运载火箭及其留轨末子级的制作方法

1.本技术涉及航天技术领域，具体而言，本技术涉及一种运载火箭及其留轨末子级。


背景技术：

2.太空垃圾又称空间垃圾、空间碎片，是指太空中所有在轨的、废弃的人造物体，包括卫星等航天器解体造成的各类碎片，也包括火箭末级、弃置卫星等废弃的航天器。
3.目前在地球近地轨道上漂浮着大量的空间碎片，这些空间碎片不仅导致近地轨道异常拥挤，而且危害惊人。
4.在减少这些空间碎片对在轨航天器的威胁的各种方式中，相比于监测和预警、碰撞规避和防护等方式而言，主动清除的方式更为有效，但是现有的主动清除方式代价极大，难以普及和推广。


技术实现要素：

5.本技术针对现有方式的缺点，提出一种运载火箭及其留轨末子级，用以解决现有技术存在主动清除空间碎片的代价极大的技术问题。
6.第一个方面，本技术实施例提供了一种运载火箭的留轨末子级，包括：末子级本体，用于与运载物可分离连接；碎片捕获结构，与末子级本体连接，用于捕获空间碎片。
7.可选地，留轨末子级还包括：太阳能电源组件；太阳能电源组件与末子级本体连接；太阳能电源组件分别与末子级本体、和/或碎片捕获结构电连接。
8.可选地，太阳能电源组件包括：分别与末子级本体连接的太阳能帆板和蓄电池；太阳能帆板与蓄电池电连接，蓄电池别与末子级本体、和/或碎片捕获结构电连接。
9.可选地，碎片捕获结构包括：粘合结构层；粘合结构层位于末子级本体的至少部分表面。
10.可选地，粘合结构层包括苯醚撑硅橡胶材料。
11.可选地，末子级本体包括：本体结构、动力系统和控制系统；动力系统、控制系统和碎片捕获结构分别与本体结构连接；控制系统与动力系统信号连接。
12.可选地，末子级本体还包括：探测系统；探测系统与本体结构连接、并与控制系统信号连接。
13.可选地，探测系统包括摄像头、红外传感器、雷达中的至少一种。
14.可选地，末子级本体还包括：遥测系统；遥测系统与本体结构连接、并与控制系统通讯连接；遥测系统用于与地面控制中心、和/或太空控制中心通讯连接。
或“耦接”到另一元件时，该一个元件可以直接连接或耦接到另一元件，也可以指该一个元件和另一元件通过中间元件建立连接关系。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的术语“和/或”指该术语所限定的项目中的至少一个，例如“a和/或b”可以实现为“a”，或者实现为“b”，或者实现为“a和b”。
24.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术实施方式作进一步地详细描述。
25.首先对本技术涉及的几个名词进行介绍和解释：留轨末子级：是运载火箭的最后一级。在运载火箭的发射过程中，留轨末子级随运载物（例如：卫星）一起入轨，运载物分离后，留轨末子级也留在了轨道上，成为较大尺寸的太空垃圾。留轨末子级可以具备一定的机动能力。
26.本技术的研发思路包括：现有的主动清除空间碎片的方式，通常是专门设计、制造具有清理碎片功能的专用航天器，并将这样的专用航天器作为运载物，为其提供专用运载火箭实现单独发射、入轨的运送任务，可见代价极大。
27.本技术提供的运载火箭及其留轨末子级，旨在解决现有技术的如上技术问题。
28.下面以具体地实施例对本技术的技术方案以及本技术的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。需要指出的是，下述实施方式之间可以相互参考、借鉴或结合，对于不同实施方式中相同的术语、相似的特征以及相似的实施步骤等，不再重复描述。
29.本技术实施例提供了一种运载火箭的留轨末子级100，该留轨末子级100的结构示意图如图1所示，包括：末子级本体110和碎片捕获结构120。
30.末子级本体110用于与运载物200可分离连接。
31.碎片捕获结构120与末子级本体110连接，碎片捕获结构120用于捕获空间碎片。
32.在本实施例中，留轨末子级100中的末子级本体110在运载火箭的发射过程中实现与运载物200的有效连接，保持运载物200与运载火箭之间的相对稳固；当运载物200进入既定轨道后，末子级本体110与运载物200分离，完成运载火箭的运送任务。
33.留轨末子级100中的碎片捕获结构120，可以在末子级本体110与运载物200分离之后，实现针对空间碎片的主动清除。
