面向太空碎片的自动磁控收集系统及方法

本发明主要涉及到太空碎片收集，尤其是一种面向太空碎片的自动磁控收集系统及方法。

背景技术：

1、空间碎片已逐渐成为在轨运行航天器遂行任务的现实威胁，各航天组织正大力发展相关碎片清理手段。空间碎片因人类航天活动产生，亦聚集于航天器热门轨道及区域。空间碎片数量众多且逐年递增，基于“凯斯勒综合征”估计，低轨碎片以超过10％的比例逐年增加，碎片撞击概率越来越大且已成为新碎片生成的主要模式。空间碎片撞击危害极大，等效尺寸≥10cm的碎片撞击足以摧毁航天器、等效尺寸处于1～10cm的碎片撞击可破坏航天器热控等、等效尺寸处于1～10mm的碎片撞击能损伤部件。

2、面向空间碎片清除，正开展研究与设计的太空碎片清理技术包括机械臂抓捕、绳网捕获、飞叉贯穿、激光烧蚀(将大碎片烧蚀为小碎片以降低撞击危害)等，主要针对大尺寸可探测碎片，对数量巨大且航天器防护较困难的等效尺寸cm量级碎片应对不足；此外，现有机械臂抓捕、绳网捕获、飞叉贯穿等大碎片清理技术仍存在一些不足，主要体现为：

3、(1)全流程的交会逼近任务剖面需求，效费比低；

4、面向特定大尺寸碎片，操控航天器进行太空碎片清理需经历大范围轨道机动交会、近距离逼近与绕飞、相对运动同步、发射载荷操控等全流程，消耗大量推进剂，效费比低，操控航天器服务能力的可持续性不强，仅能应对特定的、极少数的太空碎片清理。

5、(2)高精度的相对位姿测量需求，闭环操控复杂度高；

6、现有机械臂抓捕、绳网捕获、飞叉贯穿等大碎片清理技术均需操控航天器将操控载荷(机械臂、绳网、飞叉等)输送至太空碎片特定位置或空间，输送精度对后续操控的成功率与效率至关重要；此外，机械臂抓捕需要针对特定目标结构、绳网捕获需要完成后续收口及裸露碎片处置、飞叉贯穿需要高精度瞄准且存在产生次级碎片风险等，闭环操控的复杂度高。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种面向太空碎片的自动磁控收集系统及方法。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、本发明提供一种面向太空碎片的自动磁控收集系统，包括操控航天器以及安装在操控航天器上的碎片收集器；所述碎片收集器包括碎片容器以及设置在碎片容器入口侧的磁控吸尘器，所述磁控吸尘器包括至少一个旋转磁控阵列，旋转磁控阵列包括多个呈阵列排布的基于永磁体的旋转磁偶极子，同一旋转磁控阵列中，相邻旋转磁偶极子的旋转方向相反，各旋转磁偶极子的旋转速度可控。

4、进一步地，本发明所述磁控吸尘器包括上下对称设置的两个旋转磁控阵列，分别为第一旋转磁控阵列和第二旋转磁控阵列，第一旋转磁控阵列中的旋转磁偶极子阵列分布在同一平面上，第二旋转磁控阵列中的旋转磁偶极子阵列分布在同一平面上。

5、进一步地，本发明所述碎片容器的容器入口设置在第一旋转磁控阵列和第二旋转磁控阵列构成的立方体的左右侧，分别左容器入口和右容器入口；

6、空间碎片在第一旋转磁控阵列和第二旋转磁控阵列的作用下，从上、下方向进入第一旋转磁控阵列和第二旋转磁控阵列之间，随机从左容器入口和右容器入口进入碎片容器。

7、进一步地，本发明所述第一旋转磁控阵列、第二选择磁控阵列均包括四个旋转磁偶极子。

8、进一步地，本发明所述旋转磁控阵列中，设相邻旋转磁偶极子之间的距离均为2l，单个旋转磁偶极子的作用球半径为ra，则l小于等于ra。

9、进一步地，本发明所述旋转磁控阵列中，相邻旋转磁偶极子之间的距离2l等于单个旋转磁偶极子的作用球半径ra时，沿轨磁控的两相邻旋转磁偶极子的耦合空间最大。两相邻旋转磁偶极子的耦合空间大则两相邻旋转磁偶极子的吸收域空间大。

10、另一方面，本发明提供一种面向太空碎片的自动磁控收集方法，利用上述任一种面向太空碎片的自动磁控收集系统中的旋转磁控阵列，在旋转磁控阵列周围空间营造时变主控磁场，时变主控磁场作用于太空碎片并在太空碎片表面诱导出涡流分布进而产生次级磁场，次级磁场与时变主控磁场作用产生太空碎片沿轨收集所需磁力/力矩，将太空碎片自动沿轨收集。

