CN108263641A - 一种天基激光飞行装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天基激光飞行装置，该飞行装置包括天基平台和激光载荷两部分，所述天基平台主要包括推进分系统、电源分系统、通信分系统、控制分系统和温控分系统，所述激光载荷主要包括高能激光器、发射望远镜和目标捕获跟踪瞄准分系统。该飞行装置能够高效的对空间碎片实施清除，同时能够避免大范围高频率的轨道机动，延长飞行寿命。

Description

一种天基激光飞行装置

技术领域

本发明涉及航天飞行器技术领域，尤其涉及一种天基激光飞行装置。

背景技术

目前，在宇宙空间按照天体力学规律运行的各类飞行器称为航天飞行器，简称航天器，又称空间飞行器。根据航天器飞行的区域可分为地球卫星式航天器和行星际航天器，根据航天器上有人和无人分为无人航天器和载人航天器。空间碎片是人类航天活动的产物，是指近地空间中除去现役航天器以外的其它人造物体，包括火箭箭体、失效航天器、任务相关碎片及碎裂碎片等。自从1957年苏联发射世界上第一颗人造地球卫星以来，地球上空的碎片数量与日俱增。截至2017年1月，美国SSN编目(尺寸约10cm以上)在轨的空间物体数量近18000个，其中90％以上属于空间碎片，而未被SSN编目的微小碎片数量更是难以估量，空间碎片的大量存在，使有用的近地轨道日益拥挤，同时由于碎片高速运动携带的巨大动能，使在轨航天器的安全受到严重的撞击威胁。

20世纪90年代初以来，由于具有清洁性和安全性，利用高能激光清理空间碎片的研究逐渐兴起，根据激光清除碎片的效果，可把使用激光清除空间碎片的方法分为直接烧毁和烧蚀推移两种模式，按照激光器所在平台不同，激光推移离轨清除系统可分为地基、天基2种类型。其中地基激光虽然技术比较成熟，但受限于大气能量损耗、折射散射传播误差以及工作窗口有限等因素影响，使其清除效率大打折扣，特别是轨道高度较高的空间cm级空间碎片；天基激光在真空中传播，能忽略损耗，且没有折射、散射等传播误差影响，能清理空间任意位置的碎片，清理时间可以覆盖碎片的整个飞行弧段，可以优化设计作用角度等特点，被认为具有很大的研究价值。但现有技术中关于天基激光的研究大都局限在天基激光清除空间碎片的任务设计方面，缺乏对天基激光系统本身的研究，而这正是实现天基激光清除空间碎片任务的基础和核心。

发明内容

本发明的目的是提供一种天基激光飞行装置，该飞行装置能够高效的对空间碎片实施清除，同时能够避免大范围高频率的轨道机动，延长飞行寿命。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种天基激光飞行装置，所述装置包括天基平台和激光载荷两部分，其中：

所述天基平台主要包括推进分系统、电源分系统、通信分系统、控制分系统和温控分系统，其中：

所述控制分系统与所述推进分系统和通信分系统电连接，通过控制算法输出相应的控制指令给所述推进分系统和通信分系统，协调各分系统的运行，并输出伺服控制任务指令到所述激光载荷；

所述推进分系统用于在平台变轨时进行姿态调整和轨道机动，提供所述飞行装置在空间飞行过程中轨道控制、姿态控制及轴向加速和制动所需要的控制力，实现对不同轨道上的空间碎片清除；

所述电源分系统用于向其他分系统进行供电，以保障全系统正常工作，并提供清除空间碎片所需的能源；

所述通信分系统用于实现所述飞行装置与地面的双向信息传输，将所述飞行装置的状态信息下传到地面，同时接收地面发送的遥控指令；

所述温控分系统采用半导体体制冷器，用于调节所述飞行装置的工作温度；

所述激光载荷主要包括高能激光器、发射望远镜和目标捕获跟踪瞄准分系统，其中：

所述高能激光器是整个系统的核心载荷，采用固态激光器，用于产生清除空间碎片所需的高能激光束；

所述高能激光器将高能激光束发射到所述发射望远镜上，通过所述发射望远镜将高能激光束发射到远场，汇聚到需要清除的空间碎片上；

所述目标捕获跟踪瞄准分系统用于对需要清除的空间碎片进行捕获、跟踪和瞄准，并对所述发射望远镜进行方向导引，使高能激光束汇聚到需要清除的空间碎片上，实现对空间碎片的持续照射。

