一种飞轮烧蚀太空推进器及太空碎片清理平台

摘要

本发明公开了一种飞轮烧蚀太空推进器及太空碎片清理平台，利用太空碎片制作储能飞轮，由太阳能驱动高速电机带动储能飞轮高速旋转，使储能飞轮获得动能，相切布置的两只储能飞轮连接脉冲电源，相切处产生电火花电弧，产生的高温使飞轮外缘金属熔化、气化，飞轮物质脱离飞轮在惯性和气化压力下高速喷射，从而获得推力。本发明将太空碎片转变为推进物质，并在产生推力的同时飞轮物质被电火花粉碎，变为细小的微粒，不再对航天器产生危害，具有太空碎片粉碎简单高效、总体积重量小、推力范围大、推力精确可控、可在轨长期工作的技术特点。

说明书

技术领域

本发明属于太空垃圾清理技术领域，尤其涉及一种飞轮烧蚀太空推进器及太空碎片清理平台。

背景技术

地球近地轨道和同步轨道上有数千吨太空垃圾碎片，这会对空间飞行器的安全构成威胁，清理太空碎片刻不容缓。太空碎片清理技术被列入2020中国宇航领域十大技术难题，急需一种高效推进装置用于对太空碎片进行清理。

大部分碎片是航天器解体后形成的，采用的都是航天器最常用的材料，如铝、镁、钛等轻合金，可以作为新型推进的工质来源。目前太空碎片清理主要靠推进装置把碎片推入大气层烧毁或推离工作轨道，但是会耗费大量的推进剂，而一些机构已在研究利用太空碎片制作金属粉末高速抛射产生推力的方法，以节约常规推进剂的方法，但制取粉末和加速粉末的装置较复杂，重量较重。例如由太空碎片制取金属粉末作为弹丸由电磁炮推进的碎片再利用的方案，其电磁炮本体和所需的高功率电源体积和重量较大，再例如太空碎片制作粉末采用静电加速喷射推进的方案，但其静电加速需要超细粉末，制取难度较大。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供了一种飞轮烧蚀太空推进器及太空碎片清理平台。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种飞轮烧蚀太空推进器，包括：高速飞轮组、脉冲电源、间隙调整装置；

高速飞轮组至少包括一对储能飞轮、以及用于驱动储能飞轮高速旋转的飞轮电机，其中，同一对储能飞轮相向旋转且轮廓之间设有放电间隙；

脉冲电源的正极与同一对储能飞轮中的一储能飞轮电连接，脉冲电源的负极与同一对储能飞轮中的另一储能飞轮电连接，用于在储能飞轮之间的放电间隙进行脉冲电弧放电烧蚀，以烧蚀产生推进所需的微粒；

间隙调整装置用于根据储能飞轮的损耗实时调整放电间隙，以维持脉冲电弧放电烧蚀所需的间隙大小。

根据本发明一实施例，间隙调整装置包括固定底座、活动底座、调节电机，固定底座与活动底座转动连接或滑动连接，其中，在同一对储能飞轮中，一储能飞轮及对应电机安装于固定底座上，另一储能飞轮及对应电机安装于活动底座上，调节电机用于调节固定底座与活动底座之间的相对位置，以调整放电间隙。

根据本发明一实施例，间隙调整装置包括导轨滑台、调节电机，其中，在同一对储能飞轮中，不同的储能飞轮安装于导轨滑台的不同滑台上，调节电机用于调节导轨滑台的滑台位置，以调整放电间隙。

根据本发明一实施例，调节电机用于根据储能飞轮之间的放电电流实时调整放电间隙。

根据本发明一实施例，沿烧蚀产生的微粒喷射方向还设有约束磁场，用于约束微粒喷射的射流发散角。

根据本发明一实施例，储能飞轮的轮面沿周向方向上开设有凹槽，在同一对储能飞轮中，两个储能飞轮之间的凹槽交错相交，形成多个渐扩喷管，渐扩喷管用于约束定向喷射烧蚀产生的微粒。

