于高速的轨 道碎片可对运转的卫星、航天飞机以及国际空间站的安全构成威胁，太空垃圾成为日益受到 关注问题我们所要做的研究就是提出并设计一套完整可行的太空垃圾清理的方案，可以应用在即 将发射以及已经发射的卫星等航天器上，并且也可以收集零散的太空垃圾，使其坠入大气 其基本原理是通过太阳风推动卫星使其改变运行轨道，使其偏向轨道内侧，由于太阳风的推 动改变了离心力大小，经万有引力将卫星拉回地球1. 设计方案1.1 动力系统我们采用太阳风作为卫星的动力，推动卫星变轨及其回收利用太阳风的原理即光子碰 撞太阳帆产生对太阳帆的持续动量来改变卫星速度，实现变轨众所周知，光子具有动量（P土 H :）,由于太阳帆像一面巨大的镜子，可以将太阳 光反射回去，当光子撞击到光滑的平面上时，可以像从墙上反弹回来的乒乓球一样改变运动 方向，并给撞击物体以相应的作用力，由动量定理，可知太阳帆获得了推动力如图1，设 单位时间内太阳垂直辐射到单位面积上的能量为3,设入射光子的频率为v:,反射回的光 子频率为V,太阳风帆面积为S，则在时间t内照射到太阳帆上的能量为：E^：S t,照射光 子数为：n=E/hU：=P：S t/hW,光子动量变化知=2： ：-（-hQ/c）=h（" ： - U）/c，由动 量定理，必p=F t,则太阳帆获得动力F=?：S（V： - V）/V：c，考虑到光子被反射时频率变 化很小，可认为，"：心即，所以F7P：S/c。

图1由此公式计算，可知单个光子所产生的推力极其微小，在地球到太阳的距离上，光在 1二:帆面上产生的推力只有0. 9X二八N,还不到一只蚂蚁的重量因此，为了最大限度地 从阳光中获得加速度，太阳帆必须建得很大很轻，而且表面要十分光滑平整一个直径为 20m的太阳帆面积约为530. 93 m2从太阳光中获得的推力仅为2. 5 N利用太阳帆产生的 动力可以改变卫星的轨道，比如，发射静止轨道卫星时卫星先进入大椭圆地球转移轨道，待 其运行到赤道上空3. 6XWkm的最大高度时，遥控指令启动卫星上远地点发动机工作， 后者产生的推力仅为几百牛，却能使几吨重的卫星移入静止轨道并到达预定位置原因就是 加的推力使卫星产生新的速度与原来的运动速度合成的最终速度为3. 075 km/s太阳帆 接受光压的作用，它不仅可在需要时改变航天器的运行轨道，而且能不断加速飞行我们设 计的太空垃圾收集卫星就是基于这一点来控制其轨道与回收太阳帆的材料与构造为了最大限度地从阳光中获得加速度，太阳帆必须建得很大很轻， 而且表面要十分光滑平整，由于聚酰亚胺具有轻质、高强、耐高低温以及优异的介电性能、 耐辐射性能、耐磨性、化学稳定性和尺寸稳定性，故我们采用聚酰亚胺高反射太阳帆薄膜。

1.2 定位系统定位系统的作用是确定垃圾的精确位置为达到较好的定位效果，收集卫星采用地面的 激光雷达定位，虽然激光监测技术的定位精度远大于雷达,但因激光特性的限制,直接寻找到 小目标太空垃圾的难度较大如果先利用雷达确定太空垃圾的大概范围,再用激光进行精密 测定,对太空垃圾的定位就可事半功倍激光雷达的基本原理是：发射机发射一束一定功率的激光束，经过大气传播辐射到目标 面上，目标面反射回来的回波由接收机接收，再由信号处理提取回波中的有用信息激光雷 达系统性能分析的基本问题是：在一定的发射功率下，受环境因素、系统参数的影响，确定 接收端的接收功率、信噪比激光雷达是工作于光波段的新型雷达系统，与微波和毫米波雷 达相比，有工作频率高、波长短，距离、速度和角位置测量精度高，体积小、重量轻、机动 灵活、利于机载和航天器载等独特优势据相关文献，单基地和双基地激光雷达测距方程的 通用公式为：只=（4疋二』：/曲一亍）r （二：/4一丁）（JT1：一/4） ⑴式中，己为激光发射功率（W）； K为光束分布函数；二_为发射器到目标的大气透射率； :为发射器光学系统效率；①为束宽或发散度（rad）；人_为发射器到目标距离（m）；r为 目标激光截面（m）；二:为目标到接收器大气透射率；］为目标到接收器距离（m）； D为 接收窗口径（m）； ' :•为接收器光学系统效率；1为接收功率（W）。