11、太空碎片由航天任务产生，其材料基本具备导体特性，为利用磁控技术进行碎片收集提供了可行性及便利性。由法拉第电磁感应定律可知，时变磁场在位于其中的导体表面(趋肤效应)会产生闭环涡流分布，闭环涡流进而产生次级磁场；次级磁场与时变磁场间作用产生磁力/力矩，可用于操控相应依附模块间相对运动。基于此，并借鉴现有“吸尘器”自动吸尘原理，瞄准航天器沿轨收集太空碎片场景，本发明提供一种面向太空碎片的自动磁控收集系统及方法，通过磁控及旋转磁控阵列(包括永磁体物性参数、旋转方向及速度、阵列拓扑等)设计，使其产生可自动吸引及收集周围空间非磁导体碎片进入碎片收集器中的碎片容器，达到沿轨碎片清理目的。该控收集系统及方法具有自动沿轨收集、不消耗推进剂、无需相对位姿测量与闭环操控、对空间碎片构型/尺寸/物性参数要求低等优势，在太空碎片清理的商业化服务研究领域具有广阔应用前景与可观收益。

技术特征：

1.一种面向太空碎片的自动磁控收集系统，其特征在于：包括操控航天器以及安装在操控航天器上的碎片收集器；所述碎片收集器包括碎片容器以及设置在碎片容器入口侧的磁控吸尘器，所述磁控吸尘器包括至少一个旋转磁控阵列，旋转磁控阵列包括多个呈阵列排布的基于永磁体的旋转磁偶极子，同一旋转磁控阵列中，相邻旋转磁偶极子的旋转方向相反，各旋转磁偶极子的旋转速度可控。

2.根据权利要求1所述的面向太空碎片的自动磁控收集系统，其特征在于：所述磁控吸尘器包括上下对称设置的两个旋转磁控阵列，分别为第一旋转磁控阵列和第二旋转磁控阵列，第一旋转磁控阵列中的旋转磁偶极子阵列分布在同一平面上，第二旋转磁控阵列中的旋转磁偶极子阵列分布在同一平面上。

3.根据权利要求2所述的面向太空碎片的自动磁控收集系统，其特征在于：所述碎片容器的容器入口设置在第一旋转磁控阵列和第二旋转磁控阵列构成的立方体的左右侧，分别左容器入口和右容器入口；

4.根据权利要求3所述的面向太空碎片的自动磁控收集系统，其特征在于：所述第一旋转磁控阵列、第二选择磁控阵列均包括四个旋转磁偶极子。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的面向太空碎片的自动磁控收集系统，其特征在于：所述旋转磁控阵列中，设相邻旋转磁偶极子之间的距离均为2l，单个旋转磁偶极子的作用球半径为ra，则l小于等于ra。

6.根据权利要5所述的面向太空碎片的自动磁控收集系统，其特征在于：所述旋转磁控阵列中，相邻旋转磁偶极子之间的距离2l等于单个旋转磁偶极子的作用球半径ra时，沿轨磁控的两相邻旋转磁偶极子的耦合空间最大。

7.一种面向太空碎片的自动磁控收集方法，其特征在于：利用如权利要求1或2或3或4或6所述的面向太空碎片的自动磁控收集系统中的旋转磁控阵列，在旋转磁控阵列周围空间营造时变主控磁场，时变主控磁场作用于太空碎片并在太空碎片表面诱导出涡流分布进而产生次级磁场，次级磁场与时变主控磁场作用产生太空碎片沿轨收集所需磁力/力矩，将太空碎片自动沿轨收集。

8.根据权利要求7所述的面向太空碎片的自动磁控收集方法，其特征在于：所述旋转磁控阵列中单个旋转磁偶极子的磁矩选择以及单个旋转磁偶极子的作用球半径的确定方法，如下：

9.根据权利要求8所述的面向太空碎片的自动磁控收集方法，其特征在于：还包括通过调控旋转磁控阵列中旋转磁偶极子磁矩μ及旋转速度ω，进而控制空间碎片进入碎片容器的速度。

10.根据权利要求9所述的面向太空碎片的自动磁控收集方法，其特征在于：对旋转磁偶极子磁矩μ及旋转速度ω的优化策略，如下：

技术总结
一种面向太空碎片的自动磁控收集系统及方法，包括操控航天器以及碎片收集器；碎片收集器包括碎片容器以及设置在碎片容器入口侧的磁控吸尘器，磁控吸尘器包括至少一个旋转磁控阵列，旋转磁控阵列包括多个呈阵列排布的基于永磁体的旋转磁偶极子，同一旋转磁控阵列中，相邻旋转磁偶极子的旋转方向相反，各旋转磁偶极子的旋转速度可控。利用旋转磁控阵列在其周围空间营造时变主控磁场，时变主控磁场作用于太空碎片并在太空碎片表面诱导出涡流分布进而产生次级磁场，次级磁场与时变主控磁场作用产生太空碎片沿轨收集所需磁力/力矩，将太空碎片自动沿轨收集。本发明自动沿轨收集、对空间碎片构型等参数要求低、无需相对位姿测量及闭环控制。

技术研发人员：张元文,马天,杨乐平,朱彦伟,黄涣,揭锦亮,甄明
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15