一种基于双层薄膜传感器的空间微小碎片监测微纳卫星

1.本发明提供一种基于双层薄膜传感器的空间微小碎片监测微纳卫星，它涉及利用微纳卫星在轨展开的双层薄膜传感器对尺寸小于1厘米的微小碎片进行非视觉原位测量，属于卫星设计领域。


背景技术：

2.随着空间探索和卫星应用的不断发展，地球轨道上的空间微小碎片数量不断增加，给太空探测、通信和导航等活动带来了严重的安全和环境问题。这些空间碎片包括废弃的卫星、火箭残骸、碰撞产生的碎片等，它们在高速运动中可能对其他卫星、航天器甚至空间站等造成严重的损害。目前地球轨道上有数以万计的可追踪碎片，这个数字预计将在2030年代及以后呈指数级增长。在给美国联邦通信委员会的最新报告中，spacex宣布在过去六个月内进行了25299次避免碰撞演习，每颗卫星平均机动12次。2023年6月22日，esa在巴黎航展上宣布将制定《零碎片宪章》。碎片问题发展速度超过预期，亟需低成本、高准确性的空间碎片监测方案。
3.监测尺寸小于1厘米的空间微小碎片是当前空间碎片问题中的一个关键挑战。由于其尺寸小、数量庞大，相对于在轨航天器的速度可高达10km/s，且一般无明确轨道，传统的监测手段与设备难以对其进行准确的探测与追踪，因此它对卫星、空间站和其他在轨基础设施构成巨大威胁。当前的空间微小碎片监测系统主要依赖于地面雷达和光学望远镜等设备，但这些设备存在探测距离有限、无法实时监测和难以应对大规模碎片云等问题。对于亚厘米级的空间微小碎片，目前国际上的相关监测数据几乎空白，并缺少实时在轨监测的方案。目前主流的航天单位如nasa、欧空局等，通常采用各种模型来估计小于1cm的空间碎片。然而，这些模型需要在某个特定的起始时间点确定初始的碎片总量，但目前并没有可靠的数据来源来获取准确的碎片总数。此外，在预测过程中，航天器之间的碰撞可能会产生新的碎片，而目前缺乏可靠的碎裂模型来应对此类碰撞情况，并且在轨道上模拟碰撞也不具有可行性。基于模型的方法准确性低，难以在复杂的空间态势中对碎片进行可靠的估计。
4.采用小卫星，尤其是微纳卫星进行快速科学实验与技术验证，甚至组建卫星星座进行军民商应用成为一大趋势。微纳卫星具有质量小、结构简单、成本低、研发周期短和功能密度高等优点，可以批量发射微纳卫星对空间微小碎片进行观测。然而，大多数小卫星在轨工作时间长则数年，短则数天，而且绝大多数任务结束后很难在短时间内离轨并再入大气层烧毁，从而成为长期驻留轨道、威胁其它航天器的太空垃圾。因此，本发明提出一种具有离轨机构，并可用于亚厘米级空间碎片监测的微纳卫星。


技术实现要素：

5.(一)发明目的：本发明通过提供一种基于双层薄膜传感器的空间微小碎片监测微纳卫星，旨在解决传统监测手段的限制性问题，提供实时且具有较高准确性的空间碎片数据，且微纳卫星在完成任务后能自动离轨。本发明通过双层薄膜传感器的非视觉原位测量
和监视相机的视觉测量进行双向验证，进行对尺寸小于1厘米的空间微小碎片的监测，以精确获得碎片的速度矢量等数据信息，使得太空碎片监测和资源保护能够更加及时、准确地进行。双层薄膜传感器同时也起到离轨帆的作用，作为寿命到期后的离轨装置，从而提升太空活动的安全性和可持续性。
6.(二)技术方案
7.本发明的微纳卫星主要由双层薄膜传感器系统、监视相机、星载计算机、磁力矩器、电源系统和通信系统组成，其中双层薄膜传感器系统和监视相机为碎片监测任务的有效载荷。双层薄膜传感器安装于卫星顶部，通过测量微小碎片超越两层薄膜的时间、位置和面积，实现对微小碎片的非视觉原位测量；监视相机安装在卫星侧板上，用于观测薄膜上碎片穿越后因局部烧蚀产生的黑孔以实现双向验证。其余部件为模块化部件，包括星载计算机、磁力矩器、电源和通信系统，分别用于中控、姿态控制、供电以及数据传输。
