CN104596416A - 激光与空间碎片相互作用的实验测量方法及测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是有关一种激光与空间碎片相互作用的实验测量方法及测量装置,其中包含以下步骤:准备步骤,将空间碎片置于空间模拟真空实验舱内,使空间碎片处于真空、冷黑和悬浮运动状态,同时启动碎片运动状态测量系统;作用步骤,激光单次、多次或持续辐照在空间碎片上,使空间碎片受力后运动状态发生改变,同时由碎片运动状态测量系统实时观测、计算空间碎片的运动状态;数据处理步骤,对上述步骤获得的数据处理分析并输出。本发明方法和装置能真实反映激光与空间碎片的相互作用过程,测定空间碎片的三维六自由度运动轨迹,反演获得激光与空间碎片相互作用的力学特征。
Description
技术领域
本发明涉及航天技术领域,特别是涉及一种激光与空间碎片相互作用的实验测量方法及测量装置。
背景技术
空间碎片是伴随着人类航天发射活动而产生的太空垃圾,是地球轨道内(高度约200~36000km)无任何功能和作用的人造物体及其碎片的统称。空间碎片分布广泛,数量庞大,已被编目的10cm以上的空间碎片约2万个,厘米量级甚至更小空间碎片的数量则多达数千万。空间碎片的存在严重威胁着在轨运行航天器的安全,同时空间碎片的不断产生也对有限的轨道资源也构成了严重威胁。目前,激光是公认的探测、清除空间碎片的潜在可行手段,引起了各航天大国的高度关注。
为研究激光与空间碎片相互作用的机理与效果,需要在地面开展模拟实验,测量激光与空间碎片相互作用产生的力学特性。现有测量方法主要是基于扭摆的微冲量测量系统,将空间碎片固定在测量系统上,通过扭摆机构和激光干涉测量机构获得空间碎片的受力情况。为保证测量精度,每次实验前必须利用阻尼装置尽可能使空间碎片保持静止,因此只能测量单个激光脉冲的作用结果,无法获得实际情况下多个脉冲连续照射空间碎片上的作用结果,且由于空间碎片固定在测量系统上,只能测量空间碎片沿特定方向的力学特征,无法模拟激光与空间相互作用的实际过程。
发明内容
有鉴于上述现有技术所存在的缺陷,本发明的目的在于,提供一种激光与空间碎片相互作用的实验测量方法及测量装置,使其能测量多个脉冲连续照射空间碎片上的作用结果,且可以测量空间碎片可能沿不同方向的力学或运动特征,模拟激光与空间碎片相互作用的过程。
为了实现上述目的,依据本发明提出的一种激光与空间碎片相互作用的实验测量方法,其包含以下步骤:准备步骤S 1,将空间碎片8置于空间模拟真空实验舱内1,使空间碎片8处于真空、冷黑和悬浮运动状态,同时碎片运动状态测量系统6实时记录空间碎片8的运动状态;作用步骤S2,激光系统7间断多次或持续或单次作用于空间碎片8上,使空间碎片8运动状态发生改变,同时观测记录系统6实时记录空间碎片8的运动状态;数据处理步骤S3,对上述步骤获得的数据处理分析并输出。
本发明还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的激光与空间碎片相互作用的实验测量方法,其中所述观测记录系统6为一台或一台以上的测量相机所述测量相机从不同观测角度记录空间碎片8的运动图像。
前述的激光与空间碎片相互作用的实验测量方法,其中所述激光系统7通过空间模拟真空实验舱1的激光入射窗口5作用于空间碎片8上。
前述的激光与空间碎片相互作用的实验测量方法,其中所述激光系统7作用于空间碎片8上为一束或多束不同参数激光作用于空间碎片8上。
前述的激光与空间碎片相互作用的实验测量方法,其中所述碎片运动状态测量系统配有的测量软件通过目标识别或交会测量方法实时解算空间碎片8上特征点的空间坐标,并根据观测记录系统标定的空间坐标系获得空间碎片8的三维六自由度的运动参数,据此获得激光与空间碎片8相互作用的力学关系。
