本发明专利技术涉及对于航天器（501）针对碎片（701）的保护，并涉及大气阻力式离轨装置，以及涉及用于从空间环境中移除碎片的碎片清扫设备。航天器的碎片防护设备（200）包括：包含用于阻碍入射的碎片的防护表面的防护单元（210），用于将防护单元安装至航天器主体的安装装置（204），及用于使防护单元相对于航天器主体定位的驱动设备（204a-204d），其中，驱动设备能使防护单元在第一收起位置和第二展开位置之间运动，且在第二展开位置中防护单元的防护表面的平面相对于航天器主体呈一角度。防护单元包括可进一步展开以增加航天器的有效表面积从而产生阻力和/或从空间环境中清扫碎片的防护层。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及对于航天器针对碎片的保护，在优选实施形态中，涉及提供防护结构以及用于监测空间碎片对防护结构的撞击。本专利技术还涉及离轨装置领域，在优选实施形态中，为大气阻力式离轨装置。本专利技术还涉及优选用于从空间环境中移除碎片的碎片清扫设备。
技术介绍
近地轨道(LEO)中的典型航天器，由于受到大于Imm的轨道碎片群的干扰，会具有高达5%的全寿命撞击引发故障率(through-life impact-induced probability offailure)。在常规的航天器可靠性设定中，对撞击保护的需求是重要的并要凸显该需求。在航天器(例如EURECA，LDEF，及哈勃空间望远镜)上观测到的飞行中撞击损坏数据使该需求更具说服力。 机构间空间碎片协调委员会(IADC)将空间碎片定义为“在地球轨道中或重返大气层中的无功能人造物体，包括其碎块和组件”。总的来说，有三个碎片来源与发射和航天任务相关的物体(LMR0)，爆炸和碰撞碎块，以及非碎块式碎片。目前，在众多在轨碎片中LMRO占据多数。这些物体中的大部分由维护物体及其相关轨道的编目的美国空间监视网(SSN)观测和跟踪。SSN定期监测在近地轨道中大于IOcm的物体及在地球同步轨道高度(GEO)上大于Im的物体。根据欧洲空间局空间碎片处的负责人H. Klinkrad博士所述，当通过物体类别分类时，2005年编目物体中的31. 8%是有效载荷(其中6%至7%是有源卫星)，17. 6%是已燃火箭上面级和助推器，10. 5%是与航天任务相关的物体，且剩余约39. 9%是主要来自于碎裂事件(28. 4%由上面级造成，而11.5%由卫星造成)的碎片。当根据轨道制度分类时，编目物体中的69. 2%是在高度低于2000km的近地轨道中，9. 3%是在地球同步圆环附近，9. 7%是在包括GEO转移轨道(GTO)的高偏心轨道(HEO)上，3. 9%是在LEO与GEO之间的中地球轨道(MEO)中，且近7. 8%是在GEO区域的外側。约160的小部分物体投入到地球脱离轨道中。此外，在不可跟踪的尺寸范围内，估计Imm尺寸碎片中的10%和IOcm尺寸碎片中的74%是由爆炸或碰撞的航天器和火箭主体造成的碎块。亚厘米碎片的另ー主要来源是实质上非碎裂。从固体燃料火箭发动机点火释放的产物是该类别的主要贡献者。在航天器与可跟踪碎片物体之间的第一次记录的碰撞发生在1996年，当Cerise卫星受到来自于十年前爆炸Ariane火箭级的碎块撞击吋。该碰撞切断了使卫星快速翻转的重力梯度稳定杆。最近，在2009年，铱(Iridium) 33卫星和过期的COSMOS 2251卫星之间的碰撞摧毁了这两个卫星，并产生了将在轨道中保留多年的数百个碎片碎块，从而増加了环绕地球的轨道中的碎片的增长量。幸运的是，由于地球轨道中的可跟踪物体(包括碎片)的数量仍然较小(即、截止至2009年7月，大约15000编目物体)，这种戏剧性事件很稀少。然而，对于较小的、不可跟踪的碎片却不是如此。据估计，数千万毫米尺寸的碎片绕地球作轨道运行，因此，这些物体撞击航天器的可能性较高。证据证实航天器经常受到小尺寸碎片和流星体的撞击。