【技术实现步骤摘要】
本专利技术提供一种应用于卫星的可展开双层薄膜微碎片探测器，它涉及利用双层薄膜传感器上的电阻网格对亚毫米级空间微碎片进行相对速度大小、方向的测量，可用于空间微碎片云的演化特征的分析，属于卫星设计领域。
技术介绍
1、随着空间技术的不断发展，地球轨道上的空间碎片逐渐增多，对在轨航天器造成了日益严重的威胁。厘米级的空间碎片就可能导致航天器彻底损坏，即使是毫米级空间碎片也可能导致航天器天线的形变、压力容器或密封舱的泄漏等危害。目前，已有成熟的空间碎片监测技术包括地基雷达、地基光学和天基光学等。然而，这些现有手段容易受到天气、光照和地域等条件的限制，并且缺乏实时观测亚毫米级空间微碎片的能力。
2、为了获取亚毫米级微碎片的数据信息，需在航天器上安装专用探测器进行在轨探测。目前，天基碎片探测器主要包括半导体探测器、聚偏二氟乙烯探测器和等离子探测器。
3、半导体型探测器通过检测碎片撞击电容产生的电压脉冲来实现对碎片的探测。半导体型探测器利用高纯度硅晶片，在表面氧化形成一层薄的二氧化硅，然后镀上一层铝膜。当空间粉尘与传感器发生碰撞穿过铝膜和二氧化硅膜时，电容器会放电产生电流，从而在外部电路中生成一个电信号。通过分析该信号，可以获取微小空间碎片或微流星体的信息。但由于半导体传感器的抗辐照能力有限，因此该类型的探测器在轨寿命较短。
4、聚偏二氟乙烯探测器通过检测碎片撞击聚偏二氟乙烯所产生的电荷脉冲来实现对碎片的探测。聚偏二氟乙烯探测器由极化的聚偏二氟乙烯(pvdf)胶片膜构成。当高速空间碎片撞击pvdf薄膜时会导致
5、等离子探测器利用空间碎片撞击探测器靶体产生的等离子体来实现对碎片的探测。其基本原理是当微小空间碎片与探测器的纯金靶心发生碰撞时，会产生巨大的动能，形成等离子体云。通过测量等离子体，可以获取空间碎片的质量、速度和成分等信息。然而，该探测器的探测面积有限，并且结构较为复杂。
6、利用卫星进行快速科学实验、技术验证和组建卫星星座，已为大势所趋。卫星具有小体积、低成本、短研发周期和高功能密度等优势，可批量发射，并可作为观测空间微小碎片的理想平台。然而，现有的探测器通常体积较大、设计较为复杂，并且无法折叠展开，因此不适用于卫星。因此，本专利技术提出了一种可展开双层薄膜微碎片探测器，适用于在卫星上进行亚毫米级微碎片的空间探测，为碎片云演化特征的分析提供数据支持。
技术实现思路
1、(一)专利技术目的：本专利技术通过提供一种星载可展开双层薄膜微碎片探测器，用于采集实时且具有较高准确性的空间微碎片的速度等数据信息，旨在解决传统监测手段的精度低，受天气地域等限制，无法实时监测和难以应对大规模碎片云等问题。发射阶段采取折叠收拢的状态以减小体积，在轨后展开，增大探测面积，在卫星寿命末期，双层薄膜可以作为离轨帆辅助卫星离轨，确保卫星本身不成为新的太空碎片，从而维护了太空环境的清洁性。本专利技术的双层薄膜探测器由柔性材料制作，具有可折叠展开的特点，适合标准化、模块化生产卫星。
2、(二)技术方案
3、本专利技术的微碎片探测器主要由双层薄膜电阻网传感器和微碎片数据处理系统组成，分别用于采集微碎片依次穿越两层薄膜所产生的激励信号和处理信号获取碎片的速度方向、大小等数据信息。
4、所述的双层薄膜电阻网传感器上划分了网格区域，网格的块状区域内布置了待碰撞的电阻，其中电阻的材料和大小可以根据航天任务的需求进行选择。由于薄膜材料是柔性的，故卫星在发射过程中双层薄膜探测器可折叠收纳于卫星内部，在执行特定测微碎片的任务时再展开薄膜，这种可展开的双层薄膜电阻网传感器的设计大大节约了卫星上的空间，易于作为标准化模块化的有效载荷。
5、所述的微碎片数据处理系统由位置确定分系统、时间确定分系统与控制数据存储分系统三部分组成。由于空间碎片的相对速度高达1～10km/s，穿越两层薄膜的时间达微秒量级，仅使用模拟数字转换器(adc)进行信号扫描无法在精度、采样率和功耗之间达到平衡。因此，为了满足系统对时间、空间精度和低功耗的需求，本专利技术分别设计了碎片撞击时间确定子系统和位置确定子系统，前者用于快速响应以准确确定撞击发生的时间，而后者通过慢速网格遍历来以高精度确定具体的撞击位置，同时实现系统的低功耗。
6、所述的位置确定分系统主要由多路模拟开关和模数转换器(adc)构成，通过遍历检测电阻网格的电压，下位机判断各网格电平变化是否超出一定阈值，来实现对撞击点的精确定位。
