CN107357303A - 利用涡流效应实现空间碎片消旋的小卫星编队设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用涡流效应实现空间碎片消旋的小卫星编队设计方法，根据碎片相对于航天器平台的位置和碎片的外形尺寸，对航天器平台所发射的小卫星进行编队。由航天器平台释放四颗小卫星在目标碎片周围，小卫星展开通电螺线圈和太阳能帆板，通过控制小卫星的释放时的位置和速度使它们以目标碎片为中心形成自然的圆或椭圆编队。通过姿态控制使各小卫星的通电螺线圈都正对目标碎片，对螺线圈通电产生磁场，太阳能帆板提供所需电量，对碎片进行消旋，减小碎片翻滚的角速度，实现高速旋转空间碎片的快速消旋。使用该方法多个小卫星携带通电螺线圈增大了磁场的强度，能够快速的减小高速旋转的碎片的旋转角速度。
Description
【技术领域】
本发明属于航天技术领域，涉及一种利用涡流效应实现空间碎片消旋的小卫星编队设计方法。
【背景技术】
随着人类航天活动的不断开展，空间碎片的空间密度已经对于航天器的安全造成了威胁，特别是近地轨道，碎片密度更大，且其数量仍在迅速增加，航天器遭受空间碎片撞击事件时有发生。日益增长的碎片使得围绕地球的轨道空间变得越来越拥挤。此外，空间现存的碎片与碎片、碎片与卫星的碰撞仍将继续，也会产生更多的碎片，从而发生链式反应。因此，近年来各航天大国及国际研究机构均已达成普遍共识，仅实施碎片减缓还远远不够，必须进行空间碎片主动清除工作。
在清理空间碎片的方式方法上，多数研究集中于使用机械臂进行空间碎片移除。使用机械臂进行空间碎片移除的过程通常包括：逼近、抓捕和离轨，其中抓捕为空间碎片清理最重要的环节。
在抓捕过程中，由于空间碎片一般处于高速翻滚状态，为了尽量避免对抓捕机构的碰撞，一般有以下两种方法：一种方案是实现抓捕航天器与空间碎片运动同步，使航天器和碎片之间没有相对的角速度，进而对空间碎片实施抓捕。但是该方案有很多不足之处，首先，由于碎片的翻滚速度一般很大，在消除相对角速度过程中会消耗很多燃料；其次，如果碎片翻滚速度过大，如果强行进行运动同步，将造成导致航天器因离心力过大而解体；最后，一般空间碎片运动是不确定性的，航天器与空间碎片无法完成时时的运动同步，一旦在同步问题上出现问题，这将航天器抓捕机械臂与已抓捕到的空间碎片发生碰撞，对抓捕机构产生损坏。第二种方案是对碎片进行非接触式的消旋，目前最常见的方式是采用电磁消旋，利用抓捕航天器上携带的线圈通电后产生的磁场，在碎片中产生涡流进行消旋。但是该方式也存在很多局限性，比如，携带单个螺线圈的航天器产生磁场的磁场强度较低，使得消旋效果太差，消旋时间过长；带有多个螺线圈的航天器对碎片的外形尺寸要求有限制，无法根据碎片的尺寸进行变化。因此将小卫星作为大型航天器平台的补充，使用四颗太阳帆小卫星编队，携带线圈的小卫星编队对碎片进行逼近，利用磁场对碎片产生涡流，进而进行碎片的消旋工作，将具有比较大的优势。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种利用涡流效应实现空间碎片消旋的小卫星编队设计方法，使用该方法能够有效的减小高速旋转的碎片的旋转角速度，并且利用小卫星编队对碎片进行逼近，有效的节省了航天器平台的燃料，实现多个空间碎片的消旋工作。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
利用涡流效应实现空间碎片消旋的小卫星编队设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、航天器平台选择需要进行抓捕的空间碎片，对其进行逼近机动到距离空间碎片100±5m的位置，以备释放小卫星进行下一步工作；
步骤二、航天器平台根据自身与单个空间碎片的相对位置、相对速度的碎片的外形尺寸，对所要释放的四颗小卫星进行编队构型的设计，建立编队与空间碎片的相对运动模型；
步骤三、利用航天器平台的释放装置依次释放四颗小卫星，并根据建立的相对运动模型选择释放时推力的大小，使小卫星散落在所要消旋的空间碎片周围；
步骤四、卫星展开通电螺线圈和太阳能帆板，通过控制小卫星的释放时的位置和速度使它们以目标碎片为中心形成自然的圆或椭圆编队，其中平面内的两颗小卫星正对碎片一个旋转轴，平面外的两颗小卫星正对碎片的一个旋转轴；
步骤五、利用太阳能帆板产生电能对通电螺线圈进行通电，产生磁场对碎片进行消旋，减小碎片两个轴翻滚的角速度，直至将碎片的旋转角速度减小到限制值以下；将平面内的两个小卫星进行小机动，改变编队构型，使其正对碎片的第三个旋转轴，减小该轴的翻滚角速度，直至将碎片的旋转角速度减小到限制值以下。
