CN116176879B - 一种空间碎片测距跟瞄驱离一体化结构 - Google Patents

Abstract

一种空间碎片测距跟瞄驱离一体化结构，可实现天基空间碎片激光清理，具体主要包括宽视场望远镜、测距激光器、高分辨率离轴反射式相机、快反镜、库德光路、高能驱离激光器、二维转台、光学传输发射通道一体化后端组件盒、控制中心。本发明采用同一系统连续性完成捕获、激光测距、根瞄、高能激光驱离，为航天器在轨碎片驱离应用提供了一种结构实现方法。

Description

一种空间碎片测距跟瞄驱离一体化结构

技术领域

本发明属于空间碎片捕获与驱离技术领域，具体涉及一种空间碎片测距跟瞄驱离一体化结构。

背景技术

空间碎片逐年增多，近地空间环境逐渐恶化，天基空间碎片主动清除技术是近地空间可持续需利用的有效手段。

现有天基空间碎片驱离系统需要多个模块协作完成，空间资源利用率低，结构集成度不高，质量体积过大。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种空间碎片测距跟瞄驱离一体化结构。

本发明的技术方案如下：

一种空间碎片测距跟瞄驱离一体化结构，包括空间碎片捕获模块、激光测距模块、跟瞄模块、驱离模块；

空间碎片捕获模块：通过宽视场望远镜对空间碎片进行捕获；

激光测距模块：向空间碎片发射激光，测量一体化结构和空间碎片之间的距离；

跟瞄模块：根据激光测距模块测量的距离信息，对空间碎片实现跟瞄；

驱离模块：根据跟瞄信息，发射高能激光对空间碎片进行切割、气化；

空间碎片捕获模块、激光测距模块、跟瞄模块、驱离模块同轴设计，激光测距模块、跟瞄模块、驱离模块共享同一个收发通道；

空间碎片捕获模块、激光测距模块、跟瞄模块、驱离模块均由控制中心控制。

优选的，空间碎片捕获模块包括宽视场望远镜及宽视场望远镜后置探测器；空间碎片跟瞄模块包括快反镜、二维转台、高分辨离轴反射式望远镜、库德光路以及后端光学组件盒；空间碎片激光测距模块的发射端采用测距激光器实现；空间碎片驱离模块的发射端采用高能激光器实现；

高能激光器与后端光学组件盒通过螺栓连接于底板，高能激光器扩束镜部分与后端光学组件盒螺接；高能激光器与后端光学组件盒通过电缆与控制中心相连接；控制中心螺接于后端光学组件盒后方；

高分辨率离轴反射式望远镜固定于二维转台中间位置，二维转台通过电缆与控制中心相连接，二维转台在控制中心控制下带动高分辨率离轴反射式望远镜在俯仰方向或侧摆方向转动；库德光路外部连接支架螺接在二维转台上；快反镜安装在高分辨率离轴反射式望远镜镜筒侧面；

宽视场望远镜通过螺接设置在高分辨率离轴反射式望远镜的镜筒上方，宽视场望远镜入射光轴与高分辨率反射式望远镜入射光轴平行；宽视场望远镜与宽视场望远镜后置探测器二者通过PC接口连接，探测器通过电缆与控制中心相连接；

测距激光器螺接固定于高分辨率离轴反射式望远镜的镜筒上方，激光光轴与高分辨率离轴反射式望远镜入射光轴平行；测距激光器通过电缆与控制中心相连接。

优选的，二维转台包括U型支架、俯仰方向转动码盘，侧摆方向转动码盘、非通光轴承法兰、通光轴承法兰；侧摆方向转动码盘螺接于后端光学组件盒上方；U型支架通过通光轴承法兰支撑于侧摆方向转动码盘上方，对除侧摆转动方向外的5个自由度实现约束，通光轴承法兰另一侧内圈法兰接口与侧摆方向转动码盘的内侧转动机构进行螺接，实现U型支架侧摆方向随侧摆方向转动码盘一维转动；俯仰方向转动码盘外部壳体螺接在U型支架左侧外沿，俯仰方向转动码盘、侧摆方向转动码盘通过电缆与控制中心相连接。