所述飞行装置运行在空间碎片最为密集的太阳同步轨道。

所述飞行装置采用与碎片偶遇的方式对碎片实施清除。

所述飞行装置产生的激光脉冲推力与需要清除的空间碎片飞行速度之间的夹角α大于90°。

所述电源分系统采用太阳能发电模式。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述飞行装置能够高效的对空间碎片实施清除，同时能够避免大范围高频率的轨道机动，延长飞行寿命，且随着飞行装置部署的变化，还可扩展激光载荷的工作空间范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的天基激光飞行装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所述飞行装置清除空间碎片的模式示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的天基激光飞行装置的结构示意图，所述装置包括天基平台和激光载荷两部分，其中：

所述天基平台主要包括推进分系统、电源分系统、通信分系统、控制分系统和温控分系统，其中：

所述控制分系统与所述推进分系统和通信分系统电连接，通过控制算法输出相应的控制指令给所述推进分系统和通信分系统，协调各分系统的运行，并输出伺服控制任务指令到所述激光载荷；有计划地控制空间碎片清除任务，是整个天基激光系统的“大脑”，担负着系统的指挥控制功能；

所述推进分系统用于在平台变轨时进行姿态调整和轨道机动，提供所述飞行装置在空间飞行过程中轨道控制、姿态控制及轴向加速和制动所需要的控制力，实现对不同轨道上的空间碎片清除；在所述飞行装置正常工作时，用作姿态和轨道保持；

所述电源分系统用于向其他分系统进行供电，以保障全系统正常工作，并提供清除空间碎片所需的能源；具体实现中，该电源分系统可以采用太阳能发电模式，从而大幅节约自身携带的能源，有效延长天基激光飞行器的轨道寿命。

所述通信分系统用于实现所述飞行装置与地面的双向信息传输，将所述飞行装置的状态信息下传到地面，同时接收地面发送的遥控指令；

所述温控分系统采用半导体体制冷器，用于调节所述飞行装置的工作温度；

所述激光载荷主要包括高能激光器、发射望远镜和目标捕获跟踪瞄准分系统，其中：

所述高能激光器是整个系统的核心载荷，采用固态激光器，用于产生清除空间碎片所需的高能激光束；作为飞行装置的核心部件，在某种程度上，激光光源的选择就成为决定该方案成败的关键，高能激光必须满足高光束质量、高功率、高重频的特性；使更小的热流进出激光器，从而达到系统更加坚固耐用的作用；

所述高能激光器将高能激光束发射到所述发射望远镜上，通过所述发射望远镜将高能激光束发射到远场，汇聚到需要清除的空间碎片上，形成功率密度足够高的光斑；

所述目标捕获跟踪瞄准分系统用于对需要清除的空间碎片进行捕获、跟踪和瞄准，并对所述发射望远镜进行方向导引，使高能激光束汇聚到需要清除的空间碎片上，实现对空间碎片的持续照射。由于空间碎片具有目标直径小、探测距离远、运行速度快的特点，因此应保证在清除过程中使高能激光束准确聚焦在空间碎片上，产生足够的激光脉冲能量，从而改变空间碎片的轨道。