对例如航天飞机和国际空间站(ISS)的载人航天器以及例如EURECA，LDEF,及哈勃空间望远镜(HST)的不载人航天器的表面的检查掲示了各种撞击损坏。在这些航天器的外表面上以及其外部安装装备上观测到坑和洞。对航天器撞击的后果取决于撞击物的特性(例如质量和速度)、撞击的位置以及航天器的设计。因此，可以预料各种损坏效果，从可忽略不计的到航天任务终止的。流星体会以l-72km/s范围内的速度撞击航天器。对于轨道碎片，在近地轨道(LEO)中的撞击速度会高达16km/s，然而在GEO上，相対速度低于lkm/s。这些速度，可以近似方式使撞击物尺寸与损坏效果相关。例如，Imm尺寸的碎片颗粒会产生直径大至Icm的坑或洞，且具有足够的能量以穿透典型的航天器夹心板或外部装备。来自Icm颗粒的损坏会穿透深入不载人航天器的内部，导致大范围的内部损坏和航天任务的潜在损失。即使载人航天器上的专用多层防护物也只能抵御Icm的颗粒。IOcm的碎片撞击物最有可能造成航天器的损毁。典型的航天器面板，防护物以及例如电气盒、电线、电池、太阳能电池和推进剂箱的装备零件的撞击响应由其弾道性能经实验量化。重要的參数是弾道限度，其是当撞击结构时故障发生的阈值。对于给定的撞击速度，这是使结构故障所需的颗粒的最小尺寸，其中故障通常定义为穿透。此外，对于给定的颗粒尺寸，这是使颗粒穿透结构所要求的速度。总的来说，有两种不同且有区别的方法可考虑用于降低航天器的撞击易损性1)根据装备的布局修改其结构，或2)增加防护。已知，一种对不载人航天器增强保护的方法是增加多层防护块至蜂窝板和多层绝缘(MLI)。经证明，这可以使弾道限度从约0. 7mm増加至Imm以上。虽然这种改进是有用的，但是即使采用这种形式的增强，航天器的故障率仍然相当高(几个百分点)。目前，多层防护物是抵御尺寸大至I厘米的颗粒最有效的防护。一个例子是填充式Whipple防护物。现有技术中已知的这种类型的撞击防护物如图I所示，其中牺牲撞击物干扰层(sacrificialimpactor disrupting layer)101设置在主间_层102的上方。这种配置保持在盖104和基体105之间，并固定至航天器结构103。使撞击云(impact cloud)消散的位于干扰层与航天器结构之间的间隔由间隔层102表示。其他已知的装置包括在WO 00/35753中公开的装置，其中记载了多层超高速撞击防护物。这些防护物体积庞大且重量费用大，而且通常用于载人航天器上。航天器可分为载人航天器或不载人航天器。载人航天任务的损失风险证明需提供大范围的防护。目前，很少有乘载宇航员的航天器。在地球轨道中，绝大多数的航天器是不载人航天器。这些不载人航天器可根据其功能分类；通信卫星是尤为常见的，且通常用于从地球表面上的一个点向另ー个点中继无线信号。地球观测卫星也是常见类型的航天器，且出于以下种种理由对地球的陆地、海洋和大气层进行观测，包括科学研究、资源监测和管理、气象(即、用干天气预报)、大地測量、及侦察和预警(用于军事和情报目的)。导航卫星的数目在过去的二十年中显著增长。这使得能对地球上的任何位置进行測定。另ー种对航天器分类的方式是根据它们的质量。这是有用的，因为卫星的尺寸直接与其发射的成本有夫。卫星质量范围从非常小(小于0. Ikg)到非常大(大于1000kg)。不载人航天器上的问题是对于空间碎片损失航天任务的风险与提供高水平防护在重量方面的成本之间的平衡。由于航天器上的各子系统的质量受到仔细控制，因此任何额外的质量，例如防护，必须合理。由于其运行利益和独特的性质，GEO和LEO区域被认为是关于空间碎片的保护区域，以确保其安全和将来的可持续使用。由IADC定义的GEO保护区是具有以下特征的球壳段 a)下高度=地球同步高度减去200km, b)上高度=地球同步高度加上200km，且 c)纬度区段=南纬15°<纬度<北纬15°， 其中，地球同步高度约35786km，即、具有6378km赤道半径的球形地球上方的地本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.12.07 GB 0921427.11.