高分辨率离轴反射式望远镜通过左侧非通光轴承法兰、右侧通光轴承法兰支撑于U型支架中间位置，对除俯仰转动方向外的5个方向自由度实现约束，左侧非通光轴承法兰内圈法兰接口与俯仰方向转动码盘内侧转动机构进行螺接，实现高分辨率离轴反射式望远镜在俯仰方向随俯仰方向转动码盘一维转动；库德光路外部连接支架螺接在U型支架右侧外沿、右侧内沿下方以及U型支架下侧内沿。

优选的，高分辨离轴反射式望远镜和后端组件盒作为空间碎片激光测距模块的接收端。

优选的，高分辨离轴反射式望远镜以及后端组件盒作为空间碎片驱离模块的发射通道。

优选的，后端光学组件盒内设置有高分辨离轴反射式望远镜的接收端光学组件、测距激光接收端光学组件、接收发射通道一体化通道组件、单波长反射镜、滑动轨道、电机、滚珠丝杠、反射镜支架丝杆连接滑块；

高分辨离轴反射式望远镜的接收端光学组件螺接于接收发射通道一体化通道组件下方，测距激光接收端光学组件螺接于接收发射通道一体化通道组件右侧；测距激光接收端光学组件连接通道上方为接收发射通道一体化通道组件，实现与高能激光器连接功能；滑动轨道螺接于接收发射通道一体化通道组件左侧，单波长反射镜通过支架放置于高分辨离轴反射式望远镜的接收端光学组件上方；反射镜支架丝杆连接滑块中间放置于滑动轨道，一侧与单波长反射镜支架螺接，另一侧与滚珠丝杠螺接；滚珠丝杠与电机螺接；电机通过电缆与控制中心连接，实现电机带动反射镜支架丝杆连接滑块上下移动。

优选的，测距激光接收端光学组件由测距激光探测器及其光学组件组成。

优选的，高分辨离轴反射式望远镜的接收端光学组件由探测器及其光学组件组成。

本发明的有益效果是：

本发明模块之间功能独立、主要收发通道共享，保证同轴度精度的基础上减少平台空间占用率，一体化程度高，提高了结构集成度，减小了体积。

本发明主要传输通道采用一体化的方式，一体化传输通道可实现测距激光接收端探测器和可见光接收端探测器的保护功能，同时实现测距激光配合高分辨率成像阶段到高分辨率成像配合高能激光驱离阶段的转换。

附图说明

图1是本发明整体结构正面示意图；

图2是本发明整体结构背面示意图；

图3是后端光学组件背面示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种高分辨率跟瞄捕获相机与高能激光驱离系统同轴一体化的结构，可实现空间碎片捕获、跟瞄、驱离多功能一体化高度集成。

本发明提供了一种空间碎片测距跟瞄驱离一体化结构，包括了空间碎片捕获模块、激光测距模块、跟瞄模块、驱离模块四个模块，模块之间功能独立、主要收发通道共享，保证同轴度精度的基础上减少平台空间占用率，一体化程度高。

为保证光路同轴度，提高跟瞄精度，加强结构紧凑性，本发明主要传输通道采用一体化的方式。一体化传输通道可实现测距激光接收端探测器和可见光接收端探测器的保护功能，同时实现测距激光配合高分辨率成像阶段到高分辨率成像配合高能激光驱离阶段的转换。