具体实现中，该飞行装置运行在空间碎片最为密集的太阳同步轨道。

另外，对于太阳同步轨道的天基激光飞行器和空间碎片，其轨道速度近似相等，当二者相距较远且无法保证足够的激光能量时，若要继续清除该目标碎片，则需要通过天基激光飞行器轨道机动的方式主动接近目标碎片，综合考虑目标碎片的尺寸(1-10cm)、数量和轨道机动成本，该模式费效比很高。因而本申请所述飞行装置清除碎片应采取偶遇的模式，也就是使天基激光飞行器和空间碎片在同一时间通过同一区域。

具体实现中，如图2为本发明实施例所述飞行装置清除空间碎片的模式示意图，该飞行装置清除空间碎片的基本要求是产生的激光脉冲推力与需要清除的空间碎片飞行速度之间的夹角α大于90°，即激光脉冲推力在碎片飞行方向的分量与碎片速度方向相反。

本发明实施例所述飞行装置清除空间碎片的一般工作流程是：

首先由雷达或光学探测设备发现碎片目标，并将碎片信息数据传送给控制通信系统，控制通信系统经过目标确认，引导精密跟踪瞄准系统捕获并锁定目标，精密跟踪瞄准系统再引导光学发射系统对准碎片。当碎片处于适当位置时，控制通信系统发出清除指令，启动激光器，激光器发出光束，对碎片目标进行清除，改变空间碎片的原始轨道，使其近地点高度降低；随后通过调整目标指向继续对其他空间碎片进行捕获跟踪，采取相同的方式清除。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

综上所述，本发明实施例所述飞行装置运行在空间碎片最密集的太阳同步轨道，采用偶遇的方式对空间碎片实施清除任务，其优点是激光在真空中传播，可忽略能量损耗；避免了大范围高频率的轨道机动，延长飞行器寿命；同时随着飞行器部署的变化，还可扩展激光载荷的工作空间范围。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种天基激光飞行装置，其特征在于，所述装置包括天基平台和激光载荷两部分，其中：

所述天基平台主要包括推进分系统、电源分系统、通信分系统、控制分系统和温控分系统，其中：

所述控制分系统与所述推进分系统和通信分系统电连接，通过控制算法输出相应的控制指令给所述推进分系统和通信分系统，协调各分系统的运行，并输出伺服控制任务指令到所述激光载荷；

所述推进分系统用于在平台变轨时进行姿态调整和轨道机动，提供所述飞行装置在空间飞行过程中轨道控制、姿态控制及轴向加速和制动所需要的控制力，实现对不同轨道上的空间碎片清除；

所述电源分系统用于向其他分系统进行供电，以保障全系统正常工作，并提供清除空间碎片所需的能源；

所述通信分系统用于实现所述飞行装置与地面的双向信息传输，将所述飞行装置的状态信息下传到地面，同时接收地面发送的遥控指令；

所述温控分系统采用半导体体制冷器，用于调节所述飞行装置的工作温度；

所述激光载荷主要包括高能激光器、发射望远镜和目标捕获跟踪瞄准分系统，其中：

所述高能激光器是整个系统的核心载荷，采用固态激光器，用于产生清除空间碎片所需的高能激光束；

所述高能激光器将高能激光束发射到所述发射望远镜上，通过所述发射望远镜将高能激光束发射到远场，汇聚到需要清除的空间碎片上；

所述目标捕获跟踪瞄准分系统用于对需要清除的空间碎片进行捕获、跟踪和瞄准，并对所述发射望远镜进行方向导引，使高能激光束汇聚到需要清除的空间碎片上，实现对空间碎片的持续照射。

2.根据权利要求1所述天基激光飞行装置，其特征在于，

所述飞行装置运行在空间碎片最为密集的太阳同步轨道。

3.根据权利要求1所述天基激光飞行装置，其特征在于，

所述飞行装置采用与碎片偶遇的方式对碎片实施清除。

4.根据权利要求1所述天基激光飞行装置，其特征在于，

所述飞行装置产生的激光脉冲推力与需要清除的空间碎片飞行速度之间的夹角α大于90°。

5.根据权利要求1所述天基激光飞行装置，其特征在于，

所述电源分系统采用太阳能发电模式。