本發(fā)明屬于航空航天技術領域，尤其涉及一種子母星空間碎片清除平臺及清除方法。

背景技術：

廣義上的空間碎片可以分為微流星體(Micrometeoroid)和人造空間碎片(Space/Orbital Debris)兩類，而人造空間碎片的運行區(qū)域與在軌服務航天器運行區(qū)域重合，對人類航天探索造成巨大障礙，引起了廣泛關注。由于近地軌道最易開發(fā)且用途廣泛，其可用軌道數(shù)不斷減少，衛(wèi)星空間密度已經(jīng)達到警戒值，無法預測的空間碰撞開始發(fā)生，所以保護近地軌道資源不受空間碎片危害勢在必行。

根據(jù)近幾十年人類對近地軌道的使用情況，從第一顆人造地球衛(wèi)星至今，近地軌道已逐漸不堪重負。有研究預測如果人類按照當前科技發(fā)展速度不加節(jié)制地使用軌道資源，那么到2210年，近地軌道物體(>10cm)將到達約70000個，但實際觀測顯示截至2014年空間碎片數(shù)量已經(jīng)超過預測的200年后的水平。

當下并沒有強制性空間碎片減緩政策(mandatory space debris mitigation policies)，無法緩解軌道擁擠的現(xiàn)狀。并且空間碎片的數(shù)量也在逐年增加，兩次激增分別發(fā)生在07年風云1C實驗和09年美國Iridium 33與俄羅斯Cosmos 2251碰撞，這與北美防空聯(lián)合司令部(NORAD)檢測到的碎片數(shù)量變化一致。空間碎片失控地在軌道中飛行，會極大地影響到現(xiàn)役航天器的安全，Kessler效應(Kessler syndrome)便描述了空間碎片對空間環(huán)境爆炸式的影響。面對如此惡劣的形勢，想要徹底治理空間碎片和改善空間環(huán)境，完全依靠稀薄大氣阻力使空間碎片軌道衰減離軌已經(jīng)無法完成。而主動碎片清除技術(Active Debris Removal，ADR)是一種有效減少空間碎片的方法，它依靠航天器抓捕、拖拽等方式來主動地清理空間碎片，徹底治理空間環(huán)境。

現(xiàn)有的主動碎片清除方法主要包括：激光太陽帆推移離軌方法、航天器捕獲離軌方法和電動繩系離軌方法等。其中多數(shù)離軌方式都需要ADR航天器作為平臺完成碎片清除操作，這也正是本發(fā)明討論的對象。

目前，ADR技術主要考慮通過ADR航天器對特定單一碎片進行引導、抵近、消旋、抓捕和拖曳離軌，最終實現(xiàn)碎片的再入燒毀。但是，碎片清除航天器往往具備一定的廣域碎片感知、清除和軌道變換能力，而當下多數(shù)研究由于任務局限，無法完成多個碎片的交會與抓捕，使得現(xiàn)有ADR技術沒有最大限度地發(fā)揮ADR航天器及其載荷的多碎片捕獲能力，無法滿足大量低軌空間碎片清除任務低成本、高可靠和高能效的需求。有研究表明，如果人類在2020年實現(xiàn)每年清理5個大型空間碎片，則軌道環(huán)境有望得到控制。所以如果ADR航天器在一次飛行中能完成多顆碎片的清除，那么ADR任務將更加高效。

針對大型空間碎片，采用抓捕的碎片清除方法只適用于一次任務清除一個碎片，航天器壽命短，成本高，且航天器隨空間碎片一同再入大氣層燒毀。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種子母星空間碎片清除平臺及清除方法，以解決現(xiàn)有技術中無法實現(xiàn)同時清除大量低軌空間碎片問題。

本發(fā)明第一種技術方案是，一種子母星空間碎片清除平臺，包括多個用于清除空間碎片的子星3，每個子星3均可拆卸連接至同一母星1，母星1用于帶動子星3在多個空間碎片之間移動，每個子星3上均安裝有空間碎片清除裝置，空間碎片清除裝置包括用于測量空間碎片位姿的子星測量裝置和子星抓捕裝置。

