CN110979745A - 一种基于洛伦兹力的空间防护方法及系统 - Google Patents

一种基于洛伦兹力的空间防护方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于洛伦兹力的空间防护方法及系统，针对GEO轨道高价值目标面临的碎片及非合作目标撞击风险,提出的具备批量化处置、低成本、非接触型的空间碎片辅助离轨技术方法。本发明方法基于洛伦兹力的空间碎片防护技术，拟利用碎片本身携带的带电粒子，采用外加磁场作用产生洛伦兹力辅助其离开本来运行轨道，转入大气层烧毁甚至转入坟墓轨道，最终实现批量化的碎片清除，是其他空间碎片清除方法的有效补充。

Description

一种基于洛伦兹力的空间防护方法及系统
技术领域
本方法提出的基于洛伦兹力的空间碎片防护方法及系统，拟利用电磁场实现批量化的碎片清除，构建空间飞行器的安全防护盾牌。
背景技术
随着各国空间技术的发展和空间任务的增多，空间碎片与日俱增。空间碎片严重威胁着航天器的在轨安全，其与飞行器的碰撞可导致飞行器功能失效甚至解体。在轨航天器主要分布在LEO、MEO、HEO、GEO四类轨道上，其中89％以上分布在LEO和GEO轨道上。GEO具有轨位资源有限和航天器体积大价值高的特点，因此，迫切需要针对GEO轨道碎片实施探测和主动清除，以保证GEO轨道资源的可持续利用。
目前空间碎片的主动清除技术是指将空间碎片驱使进入大气层烧毁或拖曳至坟墓轨道的方法和途径。空间碎片清除的主要方法有天基/地基激光清除、电动力缆绳拖拽、增阻离轨、空间机器人抓捕清除等，其中空间机器人抓捕清除方案中又根据抓捕形式的具体不同分为机械臂、机械手、飞爪、飞网等。总体来看电动力拖绳拖拽与增阻离轨技术相对实现效率较低且针对合作目标的主动清除相对有效，针对非合作批量化目标实现途径相对困难；天基/地基激光清除手段比较适合多任务目标的批量清除，但由于其窄光束的特点决定了其需要对目标进行高精度瞄准与跟踪，技术相对受限；飞网等清除手段相对效率和技术较成熟但存在一次性使用的缺点相对建设和维护补给成本较高不适合广泛使用。
因此，基于上述分析，针对GEO轨道高价值目标面临的碎片及非合作目标撞击风险需要一种具备批量化处置、低成本、非接触型的空间碎片辅助离轨方法。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于洛伦兹力的空间防护方法及系统。基于电磁作用的轨道偏离防护技术将实现一种全新的在轨布防模式，突破现有防御方式局限，实现对具有威胁的目标进行批量化清除。
本发明的技术解决方案是：
一种基于洛伦兹力的空间防护方法，步骤如下：
(1)进行作用目标识别，识别其是否为合作目标；如果是合作目标，则进入步骤(2)；如果是非合作目标则进入步骤(3)；
(2)对合作目标进行带电量识别，如果合作目标带电，则进入步骤(4)；如果不带电，则进入步骤(3)；
(3)进行远程的电荷补加，进入步骤(4)；
(4)进行带电量量化测定，并判断带电量是否达到预设阈值，如果达到带电量阈值，则进入步骤(5)；否则返回步骤(3)；
(5)对作用目标施加定向电磁场，通过爆磁压缩产生强脉冲磁场；
(6)作用目标高速运动过程中，切割定向电磁场的磁感线，在洛伦兹力的作用下，作用目标运行轨道发生偏移；
(7)对作用目标轨道进行持续监测，实时调整定向电磁场的方向，使作用目标离开本来轨道，偏移至废弃轨道或转入大气层烧毁，实现基于洛伦兹力的空间防护。
进一步的，所述合作目标为己方卫星，是指寿命终期的卫星、失去部分功能的卫星或故障卫星。
进一步的，所述非合作目标是指不受控的空间碎片。
进一步的，所述对合作目标进行带电量识别，具体为：在飞行器上增加带电极板，对飞行中的合作目标进行电势感应，以实现带电量识别。
进一步的，进行远程电荷补加，具体为：通过等离子体产生装置发射等离子体，利用等离子体羽流与合作/非合作目标的表面作用，实现合作/非合作目标表面被动带电。
进一步的，进行远程带电量量化测定，具体为：利用表面电位探针的探头与带电体之间形成电容进行直接感应，对产生的感应电流进行放大及数据采集和处理，从而得到被测表面的电位。
