CN105353823A - 一种空间非磁化金属碎片直流消旋磁场控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间非磁化金属碎片直流消旋磁场控制方法，在空间碎片的四周，置放三组相互垂直的线圈，根据空间碎片旋转运动的特征确定需要建立消旋磁场方向，调整三组的线圈的电流I，使得磁场的场强的磁场方向与当前消旋磁场方向一致。本发明同现有技术相比具有以下优点：1)充分考虑了空间碎片的运动特点，根据空间非磁化金属碎片的旋转运动的状态，并给出了确定消旋磁场方向；2)通过三轴定位，利用三组相互垂直的线圈，通过控制平行于三维坐标平面的线圈组中的电流，实现磁场方位的实时调整。

Description

一种空间非磁化金属碎片直流消旋磁场控制方法

技术领域

本发明属于空间碎片清理技术领域，具体涉及一种空间非磁化金属碎片直流消旋磁场控制方法，是一种利用运动导体在磁场作用下产生涡流转矩的消旋磁场控制方法。

背景技术

“空间碎片”是指位于地球轨道上或者再入大气层的非功能性的人造物体，包括其碎片和部件。随着人类航天活动的日益频繁，空间碎片的数量呈级数增长趋势，且集中于高度为800-1000km的区域，受空间摄动力影响，这些碎片常处于高速自旋的运动状态，且伴随着旋转轴的长期章动。这给空间碎片的捕捉和清理工作带来了极大的困难。对空间碎片进行消旋是捕捉和清理的首要任务。目前主要有接触式消旋和非接触式消旋。基于磁场的空间碎片涡流消旋技术属于非接触式消旋，该项研究尚处于起始阶段，现有研究没有考虑空间碎片旋转的运动状态，对消旋磁场的定向问题都没有进行深入分析和探讨。

在《ACTAASTRONAUTICA》2012年第76卷145-153页刊登的“StudyontheeddycurrentdampingofthespindynamicsofspacedebrisfromtheArianelauncherupperstages”一文(作者Praly,N.等)，讨论了由阿丽亚娜火箭上面级产生的空间碎片在地球磁场作用下的涡流效应，得出在地磁场作用下，空间在碎片会逐渐停止自旋的结论。从理论上说明了恒定磁场作用会对空间碎片的旋转运动起到阻尼作用。这种被动的消旋方式时间较长，通常在半年左右，且无法对磁场方位进行控制，对平行于地磁方向的旋转运动无法进行消旋。

在《ACTAASTRONAUTICA》2015年第114卷34-53页刊登的“Eddycurrentsappliedtode-tumblingofspacedebris:Analysisandvalidationofapproximateproposedmethods”一文(作者Gomez,NataliaOrtiz等)，提出了通过线圈建立磁场，利用涡流转矩的主动消旋技术。该方法通过主动构建定向磁场来实现空间碎片的消旋，研究了涡流转矩的大小和消旋的时间。该技术仅依靠单组线圈建立磁场，未考虑针对空间碎片的运动状态对消旋磁场的方向定位问题。

2013年申请的国家发明专利《一种清除空间碎片的方法和装置》，专利申请公布号CN103434658A，发明人：李怡勇等，提出了通过电场力、磁场力或电场力与磁场力相结合的方式，通过改变空间碎片的运动速度和运动方向，使碎片偏离固定轨道的一种清除空间碎片的方法。该技术未谈及碎片的旋转运动及消旋问题。

现有技术分析了涡流转矩产生机理和实现方法，设置的空间碎片模型简单，仅考虑了碎片沿主轴作简单旋转运动，将磁场方向直接置于与碎片旋转轴垂直的方向，未考虑到空间实现的具体措施。然而，磁场发生装置必须由追踪卫星携带，且由于空间碎片的运动状态较为复杂，不可能随时调整姿态以保证磁场的方向始终垂直于碎片的旋转轴向，涡流转矩的作用效果大大折扣，甚至由于磁场方向与旋转主轴方位的不确定性，导致碎片产生更为复杂的旋转运动。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种空间非磁化金属碎片直流消旋磁场控制方法，根据碎片运动姿态，选择最优的磁场方向，并在追踪器姿态固定情况下，通过调整线圈电流大小，对磁场方向进行即时调整，以保证产生最优的消旋转矩。