如图1-3所示，本发明提出了一种空间碎片捕获、激光测距、跟瞄、驱离一体化结构，空间碎片捕获模块由宽视场望远镜1及宽视场望远镜后置探测器10组成，其中宽视场望远镜是指视场角为10°；空间碎片激光测距模块由测距激光器2作为发射端，高分辨离轴反射式望远镜3和后端组件盒8作为接收端，其中高分辨离轴反射式望远镜是指分辨率高于1μrad的离轴反射式望远镜；空间碎片跟瞄模块由快反镜4、二维转台7、高分辨离轴反射式望远镜3、库德光路5以及后端组件盒8组成，二维转台7由U型支架11、俯仰方向转动码盘12、侧摆方向转动码盘13、通光轴承法兰14、非通光轴承法兰15组成；空间碎片驱离模块由高能驱离激光器6作为发射源，高分辨离轴反射式望远镜3以及后端组件盒8作为发射通道。捕获、激光测距、根瞄、驱离四类功能由控制中心9进行统一信号传输、处理，控制和协调各个模块。

该一体化结构主要配合实现功能如下：第一阶段空间碎片捕获模块通过宽视场望远镜对空间碎片进行捕获；第二阶段测距激光器发射激光对空间碎片进行测距；第三阶段跟瞄模块使用测距信息配合高分辨率离轴相机对具体空间碎片进行放大成像，并与二维转台配合对空间碎片实现跟瞄；第四阶段驱离模块发射高能激光对碎片进行切割、气化。

(1)主体结构一体化连接方式

高能激光器6与后端光学组件盒8通过螺栓连接于底板，高能激光器扩束镜部分与后端光学组件盒8螺接。高能激光器6与后端光学组件盒8通过电缆与控制中心9相连接。控制中心9螺接于后端光学组件盒8后方。高能激光器6是高能(100mJ-1J)激光器。二维转台7由U型支架11、俯仰方向转动码盘12，侧摆方向转动码盘13非通光轴承法兰15、通光轴承法兰14组成；侧摆方向转动码盘螺接于后端光学组件盒外壳上方。U型支架11通过通光轴承法兰14支撑于侧摆方向转动码盘13上方，对除侧摆转动方向外的5个自由度实现约束，轴承法兰另一侧内圈法兰接口与侧摆方向转动码盘13的内侧转动机构进行螺接，实现U型支架11侧摆方向随转动码盘13一维转动；俯仰方向转动码盘外部壳体螺接在U型支架11左侧外沿，俯仰方向转动码盘12，侧摆方向转动码盘13通过电缆与控制中心相连接。

高分辨率离轴反射式望远镜3通过左右两侧非通光轴承法兰15、通光轴承法兰14支撑于U型支架11中间位置，对除俯仰转动方向外的5个方向自由度实现约束，左侧非通光轴承法兰15一侧内圈法兰接口与俯仰反向转动码盘内侧转动机构进行螺接，实现高分辨率离轴反射式望远镜在俯仰方向随转动码盘12一维转动。库德光路5外部连接支架螺接在U型支架11右侧外沿上方和下方、右侧内沿下方以及U型架下侧内沿。

宽视场望远镜1通过螺接设置在高分辨率离轴反射式望远镜3的镜筒上方，宽视场望远镜1入射光轴与高分辨率反射式望远镜入射光轴平行。宽视场望远镜1与宽视场望远镜后置探测器10二者通过PC接口连接，探测器通过电缆与控制中心相连接。

测距激光器2通过螺接固定于高分辨率离轴反射式望远镜的镜筒上方，激光光轴与高分辨率反射式望远镜入射光轴平行；测距激光器2通过电缆与控制中心9相连接。

(2)接收发射通道一体化连接方式

本发明结构前期由后端光学实现激光测距配合高分辨率成像，后期实现高分辨率成像配合高能激光驱离。

后端光学组件由高分辨离轴反射式望远镜3的接收端光学组件17、测距激光接收端和高能激光发射端组成。高分辨离轴反射式望远镜3的接收端光学组件17由探测器及其相关光学组件组成，测距激光接收端16由探测器及其相关光学组件组成。接收发射通道一体化连接使用接收发射通道一体化通道组件18、单波长反射镜及支架19、滑动轨道20、电机21、滚珠丝杠22、反射镜支架丝杆连接滑块23，保护测距激光接收端探测器和可见光接收端探测器，实现测距激光配合高分辨率成像阶段到高分辨率成像配合高能激光驱离阶段的转换。