一种太空碎片清理平台，包括：太阳能发电装置、太空碎片捕捉装置、飞轮再生装置、以及如上述实施例中任意一项所述的飞轮烧蚀太空推进器；

太阳能发电装置用于收集太阳能为飞轮烧蚀太空推进器的高速飞轮组、脉冲电源提供电能，其中，高速飞轮组中的储能飞轮还用于存储能量、以及为飞轮再生装置提供电源；

太空碎片捕捉装置用于执行太空碎片捕获操作、飞轮更换操作、飞轮再生操作；

飞轮再生装置用于熔炼太空碎片铸造储能飞轮。

根据本发明一实施例，太空碎片捕捉装置为软体机械手。

根据本发明一实施例，飞轮再生装置包括电弧熔炼室、铸造模具。

本发明与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

本发明通过脉冲电源在储能飞轮之间形成脉冲电弧放电烧蚀，以产生推进所需的微粒，并通过高速旋转储能飞轮，在离心力和气化压力下产生的微粒可以高速喷射，从而获得反作用推力，其中，推进物质可在太空轨道获得，可利用太空碎片通过真空电弧熔炼，铸造制作飞轮，熔炼所使用的电能由储能飞轮提供，飞轮可通过机械手更换，能源可由太阳能光伏发电板产生，储能飞轮既是推进物质又是储能物质，飞轮作为推进物质不需专用储存容器，模型总重小，太空中的真空环境可使飞轮不受空气阻力，利于飞轮长久储能，光伏板产生的电能转化为高速飞轮动能的转化效率很高可超过百分之九十，远高于化学能推进剂化学能到动能的转化效率，另外，通过调整电源脉冲可控制每秒火花放电次数，调整推力，因此，本发明结构简洁、总重小、推力范围大、推力精确可控，可在轨长期工作，可用于空间探索和太空碎片清理。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1为本发明的一种飞轮烧蚀太空推进器的整体结构示意图；

图2为本发明的一种飞轮烧蚀太空推进器的高速飞轮组结构示意图；

图3为本发明的一种飞轮烧蚀太空推进器的高速飞轮组截面示意图；

图4为本发明的一种飞轮烧蚀太空推进器的储能飞轮轮面结构示意图；

图5为本发明的一种太空碎片清理平台的整体结构示意图。

附图标记说明：

11-储能飞轮；12-飞轮电机；21-固定底座；22-活动底座；3-太阳能发电装置；4-太空碎片捕捉装置；5-飞轮再生装置。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种飞轮烧蚀太空推进器及太空碎片清理平台作进一步详细说明。

参看图1，本申请提供一种飞轮烧蚀太空推进器，包括：高速飞轮组、脉冲电源、间隙调整装置；

高速飞轮组至少包括一对储能飞轮11、以及用于驱动储能飞轮高速旋转的飞轮电机12，其中，同一对储能飞轮11相向旋转且轮廓之间设有放电间隙；

脉冲电源的正极与同一对储能飞轮11中的一储能飞轮11电连接，脉冲电源的负极与同一对储能飞轮11中的另一储能飞轮11电连接，用于在储能飞轮之间的放电间隙进行脉冲电弧放电烧蚀，以烧蚀产生推进所需的微粒；

间隙调整装置用于根据储能飞轮11的损耗实时调整放电间隙，以维持脉冲电弧放电烧蚀所需的间隙大小。

现对本实施例进行详细说明，但不仅限于此。

本实施例用太空碎片铸造成飞轮，太阳能驱动电机加速飞轮，飞轮轮缘获得很高的线速度，可超过1千米/秒，电火花烧蚀飞轮轮缘物质，烧蚀后的飞轮物质被粉碎并高速喷射获得推力，以用于太空推进。

参看图2和图3，本实施例的高速飞轮组中至少设置一对储能飞轮、以及用于驱动储能飞轮高速旋转的飞轮电机，其中，本实施例借鉴储能飞轮结构，相向布置两只飞轮，在飞轮相切点火花放电，飞轮物质被烧蚀，被烧蚀物质由于脱离了飞轮本体约束沿切向飞出，同时受到电弧气化压力被加速，由此产生反冲推力，具体地，本实施例的储能飞轮可以采用磁悬浮高速飞轮，其比能量可达150瓦时/公斤，真空环境下飞轮轮缘速度可超过1000米/秒。