本发明进一步的改进在于：
步骤二中，建立编队与空间碎片的相对运动模型的具体方法如下：
目标碎片沿近圆轨道运行时，其周围的小卫星编队相对碎片的运动方程用C-W方程表示，即：
式中，n为平均角速度，对于圆轨道
作用力为零的情况下，写出自由相对运动方程：
设初始条件为得到方程(2)的解析解为
式中，τ＝t-t0；
若初始条件则y有随时间不断增长的项，因而相对距离越来越大；如果初始条件满足则在轨道平面内x和y的方程能够转化为一个封闭的椭圆方程：
其中，且椭圆方程长半轴为短半轴的2倍。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明主要涉及的两个关键问题，一是根据碎片相对于航天器平台的位置和碎片的外形尺寸，对航天器平台所发射的小卫星进行编队。由航天器平台释放几颗小卫星在目标碎片周围，小卫星展开通电螺线圈和太阳能帆板，通过控制小卫星的释放时的位置和速度使它们以目标碎片为中心形成自然的圆或椭圆编队。二是产生磁场对碎片进行消旋，减小碎片翻滚的角速度。通过姿态控制使各小卫星的通电螺线圈都正对目标碎片，对螺线圈通电，进而在编队区域内形成较强的磁场，实现高速旋转空间碎片的快速消旋。本发明利用小卫星携带通电螺线圈进行编队，对空间碎片实施编队包围，可以在不同方向产生磁场，利用磁场的变化，可以对减小碎片三轴的角速度，从而实现非接触下对翻滚碎片的快速消旋。本发明利用四颗小卫星携带通电螺线圈进行编队，可以增强磁场的强度，有效的加快对碎片的消旋。本发明小卫星携带太阳帆板，可以提供小卫星进行小机动的能量以及通电螺线圈的用电能量，不需要携带额外的燃料。
【附图说明】
图1为本发明提出的实现空间碎片消旋的小卫星编队设计简图；
图2为本发明提出的携带太阳帆和通电螺线圈的小卫星；
图3为本发明提出的利用涡流效应进行非接触式消旋的原理示意图。
其中，1-释放的四颗小卫星；2-需要进行消旋的空间碎片。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，图1为本发明提出的实现空间碎片消旋的小卫星编队设计简图，其中，中心为需要进行消旋的空间碎片2，释放的四颗小卫星1包括平面内两颗和平面外两颗。利用四颗携带通电螺线圈和太阳帆的小卫星进行编队，其中平面内的两颗小卫星可以通过改变其处于编队的位置，有两个状态，一是保证通电螺线圈正对碎片翻滚的x轴方向，二是保证通电螺线圈正对碎片翻滚的y轴方向；平面内的两颗小卫星始终保证保证通电螺线圈正对碎片翻滚的z轴方向。
本发明利用涡流效应实现空间碎片消旋的小卫星编队设计方法，包括以下步骤：
步骤一、航天器平台选择需要进行抓捕的空间碎片，对其进行逼近机动到距离空间碎片100±5m的位置，以备释放小卫星进行下一步工作；
步骤二、航天器平台根据自身与单个空间碎片的相对位置、相对速度的碎片的外形尺寸，对所要释放的四颗小卫星进行编队构型的设计，建立编队与空间碎片的相对运动模型；
对于编队飞行的原理如下：
首先定义目标碎片的轨道坐标系为：坐标原点o位于目标碎片质心，x轴沿碎片地心距的方向,y轴位于瞬时轨道平面内与x轴正交指向碎片的飞行方向,z轴与瞬时轨道平面的法向一致,且x轴和y轴与构成右手正交坐标系。当目标碎片沿近圆轨道运行时，其周围的小卫星编队相对碎片的运动方程可以用C-W方程表示，即
式中，n为平均角速度，对于圆轨道
现研究自由运动，即作用力为零的情况。写出自由相对运动方程
设初始条件为可得方程(2)的解析解为
式中，τ＝t-t0。
若初始条件则y有随时间不断增长的项(漂移项)，因而相对距离越来越大。如果初始条件满足则在轨道平面内x和y的方程可以转化为一个封闭的椭圆方程
其中，且椭圆方程长半轴为短半轴的2倍。这种椭圆编队构型可以绕飞目标航天器质心，也可以绕飞航天器y轴任意点，称为被动稳定编队轨道，编队航天器不必消耗燃料，就可以长期围绕设计中心飞行。并且上述椭圆形状的编队飞行轨迹，中心航天器存在或者不存在，对椭圆形状编队飞行的动力学和稳定性没有影响。
步骤三、利用航天器平台的释放装置依次释放四颗小卫星，并根据建立的相对运动模型选择释放时推力的大小，使小卫星散落在所要消旋的空间碎片周围；
步骤四、卫星展开通电螺线圈和太阳能帆板，通过控制小卫星的释放时的位置和速度使它们以目标碎片为中心形成自然的圆或椭圆编队，其中平面内的两颗小卫星正对碎片一个旋转轴，平面外的两颗小卫星正对碎片的一个旋转轴；
步骤五、利用太阳能帆板产生电能对通电螺线圈进行通电，产生磁场对碎片进行消旋，减小碎片两个轴翻滚的角速度，直至将碎片的旋转角速度减小到限制值以下；将平面内的两个小卫星进行小机动，改变编队构型，使其正对碎片的第三个旋转轴，减小该轴的翻滚角速度，直至将碎片的旋转角速度减小到限制值以下。