8.所述的双层薄膜传感器系统由双层薄膜传感器、空间伸展臂和锁紧-释放装置组成。它们之间的相互关系是：微纳卫星在发射过程中卫星本体与锁紧机构的储存装置保持锁紧状态，双层薄膜传感器折叠固定在容器内，薄壁管状伸展臂将折叠好的薄膜卷绕到中心毂上；进入既定轨道后释放机构解除锁紧，底部弹簧将双层薄膜传感器储存装置弹出，双层薄膜传感器在伸展臂储存的弹性势能的作用下自动展开，卫星在轨过程中双层薄膜传感器始终保持完全展开的状态。
9.所述的双层薄膜电阻传感器的形状为正方形，薄膜上划分有细小的网格区域。整个帆面由碳纤维增强材料制成的豆荚杆固定，并折叠缠绕在其中心轴上，展开后处在卫星上方。卫星的非视觉原位监测原理为：当空间碎片依次与展开薄膜传感器结构发生碰撞后，造成薄膜的撞穿、线路的打断从而依次产生2次脉冲激励信号。由于已知两层薄膜之间的距离，可以通过测量碎片穿越2层薄膜的时间间隔计算空间碎片相对于卫星的速度大小。通过测量碎片穿越薄膜网格区域的位置和面积可以计算确定碎片速度的矢量方向和大致尺寸。薄膜的折叠方式基于伏见定理，即对于多条折痕相交于一点的折叠方式来说对角之和相等，采用斜叶外折叠方式。
10.所述的空间伸展臂选用薄壁管状的碳纤维复合材料(cfrp)空间伸展臂，伸展臂的横截面设计为豆荚型。微纳卫星处于发射状态时，薄壁管状伸展臂负责将折叠好的薄膜卷绕到中心毂上；微纳卫星处于运行状态时，薄壁管状伸展臂负责支撑展开的薄膜和太阳电池阵。
11.所述的锁紧-释放机构底部的主要构件有：电阻丝、聚乙烯纤维绳、拉伸弹簧、离轨帆储存装置底部夹持端、压杆、电连接器、继电器、铰链。当微纳卫星处于发射状态时，机构处于锁紧状态，双层薄膜传感器折叠固定在容器内，安装于卫星内部。当微纳卫星处于运行状态时，电连接器处收到星载计算机的释放信号，控制继电器接通电路，电阻丝熔断聚乙烯纤维绳，释放弹簧的回复力使压杆迅速弹开，完成双层薄膜传感器的释放。锁紧-释放装置主体部分所用材料是铝合金。
12.所述的监视相机位于微纳卫星的底部。微纳卫星处于发射状态时，监视相机收纳于卫星本体内；微纳卫星处于运行状态时，监视相机从侧板伸出，用于对薄膜上的撞击孔进行高分辨率拍摄。通过分析撞击孔的位置和形态，为双层薄膜传感器通过非视觉原位监测所得的碎片数据信息提供可靠的双向验证。
13.(三)优点
14.本发明一种基于双层薄膜传感器的空间微小碎片监测微纳卫星的优点在于：
15.①
本发明中提出了一种新的面向尺寸小于1厘米的空间微小碎片监测微纳卫星。
16.②
本发明提出的一种基于双层薄膜传感器的空间微小碎片监测微纳卫星具备提供实时、精确的微小碎片云数据的能力。卫星搭载小型监视相机，能够对薄膜上的碰撞孔进行拍摄，从而获得高分辨率的撞击位置图像。这些拍摄图像能够提供可靠的双向验证，确保监测结果的准确性和可信度。
17.③
卫星薄膜的法向与卫星的速度方向相同，这一设计特点极大地增加了卫星与微小
18.空间碎片发生碰撞的概率，使监测系统具备更高的碰撞事件探测灵敏度和准确性。
④
采用了创新的折叠展开机构，卫星发射阶段，双层薄膜传感器依据伏见定理，采用斜叶外折叠方式收纳于锁紧装置内，从而节省了空间并实现薄膜的稳定可控展开，为卫星构型和布放方式带来了更大的灵活性和适应性。双层薄膜传感器展开机构折叠体积小、展开方便、成本低，可作为微纳卫星模块普遍安装的空间微小碎片监测装置兼卫星离轨装置，具有双重功能。
