空间碎片移除的关键技术分析与建议

面向空间碎片的严重威胁,分析了空间碎片移除技术发展的必要性和紧迫性,详细梳理了国内外空间碎片移除的主要技术手段,包括推移离轨、增阻离轨、抓捕离轨3类。推移离轨利用激光、离子束、太阳辐射等能量束作用于空间碎片,产生特定力的作用,使其离开原来的轨道,达到移除的目的。增阻离轨通过增加碎片的飞行阻力,降低碎片轨道高度,进而缩短碎片轨道寿命,使其在规定的时间内离轨再入大气。抓捕移除通过任务飞行器与空间碎片直接物理接触的方式来移除碎片。在此基础上,对比分析了各种移除手段的可行性,并针对几种近期可行的移除手段,分析了其涉及的关键技术问题,并提出了空间碎片移除技术的后续发展建议。     

电动力系绳离轨系统关键技术简析

空间碎片引起的恶劣空间环境迫使人们研究低成本、高效率的离轨技术。文章对低地球轨道空间碎片清除技术之一——电动力系绳离轨技术的研究进行综述,首先介绍电动力系绳离轨系统的国内外研究现状,然后描述系统的动力学与控制的研究内容,预测系统离轨时间,详述系统离轨装置设计内容,最后对电动力系绳离轨系统未来的发展以及重点、难点做出展望。     

Al_2O_3纤维在空间充气式气动阻尼结构中的应用

文章分析了空间充气式气动阻尼结构(IADS)柔性热防护系统(TPS)的性能、特点和结构,及Al2O3纤维的性能,通过介绍美国充气式气球伞、充气式回收飞行器、充气阻尼式再入飞行器的TPS,对Al2O3纤维在IADS中的应用前景进行了展望。     

充气式进入减速技术的发展

充气式进入减速系统适用于高超声速下飞行器的进入减速、可折叠展开,集成了气动热防护、气动减速和着陆缓冲等多项功能于一体,将成为航天器进入或再入返回的主要技术途径。文章首先归纳了数十年来充气式进入减速系统发展出的主要构型,简述了其主要性能特点;之后以几个典型项目为例,介绍了国际上充气式进入减速系统的发展情况。文章针对充气式进入减速系统最为重要的组成部分——充气展开柔性结构归纳了多场耦合及气动优化设计、轻质柔性耐高温材料、折叠包装与充气展开等关键技术。最后,对充气式进入减速系统的发展情况进行了小结,提出了应用展望。     

空间站充气式下载系统的概念研究

空间站充气式下载系统 (IDS)是在俄罗斯充气式再入与降落技术 (IRDT)基础上发展起来的一种新概念航天回收技术。详细介绍了IDS基本概念和工作原理 ,通过与传统降落伞回收方式的比较 ,总结了该技术的特点。讨论了该技术对结构、轨道、气动力、气动热、热防护层等关键子系统的设计需求。归纳了国外研究现状及发展趋势 ,分析了航天和军事领域的应用前景。     

空间站充气式下载系统的概念研究

空间站充气式下载系统(IDS)是在俄罗斯充气式再入与降落技术(IRDT)基础上发展起来的一种新概念航天回收技术。详细介绍了IDS基本概念和工作原理，通过与传统降落伞回收方式的比较．总结了该技术的特点。讨论了该技术对结构、轨道、气动力、气动热、热防护层等关键子系统的设计需求。归纳了国外研究现状及发展趋势，分析了航天和军事领域的应用前景。     

充气式再入航天器总体方案及关键技术初探

充气式再入航天器是一种新型的再入航天器,可实现载人航天和行星探测任务中的行星大气再入,具有系统简单、质量小、气动加热低和可适应不同外形的再入载荷等优点。文章介绍了充气式再入航天器的国际发展现状,并对充气式再入航天器的总体方案进行了初步分析。参考俄罗斯的充气再入与降落技术(inflatable re-entry and descent technology,IRDT)设计先例,提出了充气式再入航天器的构型方案,并针对该构型进行了基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的气动力和热仿真分析。计算采用了迎风格式的层流模型,基于密度进行求解。文章还基于国际空间站的运行轨道,开展了再入轨道的设计,最后对再入气动特性分析、柔性热防护材料、布局与折叠包装和充气机构设计等关键技术提出了初步建议。     