7、所述的时间确定分系统主要由前置放大器，滤波器，延时电路，差分放大电路，高速比较器组成。其工作流程是：当微小碎片穿越电阻网传感器的第一层薄膜时，传感器受激励并输出电压阶跃信号。经前置放大器和滤波器处理后，信号传入差分放大电路，将该时刻的电压信号与上一时刻的电压信号进行作差并放大处理。然后，利用高速比较器对差分放大后的电压信号和设定的阈值电压进行比较，若差值超过设定阈值，则认定原激励信号为有效信号，比较器输出高电平传至微控制器(mcu)。阈值根据地面实验进行初始设定并可通过星务系统进行灵活调整。任何电阻网格单元上因碎片撞击而产生的电压变化都可触发中断，启动飞行时间算法。碎片穿越第一层薄膜到达下一层薄膜时再次触发中断，单片机记录碰撞间隔时间，从而可实现精确记录碎片穿越双层薄膜传感器的时间。
8、所述的控制数据存储分系统主要由微控制器(mcu)构成。该微碎片数据处理系统配合双层薄膜电阻网传感器进行碎片数据采集的原理是：当双层薄膜电阻网传感器展开后，该系统开始自检并初始化网格上各单元的ito导电片上的电阻阻值及其在网格上的位置坐标。当空间碎片依次与两层薄膜电阻网传感器发生碰撞后，造成导电片的穿孔从而依次产生2次激励信号。由于已知两层薄膜之间的距离，因此可以通过测量碎片穿越2层薄膜的时间间隔计算空间碎片相对于卫星的速度大小。通过测量碎片穿越薄膜网格区域的位置坐标和激励信号的大小即可计算确定碎片速度的矢量方向和大致尺寸。
9、(三)优点
10、本专利技术一种应用于卫星的可展开双层薄膜微碎片探测器的优点在于：
11、①本专利技术提出了一种新型的针对亚毫米级空间微小碎片监测的探测器，具备提供实时、精确的微小碎片速度矢量等数据信息的能力，可为空间微碎片云的演化特征的分析提供数据支持。由于卫星在轨飞行时的轨道根数已确定，因此该探测器还可以确定碎片云在空间中的大致方位。
12、②本专利技术采用的微碎片数据处理系统将系统的时间精度和空间精度两个需求分开，
13、分别设计碎片撞击时间确定分系统与位置确定分系统，使监测系统具备更高的定时和定位精度，同时实现低功耗。
14、③本专利技术采用的双层薄膜电阻网传感器由柔性的电阻网格薄膜构成，具有可折叠展开，结构简单等优点。发射过程中，该薄膜可折叠收纳于卫星内部具有较小体积本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种应用于卫星的可展开双层薄膜微碎片探测器。其特征在于：由双层薄膜电阻网传感器、微碎片数据处理系统组成，通过采集空间微碎片依次穿越两层薄膜所产生的激励信号并对信号进行处理，实现精确获取碎片的速度矢量等数据信息，具有较低功耗。
2.根据权利要求1所述的微碎片数据处理系统，其特征在于：将系统的时间精度和空间精度两个需求分开，分别设计碎片撞击时间确定分系统与位置确定分系统，使监测系统具备更高的定时和定位精度，同时实现低功耗。
3.根据权利要求1所述的双层薄膜电阻网传感器，其特征在于：由柔性的电阻网格薄膜构成，具有可折叠展开，结构简单等特点。发射过程中，该薄膜可折叠收纳于卫星内部，具有较小体积小；在轨执行任务时薄膜展开，以增大探测面积。该探测器可作为卫星模块普遍安装的空间微小碎片监测装置兼卫星寿命末期的离轨帆装置，具有双重功能。该薄膜可折叠收纳于卫星内部，为卫星构型和布放方式带来了更大的灵活性和适应性，可作为卫星模块普遍安装的空间微小碎片监测装置兼卫星寿命末期的离轨帆装置，具有双重功能。
4.根据权利要求3所述的电阻网格薄膜，其特征在于：由聚酰亚胺
...【技术特征摘要】
1.一种应用于卫星的可展开双层薄膜微碎片探测器。其特征在于：由双层薄膜电阻网传感器、微碎片数据处理系统组成，通过采集空间微碎片依次穿越两层薄膜所产生的激励信号并对信号进行处理，实现精确获取碎片的速度矢量等数据信息，具有较低功耗。
2.根据权利要求1所述的微碎片数据处理系统，其特征在于：将系统的时间精度和空间精度两个需求分开，分别设计碎片撞击时间确定分系统与位置确定分系统，使监测系统具备更高的定时和定位精度，同时实现低功耗。
3.根据权利要求1所述的双层薄膜电阻网传感器，其特征在于：由柔性的电阻网格薄膜构成，具有可折叠展开，结构简单等特点。发射过程中，该薄膜可折叠收纳...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈培，徐思璐，马从周，白筱瑀，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。