[發明專利]一種脈沖式空間碎片粉末激光爆震發動機

有效

• 申請號: 201710777307.6
• 申請日: 2017-08-31
• 公開（公告）號: CN107605686B
• 公開（公告）日: 2019-03-29
• 發明（設計）人: 藍磊;王賢宇;寶音賀西
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: F03H1/00
• 分類號: F03H1/00;B02C17/08
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

本發明公開了一種脈沖式空間碎片粉末激光爆震發動機，屬于航天工程領域，包括一兩端開敞的主腔，主腔內沿軸向設置依次連通的初步分解器、行星式球磨器、爆震室和尾噴管，主腔側壁上分別設置有粉末存儲室、控制系統、反射聚焦部和激光發生器；粉末存儲室的兩端分別與行星式球磨器和爆震室連通；激光發生器產生的脈沖式納秒激光通過反射聚焦部射入爆震室，并與爆震室內的碎片粉末發生間歇式爆震產生高溫高壓的等離子體氣團，該等離子體氣團通過尾噴管排出；控制系統分別與初步分解器、行星式球磨器和激光發生器相連，控制整個發動機的各項動作。本發明一方面清除了空間碎片，另一方面又為航天器提供變軌調姿所需的動量。

技術領域

本發明屬于航天工程領域，特別涉及一種用于清除空間碎片，并將空間碎片轉化為航天器推進工質的脈沖式空間碎片粉末激光爆震發動機。

背景技術

空間碎片是人類航天活動的產物，其來源包括：完成任務的火箭箭體、衛星本體、火箭噴射物、執行航天任務過程中的拋棄物、空間物體之間的碰撞產生的碎塊等，是空間環境的主要污染源。以空間碎片與航天器之間的相對平均速度10km/s計算，1克空間碎片的撞擊動能相當于24克TNT炸藥的爆炸當量。因此，空間碎片對航天器的壽命和安全帶來了嚴重威脅。

目前，地面監控系統可以監測到10cm量級以上的空間碎片，其數量超過了30000個，航天器可以通過主動規避方式避免撞擊。1cm量級以下的空間碎片估計有200億個，雖然數量眾多，但是所具有的動能較小，航天器可以通過結構防護的方式抵御撞擊。處于1–10cm量級之間的空間碎片數量估計有67000個，目前地面監控系統無法監測到它們的軌道，且其動能較大，對航天器的威脅也最大。

空間碎片的主要成分是鋁合金及鋁、鋅、鈦等金屬及其氧化物，部分為航天員產生的含鈉、鉀成分的廢物及電子產品產生的含銅、銀等成分的碎片。可以簡單地將這些空間碎片按密度分為三類：高密度碎片，中密度碎片和低密度碎片。目前合理的估計：90％的空間碎片屬于中密度范疇，約有10％的空間碎片屬于高密度范疇，低密度碎片相對較少，且比較容易受大氣層作用而降軌。高密度材料主要包括Fe(7.9g/cc),Ag(10.5g/cc),Cu(8.8g/cc)。中等密度材料主要包括Al(2.8g/cc),Ti(4.5g/cc)及一些功能涂料(2.5g/cc)，其中鋁合金占了很大的比重。可以說，鋁和鈦合金占所有空間碎片組成成分的70％以上。

大部分空間碎片不會自然消失。研究表明，只有在500km軌道高度以下的空間碎片，受大氣層的作用，才可能自然返回大氣層并隕毀，這個過程也需花費數年到數十年的時間。 500km以上的空間碎片受大氣層的影響微乎其微，幾乎不可能自然降軌。NASA等航天機構擬共同制定條例，規定需對將來發射的航天器做一定的后續處理，使其在完成任務之后軌道壽命不得超過25年。這樣的措施也僅僅是減緩碎片增長的進程。由于空間碎片間的相互碰撞，自身剝離，碎片數量依然會持續增加。根據模擬計算，在接下來的一二十年里，航天器與空間碎片相撞的幾率將急劇增加，并有可能造成災難性的鏈式反應。

對于主動清除空間碎片的技術，目前主要集中于以下兩種方式，即小尺寸空間碎片的清除和大尺寸空間垃圾的捕獲。技術上可行且經濟適用的清理方法是目前研究的重點。

激光清除空間碎片的方法可分為地基激光降軌方法和天基激光降軌方法。其原理都是通過高能激光，輻射到空間碎片表面，從而使空間碎片表面汽化并以球狀蒸汽形式向后噴射，提供降軌所需的沖量。經過一段時間的積累，空間碎片主體獲得相應的速度增量，從而實現空間碎片的減速降軌，如美國的獵戶座(ORION)計劃以及歐空局的太空清理(CLEANSPACE)計劃等。由于遙感和定軌的技術限制，地基激光降軌方法只適用于大尺寸的空間碎片。天基激光器變軌和調姿過程中所需能耗，以及昂貴的制造和發射費用也是需要考慮的問題。