高分辨离轴反射式望远镜3的接收端光学组件17和测距激光接收端光学组件16分别螺接于接收发射通道一体化通道组件18下方和右侧；测距激光接收端光学组件16连接通道上方为接收发射通道一体化通道组件18，实现与高能激光器6连接功能的通道。滑动轨道20螺接于接收发射通道一体化通道组件18左侧，单波长反射镜及支架19放置于高分辨离轴反射式望远镜3的接收端光学组件17上方；反射镜支架丝杆连接滑块23中间放置于滑动轨道20，一侧与单波长反射镜及支架19螺接，另一侧与滚珠丝杠22螺接；滚珠丝杠22与电机21螺接。电机通过电缆与控制中心9连接，实现电机带动反射镜支架丝杆连接滑块23上下移动。

高能激光关闭状态下，反射镜支架丝杆连接滑块23移动至轨道下方，测距激光经过反射镜特定波长全反射进入测距激光接收端16，其他光线进入下方高分辨离轴反射式望远镜3的接收端光学组件17，空间碎片进行测距、调焦、放大成像以及跟踪；反射镜支架丝杆连接滑块23移动至轨道上方，高能激光经过反射镜特定波长全反射进入前光学中，在保持高分辨率相机持续清晰成像的条件下，对目标空间碎片进行驱离，同时通过特定波长全反射保护高分辨率相机接收端17和测距激光接收端16。

本发明采用同一系统连续性完成捕获、激光测距、根瞄、高能激光驱离，为航天器在轨碎片驱离应用提供了一种结构实现方法。

Claims (6)

1.一种空间碎片测距跟瞄驱离一体化结构，其特征在于：包括空间碎片捕获模块、激光测距模块、跟瞄模块、驱离模块；

空间碎片捕获模块：通过宽视场望远镜对空间碎片进行捕获；

激光测距模块：向空间碎片发射激光，测量一体化结构和空间碎片之间的距离；

跟瞄模块：根据激光测距模块测量的距离信息，对空间碎片实现跟瞄；

驱离模块：根据跟瞄信息，发射高能激光对空间碎片进行切割、气化；

空间碎片捕获模块、激光测距模块、跟瞄模块、驱离模块同轴设计，激光测距模块、跟瞄模块、驱离模块共享同一个收发通道；

空间碎片捕获模块、激光测距模块、跟瞄模块、驱离模块均由控制中心（9）控制；空间碎片跟瞄模块包括快反镜（4）、二维转台（7）、高分辨离轴反射式望远镜（3）、库德光路（5）以及后端光学组件盒（8）；

二维转台（7）包括U型支架（11）、俯仰方向转动码盘（12），侧摆方向转动码盘（13）、非通光轴承法兰（15）、通光轴承法兰（14）；侧摆方向转动码盘（13）螺接于后端光学组件盒（8）上方；U型支架（11）通过通光轴承法兰（14）支撑于侧摆方向转动码盘（13）上方，对除侧摆转动方向外的5个自由度实现约束，通光轴承法兰（14）另一侧内圈法兰接口与侧摆方向转动码盘（13）的内侧转动机构进行螺接，实现U型支架（11）侧摆方向随侧摆方向转动码盘（13）一维转动；俯仰方向转动码盘外部壳体螺接在U型支架（11）左侧外沿，俯仰方向转动码盘（12）、侧摆方向转动码盘（13）通过电缆与控制中心相连接；

高分辨率离轴反射式望远镜（3）通过左侧非通光轴承法兰（15）、右侧通光轴承法兰（14）支撑于U型支架（11）中间位置，对除俯仰转动方向外的5个方向自由度实现约束，左侧非通光轴承法兰（15）内圈法兰接口与俯仰方向转动码盘（12）内侧转动机构进行螺接，实现高分辨率离轴反射式望远镜在俯仰方向随俯仰方向转动码盘（12）一维转动；库德光路（5）外部连接支架螺接在U型支架（11）右侧外沿、右侧内沿下方以及U型支架下侧内沿；