技术方案

一种空间非磁化金属碎片直流消旋磁场控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在空间碎片的四周，置放三组相互垂直的线圈，分别平行于xOy平面，yOz平面，xOz平面，每组线圈由具有两个线圈构成的亥姆霍兹线圈构成；构成一个磁场，磁场的场强 $\stackrel{\→}{H}=H_x\stackrel{\→}{e_x}+H_y\stackrel{\→}{e_y}+H_z\stackrel{\→}{e_z};$

所述 $H_z={\left(\frac{4}{5}\right)}^{3/2}\frac{{\mathrm{nI}}_{xOy}}{R},H_x={\left(\frac{4}{5}\right)}^{3/2}\frac{{\mathrm{nI}}_{yOz}}{R},H_y={\left(\frac{4}{5}\right)}^{3/2}\frac{{\mathrm{nI}}_{xOz}}{R}$

其中：平行于xOy平面的磁场，z轴方向为磁场方向，记为场强的大小记为H_z；平行于yOz平面的磁场，x轴方向为磁场方向，记为场强的大小记为H_x；平行于xOz平面的磁场，y轴方向为磁场方向，记为场强的大小记为H_y；

n线圈的匝数，I线圈的电流，R线圈的半径

步骤2：根据空间碎片旋转运动的特征确定需要建立消旋磁场方向：

以空间碎片当前旋转运动的主轴方向向量和碎片的章动方向向量组成当前参考平面，以当前参考平面的垂直方向为需要建立的当前消旋磁场方向；

步骤3：调整三组的线圈的电流I，使得磁场的场强的磁场方向与当前消旋磁场方向一致。

有益效果

本发明提出的一种空间非磁化金属碎片直流消旋磁场控制方法，在空间碎片的四周，置放三组相互垂直的线圈，根据空间碎片旋转运动的特征确定需要建立消旋磁场方向，调整三组的线圈的电流I，使得磁场的场强的磁场方向与当前消旋磁场方向一致。

本发明同现有技术相比具有以下优点：1)充分考虑了空间碎片的运动特点，根据空间非磁化金属碎片的旋转运动的状态，并给出了确定消旋磁场方向；2)通过三轴定位，利用三组相互垂直的线圈，通过控制平行于三维坐标平面的线圈组中的电流，实现磁场方位的实时调整。

附图说明

图1：空间非磁化金属碎片消旋磁场控制原理框图

图2：空间碎片旋转运动状态示意图

图3：平行于xOy平面的亥姆霍兹线圈结构示意图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本实施例根据空间非磁化金属碎片的旋转运动的状态，适时确定磁场的方位，并通过控制平行于三维坐标平面的线圈组中的电流，实现磁场方位的实时调整。其技术特征在于它含有以下内容：

(1)根据空间碎片旋转运动的特征选择磁场方向

空间碎片的旋转运动较为复杂，碎片沿着主轴进行旋转运动，由于外力扰动的存在，其旋转主轴通常沿着一个固定轴进行周期性的旋转，即进动，并且还伴随有其旋转主轴时而偏离固定轴中心的章动。为使同样磁场强度作用下，消旋的效果最好，要求磁场方向能够垂直于碎片的旋转方向。在旋动、进动和章动同时存在的情况下，我们按照以下规则来确定磁场方向。碎片旋转运动可以看作为主轴周期性变化的旋转运动和碎片沿某一个方向的章动的合成运动。主轴周期性变化的旋转运动具有周期性的特征，在某一确定时刻，可以确定碎片旋转运动的主轴方向和碎片的章动方向。为得到最优的涡流转矩，磁场方向应垂直于由主轴方向向量和碎片的章动方向向量所组成的平面。

