CN105717976A - 一种对空间非磁化金属碎片消旋的交变磁场的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对空间非磁化金属碎片消旋的交变磁场的方法，是一种在旋转的非磁化金属碎片外垂直于旋转轴的平面上设置空间上相互正交的交变磁场，利用在金属导体内部产生的涡流效应，与外部相关磁场作用而形成消旋转矩的磁场设置方法。本发明方法同现有技术相比具有以下优点：在分析涡流转矩产生实质的基础上，改进了涡流转矩产生的方式，使其由运动导体切割磁力线的单一方式转变为运动导体与变化的磁场共同作用产生涡流转矩的复合方式，提出了消旋转矩的磁场设置条件，提高了能量传递的效率。

Description

一种对空间非磁化金属碎片消旋的交变磁场的方法

技术领域

本发明属于空间碎片清理技术领域，涉及一种对空间非磁化金属碎片消旋的交变磁场的方法。

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。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，现有研究主要集中于恒定磁场下的消旋方法，没有考虑到交变磁场的设置方法。

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。

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恒定磁场，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恒定磁场，靠碎片运动切割磁力线产生涡流，生成消旋转矩。由于产生涡流转矩的方式单一，能量传递的效率比较低，消旋的时间通常较长。

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、磁场力或电磁场力相结合，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，所采用的磁场均为恒定磁场，仅依靠碎片自身的旋转运动产生涡流转矩。根据麦克斯韦电磁理论，此时涡流转矩产生的实质是由于碎片运动使通过金属碎片内部的磁通发生变化，变化的磁通产生感应电流，感应电流在磁场的作用下形成转矩。而磁通的变化有两种形式，一种是运动导体切割磁力线产生的，另一种是外界的磁场发生变化导致的。现有技术仅利用第一种情况产生消旋的涡流转矩，而没有考虑到第二种情况，能量传递的效率比较低，消旋的时间比较长。

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，本发明提出一种对空间非磁化金属碎片消旋的交变磁场的方法，利用交变磁场与碎片在磁场中运动共同作用，形成涡流转矩的方法，通过分析转矩的性质，提出产生消旋转矩的磁场条件，提高了金属非磁化碎片的消旋作用效果。

技术方案

一种对空间非磁化金属碎片消旋的交变磁场的方法，其特征在于：利用两个在空间上正交的交变磁场与在磁场中运动的非磁化金属碎片相互作用，满足条件的两个交变磁场在非磁化金属碎片内部感应出涡流并产生消旋转矩，消旋步骤如下：

步骤1：在与非磁化金属碎片的旋转主轴垂直的平面内，以碎片旋转主轴通过点为原点，选择任意两个相互垂直的方向为x轴和y轴，在两个轴向方向施加磁场M和磁场N；磁场M的正方向为y轴负方向，磁场N的正方向的为x轴正方向；

步骤2：确定消旋转矩的条件：

磁场M具有变化的磁场强度H₁，磁场N具有变化的磁场强度H₂；

情况1：当碎片逆时针旋转时：

当磁场M的磁场强度H₁沿y轴负方向增加，为且磁场N的磁场强度H₂＞0时，可产生消旋转矩；

当磁场M的磁场强度H₁沿y轴负方向减小，为且磁场N的磁场强度H₂＜0时，可产生消旋转矩；

当磁场N的磁场强度H₂沿x轴正方向减小，为且磁场M的磁场强度H₁＞0时，可产生消旋转矩；

当磁场N的磁场强度H₂沿x轴正方向增加，为且磁场M的磁场强度H₁＜0时，可产生消旋转矩；

情况2：当碎片顺时针旋转时：

当磁场M的磁场强度H₁沿y轴负方向减小，为且磁场N的磁场强度H₂＞0时，可产生消旋转矩；

当磁场M的磁场强度H₁沿y轴负方向增加，为且磁场N的磁场强度H₂＜0时，可产生消旋转矩；

当磁场N的磁场强度H₂沿x轴正方向增加，为且磁场M的磁场强度H₁＞0时，可产生消旋转矩；

当磁场N的磁场强度H₂沿x轴正方向减小，为且磁场M的磁场强度H₁＜0时，可产生消旋转矩。

有益效果

本发明提出的一种对空间非磁化金属碎片消旋的交变磁场的方法，是一种在旋转的非磁化金属碎片外垂直于旋转轴的平面上设置空间上相互正交的交变磁场，利用在金属导体内部产生的涡流效应，与外部相关磁场作用而形成消旋转矩的磁场设置方法。