一种航天器的碎片防护设备，包括 包含用于阻碍入射的碎片的防护表面的防护单元， 用于将所述防护単元安装至航天器主体的安装装置，及 用于使所述防护単元相对于所述航天器主体定位的驱动设备， 其中，所述驱动设备能使所述防护単元在第一收起位置和第二展开位置之间运动，且在所述第二展开位置中所述防护表面的平面相对于所述航天器主体呈ー角度。2.根据权利要求I所述的碎片防护设备，其特征在于，取决于入射的碎片流的入射的峰值期望角或平均期望角选择防护物与所述航天器之间的所述角度。3.根据前述权利要求I至2中的任一项所述的碎片防护设备，其特征在于，所述防护单元的边缘连接至所述安装装置。4.根据权利要求I或2所述的碎片防护设备，其特征在于，所述防护単元的面连接至所述安装装置。5.根据权利要求3或4所述的碎片防护设备，其特征在于，所述防护単元通过可驱动接头，例如铰链，连接至所述安装装置。6.根据权利要求3或4所述的碎片防护设备，其特征在干，所述防护単元通过离开机构，例如杆，连接至所述安装装置。7.根据权利要求6所述的碎片防护设备，其特征在干，所述离开机构具有可驱动端部接头。8.根据前述权利要求I至7中的任一项所述的碎片防护设备，其特征在于，所述防护单元由防护材料制成的多个防护层形成。9.根据权利要求8所述的碎片防护设备，其特征在干，所述防护层彼此枢转连接并枢转连接至驱动装置，以通过所述驱动装置使所述防护层展开至第三位置，从而进一步增加所述防护単元的表面积以提供増加的大气阻力和/或碎片清扫。10.根据权利要求9所述的碎片防护设备，其特征在于，所述驱动装置与用于驱动所述防护单元的驱动设备相同。11.根据权利要求9所述的碎片防护设备，其特征在于，对各防护层提供単独的驱动装置。12.根据权利要求8至11中的任一项所述的碎片防护设备，其特征在于，所述多个防护层包括连接至所述安装装置的第一防护层。13.根据权利要求12所述的碎片防护设备，其特征在于，所述第一防护层的边缘连接至所述安装装置。14.根据权利要求12所述的碎片防护设备，其特征在于，所述第一防护层的面连接至所述安装装置。15.根据权利要求13或14所述的碎片防护设备，其特征在于，所述第一防护层通过可驱动接头，例如铰链，连接至所述安装装置。16.根据权利要求13或14所述的碎片防护设备，其特征在于，所述第一防护层通过离开机构，例如杆，连接至所述安装装置。17.根据权利要求16所述的碎片防护设备，其特征在于，所述离开机构具有可驱动端部接头。18.根据权利要求8至17中的任一项所述的碎片防护设备，其特征在干，附加防护层枢转连接至所述第一防护层。19.根据权利要求18所述的碎片防护设备，其特征在于，各所述附加防护层的边缘通过铰链连接至所述第一防护层。20.根据权利要求18或19所述的碎片防护设备，其特征在于，所述附加防护层以后续的防护层连接至在前的防护层的配置连接至所述第一防护层。21.根据权利要求18至20中的任一项所述的碎片防护设备，其特征在于，各所述附加防护层通过具有垂直于所述防护表面的旋转轴的枢轴连接至所述第一防护层。22.根据前述权利要求I至21中的任一项所述的碎片防护设备，其特征在于，各所述防护层的材料从所列的Nextel、Kevlar、贝塔布、Spectra、CFRP> GFRP和招中选择。23.根据前述权利要求I至22中的任一项所述的碎片防护设备，其特征在于，所述驱动设备是电动马达。24.根据前述权利要求I至23中的任一项所述的碎片防护设备，其特征在于，所述驱动设备是具有受控闩的弾性元件。...
【专利技术属性】
技术研发人员：海德利·史多克斯，
申请(专利权)人：PHS航天有限公司，
类型：发明
国别省市：
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