(2)三轴定位直流磁场的生成及调整

在静止三维直角坐标系设立平行于xOy平面，yOz平面，xOz平面的三组线圈，每组线圈均由具有两个线圈构成的亥姆霍兹线圈构成，这样可以在线圈的中心形成分别垂直于xOy平面，yOz平面，xOz平面的相对均匀磁场。其中，平行于xOy平面的亥姆霍兹线圈构成的磁场方向为z轴方向，记为场强的大小记为H_z，平行于yOz平面的亥姆霍兹线圈构成的磁场方向为x轴方向，记为场强的大小为H_x，平行于xOz平面的亥姆霍兹线圈构成的磁场方向为y轴方向，记为场强的大小为H_y，那么，这三个磁场在磁场的中心可以合成一个新的磁场，其场强为一个向量，记为其大小和方向可以通过对三个磁场分量的调节来实现。

以平行于xOy平面的亥姆霍兹线圈为例，当两线圈之间距离为线圈半径R时，其中心处的场强最为均匀，此时同理可以得到其他两个平面的场强值。从公式中可以看出，线圈中的电流与磁场强度呈现出比较好的线性关系，对于每个轴上的磁场大小，可以通过每组线圈中直流电流的大小来进行调整。并能够根据碎片的运动状态做出适时调整。

本发明的系统原理框图如图所示。通过传感器反馈回来的金属碎片的运动特征，包括碎片旋转的主轴方向向量及碎片的章动方向向量，通过计算，得出使消旋转矩最优的磁场方向向量，并根据磁场发生装置的工作原理，计算出电流的大小，通过控制指令提供给电流发生装置，产生相应大小的电流，提供给磁场发生装置，产生需要的磁场，形成最优控制转矩，对碎片进行消旋。

由于碎片形状不同，涡流转矩的计算公式亦有所不同，当结构较为复杂时，更难以用精确的计算公式来进行描述，一般用有限元等数值方法通过计算机进行求解。对涡流转矩的具体计算不在本专利的研究范围。但从现有文献的研究成果中，我们可以得出如下结论：一是对于旋转运动来说，当磁场方向与物体旋转运动的主轴垂直时，其运动物体受到的涡流转矩最大，并且磁场强度越大，涡流转矩越大。二是对于平面运动来说，当运动导体的运动方向与磁场方向垂直时，物体受到的电磁力最大，并且磁场强度越大，电磁力越大。

空间碎片的旋转运动状态比较复杂，除绕着主轴的旋转运动外，由于受到空间摄动力等因素的影响，还伴随有进动和章动。

空间碎片旋转运动状态如图2所示。其中R为碎片的旋转运动，P为碎片的进动，N为碎片的章动。

进动是指一个自转的物体受外力作用导致其自转轴绕某一中心旋转的现象，也叫做旋进。章动是指刚体在进动的过程中其旋转主轴还伴有偏离或靠近运动中心的周期性运动。

根据大学物理学的解释，不论刚体的运动多么复杂，其基本运动形式不外乎平动和转动两种类型。从效果上来看，刚体的任意一般运动都可以看作是这两种运动形式同时发生的结果，即归结于平动和转动的结合。

从图2中，可以看出，在某一确定时刻，碎片的旋转运动状态可以看作与绕主轴的旋转运动和在章动方向的平面运动的结合。设该时刻碎片旋转运动的主轴方向为 $\stackrel{\→}{A}=A_x\stackrel{\→}{e_x}+A_y\stackrel{\→}{e_y}+A_z\stackrel{\→}{e_z},$ 碎片的章动方向为 $\stackrel{\→}{B}=B_x\stackrel{\→}{e_x}+B_y\stackrel{\→}{e_y}+B_z\stackrel{\→}{e_z},$ 为得到最优的涡流转矩，磁场方向应垂直于由向量和向量所组成的平面。用公式可以表述为：(说明：下面的公式为了与后面确定的H区别，在符号上做了更改)