19.⑤
本发明采用了创新的锁紧-释放机构，只需较小的预紧力即可实现整个机构的锁紧，
20.同时其烧绳释放的非火工分离设计可将分离冲击降至最低，使整个系统具有较高的稳定性和安全性。
附图说明
21.图1是本发明所述的微纳卫星的内部安装及整体结构图。
22.图2是本发明所述的微纳卫星的折叠展开机构图。
23.图3是发明所述的微纳卫星的非视觉原位测量算法流程图。
24.图中产品代号说明如下：
25.1.双层薄膜传感器系统
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1a.双层薄膜传感器
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1b.空间伸展臂
26.1c.锁紧-释放装置
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2.监视相机
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3.星载计算机
27.4.磁力矩器
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5.电源系统
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6.通信系统
具体实施方式
28.下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
29.参见图1，本发明一种基于双层薄膜传感器的空间微小碎片监测微纳卫星主要由双层薄膜传感器系统1、监视相机2、星载计算机3、磁力矩器4、电源系统5和通信系统6组成。它们相互之间的关系是：双层薄膜传感器系统1安装在卫星顶部，通过测量微小碎片超越两层薄膜电阻传感器网的时间、位置和面积，实现对微小碎片的非视觉原位测量；监视相机2安装在卫星侧板上，用于观测薄膜上碎片穿越后因局部烧蚀产生的黑孔以实现双向验证；星载计算机3安装在卫星主体内部，用于向卫星各分系统发送指令，并存储部分需要传到地面的数据；磁力矩器4用于姿态控制，与加速度计芯片共同构成本次任务的姿轨控分系统；电源系统5由蓄电池和太阳电池阵构成，安装在卫星主体内部，负责为星上其他部件供电；
通信系统6安装在卫星主体内部，主要负责接收地面指令和向地面传输数据。
30.所述的双层薄膜传感器系统1由双层薄膜传感器1a、空间伸展臂1b和锁紧-释放装置1c组成，它们相互之间的关系是：微纳卫星在发射过程中卫星本体与锁紧机构的储存装置1c始终牢牢地结合在一起，双层薄膜传感器1a折叠固定在容器内，薄壁管状伸展臂1b将折叠好的薄膜卷绕到中心毂上；进入既定轨道后释放机构解除锁紧，底部弹簧将双层薄膜传感器储存装置1c弹出，双层薄膜传感器1a在伸展臂1b储存的弹性势能的作用下自动展开，卫星在轨过程中双层薄膜传感器1a始终保持完全展开的状态。
31.所述的双层薄膜传感器为正方形薄膜，薄膜上划分有细小的网格区域，形成薄膜电阻传感器网。卫星发射阶段，双层薄膜传感器依据伏见定理采用斜叶外折叠方式收纳于锁紧装置内。
32.所述的空间伸展臂的横截面设计为豆荚型的薄壁管状结构，作为双层薄膜传感器的展开装置。
33.所述的锁紧-释放装置的主体部分为长方体结构，有四个安装孔位，用于将其固定在微纳卫星主框架上。