在本实施例的一种实施方式中，储能飞轮包括工质飞轮和电极飞轮两种，其中，工质飞轮和电极飞轮成对相切布置并且保留放电间隙，电极飞轮与工质飞轮间的放电间隙电弧放电，工质飞轮外缘通过电弧烧蚀飞离获得推力，而电极飞轮不消耗或很少消耗。在本实施例的另一种实施方式中，两个飞轮都可以采用工质飞轮，共同通过电弧烧蚀飞离获得推力。

参看图4，进一步优选地，本实施例储能飞轮11的轮面沿周向方向上开设有凹槽，在同一对储能飞轮11中，两个储能飞轮11之间的凹槽交错相交，形成多个渐扩喷管111，交错相交处留有放电间隙，烧蚀产生的微粒受渐扩喷管约束定向喷射，可获得高的喷射速度。另外，进一步优选地，沿烧蚀产生的微粒喷射方向还设有约束磁场，约束喷射射流发散角，提高推进效率。

本实施例的脉冲电源提供一个间隔通断的直流电压，在很短时间内(纳秒级)击穿飞轮间隙，在大电流冲击下飞轮物质被气化烧蚀，脉冲电源的开关时间和频率可以调整，通过控制脉冲电源的频率即可控制每秒放电次数，通过控制放电次数可以方便的控制烧蚀量，通过控制烧蚀量即可控制推力。

参看图1，在本实施例的一种实施方式中，本实施例的间隙调整装置可以包括固定底座21、活动底座22、调节电机，固定底座21与活动底座22转动连接或滑动连接，其中，在同一对储能飞轮11中，一储能飞轮11及对应电机安装于固定底座21上，另一储能飞轮11及对应电机安装于活动底座22上，调节电机用于调节固定底座21与活动底座22之间的相对位置，以调整放电间隙。

在本实施例的另一种实施方式中，本实施例的间隙调整装置还可以包括导轨滑台、调节电机，其中，在同一对储能飞轮中，不同的储能飞轮安装于导轨滑台的不同滑台上，调节电机用于调节导轨滑台的滑台位置，以调整放电间隙。

具体地，本实施例的调节电机可以根据储能飞轮之间的放电电流检测储能飞轮的损耗情况，并实时调整放电间隙，以维持脉冲电弧放电烧蚀所需的间隙大小。

为进一步说明本实施例的可行性，本实施例采用图1所示结构进行原理性验证，但不仅限于此。

参看图1，本实施例采用775型直流电机作为飞轮电机12，电机出轴上设置飞轮夹具，夹具用来安装和固定储能飞轮11，储能飞轮11用太空碎片的金属材料加工制作，脉冲电源采用xks-350型火花机电源，一只电机飞轮固定安装在固定底座21上，另一只电机安装到活动底座22上，通过活动底座22控制调整飞轮间隙，把装配好的成品悬吊成单摆，通过摆动幅度测量推力。具体地，参看下表记录，推力与转速成正相关说明轮缘物质线速度越高动量越大，获得的平均推力越大，推力与电流成正比说明烧蚀速度越快获得冲量越大，平均推力越大。通过数据分析可以看出提高飞轮转速可使推力快速提升，注意的是，此实验并未在真空环境下实验，若在太空真空环境下，进一步可采用磁浮电机提高飞轮转速，可使用大功率的脉冲电源获得大推力，以用于航天器推进变轨。