图2为本发明提出的携带太阳帆和通电螺线圈的小卫星，其中两个黑色的长方形，是太阳帆板4，用来提供小卫星小机动的能量和通电螺线圈的电能，两个白色的长方形框，是通电螺线圈3，其上缠绕多圈可通电的线圈，用于产生磁场。当小卫星完成编队，到达指定的编队位置后，螺线圈开始通电，产生磁场，开始对翻滚碎片进行消旋。中间的部分为小卫星的主体部分，主要是小卫星的姿态控制系统，用于调整小卫星的姿态，保证通电螺线圈始终正对翻滚碎片的旋转轴，让磁场强度达到最大，保证消旋效果最佳。
图3为本发明提出的利用涡流效应进行非接触式消旋的原理示意图，其中通电螺线圈3上缠绕多圈可通电的线圈，用于产生磁场；产生磁场的磁感线5的磁场强度为涡流效应的原理如下：
根据刚体的姿态动力学，刚体转动的欧拉方程为
其中I为转动惯量，为旋转角速度，为外力矩。在利用涡流效应进行消旋的过程中，因为其他外力相对于磁场力的大小可以忽略不计，因此假设碎片只受磁场力的作用，因此这里的外力矩只有磁场产生。
根据楞次定律，带电体在磁场中切割磁感线产生感应电流，运动导体上的感应电流受的磁场力总是阻碍导体的运动。由磁场产生涡流效应的力矩表示为
其中为涡流效应产生的力矩，为磁矩，为磁场强度。碎片作为刚体，它的磁矩定义为
其中是碎片的位置矢量，为电流密度，为磁场强度。
由于碎片转动过程中产生的涡流效应，感应电流产生的力矩会阻碍其自身的转动，并且会改变其转动的方向。所以在碎片不断转动过程中，其转动角速度不断减小，直到以较小的角速度转动或停止翻滚即可完成消旋。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (2)
1.利用涡流效应实现空间碎片消旋的小卫星编队设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、航天器平台选择需要进行抓捕的空间碎片，对其进行逼近机动到距离空间碎片100±5m的位置，以备释放小卫星进行下一步工作；
步骤二、航天器平台根据自身与单个空间碎片的相对位置、相对速度的碎片的外形尺寸，对所要释放的四颗小卫星进行编队构型的设计，建立编队与空间碎片的相对运动模型；
步骤三、利用航天器平台的释放装置依次释放四颗小卫星，并根据建立的相对运动模型选择释放时推力的大小，使小卫星散落在所要消旋的空间碎片周围；
步骤四、卫星展开通电螺线圈和太阳能帆板，通过控制小卫星的释放时的位置和速度使它们以目标碎片为中心形成自然的圆或椭圆编队，其中平面内的两颗小卫星正对碎片一个旋转轴，平面外的两颗小卫星正对碎片的一个旋转轴；
步骤五、利用太阳能帆板产生电能对通电螺线圈进行通电，产生磁场对碎片进行消旋，减小碎片两个轴翻滚的角速度，直至将碎片的旋转角速度减小到限制值以下；将平面内的两个小卫星进行小机动，改变编队构型，使其正对碎片的第三个旋转轴，减小该轴的翻滚角速度，直至将碎片的旋转角速度减小到限制值以下。
2.根据权利要求1所述的利用涡流效应实现空间碎片消旋的小卫星编队设计方法，其特征在于，步骤二中，建立编队与空间碎片的相对运动模型的具体方法如下：
目标碎片沿近圆轨道运行时，其周围的小卫星编队相对碎片的运动方程用C-W方程表示，即：
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式中，n为平均角速度，对于圆轨道
作用力为零的情况下，写出自由相对运动方程：
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<mo>-</mo>
<mn>6</mn>
<msub>
<mi>kx</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>-</mo>
<mn>3</mn>
<msub>
<mover>
<mi>y</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
</mover>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>+</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>4</mn>
<msub>
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<mi>y</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
</mover>
<mn>0</mn>