34.参见图2a，双层薄膜传感器选取的折叠方式为斜叶外折叠方式。具体折叠方法如下：首先构建正方形膜-杆耦合构型，即在中央剪出一个较小尺寸的正方形孔，四根支撑杆分别安装正方形孔的四条对角线上，建立500mm*500mm正方形与小正方形孔几何模型，折痕间距s＝10mm，根据脊线和谷线交替排列的原则，可以得到如图2a所示的基于斜叶外折叠方式的薄膜几何模型。其中oa，oc，od均为脊线，ob为谷线，平行线段间脊线、谷线交替出现。如图2a中，深色线为脊线，浅色线为谷线。四条折痕相交的对角之和为：∠aod+∠boc＝45
°
+135
°
＝180
°
，∠aob+∠doc＝135
°
+45
°
＝180
°
,符合伏见定理,即对于多条折痕相交于一点的折叠方式来说对角之和相等。
35.参见图2b为基于斜叶外折叠方式的折叠模型展开过程。
36.参见图2c，空间伸展臂的截面是豆荚形的薄壁结构。利用空间伸展臂实现膜-杆耦合结构的收拢与展开的具体实施方式为：将伸展臂与帆面固定连接，展开前按照折痕将伸展臂与帆面共同卷绕收纳，展开时去除掉帆面外的限位装置，利用伸展臂弯曲时存储的弹性势能，不需要借助任何外力即可实现可自动展开。空间伸展臂的材料为碳纤维复合材料(cfrp)。
37.参见图2d和图2e，锁紧-释放机构底部的主要构件有：电阻丝、聚乙烯纤维绳、拉伸弹簧、离轨帆储存装置底部夹持端、压杆、电连接器、继电器、铰链。锁紧状态下，双层薄膜传感器折叠固定在容器内，安装于卫星内部。双层薄膜传感器与容器通过锥形弹簧连接，弹簧的一端(直径最大端)固定在容器底部，另一端固定于传感器本体；当弹簧压紧时，双层薄膜传感器卷轴夹持端从容器底部伸出并被锁紧-释放机构固定，即构成双层薄膜传感器模块的地面锁紧状态。聚乙烯纤维绳固定在压紧杆周围，使压杆保持在压紧状态，同时缠绕在电阻丝周围，并由板簧固定。弹簧的设计和安装方式能够提供适当的力使聚乙烯纤维绳在发射过载阶段保持绷紧状态。在预定时刻，电连接器处收到星载计算机的释放信号，控制继电器接通电路，电阻丝随之熔断聚乙烯纤维绳，释放弹簧的回复力使压紧杆迅速弹开，完成双层薄膜传感器的释放。
38.参见图3为非视觉原位测量算法的流程图，其实施步骤如下：
39.①
空间碎片依次与两层薄膜传感器发生碰撞，两层薄膜传感器依次产生2次脉冲激励信号。
40.②
星载计算机依据已知的两层薄膜间距和测量所得的两次激励信号的时间间隔，计算空间碎片相对于卫星的速度大小。
41.③
通星载计算机依据测量所得的碎片穿越薄膜网格区域的位置和面积，计算确定碎片速度的矢量方向和碎片的大致尺寸。
42.④
卫星搭载的小型监视相机，对薄膜上的碰撞孔进行拍摄，从而获得高分辨率的撞击位置图像。为双层薄膜传感器通过非视觉原位监测所得的碎片数据信息提供可靠的双向验证。

技术特征：
1.一种基于双层薄膜传感器的空间微小碎片监测微纳卫星。其特征在于：由双层薄膜传感器系统、监视相机、星载计算机、磁力矩器、电源系统和通信系统组成，双层薄膜传感器系统安装在卫星顶部，通过测量微小碎片超越两层薄膜电阻传感器网的时间、位置和面积，实现对微小碎片的非视觉原位测量。所述的双层薄膜传感器系统由双层薄膜传感器、空间伸展臂和锁紧-释放装置组成，它们相互之间的关系是：微纳卫星在发射过程中卫星本体与锁紧机构的储存装置保持锁紧状态，双层薄膜传感器折叠固定在容器内，薄壁管状伸展臂将折叠好的薄膜卷绕到中心毂上；进入既定轨道后释放机构解除锁紧，底部弹簧将双层薄膜传感器储存装置弹出，双层薄膜传感器在伸展臂储存的弹性势能的作用下自动展开，卫星在轨过程中双层薄膜传感器始终保持完全展开的状态。