单摆实验测试记录

本实施例通过脉冲电源在储能飞轮之间形成脉冲电弧放电烧蚀，以产生推进所需的微粒，并通过高速旋转储能飞轮，在离心力和气化压力下产生的微粒可以高速喷射，从而获得反作用推力，其中，推进物质可在太空轨道获得，可利用太空碎片通过真空电弧熔炼，铸造制作飞轮，熔炼所使用的电能由储能飞轮提供，飞轮可通过机械手更换，能源可由太阳能光伏发电板产生，储能飞轮既是推进物质又是储能物质，飞轮作为推进物质不需专用储存容器，模型总重小，太空中的真空环境可使飞轮不受空气阻力，利于飞轮长久储能，光伏板产生的电能转化为高速飞轮动能的转化效率很高可超过百分之九十，远高于化学能推进剂化学能到动能的转化效率，另外，通过调整电源脉冲可控制每秒火花放电次数，调整推力，因此，本实施例结构简洁、总重小、推力范围大、推力精确可控，可在轨长期工作，可用于空间探索和太空碎片清理。

参看图5，本申请还提供一种基于上述实施例的太空碎片清理平台，包括：太阳能发电装置3、太空碎片捕捉装置4、飞轮再生装置5、以及如上述实施例中任意一项所述的飞轮烧蚀太空推进器；

太阳能发电装置3用于收集太阳能为飞轮烧蚀太空推进器的高速飞轮组、脉冲电源提供电能，其中，高速飞轮组中的储能飞轮还用于存储能量、以及为飞轮再生装置提供电源；

太空碎片捕捉装置4用于执行太空碎片捕获操作、飞轮更换操作、飞轮再生操作；

飞轮再生装置5用于熔炼太空碎片铸造储能飞轮。

现对本实施例进行详细说明，但不仅限于此。

本实施例的太阳能发电装置在太空中没有大气，相比地面有更强的太阳光，用光伏发电板收集太阳能，给飞轮电机和脉冲电源提供电能，同时通过储能飞轮进行能量存储，可以为飞轮再生装置提供高功率电源。

本实施例的太空碎片捕捉装置为软体机械手，设置在平台上，通过机械手完成飞轮更换，飞轮再生操作，捕获太空碎片等任务。但由于太空的特殊环境，直接采用机械手进行捕捉会产生损毁和二次污染，所以本实施例采用了软体机械手。

本实施例的飞轮再生装置包括电弧熔炼室、铸造模具，以利用太空碎片铸造飞轮，在外太空的真空环境下可省去真空获得设备和密封装置，所需高功率电源可由储能飞轮提供，熔炼的金属液体通过铸造模具制作成飞轮，也可以利用磨损到一定程度的飞轮再次利用重铸。

本实施例推进物质可在太空轨道获得，能源由太阳能光伏发电板产生，高速飞轮既是推进物质又是储能物质，飞轮作为推进物质不需专用储存容器，模型总重小，太空中的真空环境可使飞轮不受空气阻力，利于飞轮长久储能，光伏板产生的电能转化为高速飞轮动能的转化效率很高可超过百分之九十，远高于化学能推进剂化学能到动能的转化效率。本装置飞轮采用脉冲电火花烧蚀，由电能直接转换为热能，相比于激光烧蚀(电能到光能再到热能)推进，免去了电能到激光光能的转换，大幅度提高了电能到热能的转换效率。本推进方案结构简单，各零部件在其它领域已得到广泛应用，火花烧蚀工艺技术成熟度高，推进能量和推进物质都可以在外太空获得，推力范围大，推力可精确控制，有望用于空间探索和太空碎片清理。

本飞轮烧蚀推进装置模型结构简洁，总重小，推力范围大，推力精确可控有望用于空间推进，太空碎片清理装置概念设计方案各组成部分皆为成熟工艺，有望实现太空碎片资源化利用。

本实施例至少具有以下优势：

(1)本实施例可以产生推力，飞轮转速越高推力越大，火花电源功率越大推力越大，可以通过控制火花机功率控制推力；

(2)产生推力的同时飞轮物质被粉碎，粉碎结构与方式简单高效，电弧火花烧蚀相比激光烧蚀能量效率高，并且火花烧蚀电源相比激光烧蚀结构简单，重量小；

(3)储能飞轮可以作为储能元件提供高功率密度电能给脉冲电源供电，，获得高烧蚀速率，以产生大推力，同时又作为微粒的加速器，可以高速喷射微粒，以产生大推力；

(4)太空碎片清理装置所需能量和物质来源与外太空，可在轨长期工作。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。