本发明方法同现有技术相比具有以下优点：在分析涡流转矩产生实质的基础上，改进了涡流转矩产生的方式，使其由运动导体切割磁力线的单一方式转变为运动导体与变化的磁场共同作用产生涡流转矩的复合方式，提出了消旋转矩的磁场设置条件，提高了能量传递的效率。

附图说明

图1：磁场作用方式示意图

图2：M沿y轴负方向时，为产生消旋转矩，对涡流方向的要求

图3N沿x轴正方向时，为产生消旋转矩，对涡流方向的要求

图4：三角波形式的交变磁场设置示意图

图5：正弦波形式的交变磁场设置示意图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明提出了一种利用正交交变磁场与碎片在磁场中运动共同作用，形成消旋转矩的方法，其技术特征在于它含有以下内容：

(1)磁场的作用形式

在与非磁化金属碎片的旋转主轴垂直的平面内，任意选择两个相互垂直的方向，以碎片主轴通过点为原点，两个垂直方向分别记为x轴和y轴。分别在两个轴向方向施加磁场N和磁场M。为讨论方便，规定碎片旋转方向为逆时针时为正，磁场M的正方向为y轴负方向，磁场N的正方向的为x轴正方向；

(2)产生消旋转矩的磁场设置条件

为了使金属碎片旋转运动的速度降低，必须保证产生的涡流转矩方向与碎片的旋转运动方向相反。在施加变化的磁场时，必须使得M和N两个正交磁场相互配合，使产生的涡流转矩方向为消旋转矩。碎片的旋转运动方向、磁场M和N的磁场强度方向及其变化率均会对涡流转矩的方向产生影响，现分析如下：

由于正交方向力矩的作用效果是解耦的，我们可以对正交方向的两个磁场作用效果分别加以分析。

碎片逆时针旋转时，在磁场M的磁场强度H₁＞0时，仅当碎片内感应产生涡流的方向为x轴上侧导体中电流流出纸面，x轴下侧导体中电流流入纸面时，产生的涡流转矩才为消旋转矩。通过分析，可以发现碎片运动时切割M磁场磁力线所产生的涡流满足上述要求。当N磁场磁场强度H₂随时间的变化沿x轴正方向减小(记为)时，产生的涡流能够满足上述要求。

在磁场M的磁场强度H₁＜0时，仅当碎片内感应产生涡流的方向为x轴上侧导体中电流流入纸面，x轴下侧导体中电流流出纸面时，产生的涡流转矩才为消旋转矩。通过分析，可以发现碎片运动时切割M磁力线所产生的涡流满足要求。当N磁场磁场强度H₂随时间的变化沿x轴正方向增大(记为)时，产生的涡流能够满足要求。

同理，我们可以分析出正交方向上产生消旋转矩的条件为：H₂>0时，磁场M的磁场强度H₁沿y轴负方向增加(记为)；H₂<0时，磁场M的磁场强度H₁沿y轴负方向减小(记为)。

同理可知，当碎片旋转方向为顺时针时，消旋转矩的条件为：H₁＜0，H₁＞0，H₂＜0，H₂＞0，

本实施例讨论产生消旋转矩的磁场条件，碎片的结构形式对磁场设置条件不构成影响，为方便起见，选取碎片形状为空心圆柱体，旋转主轴位于圆柱体中心线，按逆时针方向旋转。选取垂直于圆柱体的截面建立如图1的所示的直角坐标系，原点即为剖面圆的圆心，取任意两个垂直方向建立x轴和y轴，沿x轴方向和y轴方向分别施加N和M磁场，图1示方向为正方向。