进一步的，对带电量进行判别，如果带电，则对其带电量q进行量化测定，并根据轨道偏移所需要的力值F＝Q*V×B，计算所需带电量Q，V为作用目标相对于磁场的运动速度，B为作用目标所处位置的磁场强度，若q≥Q，则无需补加电量，若q＜Q，则进行电荷的补加；如果不带电，则直接进行远程的电荷补加，补加电荷后对作用目标进行带电量q进行量化测定，并根据轨道偏移所需要的力值计算所需带电量Q，若q≥Q，则无需补加电量，若q＜Q，则进行电荷的补加。
进一步的，本发明还提出一种空间防护系统，包括：
作用目标识别模块：进行作用目标识别，识别其是否为合作目标；
带电量识别模块：对合作目标进行带电量识别，如果合作目标带电，则进行带电量量化测定；如果不带电，则进行远程的电荷补加；
带电量量化测定模块：判断带电量是否达到预设阈值，如果达到带电量阈值，则对作用目标施加定向电磁场，通过爆磁压缩产生强脉冲磁场；否则则进行远程的电荷补加；
洛伦兹力作用模块：作用目标高速运动过程中，切割定向电磁场的磁感线，在洛伦兹力的作用下，作用目标运行轨道发生偏移；
空间防护模块：对作用目标轨道进行持续监测，实时调整定向电磁场的方向，使作用目标离开本来轨道，偏移至废弃轨道或转入大气层烧毁，实现基于洛伦兹力的空间防护。
本发明与现有技术相比带来的有益效果为：
(1)本方法基于电磁作用的轨道偏离防护技术将实现一种全新的在轨布防模式，突破现有防御方式局限，实现对具有威胁的目标进行批量化清除。空间飞行器由于空间等离子体和辐射的作用而带电，称为被动充电现象，该作用使得航天器表面出现高达数十千伏的电势；空间碎片亦是如此，表面具有很高电势，故可利用洛伦兹力对目标进行操控，颠覆现有的空间防护方法和作业距离，在武器摧毁和捕获未完全实现防护之外，为高价值飞行器提供一种有效防护作用的新方法。
(2)本方法基于洛伦兹力的空间碎片防护技术，拟利用碎片本身携带的带电粒子，采用外加磁场作用产生洛伦兹力辅助其离开本来运行轨道，转入大气层烧毁甚至转入坟墓轨道，最终实现批量化的碎片清除，是其他空间碎片清除方案的有效补充。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
本方法基于电磁作用的轨道偏离防护技术将实现一种全新的在轨布防模式，突破现有防御方式局限，实现对具有威胁的目标进行批量化清除。空间飞行器由于空间等离子体和辐射的作用而带电，称为被动充电现象，该作用使得航天器表面出现高达数十千伏的电势；空间碎片亦是如此，表面具有很高电势，故可利用洛伦兹力对目标进行操控，颠覆现有的空间防护方法和作业距离，在武器摧毁和捕获未完全实现防护之外，为高价值飞行器提供一种有效防护作用的新方法。
如图1所示，本发明提出的一种基于洛伦兹力的空间防护方法，步骤如下：
(1)进行作用目标识别，识别其是否为合作目标；如果是合作目标，则进入步骤(2)；如果是非合作目标则进入步骤(3)；
所述合作目标为己方卫星，是指寿命终期的卫星、失去部分功能的卫星或故障卫星。所述非合作目标是指不受控的空间碎片。
(2)对合作目标进行带电量识别，空间飞行器由于空间等离子体和辐射的作用而带电，称为被动充电现象，该被动充电使得飞行器表面出现高达数十千伏的电势，整体形成一个大电荷；如果合作目标带电(可控目标)，则进入步骤(4)；如果不带电，则进入步骤(3)；
所述对合作目标进行带电量识别，具体为：在飞行器上增加带电极板，对飞行中的合作目标进行电势感应，以实现带电量识别。
(3)进行远程的电荷补加，避免非合作目标带电量不可测的风险,进入步骤(4)；
进行远程电荷补加，具体为：通过等离子体产生装置发射等离子体，利用等离子体羽流与合作/非合作目标的表面作用，实现合作/非合作目标表面被动带电。
(4)进行带电量量化测定，并判断带电量是否达到预设阈值，如果达到带电量阈值，则进入步骤(5)；否则返回步骤(3)；
进行远程带电量量化测定，具体为：利用表面电位探针的探头与带电体之间形成电容进行直接感应，对产生的感应电流进行放大及数据采集和处理，从而得到被测表面的电位。
对带电量进行判别，如果带电，则对其带电量q进行量化测定，并根据轨道偏移所需要的力值(F＝Q*V×B，V为作用目标相对于磁场的运动速度，B为作用目标所处位置的磁场强度)计算所需带电量Q，若q≥Q，则无需补加电量，若q＜Q，则进行电荷的补加；如果不带电，则直接进行远程的电荷补加，补加电荷后对作用目标进行带电量q进行量化测定，并根据轨道偏移所需要的力值计算所需带电量Q，若q≥Q，则无需补加电量，若q＜Q，则进行电荷的补加；