$\begin{array}{c}\stackrel{\→}{H^{\′}}=\stackrel{\→}{A}\×\stackrel{\→}{B}=\left|\begin{array}{ccc}\stackrel{\→}{e_x}& \stackrel{\→}{e_y}& \stackrel{\→}{e_z}\\ A_x& A_y& A_z\\ B_x& B_y& B_z\end{array}\right|\\ =(A_y{B}_z-A_z{B}_y)\stackrel{\→}{e_x}+(A_z{B}_x-A_x{B}_z)\stackrel{\→}{e_y}+(A_x{B}_y-A_y{B}_x)\stackrel{\→}{e_z}\\ =H_x^{\′}\stackrel{\→}{e_x}+H_y^{\′}\stackrel{\→}{e_y}+H_z^{\′}\stackrel{\→}{e_z}\end{array}$

该磁场方向上的单位向量为：

$\stackrel{\→}{e_h}=\frac{\stackrel{\→}{H^{\′}}}{\sqrt{{\left(H_x^{\′}\right)}^2+{\left(H_y^{\′}\right)}^2+{\left(H_z^{\′}\right)}^2}}$

根据碎片消旋的所需磁场强度的大小K_h，确定磁场强度的各个分量，用公式表述为：

$\stackrel{\→}{H}=K_h\stackrel{\→}{e_h}=H_x\stackrel{\→}{e_x}+H_y\stackrel{\→}{e_y}+H_z\stackrel{\→}{e_z}$

当磁场强度确定后，即可以结合磁场定向方案中线圈的设置情况，确定各线圈中通过的电流值。下面，结合线圈结构予以说明。

本发明的磁场定向方案中线圈由三组平行于xOy平面，yOz平面，xOz平面的亥姆霍兹线圈构成。以平行于xOz平面的亥姆霍兹线圈为例，说明其结构，如图3所示。

亥姆霍兹线圈由两组平行线圈组成，线圈的半径R，线圈的匝数为n，两线圈之间的距离为R，与线圈的半径相同。在两线圈中通以同样大小的电流I_xOy(为控制方便，规定电流的正方向与坐标轴正方向符合右手螺旋方向)，则线圈中产生的磁场强度大小为：

$H_z={\left(\frac{4}{5}\right)}^{3/2}\frac{{\mathrm{nI}}_{xOy}}{R}$

对于z轴方向所需的磁场强度H_z，要求xOy线圈组中通过的电流为：

$I_{xOy}={\left(\frac{5}{4}\right)}^{3/2}\frac{R}{n}{H}_z$

对于一个确定的装置而言，线圈的匝数n和线圈的半径R是一个固定的数值，那么公式可以简化为：

I_xOy＝K_iH_z

其中 $K_i={\left(\frac{5}{4}\right)}^{3/2}\frac{R}{n}$

同理，其他两组线圈的电流值为：

I_yOz＝K_iH_x，I_xOz＝K_iH_y

用计算得到的电流值控制电流发生装置，为相应的线圈输入电流，即可以得到最优的消旋磁场。

本发明具体实施例如下：

为对某空间碎片进行消旋，设置了前文中所述的磁场发生装置，三组线圈匝数相同，均为50匝，半径为1米。在当前时刻，磁场中碎片的旋转运动的主轴方向向量为：碎片的章动方向向量为要求消旋磁场的强度为6000安培/米。

下面对用于生成所需磁场的各线圈中电流的大小进行计算。

如前所述，设置的磁场方向垂直于碎片旋转运动的主轴方向及碎片章动方向所确定的平面，即磁场方向为：

$\begin{array}{c}\stackrel{\→}{H^{\′}}=\stackrel{\→}{A}\×\stackrel{\→}{B}=\left|\begin{array}{ccc}\stackrel{\→}{e_x}& \stackrel{\→}{e_y}& \stackrel{\→}{e_z}\\ 2& -3& 1\\ 4& 2& -5\end{array}\right|\\ =\[(-3)\×(-5)-1\×2\]\stackrel{\→}{e_x}+\[1\×4-2\×(-5)\]\stackrel{\→}{e_y}+\[2\×2-(-3)\×4\]\stackrel{\→}{e_z}\\ =13\stackrel{\→}{e_x}+14\stackrel{\→}{e_y}+16\stackrel{\→}{e_z}\end{array}$