长征四号乙/丙运载火箭末级空间碎片减缓技术研究与应用

为有效减少空间碎片的产生,避免空间碎片危及空间活动和航天器安全,保护空间环境,对长征四号乙/丙(CZ-4B/4C)运载火箭末级空间碎片减缓技术及应用进行了研究。基于国际上对运载火箭末级空间碎片减缓的钝化和离轨等基本要求,确定了CZ-4B/4C运载火箭末级的钝化和离轨技术。给出了改进后的剩余推进剂排放方案。介绍了其中推进剂管理、排放程序优化设计、推进剂排放污染分析、全系统地面冷流试验、排放程序兼顾离轨,以及高压气体释放等关键技术。对CZ-4B/4C运载火箭28次LEO轨道发射任务事后的末级离轨效果统计表明:末级留轨近地点高度平均下降约200km,留轨寿命降低约70%,采取的末级钝化措施在LEO任务中的离轨效果明显。讨论了CZ-4B/4C运载火箭末级留轨时间控制中后续三级发动机二次点火离轨、三级发动机三次点火离轨和姿控正推推力器离轨等主动离轨方法发展及其关键技术。研究对推动我国运载火箭空间碎片减缓的发展有重要参考价值。     

电动系绳离轨装置的设计与分析

电动系绳离轨效果显著,无需消耗推进剂,是处理LEO(低地球轨道)废弃航天器的有效手段。文章介绍了利用电动系绳进行离轨的原理,提出了电动系绳离轨装置所需的硬件及其设计要求;给出了电动系绳离轨装置的控制策略和工作过程,并利用系绳运动方程对电动系绳离轨的效能进行了分析。结果显示,利用电动系绳可以大大减小离轨的面积时间积。     

立方体卫星制动帆装置离轨时间分析

为了避免立方体卫星(CubeSat)失效后成为空间碎片,在立方体卫星寿命末期应采用低成本制动帆装置使其快速脱离轨道,从而减少对低地球轨道(LEO)航天器碰撞和损坏的威胁。文章建立了立方体卫星离轨的数学模型,得到立方体卫星离轨时间的影响因素分别为立方体卫星面质比、轨道高度和发射日期。应用实例仿真分析上述3种影响因素对离轨时间的影响,结果表明:随着立方体卫星面质比的增加,离轨时间不断减少;轨道高度越高,离轨时间越长;发射日期不同,离轨时间也存在较大的差异,在太阳活动峰年时离轨时间短,在太阳活动低年时离轨时间长。根据分析结果,对于3U立方体卫星而言,制动帆面积可设计为4m~2。     

PW-Sat2立方星离轨帆研制及在轨验证

针对当前的空间碎片减缓要求,轻小型、模块化、通用化离轨装置的研发成为研究热点。其中薄膜帆离轨装置具有成本低、质量小、发射体积小、面质比大等优点。文章以波兰PW-Sat2立方星离轨帆为例,总结其研制、试验过程,特别是对于帆面和非火工锁紧/释放机构;分析其在轨实验期间的离轨效能和故障模式,并提出可靠性提升方案,以期为我国后续离轨帆产品的研制提供参考。     

绳系拖曳离轨模型及脉冲喷气控制策略的可行性

在空间绳网的绳系组合体拖曳变轨运动控制中,系绳张力控制策略需要有一套卷扬机构及张力检测控制装置,将增加机构的质量、复杂度和成本,并降低操作可靠性。提出仅利用拖船飞行器上的三轴正交喷嘴控制策略,可同时实现拖曳离轨中的相对运动控制和系统质心的轨道控制,而系绳张力只作为约束,推导了组合体拖曳离轨的三维空间运动动力学模型,给出了一种准霍曼拖曳离轨控制方法,完成了同步轨道废弃目标拖曳离轨方案的初步可行性仿真验证,并给出了拖曳过程的喷气力、燃料消耗量指标,可供空间绳网研究参考。     

气动增压空间推进系统及相关技术试验研究

简要介绍了气动增压空间推进系统方案及组成,开展了基于气动增压原理的新型发动机技术试验研究,重点分析了气动增压空间推进相关技术试验结果和系统性能。结果表明,气动增压空间推进系统同时具备多次起动和高室压的优点,相关技术得到了验证。     

接触电阻对电动力缆绳离轨特性的影响

使用电动力缆绳系统离轨卫星的关键之一是缆绳系统与空间等离子体之间的相互作用,因此,有必要研究电动力缆绳系统与空间等离子体之间的接触电阻对电动力缆绳离轨特性的影响。首先针对一类电动力缆绳离轨系统分析了回路中的电阻类型,然后利用TSS-1R卫星的电流-电压关系建立了电动力缆绳离轨系统末端球形收集器与空间等离子体之间的接触电阻的计算公式,并在十三阶精确地磁场模型和国际参考电离层1990模型下,利用轨道六要素法分析了该接触电阻对卫星离轨时间、轨道高度和轨道半长轴的影响。分析和仿真结果表明对于所给电动力缆绳离轨系统和参数,接触电阻对电动力缆绳离轨特性的影响是很大的。     

