【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及微小空间碎片探测领域，特别涉及一种利用薄膜电极在轨被动超高速微小空间碎片探测的装置，用于航天器在轨微小空间碎片感知及状态监测。
技术介绍
1、随着人类外太空活动的增加，越来越多的空间碎片遗留在地球轨道上。航天器同样还面对来自彗星和小行星带的微流星体的碰撞。这些空间碎片和微流星体对人类航天活动安全带来严重挑战，空间碎片/微流星体探测技术发展及应用已经越来越受到各个国家的高度重视。截至2020年5月底，近地轨道被跟踪编目的大碎片(直径大于等于10cm)已经超过2万个，小碎片(直径在1～10cm之间)约为75万个，1～10mm的微小空间碎片约为1亿个，1mm以下的微小空间碎片数以百亿计，尺寸小于1cm的微小空间碎片数量高达总数的99.67％。
2、10cm以上大碎片运动轨迹可以通过地基设备进行观测和预报，航天器通过主动控制予以规避，因此大碎片与航天器发生碰撞的概率非常低。1～10cm小碎片和1cm以下微小空间碎片受制于观测水平难以准确确定空间分布，探测难度大，因此航天器无法采取有效的主动规避措施。其中，微小空间碎片由于数量众多，分布较广，与航天器发生碰撞的概率非常高，对在轨航天器造成极大威胁，因此又被称为“危险碎片”。如2011年，美国国家航空航天局(nasa)在检修中发现国际空间站多功能服务舱(mlm)上直径在0.1～1.5mm的撞击坑有75个；燃料箱组件(ata)形成了49个直径在0.1～1mm的撞击坑；2021年，nasa和加拿大航天局在国际空间站的一次例行检查中发现，由加拿大提供的机械臂canadar
3、近年来，国内外航天器在轨道运行过程中因微小空间碎片/微流星体引起的故障已经开始凸显，严重影响了航天器的正常工作，成为航天器面临的主要环境安全威胁之一。中国空间站作为中国航天事业的重要里程碑，完成在轨建造后预计在愈发恶劣的太空环境在轨运行10年以上。如何通过有效手段感知空间站轨道及周边环境中微小空间碎片通量，建立空间碎片轨道分布模型，在发生微小空间碎片撞击事件后及时准确定位撞击点，以进一步评估撞击程度，方便进行在轨维护，对于保证空间站在轨安全具有重要意义。
4、目前，空间碎片探测主要分为两类，即地基探测和天基探测。地基探测主要利用地面望远镜和雷达直接获取较大空间碎片的轨道信息，由于技术限制，对于微小空间碎片，地基设备无法捕捉。天基探测主要利用安装在航天器上的雷达、望远镜、传感器等对空间碎片进行探测。根据探测器是否与空间碎片接触，天基探测又可分为两类，一类是在航天器上安装激光、雷达、相机等对空间碎片进行直接探测；另一类就是在航天器上安装传感器，通过探测空间碎片与航天器撞击时的相关参数反推空间碎片信息，微小空间碎片探测大多通过后一类方式进行。利用探测到的空间碎片信息，可以建立空间碎片轨道分布模型，为航天器结构防护设计和碎片规避提供相关数据。
5、目前针对微小空间碎片威胁主要采用半导体探测器、电离探测器、压电探测器、以及组合式探测器对微小空间碎片的碰撞动能及碰撞后的等离子体等进行探测，但目前几种方式的传感器面积较小，不具备大面积探测能力。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种膜结构微小碎片探测装置，实现微小空间碎片撞击后的探测及运动轨迹探测，可有效增强我国对微小空间碎片探测能力，实现科学研究和航天器在轨运行安全保障能力的双提升。
2、本专利技术基本原理是：微小空间碎片高速运动撞击到张紧的正方形膜结构时，在膜结构上产生振动，振动通过薄膜传导到膜结构四边，由四边的四条金属谐振条收集，并引起金属谐振条上的压电薄膜振动，通过压电薄膜监测振动信号，将四边振动信号带入矩形膜受迫振动方程，可定位出振动源位置坐标，振动源位置即碎片碰撞/击穿位置；通过上下两层相距40cm布设的矩形膜，可以获得微小空间碎片在相距40cm的两个平面上的碎片碰撞/击穿位置，通过两个位置的连线，即可获得微小空间碎片的空间运行轨迹参数，即速度信息、入射方向、角度信息。其中的膜结构、金属谐振条位置、金属谐振条精细结构和压电薄膜位置经过特殊设计，使得金属谐振条位置处在膜的张紧结构与膜连接位置，金属谐振条上刻有微结构谐振通道和谐振腔，压电薄膜放置在谐振腔位置，以实现探测灵敏度提高。
3、本装置是通过如下技术方案实现的：
4、1本装置由膜结构、压缩式张力结构、双金属片组成的蝶形弹簧、金属谐振条、电荷放大器和信号处理单元组成。
5、2本装置通过在薄膜结构边缘设置压缩式张力结构，在发射段张力结构为压缩收紧状态，入轨后在弹出机构作动下，膜结构张开，压缩式张力结构张开，使得整个膜结构张开，并且在张力结构拉紧作用下，在膜内部形成预应力。
6、3压缩式张力结构的张力调节部分为双金属片组成的蝶形弹簧，可根据膜结构运行在阳照区还是阴影区，膜结构温度的变化，由双金属片的膨胀率不同，实现张力调节部分的弯曲程度不同，从而实现不同温度式膜结构的张紧力不同，保持膜结构始终处于张紧状态。