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<mo>+</mo>
<mn>6</mn>
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<mi>kx</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>)</mo>
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<mi>cos</mi>
<mi> </mi>
<mi>k</mi>
<mi>&tau;</mi>
<mo>-</mo>
<mn>2</mn>
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<mi>x</mi>
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</mover>
<mn>0</mn>
</msub>
<mi>sin</mi>
<mi> </mi>
<mi>k</mi>
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</mrow>
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<mrow>
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<mi>z</mi>
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<mo>=</mo>
<msub>
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<mi>z</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
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<mi> </mi>
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<mi>kz</mi>
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<mi>sin</mi>
<mi> </mi>
<mi>k</mi>
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</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中，τ＝t-t0；
若初始条件则y有随时间不断增长的项，因而相对距离越来越大；如果初始条件满足则在轨道平面内x和y的方程能够转化为一个封闭的椭圆方程：
<mrow>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
<mi>x</mi>
<mi>a</mi>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>+</mo>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>y</mi>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>y</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>2</mn>
<msub>
<mover>
<mi>x</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
</mover>
<mn>0</mn>
</msub>
</mrow>
<mi>k</mi>
</mfrac>
</mrow>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>a</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>4</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，且椭圆方程长半轴为短半轴的2倍。
Priority Applications (1)
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