后端光学组件盒（8）内设置有高分辨离轴反射式望远镜（3）的接收端光学组件（17）、测距激光接收端光学组件（16）、接收发射通道一体化通道组件（18）、单波长反射镜（19）、滑动轨道（20）、电机（21）、滚珠丝杠（22）、反射镜支架丝杆连接滑块（23）；

高分辨离轴反射式望远镜（3）的接收端光学组件（17）螺接于接收发射通道一体化通道组件（18）下方，测距激光接收端光学组件（16）螺接于接收发射通道一体化通道组件（18）右侧；测距激光接收端光学组件（16）连接通道上方为接收发射通道一体化通道组件（18），实现与高能激光器（6）连接功能；滑动轨道（20）螺接于接收发射通道一体化通道组件（18）左侧，单波长反射镜（19）通过支架放置于高分辨离轴反射式望远镜（3）的接收端光学组件（17）上方；反射镜支架丝杆连接滑块（23）中间放置于滑动轨道（20），一侧与单波长反射镜支架螺接，另一侧与滚珠丝杠（22）螺接；滚珠丝杠（22）与电机（21）螺接；电机通过电缆与控制中心（9）连接，实现电机带动反射镜支架丝杆连接滑块（23）上下移动。

2.根据权利要求1所述的一种空间碎片测距跟瞄驱离一体化结构，其特征在于：空间碎片捕获模块包括宽视场望远镜（1）及宽视场望远镜后置探测器（10）；空间碎片激光测距模块的发射端采用测距激光器（2）实现；空间碎片驱离模块的发射端采用高能激光器（6）实现；

高能激光器（6）与后端光学组件盒（8）通过螺栓连接于底板，高能激光器扩束镜部分与后端光学组件盒（8）螺接；高能激光器（6）与后端光学组件盒（8）通过电缆与控制中心（9）相连接；控制中心（9）螺接于后端光学组件盒（8）后方；

高分辨率离轴反射式望远镜（3）固定于二维转台（7）中间位置，二维转台（7）通过电缆与控制中心相连接，二维转台（7）在控制中心控制下带动高分辨率离轴反射式望远镜在俯仰方向或侧摆方向转动；库德光路（5）外部连接支架螺接在二维转台（7）上；快反镜（4）安装在高分辨率离轴反射式望远镜镜筒侧面；

宽视场望远镜（1）通过螺接设置在高分辨率离轴反射式望远镜（3）的镜筒上方，宽视场望远镜（1）入射光轴与高分辨率反射式望远镜入射光轴平行；宽视场望远镜（1）与宽视场望远镜后置探测器（10）二者通过PC接口连接，探测器通过电缆与控制中心相连接；

测距激光器（2）螺接固定于高分辨率离轴反射式望远镜的镜筒上方，激光光轴与高分辨率离轴反射式望远镜入射光轴平行；测距激光器（2）通过电缆与控制中心（9）相连接。

3.根据权利要求1所述的一种空间碎片测距跟瞄驱离一体化结构，其特征在于：高分辨离轴反射式望远镜（3）和后端组件盒（8）作为空间碎片激光测距模块的接收端。

4.根据权利要求1所述的一种空间碎片测距跟瞄驱离一体化结构，其特征在于：高分辨离轴反射式望远镜（3）以及后端组件盒（8）作为空间碎片驱离模块的发射通道。

5.根据权利要求1所述的一种空间碎片测距跟瞄驱离一体化结构，其特征在于：测距激光接收端光学组件（16）由测距激光探测器及其光学组件组成。

6.根据权利要求1所述的一种空间碎片测距跟瞄驱离一体化结构，其特征在于：高分辨离轴反射式望远镜（3）的接收端光学组件（17）由探测器及其光学组件组成。