为了实现上述目的,依据本发明提出的一种激光与空间碎片相互作用的实验测量装置,包括空间模拟真空实验舱1,所述空间模拟真空实验舱1可模拟外太空真空、冷黑环境,其特征在于还包括以下装置或设备:悬浮系统3,通过磁悬浮或电悬浮形式使空间碎片8处于悬浮失重状态;光学观察窗口4,所述光学观察窗口4设置在空间模拟真空实验舱1的壳体上;激光入射窗口5,所述激光入射窗口5设置在空间模拟真空实验舱1的壳体上;碎片运动状态测量系统6,所述碎片运动状态测量系统6通过光学观察窗口4记录并分析空间碎片8的运动状态;激光系统7,所述激光系统7通过激光入射窗口5作用于空间碎片8上。
本发明还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的激光与空间碎片相互作用的实验测量装置,其中所述光学观察窗口4有三个,分别设置于空间模拟真空实验舱1壳体的三个近似正交面上,从而可以从三个不同角度上记录空间碎片8的运动状态。
前述的激光与空间碎片相互作用的实验测量装置,其中所述观测记录系统包括测量相机、相机支架和标定块,测量相机通过空间模拟真空实验舱1上的支架固定,使其能通过空间模拟真空实验舱1的光学观察窗口4记录空间碎片8的运动状态;测量相机可通过其自身配置的软件及标定块建立空间坐标系。
前述的激光与空间碎片相互作用的实验测量装置,其中所述激光系统7包括激光发生器、随动跟瞄装置12,所述激光发生器可通过随动跟瞄装置12的反射镜的旋转实现激光入射角度变化,使激光能够始终覆盖在处于运动状态的空间碎片8上。
前述的激光与空间碎片相互作用的实验测量装置,其中所述激光系统7可产生一束激光或多束不同参数激光,经激光入射窗口5作用于空间碎片8上。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案,本发明的激光与空间碎片相互作用的实验测量方法及测量装置,至少具有下列优点:
一、本发明的激光与空间碎片相互作用的实验测量方法及测量装置,能够测量激光与空间碎片相互作用产生的微冲量,并模拟激光作用于空间碎片的实际过程,通过非接触测量方法获得空间碎片受激光辐照后的三维六自由度运动参数。
二、本发明的激光与空间碎片相互作用的实验测量方法及测量装置,可实现多路激光同时作用于空间碎片的模拟实验。
三、本发明的激光与空间碎片相互作用的实验测量方法及测量装置,可实现多路激光多次或连续作用于空间碎片的模拟实验。
附图说明
图1是本发明激光与空间碎片相互作用的实验测量方法优选步骤示意图。
图2是本发明激光与空间碎片相互作用的实验测量装置一个优选实施例示意图。
图3是本发明激光与空间碎片相互作用的实验测量装置一个优选实施例原理示意图。
图4是本发明激光与空间碎片相互作用的实验测量方法及测量装置激光装置随动跟瞄原理示意图。
附图中,各标号所代表的部件列表如下:
1:空间模拟真空实验舱
2:真空及温度系统
3:悬浮系统
4:光学观察窗口
5:激光入射窗口
6:碎片运动状态测量系统
7:激光系统
8:空间碎片
9:变轨前轨道
10:变轨后轨道
11:运动空间
12:随动跟瞄装置
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例,对依据本发明提出的激光与空间碎片相互作用的实验测量方法及测量装置其具体实施方式、步骤、结构、特征及其功效详细说明。
请参阅图1,是本发明激光与空间碎片相互作用的实验测量方法步骤示意图。本发明激光与空间碎片相互作用的实验测量方法一个优选实施例包括以下步骤:
准备步骤S1,将空间碎片8置于空间模拟真空实验舱中1,调控空间模拟实验舱的真空及温度系统2、悬浮系统3,使空间碎片8处于真空、冷黑和悬浮失重状态,同时碎片运动状态测量系统6实时记录空间碎片8及变轨前轨道9的参数;
作用步骤S2,激光系统7作用于空间碎片8上产生等离子体,使空间碎片8的从变轨前轨道9改变为变轨后的轨道10,同时碎片运动状态测量系统6实时记录空间碎片8变轨后轨道10的运动参数;
数据处理步骤S3,对上述步骤获得的数据处理分析。
优选地,采用悬浮系统3控制空间碎片8在空间模拟真空实验舱1中处于失重状态并在一定的轨道运动。
优选地,采用激光系统7连续或间断作用于空间碎片8上,使其运动状态发生改变并记录。
请参阅图2所示,是本发明激光与空间碎片相互作用的实验测量装置示意图。本发明激光与空间碎片相互作用的实验测量装置的一个优选实施例包括:
空间模拟真空实验舱1,模拟空间碎片8所处的空间环境;
悬浮系统3,通过磁悬浮或电悬浮形式使空间碎片8处于悬浮失重状态并在一定的轨道上运动;
光学观察窗口4,设置在空间模拟真空实验舱1的三个正交面上,用于碎片运动状态测量系统6观测空间碎片8的运动情况;
激光入射窗口5,所述激光入射窗口5设置在空间模拟真空实验舱1的壳体上,用于激光系统7通过该激光入射窗口5作用于空间碎片8上;
碎片运动状态测量系统6,所述碎片运动状态测量系统6通过光学观察窗口4记录空间碎片8的运动状态;
激光系统7,所述激光系统7通过激光入射窗口5作用于空间碎片8上。
优选地,激光系统7通过设置在空间模拟真空实验舱1上的激光入射窗口5作用于空间碎片8上,所述激光可以为连续激光,也可以为脉冲激光;所述激光可以为一束激光,也可以为多束激光。
优选地,碎片运动状态测量系统6配置的测量软件可通过标定获得测量相机的内外参数,并建立测量坐标系,之后可通过目标识别与交会测量方法实时解算空间碎片8上特征点的空间坐标,从而获得空间碎片8的三维六自由度运动参数,据此计算出激光与空间碎片8的相互作用力学关系。
优选地,激光入射窗口5设置在不与光学观察窗口4对向的位置,以避免激光光线干扰观测记录系统6工作;
优选地,所述碎片运动状态测量系统6包括测量相机、相机支架、标定块、测量软件及配套计算机,测量相机通过支架安装在空间模拟真空实验舱上,测量相机可利用标定块建立测量坐标系。
优选地,碎片运动状态测量系统6中的测量相机,分别位于空间模拟真空实验舱1三个近似正交面上,并通过设置于空间模拟真空实验舱1上的光学观察窗口4拍摄空间碎片8的运动状态。
请参阅图3所示,是本发明激光与空间碎片相互作用的实验测量装置一个优选实施例原理示意图。碎片运动状态测量系统为三台高精度的测量相机及与其配套装置及软件系统,所述软件系统包括相机标定模块、特征点匹配模块、位姿测量模块,可根据相机共线方程计算得到空间碎片8各个标志点的空间坐标,同时利用已解算的标志点空间坐标建立空间碎片8体坐标系,进一步获得体坐标系相对于世界坐标系的相对姿态。
优选地,所述碎片运动状态测量系统6的相机为超高速相机,可拍摄到激光照射空间碎片8产生的等离子体图像。
请参阅图4所示,是本发明激光与空间碎片相互作用的实验测量方法及测量装置激光系统7随动跟瞄原理示意图。激光系统7包括激光器、随动跟瞄装置及其配套光学器件。优选地,随动跟瞄装置包括转动平台及反射镜,通过反射镜12的旋转实现激光入射角度变化,使激光能够始终覆盖在运动的空间碎片8上。
优选地,可通过搭建光路耦合系统实现多路激光同时照射在空间碎片8上,研究不同体制、不同波长的激光组合情况下对空间碎片8的作用机理。