進一步地，母星1上安裝有用于輔助子星3清除空間碎片的母星測量裝置和母星抓捕裝置。

進一步地，子星測量裝置和母星測量裝置均包括傳感器組件，傳感器組件包括紅外傳感器、可見光傳感器、激光測距傳感器、偏振光傳感器。

進一步地，子星抓捕裝置為設置在子星3外表面的電吸附層，電吸附層用于：

在初始狀態(tài)下，通電并使子星3粘附在母星1上；

在工作狀態(tài)下，斷電并使子星3與母星分離1，且在靠近空間碎片時，通電并使子星3粘附在空間碎片上。

進一步地，每個子星3上均安裝有姿態(tài)控制器和微噴裝置，姿態(tài)控制器和微噴裝置用于調(diào)節(jié)子星3的位姿，以便對空間碎片進行消旋。

本發(fā)明另一種技術方案是，一種空間碎片清除方法，使用上述的子母星空間碎片清除平臺，包括以下步驟：

步驟一、通過運載火箭將母星1帶入近地軌道；

步驟二、通過母星1帶動子星3抵近待清除空間碎片，并伴飛；

步驟三、通過母星1分離出預設數(shù)量的子星3，抓捕待清除空間碎片；

步驟四、母星1攜帶剩余子星3抵近下一個待清除空間碎片，并重復執(zhí)行步驟三，直至完成清除完計劃中所有待清除空間碎片后，母星1離軌，并進入大氣層燒毀。

進一步地，步驟三中子星3抓捕待清除空間碎片的具體方法為：

步驟3.1、母星1和每個分離出的子星3建立空間組網(wǎng)；

步驟3.2、通過空間組網(wǎng)確認待清除空間碎片信息；

步驟3.3、每個子星3通過其表面設置電吸附層粘附在待清除空間碎片上；

步驟3.4、通過每個子星3對待清除空間碎片進行消旋，并攜帶待清除空間碎片進入再入軌道進行燒毀。

進一步地，步驟3.2中測量信息包括待清除空間碎片的運動狀態(tài)信息和形狀信息。

本發(fā)明的有益效果是：通過一顆微小衛(wèi)星作為母星，多個微納衛(wèi)星作為子星，協(xié)同完成多碎片清除任務中的軌道轉(zhuǎn)移、抵近詳查、抓捕離軌等操作，具有成本低、相應速度快、可靠性高等特點；母星采用微小衛(wèi)星，研制周期塊、成本低；子星采用微納衛(wèi)星，成本低，且每個子星均采用模塊化設計，適配母星即可完成在軌補充；釋放子星后，組成的空間碎片觀測網(wǎng)可通過協(xié)同觀測獲得更精確的碎片位姿信息；子星獨立完成離軌操作，母星可直接前往下一個待清除的空間碎片，節(jié)省時間與能量，提高空間碎片清除效益，降低成本；子星在軌補充后即可繼續(xù)完成空間碎片清除任務，延長平臺服務壽命；某顆子星發(fā)生故障時不會造成抓捕任務的失敗，在軌調(diào)試多子星協(xié)同策略即可重新完成抓捕與離軌任務，提高任務可靠性。

【附圖說明】

圖1為本發(fā)明一種子母星空間碎片清除平臺結(jié)構示意圖；

圖2為本發(fā)明一種空間碎片清除方法運行步驟示意圖。

其中：1.母星；2.太陽能電池板；3.子星；4.變軌發(fā)動機。

【具體實施方式】

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本進行詳細說明。

本發(fā)明公開了一種子母星空間碎片清除平臺，如圖1所示，包括多個用于清除空間碎片的子星3，多個子星3具備組網(wǎng)通訊能力，對清除空間碎片具有很多優(yōu)勢，每個子星3上均安裝有空間碎片清除裝置，空間碎片清除裝置包括子星測量裝置和子星抓捕裝置；

母星1上安裝有用于輔助子星3清除空間碎片的母星測量裝置和母星抓捕裝置，母測量裝置包括傳感器組件，傳感器組件包括紅外傳感器、可見光傳感器、激光測距傳感器、偏振光傳感器等，可分別測量出空間碎片的不同屬性信息。

母星抓捕裝置可選網(wǎng)、爪、繩、離軌包等各種可實現(xiàn)空間碎片抓捕的裝置。

子星測量裝置用于測量空間碎片的位姿。子星測量裝置和母星測量裝置均包括傳感器組件，傳感器組件包括紅外傳感器、可見光傳感器、激光測距傳感器、偏振光傳感器等，可分別測量出空間碎片的不同屬性信息。