所述的双层薄膜传感器的形状构造是：双层薄膜传感器为正方形薄膜，薄膜上划分有细小的网格区域，形成薄膜电阻传感器网。所述的空间伸展臂的形状构造是：伸展臂的横截面设计为豆荚型的薄壁管状结构，作为双层薄膜传感器的展开装置。所述的锁紧-释放装置的形状构造是：锁紧-释放装置主体部分为长方体结构，有四个安装孔位，用于将其固定在微纳卫星主框架上。2.根据权利要求1所述的一种基于双层薄膜传感器的空间微小碎片监测微纳卫星，其特征在于：采用了创新的折叠展开机构，卫星发射阶段，双层薄膜传感器依据伏见定理，采用斜叶外折叠方式收纳于锁紧装置内，从而节省了空间并实现薄膜的稳定可控展开，为卫星构型和布放方式带来了更大的灵活性和适应性。3.根据权利要求1所述的一种基于双层薄膜传感器的空间微小碎片监测微纳卫星，其特征在于：采用了创新的锁紧-释放机构，只需较小的预紧力即可实现整个机构的锁紧，同时其烧绳释放的非火工分离设计可将分离冲击降至最低，使整个系统具有较高的稳定性和安全性。锁紧-释放机构底部的主要构件有：电阻丝、绳、拉伸弹簧、离轨帆储存装置底部夹持端、压杆、电连接器、继电器、铰链。当微纳卫星处于发射状态时，机构处于锁紧状态，双层薄膜传感器折叠固定在容器内。当微纳卫星处于运行状态时，电连接器处收到星载计算机的释放信号，控制继电器接通电路，电阻丝熔断绳，释放弹簧的回复力使压杆迅速弹开，完成双层薄膜传感器的释放。4.根据权利要求1所述的一种基于双层薄膜传感器的空间微小碎片监测微纳卫星，其特征在于：基于卫星的非视觉原位监测原理，双层薄膜传感器系统具备提供实时、精确的尺寸小于1厘米的微小碎片云数据的能力。薄膜的法向与卫星的速度方向相同，这一设计特点极大地增加了卫星与微小空间碎片发生碰撞的概率。卫星搭载小型监视相机，进行双向验证确保监测结果的准确性和可信度。基于卫星的非视觉原位监测的具体实施步骤如下：
①
空间碎片依次与两层薄膜传感器发生碰撞，两层薄膜传感器依次产生2次脉冲激励信号。
②
星载计算机依据已知的两层薄膜间距和测量所得的两次激励信号的时间间隔，计算空间碎片相对于卫星的速度大小。
③
通星载计算机依据测量所得的碎片穿越薄膜网格区域的位置和面积，计算确定碎片
速度的矢量方向和碎片的大致尺寸。
④
卫星搭载的小型监视相机，对薄膜上的碰撞孔进行拍摄，从而获得高分辨率的撞击位置图像。为双层薄膜传感器通过非视觉原位监测所得的碎片数据信息提供可靠的双向验证。

技术总结
一种基于双层薄膜传感器的空间微小碎片监测微纳卫星。该卫星通过双层薄膜传感器的非视觉原位测量和监视相机的视觉测量进行双向验证，进行对尺寸小于1厘米的空间微小碎片的监测，以获得碎片的速度矢量等数据信息，提供实时、精确的微小碎片云数据。卫星薄膜的法向与卫星速度方向相同，增加了卫星与空间微小碎片碰撞监测的概率。本发明采用创新的折叠展开机构，双层薄膜传感器折叠体积小、展开方便，可作为微纳卫星模块普遍安装的碎片监测装置兼卫星离轨装置，具有双重功能。本发明采用创新的锁紧-释放机构，只需较小的预紧力即可实现整个机构的锁紧，同时其烧绳释放的设计可将分离冲击降至最低，提高系统的稳定性和安全性。提高系统的稳定性和安全性。提高系统的稳定性和安全性。


技术研发人员：陈培 徐思璐 李彧辉 武旭 谢洋
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.07.17
技术公布日：2023/10/20