离轨薄膜帆帆面材料原子氧侵蚀的数值模拟研究

用于空间碎片减缓的增阻离轨薄膜帆在离轨过程中,帆面材料要长期暴露在较为恶劣的空间环境中,在低地轨道,原子氧对帆面薄膜材料的侵蚀最为严重。离轨帆帆面轻薄,对缺陷敏感,帆面材料为双面镀铝的聚酰亚胺或聚酯薄膜,帆面厚度几微米,镀层厚度几百纳米。为了合理的评估离轨薄膜帆帆面材料的寿命,本文基于对帆面孔隙、裂纹、折痕等缺陷的试验表征结果,采用蒙特卡洛数值模拟方法,分析不同缺陷尺度下原子氧对帆面材料的掏蚀情况。由于离轨帆帆面在叠收拢以及发射过程中均不可避免地会产生较为密集的缺陷,缺陷密度与薄膜膜厚具有可比性,因此重点研究了帆面薄膜材料的原子氧掏蚀缺陷密度效应。离轨帆从750km轨道经历38个月时间的离轨过程中,经历原子氧累积通量约为4.67E20atoms/cm2。帆面500nm和1μm宽度缺陷在原子氧掏蚀作用下破坏深度约1.2μm和1.4μm,宽度约为600nm和1.1μm。通过将仿真结果与NASA的长期暴露试验结果进行比对,验证了模型的有效性。该模型可为离轨帆寿命评估提供初步的理论依据。     

充气式再入减速器研究最新进展

随着载人航天事业和行星探索任务的不断发展,再入返回运载工具受到运载火箭整流罩的大小限制越来越明显。针对降低返回系统重量以增加有效载荷的日益需求,一种新型充气式再入减速器成为国际上研究的热点。它具有易折叠包装、重量轻、展开阻力面积大,再入时弹道系数低和产生的气动热量小等明显优点,为航天员应急返回、深空探测以及有效载荷的回收提供了一种新的技术途径。重点对堆叠圆环型、单充气环薄膜型和双层锥形充气囊型等三种充气式再入减速器在结构设计、飞行测试、材料防热研究、气动特性仿真分析等方面的最近研究进展进行总述,并对充气式再入减速器的关键科学问题进行简要总结。     

基于电动力绳系的航天器离轨方式初步研究

为寻找适合近地轨道上使用的航天器离轨技术,文章对目前各种离轨策略的基本原理及优缺点作了分析与对比,重点对电动力绳系离轨装置进行了深入研究,建立了数学模型,推导出离轨时间预估公式,对离轨的过程进行了数学仿真,结果证实电动力阻力能使近地轨道上航天器的轨道高度迅速降低,电动力绳系离轨策略具有很高的工程实用性。     

气动增压器技术及其在空间推进系统的应用

液体火箭发动机用气动增压器技术在航天器推进系统中的应用,产生了一种全新的推进系统一气动增压式推进系统。介绍了气动增压器技术,分析了气动增压器技术应用于空间推进系统的优势和关键技术,并展望了应用前景。     

充气式空间可展开天线结构概述

充气式空间可展开结构是国外空间结构领域研究的热点之一。当前,充气天线是充气式空间可展开结构研究的重点和主要应用方向。文章首先概述了充气天线的结构特点以及应用前景,然后介绍了充气天线的国外研究情况,最后对充气天线涉及的充气薄膜材料技术、充气薄膜材料硬化技术、充气和展开技术、型面精度的摄影测量方法、充气天线制造技术以及结构设计与分析技术等关键技术进行了分析。     

立方星辅助离轨空气阻力帆技术研究进展

目前大量的在轨立方星服役结束后会成为长期滞留的空间碎片,影响空间环境安全,因此亟需发展适用于立方星的快速离轨技术。研究表明,空气阻力帆技术适用于辅助近地轨道的立方星离轨,其主要通过展开一面积较大的帆膜,从而增大立方星所受的稀薄大气阻力来加速立方星的离轨。文章对用于立方星辅助离轨的可展开空气阻力帆技术的国内外研究现状、结构设计中的关键技术以及有关空间环境效应模拟试验分别进行阐述分析,并提出未来发展方向。