子星抓捕裝置和母星抓捕裝置均可選網(wǎng)、爪、繩、離軌包等各種可實現(xiàn)空間碎片抓捕的裝置，該子星抓捕裝置屬于子母星空間碎片清除平臺的資源，具有消耗性和有限性，除非進行在軌補充，否則耗盡該資源后將無法繼續(xù)執(zhí)行任務，所以采用該子母星空間碎片清除平臺時必須考慮其資源的約束，使任務更加合理有效。

本實施例中，子星抓捕裝置優(yōu)選為設置在子星3外表面的電吸附層，電吸附層用于：

在初始狀態(tài)下，通電并使子星3粘附在母星1上；

在工作狀態(tài)下，斷電并使子星3與母星分離1，且在靠近空間碎片時，通電并使子星3粘附在空間碎片上。

采用電吸附層不僅可以使子星3吸附在母星1上還能吸附在空間碎片上，節(jié)省了資源，母星抓捕裝置優(yōu)選的選擇為抓捕爪。

每個子星3上均安裝有姿態(tài)控制器和微噴裝置，姿態(tài)控制器和微噴裝置用于控制子星3的位姿，以便粘附在空間碎片上同時對空間碎片進行消旋，微噴裝置可以完成小尺度上的空間碎片抵近。

每個子星3均通過可拆卸連接至同一母星1，母星1用于帶動子星3在多個空間碎片之間移動，以達到一次任務可清除多個空間碎片的目的；本實施例中通過變軌發(fā)動機4完成整體的軌道轉(zhuǎn)移。

優(yōu)選的母星1體積較大、質(zhì)量較大，且通信能力較強，能承載多顆子星3，母星1還具備較強的軌道機動能力，能夠攜帶子星在多碎片之間進行變軌交會，而在抵近段時會釋放多顆子星3，并通過多子星3在空間碎片周圍形成子星網(wǎng)絡，使對空間碎片的測量更加精確，為抵近安全控制提供反饋。

此外，每顆子星3可以根據(jù)要清除空間碎片的尺寸質(zhì)量、表面材料和運動狀態(tài)配備不同的空間碎片測量裝置和空間碎片抓捕裝置，從而更好地滿足多任務需求。

同時，子星3優(yōu)選的采用標準化、模塊化的微納衛(wèi)星，具有成本低、研制周期短和可補充的優(yōu)點。

綜上，本發(fā)明的子母星空間碎片清除平臺提高了低軌空間碎片的清除速度，高效完成了多異類空間碎片的清除任務。

每個子星3上還設置有多個定位裝置，母星1設置有與錐狀定位裝置相配合的定位槽，定位裝置和定位槽配合用于確定每個子星3在母星1上的位置，在使用時每個定位裝置插入到與其相配合的定位槽內(nèi)，可以固定子星3的位置。

另外，在母星1上還可以設置用于輔助子星3抓捕空間碎片的母星抓捕裝置和母星測量裝置，可以在多個子星3對空間碎片抓捕的時候進行輔助抓捕或?qū)臻g碎片進行測量時同時進行測量，以增加抓捕和測量效率。

另外，本發(fā)明還提出了一種空間碎片清除方法，使用上述子母星空間碎片清除平臺，包括以下步驟：

步驟一、通過運載火箭或其它運載器將母星1帶入近地軌道；

步驟二、待得到任務開始指令后，通過母星1帶動子星3抵近預設的第一個待清除空間碎片，并伴飛；

步驟三、通過母星1按照預設方案分離出預設數(shù)量的子星3，以抓捕第一個待清除空間碎片；抓捕方法具體如下：

步驟3.1、母星1和每個分離出的子星3建立空間組網(wǎng)；

步驟3.2、通過空間組網(wǎng)確認第一個待清除空間碎片信息，測量信息包括待清除空間碎片的運動狀態(tài)信息和形狀信息；

步驟3.3、每個子星3通過其表面設置電吸附層粘附在第一個待清除空間碎片上；

步驟3.4、通過每個子星3通過自主導航對第一個待清除空間碎片進行協(xié)同消旋，并啟動子星3上的微噴，以攜帶第一個待清除空間碎片進入再入軌道進行燒毀；同時母星1攜帶剩下子星3前往下一個空間碎片；

步驟四、母星1攜帶剩余子星3抵近下一個待清除空間碎片，并重復執(zhí)行步驟三，直至完成清除完計劃中所有待清除空間碎片后，母星1離軌，并進入大氣層燒毀。