碎片逆时针旋转时，当磁场M磁场强度H₁沿y轴负方向时，记为H₁＞0，，为使产生的涡流转矩与运动方向相反，涡流的方向应如如图2所示，即涡流方向为x轴上侧导体中电流流出纸面，x轴下侧导体中电流流入纸面。通过右手定则，可知此时运动导体切割M磁场磁力线，产生的涡流与上述要求相同。根据楞次定律，当N磁场磁场强度H₂随时间沿x轴正方向减小(记为)时，产生的涡流符合上述要求。当磁场M磁场强度H₁沿y轴正方向的磁场时，记为H₁＜0，为使产生的涡流转矩与运动方向相反，此时涡流的方向应为x轴上侧导体中电流流入纸面，x轴下侧导体中电流流出纸面时，产生的涡流转矩才为消旋转矩。通过分析，可以发现碎片运动时切割M磁场所产生的涡流满足上述要求。当N磁场磁场强度H₂随时间沿x轴正方向增大(记为)时，产生的涡流能够满足上述要求。

在正交方向上，当N磁场磁场强度H₂方向为沿x轴正方向的磁场时，记为H₂＞0，为使产生的涡流转矩与运动方向相反，涡流的方向应如如图3所示，即涡流方向为y轴左侧导体中电流流出纸面，y轴右侧导体中电流流入纸面。通过右手定则，可知此时运动导体切割N磁场，产生的涡流与上述要求相同。根据楞次定律，当M磁场磁场强度H₁随时间沿y轴负方向增加(记为)时，产生的涡流符合上述要求。当N磁场磁场强度H₂方向为沿x轴负方向的磁场时，记为H₂＜0，为使产生的涡流转矩与运动方向相反，此时涡流的方向应为y轴左侧导体中电流流入纸面，y轴右侧导体中电流流出纸面。通过分析，可以发现碎片运动时切割N磁场所产生的涡流满足上述要求。当M磁场磁场强度H₁沿y轴负方向减小(记为)时，产生的涡流能够满足上述要求。

综上所述，在碎片按照逆时针方向旋转时，为产生消旋转矩，磁场设置的一般规律可以用表1表示。

表1产生消旋转矩磁场设置的一般规律

表中：――表示无关项，√表示可以产生消旋转矩，×表示不可以产生消旋转矩

根据表中设置的一般规律，结合磁场发生装置实现的难易程度，这里给出两种磁场设置的方法，一种是三角波形式，如图4所示；一种是正弦波形式，如图5所示。只要符合上述规则，就可以产生消旋转矩，图中所示方式仅为示例，实际磁场的设置不局限于上述方式。

对于碎片按照顺时针旋转的情况，技术方案中已给出详细的条件，这里不再举例说明。

Claims (1)

1.一种对空间非磁化金属碎片消旋的交变磁场的方法，其特征在于：利用两个在空间上正交的交变磁场与在磁场中运动的非磁化金属碎片相互作用，满足条件的两个交变磁场在非磁化金属碎片内部感应出涡流并产生消旋转矩，消旋步骤如下：

步骤1：在与非磁化金属碎片的旋转主轴垂直的平面内，以碎片旋转主轴通过点为原点，选择任意两个相互垂直的方向为x轴和y轴，在两个轴向方向施加磁场M和磁场N；磁场M的正方向为y轴负方向，磁场N的正方向的为x轴正方向；

步骤2：确定消旋转矩的条件：

磁场M具有变化的磁场强度H₁，磁场N具有变化的磁场强度H₂；

情况1：当碎片逆时针旋转时：

当磁场M的磁场强度H₁沿y轴负方向增加，为且磁场N的磁场强度H₂＞0时，可产生消旋转矩；

当磁场M的磁场强度H₁沿y轴负方向减小，为且磁场N的磁场强度H₂＜0时，可产生消旋转矩；

当磁场N的磁场强度H₂沿x轴正方向减小，为且磁场M的磁场强度H₁＞0时，可产生消旋转矩；

当磁场N的磁场强度H₂沿x轴正方向增加，为且磁场M的磁场强度H₁＜0时，可产生消旋转矩；

情况2：当碎片顺时针旋转时：

当磁场M的磁场强度H₁沿y轴负方向减小，为且磁场N的磁场强度H₂＞0时，可产生消旋转矩；

当磁场M的磁场强度H₁沿y轴负方向增加，为且磁场N的磁场强度H₂＜0时，可产生消旋转矩；

当磁场N的磁场强度H₂沿x轴正方向增加，为且磁场M的磁场强度H₁＞0时，可产生消旋转矩；

当磁场N的磁场强度H₂沿x轴正方向减小，为且磁场M的磁场强度H₁＜0时，可产生消旋转矩。