7、4膜结构四个边缘上放置有四条金属谐振条，其特点是放置位置为靠近膜边缘位置，金属谐振条一条长边紧挨张紧结构，一条长边在膜上。
8、5金属谐振条为狭长条形，其上通过微加工工艺进行精细加工，加工出谐振通道和谐振腔，在谐振腔处设置压电薄膜。
9、6压电薄膜检测谐振腔的振动信号，并且通过电荷放大器将压电薄膜的电荷信号进行放大，并且获得放大后的振动信号。
10、7将四个电荷放大器输出压电信号的时间分别记为t1、t2、t3、t4，将碎片到达膜时间设为t0，则可以根据碎片撞击位置坐标、膜结构的尺寸参数、膜的声速和t0、t1、t2、t3、t4，计算出碎片撞击位置坐标1。
11、8在距离该膜40cm处再平行放置相同的膜结构传感器，该膜结构的四个电荷放大器输出压电信号的时间分别记为t1’、t2’、t3’、t4’，将碎片到达膜时间设为t0’，则可以根据碎片撞击位置坐标、膜结构的尺寸参数、膜的声速和t0’、t1’、t2’、t3’、t4’，计算出碎片撞击位置坐标2。
12、9根据碎片穿过两层薄膜时间t0和t0’,及两层薄膜的间距，可以计算碎片速度。
13、10根据碎片撞击位置坐标1和碎片撞击位置坐标2，可以计算碎片入射方向和角度等轨迹参数。
14、与现有技术相比，本专利技术的积极效果是：
15、1本专利技术提出了一种利用膜结构微小碎片探测装置，可实现毫米、亚毫米级微小颗粒探测。
16、2本专利技术提出的一种利用膜结构微小碎片探测装置，其主体为膜结构，可通过加长压缩式张力结构、加本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种膜结构微小碎片探测装置，其特征在于，由膜结构、压缩式张力结构、双金属片组成的蝶形弹簧、金属谐振条、电荷放大器和信号处理单元组成。
2.一种膜结构微小碎片探测装置，其特征在于，其基本原理是微小空间碎片高速运动撞击到张紧的正方形膜结构时，在膜结构上产生振动，振动通过薄膜传导到膜结构四边，由四边的四条金属谐振条收集，并引起金属谐振条上的压电薄膜振动，通过压电薄膜监测振动信号，将四边振动信号带入矩形膜受迫振动方程，可定位出振动源位置坐标，振动源位置即碎片碰撞/击穿位置；通过上下两层相距40cm布设的矩形膜，可以获得微小空间碎片在相距40em的两个平面上的碎片碰撞/击穿位置，通过两个位置的连线，即可获得微小空间碎片的空间运行轨迹参数，即速度信息、入射方向、角度信息；其中的膜结构、金属谐振条位置、金属谐振条精细结构和压电薄膜位置经过特殊设计，使得金属谐振条位置处在膜的张紧结构与膜连接位置，金属谐振条上刻有微结构谐振通道和谐振腔，压电薄膜放置在谐振腔位置，以实现探测灵敏度提高。
3.一种膜结构微小碎片探测装置，其特征在于，通过在薄膜结构边缘设置压缩式张力结构，在
4.一种膜结构微小碎片探测装置，其特征在于，在距离该膜40cm处再平行放置相同的膜结构传感器，该膜结构的四个电荷放大器输出压电信号的时间分别记为t1’、t2’、t3’、t4’，将碎片到达膜时间设为t0’，则可以根据碎片撞击位置坐标、膜结构的尺寸参数、膜的声速和t0’、t1’、t2’、t3’、t4’，计算出碎片撞击位置坐标2，根据碎片穿过两层薄膜时间t0和t0’，及两层薄膜的间距，可以计算碎片速度，根据碎片撞击位置坐标1和碎片撞击位置坐标2，可以计算碎片入射方向和角度等轨迹参数。
5.一种膜结构微小碎片探测装置，其特征在于，所述的压缩式张力结构、双金属片组成的蝶形弹簧可根据探测需求加长，从而增加膜结构探测面积，相应的金属谐振条、电荷放大器数量可以根据加长的压缩式张力结构成倍增加，信号处理单元的通道数相应增加即可实现不同探测面积的调整。
...【技术特征摘要】
1.一种膜结构微小碎片探测装置，其特征在于，由膜结构、压缩式张力结构、双金属片组成的蝶形弹簧、金属谐振条、电荷放大器和信号处理单元组成。
2.一种膜结构微小碎片探测装置，其特征在于，其基本原理是微小空间碎片高速运动撞击到张紧的正方形膜结构时，在膜结构上产生振动，振动通过薄膜传导到膜结构四边，由四边的四条金属谐振条收集，并引起金属谐振条上的压电薄膜振动，通过压电薄膜监测振动信号，将四边振动信号带入矩形膜受迫振动方程，可定位出振动源位置坐标，振动源位置即碎片碰撞/击穿位置；通过上下两层相距40cm布设的矩形膜，可以获得微小空间碎片在相距40em的两个平面上的碎片碰撞/击穿位置，通过两个位置的连线，即可获得微小空间碎片的空间运行轨迹参数，即速度信息、入射方向、角度信息；其中的膜结构、金属谐振条位置、金属谐振条精细结构和压电薄膜位置经过特殊设计，使得金属谐振条位置处在膜的张紧结构与膜连接位置，金属谐振条上刻有微结构谐振通道和谐振腔，压电薄膜放置在谐振腔位置，以实现探测灵敏度提高。
3.一种膜结构微小碎片探测装置，其特征在于，通过...
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