该磁场方向上的单位向量为：

$\begin{array}{c}\stackrel{\→}{e_h}=\frac{\stackrel{\→}{H^{\′}}}{\sqrt{{\left(H_x^{\′}\right)}^2+{\left(H_y^{\′}\right)}^2+{\left(H_z^{\′}\right)}^2}}\\ =\frac{13\stackrel{\→}{e_x}+14\stackrel{\→}{e_y}+16\stackrel{\→}{e_z}}{\sqrt{{13}^2+{14}^2+{16}^2}}\\ =\frac{13\stackrel{\→}{e_x}+14\stackrel{\→}{e_y}+16\stackrel{\→}{e_z}}{24.92}\\ =0.522\stackrel{\→}{e_x}+0.562\stackrel{\→}{e_y}+0.642\stackrel{\→}{e_z}\end{array}$

因为要求的磁场强度为6000安培/米，那么在该方向的磁场强度为：

$\stackrel{\→}{H}=K_h\stackrel{\→}{e_h}=6000\×(0.522\stackrel{\→}{e_x}+0.562\stackrel{\→}{e_y}+0.642\stackrel{\→}{e_z})=3132\stackrel{\→}{e_x}+3372\stackrel{\‾}{e_y}+3852\stackrel{\→}{e_z}(A/m)$

磁场强度各分量值为：

H_x＝3132(A/m)，H_y＝3372(A/m)，H_z＝3852(A/m)

磁场发生装置的线圈匝数为50匝，半径为1米，那么电流系数K_i为：

$K_i={\left(\frac{5}{4}\right)}^{3/2}\frac{R}{n}={\left(\frac{5}{4}\right)}^{3/2}\frac{1}{50}=0.02795$

那么，各线圈的电流值应设置为：

I_xOy＝K_iH_z＝0.02795×3852＝107.66(A)

I_yOz＝K_iH_x＝0.02795×3132＝87.54(A)

I_xOz＝K_iH_y＝0.02795×3372＝94.25(A)

此电流的作用下所形成的磁场即为需要的消旋磁场。

Claims (1)

1.一种空间非磁化金属碎片直流消旋磁场控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在空间碎片的四周，置放三组相互垂直的线圈，分别平行于xOy平面，yOz平面，xOz平面，每组线圈由具有两个线圈构成的亥姆霍兹线圈构成；构成一个磁场，磁场的场强 $\stackrel{\→}{H}=H_x\stackrel{\→}{e_x}+H_y\stackrel{\→}{e_y}+H_z\stackrel{\→}{e_z};$

所述 $H_z={\left(\frac{4}{5}\right)}^{3/2}\frac{{\mathrm{nI}}_{xOy}}{R},H_x={\left(\frac{4}{5}\right)}^{3/2}\frac{{\mathrm{nI}}_{yOz}}{R},H_y={\left(\frac{4}{5}\right)}^{3/2}\frac{{\mathrm{nI}}_{xOz}}{R}$

其中：平行于xOy平面的磁场，z轴方向为磁场方向，记为场强的大小记为H_z；平行于yOz平面的磁场，x轴方向为磁场方向，记为场强的大小记为H_x；平行于xOz平面的磁场，y轴方向为磁场方向，记为场强的大小记为H_y；

n线圈的匝数，I线圈的电流，R线圈的半径

步骤2：根据空间碎片旋转运动的特征确定需要建立消旋磁场方向：

以空间碎片当前旋转运动的主轴方向向量和碎片的章动方向向量组成当前参考平面，以当前参考平面的垂直方向为需要建立的当前消旋磁场方向；

步骤3：调整三组的线圈的电流I，使得磁场的场强的磁场方向与当前消旋磁场方向一致。