34.本技术实施例提供的留轨末子级100，利用原本是太空垃圾的运载火箭的留轨末子级100，通过低成本改造，可以实现针对空间碎片的主动清除。
35.并且，不需要专门设计、制造具有清理碎片功能的专用航天器，也无需提供专用运载火箭实现单独发射、入轨的运送任务，有效提高了针对运载物200的火箭发射任务的利用率，极大地降低了主动清除空间碎片的成本，具有重大的经济效益。
36.将运载火箭的留轨末级变废为宝，不仅能有效减少单次火箭发射任务产生新的空间碎片量，还能利用每次火箭发射任务不断减少在轨空间碎片的量，为航天事业提供了环保新思路。
37.需要说明的是，本技术实施例提供的留轨末子级100完成空间碎片捕获任务之后，可以携带捕获的空间碎片主动离轨，进入大气层烧毁。
38.本技术的研发思路还包括：电能是太空作业中的重要能源，电能的储备量决定了飞行器的有效时长（包括作业时间和待机时间）。为此，本技术为留轨末子级100提供如下一种可能的实现方式：
如图2所示，本技术实施例的留轨末子级100还包括：太阳能电源组件130。
39.太阳能电源组件130与末子级本体110连接。
40.太阳能电源组件130分别与末子级本体110、和/或碎片捕获结构120电连接。
41.在本实施例中，太阳能电源组件130可以将太阳能转化为电能，为留轨末子级100解决了长期在轨的供电问题，有效延长留轨末子级100的有效时长，这样有利于提高留轨末子级100的利用率，也有利于丰富留轨末子级100对空间碎片的主动清除策略。
42.在一些可能的实施方式中，如图3所示，太阳能电源组件130包括：分别与末子级本体110连接的太阳能帆板131和蓄电池132。
43.太阳能帆板131与蓄电池132电连接，蓄电池132别与末子级本体110、和/或碎片捕获结构120电连接。
44.在本实施例中，太阳能电源组件130中的太阳能帆板131用于将太阳能转化为电能，蓄电池132用于将太阳能帆板131转化得到的电能存储下来，以备留轨末子级100运行到轨道的背阳区域（例如：地球遮挡住太阳的区域）的供电。
45.可选地，考虑到太阳能帆板131在阳光的照射下可以源源不断地转化得到电能，因此太阳能电源组件130中蓄电池132的容量可以不用设计的过大，这样有利于蓄电池132的小型化，利于减轻整个留轨末子级100的自重，降低运载火箭的发射成本。
46.本技术的研发思路还包括：空间碎片撞击卫星的平均速度可达10公里/秒，小至5厘米级大小的空间碎片足以摧毁卫星。在轨的空间碎片中，尺寸在5厘米-50厘米区间的中小型空间碎片具有相当庞大的数量，这些空间碎片同样具备较大威胁，但现有的各种清除方案中，包括机械手、飞爪、柔性飞网、“鱼叉”等抓捕手段，都是针对废弃卫星、废弃航天器等大型空间碎片，难以清理50厘米以下尺寸的中小型空间碎片，如10厘米-30厘米的中型空间碎片、尤其是5厘米-10厘米的小型空间碎片。为此，本技术为留轨末子级100提供如下一种可能的实现方式：如图4所示，本技术实施例的碎片捕获结构120包括：粘合结构层121。粘合结构层121位于末子级本体110的至少部分表面。
47.在本实施例中，留轨末子级100的碎片捕获结构120采用位于末子级本体110的至少部分表面的粘合结构层121，利用粘合结构层121的粘结特性捕获空间碎片，这样有利于捕获尺寸在5厘米-50厘米区间的中小型空间碎片。
48.在一些可能的实施方式中，粘合结构层121包括苯醚撑硅橡胶材料。
49.本技术的研发思路还包括：本技术前述任一实施例提供的留轨末子级100都需要具备一定的机动性。为此，本技术为留轨末子级100提供如下一种可能的实现方式：如图5所示，本技术实施例的末子级本体110包括：本体结构111、动力系统112和控制系统113。
50.动力系统112、控制系统113和碎片捕获结构120分别与本体结构111连接。
51.控制系统113与动力系统112信号连接。
52.在本实施例中，末子级本体110中的本体结构111是留轨末子级100的骨架，是动力系统112、控制系统113等其他组件的安装基础。可以理解的是，留轨末子级100中的碎片捕获结构120连接于末子级本体110的本体结构111，运载物200也可以与末子级本体110的本体结构111可分离连接。
53.末子级本体110中的动力系统112为留轨末子级100提供机动性，该动力系统112可以采用现有航天器的惯用驱动方式，如喷射高速气体、点火等，在此不赘述。