优选地,激光器单脉冲能量为焦耳量级,光斑能够覆盖空间碎片8,激光功率密度达到108W/cm2~1010W/cm2,脉宽控制在纳秒量级,激光波长为1.064μm,当然也可根据研究需要选择其它波长。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然并非用以限定本发明实施的范围,依据本发明的权利要求书及说明内容所作的简单的等效变化与修饰,仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种激光与空间碎片相互作用的实验测量方法,其特征在于包含以下步骤:
准备步骤,将空间碎片置于空间模拟真空实验舱内,使空间碎片处于真空、冷黑和悬浮运动状态,同时启动碎片运动状态测量系统实时记录空间碎片的运动状态;
作用步骤,激光单次、多次或连续作用于空间碎片上,使空间碎片受力后运动状态发生改变,同时碎片运动状态测量系统实时记录空间碎片运动过程、计算空间碎片的运动参数;
数据处理步骤,对上述步骤获得的数据处理分析并输出获得空间碎片受激光辐照的力学特性及冲量耦合系数等参数。
2.如权利要求1所述的激光与空间碎片相互作用的实验测量方法,其特征在于所述碎片运动状态测量系统包括一台以上的测量相机、测量软件及配套计算机,测量相机用于高速拍摄碎片受激光辐照全过程或从不同角度记录空间碎片的运动图像,测量软件及配套计算机用于高精度解算碎片的运动参数。
3.如权利要求1所述的激光与空间碎片相互作用的实验测量方法,其特征在于所述脉冲或连续激光系统通过空间模拟真空实验舱的激光入射窗口作用于空间碎片上。
4.如权利要求1所述的激光与空间碎片相互作用的实验测量方法,其特征在于所述激光系统可发射一束或多束不同参数激光同时作用于空间碎片上,激光系统的光源可包括脉冲激光和连续激光。
5.如权利要求1至4任一项所述的激光与空间碎片相互作用的实验测量方法,其特征在于所述的测量系统配有的碎片运动状态测量系统,通过配套计算机采用目标识别或交会测量方法实时解算空间碎片上特征点的空间坐标,并根据观测记录系统标定的空间坐标系获得空间碎片的三维六自由度运动参数,据此获得激光与空间碎片相互作用的力学关系。
6.一种激光与空间碎片相互作用的实验测量装置,包括空间模拟真空实验舱,所述空间模拟真空实验舱可模拟外太空真空、冷黑环境,其特征在于还包括以下装置或设备:
悬浮系统,通过磁悬浮或电悬浮形式使空间碎片处于悬浮失重状态;
光学观察窗口,所述光学观察窗口设置在空间模拟真空实验舱的壳体上;
激光入射窗口,所述激光入射窗口设置在空间模拟真空实验舱的壳体上;
碎片运动状态测量系统,所述碎片运动状态测量系统通过光学观察窗口记录空间碎片的运动过程图像,并解算碎片运动参数。
激光系统,所述激光系统通过激光入射窗口作用于空间碎片上。
7.如权利要求6所述的激光与空间碎片相互作用的实验测量装置,其特征在于所述光学观察窗口至少包括两个,设置于空间模拟真空实验舱壳体的上,可以从两个以上的不同观测角度记录空间碎片的运动过程及高速记录碎片自身状态变化。
8.如权利要求6所述的激光与空间碎片相互作用的实验测量装置,其特征在于所述碎片运动状态测量系统包括测量相机、相机支架、标定块、测量软件及配套计算机,测量相机通过支架固定在真空仓外壁上,使其能通过空间模拟真空实验舱的光学观察窗口记录空间碎片的运动状态;测量相机可通过放置在真空仓内的标定块,高精度标定相机内外参数,建立碎片运动测量坐标系。
9.如权利要求6至8任一项所述的激光与空间碎片相互作用的实验测量装置,其特征在于所述激光系统包括随动跟瞄装置和激光器,所述的随动跟瞄装置包括随动跟踪转台及放置在转台上的反射镜,激光器可通过反射镜的旋转实现激光入射角度变化,使激光能够始终覆盖在处于运动状态的空间碎片上。
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