在外大气层或大气衰减条件下，定点测距的单基地激光雷达测距中，二二二=R，= = -■，简化式（1）得：三=庶二；厂〉叮小/4沖； （2）根据此方程，再通过测定相应参数，我们就可以得到太空垃圾的精确位置将测得位置 的信息直接传送到收集卫星上，以控制卫星的变轨、回收1.3 变轨系统当雷达初步定位后，将卫星发射至特定的轨道以接近目标垃圾位置，再利用激光精确定 位，在卫星所在位置的小范围内，若有垃圾在机械手可触范围内存在，可直接利用机械手将 垃圾抓住并收入收集舱，若超过机械手长度并在近距离内，由于距离不长，只需适当小范围 的调速，并且所需要的追及时间较短，不会影响轨道的变化，卫星可以通过调节风帆转向使 其加速或减速从而靠近垃圾所在位置进行垃圾回收若在较远之外，由于近地卫星绕地球一 圈时间约为70分钟，收集卫星只能在正对太阳90范围内加速，正对太阳另一90范围内减 速，在背对太阳的180范围内匀速率飞行若垃圾在卫星前方，假设距离为D,则卫星需要 稍作减速，降低到比垃圾轨道稍低的一层轨道，当追及上时，再加速而上升回原轨道，抓取 垃圾假设此时卫星速度为V高度为H『经过减速，减速值V',下降到片，速度为V/勺 轨道，其关系满足角动量守恒(Vo-V' )Ho=ViHi。

所以追及需要的时间T=D/(V-V) (1)1 1 0由于减速只能在逆阳光行驶的18分钟，加速只能在顺阳光的18分钟，所以近似计算追 及的时间第一圈有约34分钟，因此总的需要追及的时间应该是T=0.56h+1.167hXn (2)其中n表示绕行的圈数，n±0;h表示小时，0.56h表示绕半圈所需的35分钟，1.167h 表示绕一圈所需的70分钟由此根据(1)、(2)式可以得出降低后的轨道上的速度-所要满足的值，由此可以算出V 所要满足的值，则可以确定太阳帆所要张开的面积，以使减到所需的速度从而可以在加速 后回到轨道是可以抓住垃圾若垃圾在卫星后方，卫星可采用先加速升轨再在特定的时间减速降轨的方式将垃圾抓 住，分析过程同上图2 变轨过程示意图1.4 返回系统卫星返回时使用太阳帆作为制动装置，提供持续的减速力地球近地轨道的范围约为10千米至400千米现考虑卫星处于400千米高度，当开始 返回时，太阳帆提供切向于卫星运动的方向的力，使卫星速度减小当卫星减速时，应处于 逆向阳光的运动方向，其可行角度为90度，卫星绕地球运动的周期约为70分钟，因此环绕 一圈的过程中，可以减速的时间约为18分钟考虑到只给卫星轨迹上切向的力，因此需要 调节太阳帆的角度以是提供的制动力与轨迹相切。

则考虑只在运动轨迹与光线夹角30度的 时候减速，这一段时间为6分钟，在此段时间里近似把制动力视为切向的当卫星处于400km时，由万有引力定律，其运动速度为7.683136614 km/h,我们设计 的太阳帆面积大小为100m2，由动力系统知，一个直径为20m的太阳帆面积约为530. 93 m2, 从太阳光中获得的推力仅为2. 5 N故按同等比例计算，太阳帆此时给予卫星的制动力约 为0.4N，假定卫星的总质量为1000kg，则卫星得到的加速度为4X 10-4m/s2，在减速过程的 6分钟内可以减低速度0.144m/s把这一过程视为瞬时的此时根据角动量守恒定律有V0 XHjVXH,又根据万有引力定律GMm/h2=Mv2/h,可以算出卫星将在下降到6023.303km高度的 轨道稳定在假定的卫星轨道高度400千米上，进行不断重复减速过程以后，卫星将失去稳 定于轨道的能量，而坠向大气，最后自行销毁图3 返回过程示意图2. 主要创新点1）使用太阳帆作为动力来源，节约能源，使卫星更轻便，装置造价更低廉2）可以在近地轨道自由运行，搜集零散垃圾碎片3）采用雷达激光定位，可以准确的找到太空垃圾的具体位置，提高收集卫星的工作效 率。

3. 应用及意义在距地球表面300-450公里的轨道上有大量的太空垃圾，它们对航天器的安全构成巨大 威胁，目前针对太空垃圾还没有一个有效的回收系统，而其潜在的威胁又无时不在危害着太 空安全，甚至是今后一些太空计划实施的难题，如何清理这些太空垃圾成为一个棘手的问题 针对太空垃圾对太空安全所带来的危害，我们提出了一个高效、可行且绿色、节能、低成本 的回收方法，利用太阳帆产生的动力来对已有的太空垃圾做回收不仅解决了如今漫天太空 垃圾对航天器的长久困扰和威胁，同时减少了地球能源的消耗及其温室气体的排放，意义重 大4. 结论我们运用了太阳帆的原理，设计了可以用于收集零散的太空垃圾或是退役卫星的太空垃 圾收集卫星，节能、造价低廉，具有很强可行性，可以用于回收太空垃圾，解决其日益增多 的数量对其他航天器的威胁参考文献[1] 刘暾，赵钧.空间飞行器动力学[M ].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2003. 153- 162.[2] 刘基余 实施卫星激光定轨的建议[期刊论文] -遥测遥控 2002（01）[3] 吴健生 卫星怎样返回地面 2001.（10）[4] 马文蔚 物理学（第五版） 高等教育出版社 2008.12.8。