太空垃圾回收衛星的研究報告

王語軒

摘 要：目前太空垃圾日漸增多，垃圾的回收和處理衛星應運而生。它屬于對抗類衛星，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、機器人自動抓捕等技術，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。

關鍵詞：太空垃圾回收；應用衛星

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星上天，此后美國、蘇聯、中國、日本等國家以及歐洲航天局先后研制出約80種運載火箭，向宇宙空間發射了數以千計的各類衛星、載人航天器、空間探測器。然而，在航空事業得到大力發展的同時，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，運動過程中的動能巨大，一個10克的太空垃圾動量就可達到3.6*10^7，若發生碰撞，將給其撞擊的物體帶來巨大的沖擊力，相當于兩輛1300千克的汽車以100千米每秒的速度相撞。可謂太空第一大殺手。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家們擔心，數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星軌道。

中國作為全球第三大航天國家，在太空科技領域進行突破的同時，也應該盡到維護地球同步衛星軌道安全的責任，為全球航天事業做出自己的應有貢獻。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。機器人吸附捕捉類衛星在應用類衛星中還屬首創，如果研制成功，將成為清理太空垃圾的中堅力量，進而降低航天器和宇航員在太空中的危險程度。

一、 設計思路

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

1.調整衛星從遠程導引到近程導引階段。衛星在飛行過程中，利用三軸姿態控制系統①，追蹤太空垃圾并進行飛行姿態、變軌、追蹤、再同速的調控。當衛星接近太空垃圾，進入近程導引階段，衛星根據自身的微波和激光敏感器測得的與太空垃圾的相對運動參數，自動引導到垃圾附近的初始瞄準點（距目標飛行器0.5～1千米）。

2.瞄準完成后，衛星進入最終逼近段。衛星首先捕獲太空垃圾的對接軸，當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行繞飛機動，以進入對接走廊，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.停靠對接階段。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精確測量兩個飛行器的距離、相對速度和姿態，同時啟動小發動機進行機動，使之沿對接走廊向目標最后逼近。在對接前關閉發動機，以0.15～0.18米/秒的?？克俣扰c目標相撞，最后利用栓-錐或異體同構周邊對接裝置的抓手、緩沖器、傳力機構和鎖緊機構使兩個飛行器在結構上實現硬連接，完成信息傳輸總線、電源線和流體管線的連接。

4.根據垃圾體積，質量不同，還需要實時調控電流大小來控制磁力。使用電磁設備，就會對其他的一些信號有干擾，必須加防護措施。

二、衛星說明

1.運行軌道：低軌道衛星（LEO）1500Km以下。

2.保障系統：1）能源部分。a.太陽能電池板：使用單晶硅光電池串聯或并聯組成電池組與鎳鎘電池配合、可作為人造衛星的直接能源，且電池板要達到三級折疊效果。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航時間、變軌變速以及調整衛星姿態。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電或科研等多項領域，來達到廢物利用的目的。后兩級回收箱也是同樣的工作性質，在回收過程中減輕負載量，以延長工作時間。2）動力部分。氙離子發動機是一種新型的發動機，一定壓力的氣體進入電離室，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生二次電子，電子與氣體碰撞而引發電離，產生等離子體。在負電位的吸引下，使離子束引出同時進入直線加速器，通過多級加速電極，使離子束的速度達到所需，再由噴管噴出產生推力，或直接從外界收集離子作為工質，進行加速?？招年帢O工作在額定狀態下（發射電流5.00 A），其壽命可達到40000 h以上。發動機正常工作要考慮到其工作環境下的熱應力，使其熱應力滿足工程應用要求。3）返回部分。當第一儲存箱達到極限容積時，停止衛星工作，等待地面控制臺指令，落點確定后，動力系統調整姿態，連接處斷開，其他返回艙亦然。若燃料達到一定極限時，則無條件停止衛星工作，等待地面控制臺指令，落點確定后，動力系統調整姿態，返回地面。4）材料部分。衛星機體結構材料大多采用鋁合金和鎂合金，要求高強度的零部件則采用鈦合金。衛星體和儀器設備表面覆有溫控涂層，利用熱輻射或熱吸收特性來調節溫度。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構，衛星體內還使用多層材料、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，內部結構為耐熱鈦合金。外蒙皮與內部結構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，保持艙內有適宜的工作溫度。衛星的軌道器用鋁合金制造。支承主發動機的推力結構用鈦合金制造；中機身的部分主框采用以硼纖維增強鋁合金的金屬基復合材料；貨艙艙門用石墨纖維增強環氧樹脂復合材料作面板的特制紙蜂窩夾層結構。衛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：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：發現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。機械手臂位于衛星頂部兩側，運用機械自動化技術，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。將收集的輻射能轉變成化學能或電能。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。輸出獲取的數據。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星的遠地點發動機對接，構成衛星與推進艙的組合體，然后為組合體提供軌道保持和姿態控制能力，從而延長在軌通信衛星的工作壽命。7）遠程測距儀為微波交會雷達，并由L、S、C頻段向Ku頻段和毫米波頻段發展；在最后逼近和對接階段，光學成像敏感器有更突出的優點，同時輔以激光雷達，其優點是波束窄、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、接觸器主觸點，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，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，使執行部分動作，實現控制目的。E.短路環，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.衛星三軸姿態控制系統一般由姿態敏感器、姿態控制器和姿態執行機構三部分組成。姿態敏感器的作用是感應和測量衛星的姿態變化，其捕獲目標飛行器的范圍一般為15～100千米。姿態控制器的作用是把姿態敏感器輸出的衛星姿態角變化值的信號，經過一系列的比較、處理，產生控制信號輸送到姿態執行機構。姿態執行機構的作用是根據姿態控制器輸出的控制信號產生力矩，使衛星姿態恢復到正確的位置。

三、整體分析

優勢：1、衛星可以像火箭那樣，邊減重邊工作，這可以大大提高衛星的工作時長，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研究。

不足：1、衛星體積較大，質量較大。2、目前只能處理中低軌道太空垃圾。

四、可行性分析

1.首先，核心芯片具有反應速度快，性能穩定，受宇宙輻射，電磁干擾小。相對而言，對于突發情況，有可能會出現誤判，因此在發射前要做好多套預案。如果采用地面實時操控，就會產生延誤，影響捕捉。

2.其次，將所有低軌衛星的軌道運行狀況進行提前數據輸入，在遇到太空物體時，進行數據的識別，來判斷當前物體是否為太空垃圾。

3.對所遇到的太空垃圾進行質量與體積進行估算，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。關于太空中存在的電磁場對芯片電磁干擾，需對芯片進行電磁加固。

5.關于衛星的材料，鈦合金耐熱性好，有強度和韌性，是最佳選擇。另外，衛星受太陽直射，兩側溫差較大，因此采用泵驅動超臨界流體循環回路的方式來進行衛星熱平衡。研究結果表明，泵驅動超臨界流體循環回路具有功耗小、傳熱量大、熱傳輸距離遠的優點，其傳熱性能與機械泵驅動兩相流體回路相當， 而工作的穩定性和可靠性又優于機械泵驅動兩相流體回路。

五、進一步改進方案

1.為了提高剛度和減輕重量，采用高模量石墨纖維增強的新型復合材料。

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構，改用石墨纖維復合材料作面板的鋁蜂窩夾芯結構，更先進的輕型太陽翼則以石墨纖維復合材料作框架，蒙上聚酰胺薄膜。

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

參考文獻：

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