54.末子级本体110中的控制系统113可以控制留轨末子级100执行空间碎片捕获任务，具体地，控制系统113可以控制动力系统112以指定方式工作，以驱动留轨末子级100抵近待捕获的空间碎片。可以理解的是，控制系统113内可以存储用于控制留轨末子级100执行空间碎片捕获任务的计算机程序。
55.在一些可能的实施方式中，如图6所示，末子级本体110还包括：探测系统114。探测系统114与本体结构111连接、并与控制系统113信号连接。
56.在本实施例中，末子级本体110中的探测系统114可以实现对留轨末子级100周围空间碎片的探测，为控制系统113提供附近空间碎片的例如位置、距离、相对速度等参考信息，即为留轨末子级100提供感知空间碎片的能力，以利于提高留轨末子级100执行空间碎片捕获任务的精度。
57.可选地，探测系统114包括摄像头、红外传感器、雷达中的至少一种。
58.在另一些可能的实施方式中，如图6所示，末子级本体110还包括：遥测系统115。
59.遥测系统115与本体结构111连接、并与控制系统113通讯连接。
60.遥测系统115用于与地面控制中心、和/或太空控制中心通讯连接。
61.在本实施例中，遥测系统115可以在留轨末子级100执行空间碎片捕获任务的过程中监测飞行中的各种数据，为控制系统113提供控制参考依据，或向地面控制中心和太空控制中心中的至少一个控制中心反馈。遥测系统115还可以接收来自地面控制中心和太空控制中心中的至少一个控制中心的控制指令，从而实现遥控作业、或更新控制系统113的运行程序，有利于提高空间碎片捕获任务的正确性和多样性。
62.基于同一发明构思，本技术实施例提供了一种运载火箭，该运载火箭包括：如上述任一实施例提供的运载火箭的留轨末子级100。
63.在本实施例中，由于运载火箭包括了前述实施例提供的任一种留轨末子级100，其实现原理和有益效果相类似，此处不再赘述。
64.在一些可能的实施方式中，运载火箭包括整流罩，留轨末子级100、运载物200均位于整流罩内。整流罩可以在运载火箭的发射过程中为留轨末子级100和运载物200提供保护。
65.应用本技术实施例，至少能够实现如下有益效果：1、利用原本是太空垃圾的运载火箭的留轨末子级100，通过低成本改造，具体是为留轨末子级100配备碎片捕获结构120，可以实现针对空间碎片的主动清除。
66.2、不需要专门设计、制造具有清理碎片功能的专用航天器，也无需提供专用运载火箭实现单独发射、入轨的运送任务，有效提高了针对运载物200的火箭发射任务的利用率，极大地降低了主动清除空间碎片的成本，具有重大的经济效益。
67.3、将运载火箭的留轨末级变废为宝，不仅能有效减少单次火箭发射任务产生新的空间碎片量，还能利用每次火箭发射任务不断减少在轨空间碎片的量，为航天事业提供了环保新思路。
68.4、太阳能电源组件130可以将太阳能转化为电能，为留轨末子级100解决了长期在轨的供电问题，有效延长留轨末子级100的有效时长，这样有利于提高留轨末子级100的利
用率，也有利于丰富留轨末子级100对空间碎片的主动清除策略。
69.5、留轨末子级100的碎片捕获结构120采用位于末子级本体110的至少部分表面的粘合结构层121，利用粘合结构层121的粘结特性捕获空间碎片，这样有利于捕获尺寸在5厘米-50厘米区间的中小型空间碎片。
70.本技术领域技术人员可以理解，在本技术的描述中，词语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系，为基于附图所示的示例性的方向或位置关系，是为了便于描述或简化描述本技术的实施例，而不是指示或暗示所指的装置或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
71.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
72.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
73.在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
74.以上所述仅是本技术的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术的方案技术构思的前提下，采用基于本技术技术思想的其他类似实施手段，同样属于本技术实施例的保护范畴。