(5)经过上述步骤后，作用目标均已带足量电荷，该电荷量足以驱使作用目标在磁场中运动产生轨道偏转，此时对作用目标施加定向电磁场，通过爆磁压缩的原理产生强脉冲磁场；
(6)作用目标高速运动过程中，带电作用目标切割定向电磁场的磁感线，在垂直于运动方向的洛伦兹力F的作用下，作用目标运行轨道发生偏移；
(7)对作用目标轨道进行持续监测，实时调整定向电磁场的方向，在持续垂直于运动方向的洛伦兹力F作用下使作用目标离开本来轨道，偏移至废弃轨道或转入大气层烧毁，实现基于洛伦兹力的空间防护。
本方法基于洛伦兹力的空间碎片防护技术，利用碎片本身携带的带电粒子，采用外加磁场作用产生洛伦兹力辅助其离开本来运行轨道，转入大气层烧毁甚至转入坟墓轨道，最终实现批量化的碎片清除，是其他空间碎片清除方案的有效补充。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于洛伦兹力的空间防护方法，其特征在于步骤如下：
(1)进行作用目标识别，识别其是否为合作目标；如果是合作目标，则进入步骤(2)；如果是非合作目标则进入步骤(3)；
(2)对合作目标进行带电量识别，如果合作目标带电，则进入步骤(4)；如果不带电，则进入步骤(3)；
(3)进行远程的电荷补加，进入步骤(4)；
(4)进行带电量量化测定，并判断带电量是否达到预设阈值，如果达到带电量阈值，则进入步骤(5)；否则返回步骤(3)；
(5)对作用目标施加定向电磁场，通过爆磁压缩产生强脉冲磁场；
(6)作用目标高速运动过程中，切割定向电磁场的磁感线，在洛伦兹力的作用下，作用目标运行轨道发生偏移；
(7)对作用目标轨道进行持续监测，实时调整定向电磁场的方向，使作用目标离开本来轨道，偏移至废弃轨道或转入大气层烧毁，实现基于洛伦兹力的空间防护。
2.根据权利要求1所述的一种基于洛伦兹力的空间防护方法，其特征在于：所述合作目标为己方卫星，是指寿命终期的卫星、失去部分功能的卫星或故障卫星。
3.根据权利要求1所述的一种基于洛伦兹力的空间防护方法，其特征在于：所述非合作目标是指不受控的空间碎片。
4.根据权利要求1所述的一种基于洛伦兹力的空间防护方法，其特征在于：所述对合作目标进行带电量识别，具体为：在飞行器上增加带电极板，对飞行中的合作目标进行电势感应，以实现带电量识别。
5.根据权利要求1所述的一种基于洛伦兹力的空间防护方法，其特征在于：进行远程电荷补加，具体为：通过等离子体产生装置发射等离子体，利用等离子体羽流与合作/非合作目标的表面作用，实现合作/非合作目标表面被动带电。
6.根据权利要求1所述的一种基于洛伦兹力的空间防护方法，其特征在于：进行远程带电量量化测定，具体为：利用表面电位探针的探头与带电体之间形成电容进行直接感应，对产生的感应电流进行放大及数据采集和处理，从而得到被测表面的电位。
7.根据权利要求6所述的一种基于洛伦兹力的空间防护方法，其特征在于：对带电量进行判别，如果带电，则对其带电量q进行量化测定，并根据轨道偏移所需要的力值F＝Q*V×B，计算所需带电量Q，V为作用目标相对于磁场的运动速度，B为作用目标所处位置的磁场强度，若q≥Q，则无需补加电量，若q＜Q，则进行电荷的补加；如果不带电，则直接进行远程的电荷补加，补加电荷后对作用目标进行带电量q进行量化测定，并根据轨道偏移所需要的力值计算所需带电量Q，若q≥Q，则无需补加电量，若q＜Q，则进行电荷的补加。
8.一种根据权利要求1所述的基于洛伦兹力的空间防护方法实现的空间防护系统，其特征在于包括：
作用目标识别模块：进行作用目标识别，识别其是否为合作目标；
带电量识别模块：对合作目标进行带电量识别，如果合作目标带电，则进行带电量量化测定；如果不带电，则进行远程的电荷补加；
带电量量化测定模块：判断带电量是否达到预设阈值，如果达到带电量阈值，则对作用目标施加定向电磁场，通过爆磁压缩产生强脉冲磁场；否则则进行远程的电荷补加；
洛伦兹力作用模块：作用目标高速运动过程中，切割定向电磁场的磁感线，在洛伦兹力的作用下，作用目标运行轨道发生偏移；
空间防护模块：对作用目标轨道进行持续监测，实时调整定向电磁场的方向，使作用目标离开本来轨道，偏移至废弃轨道或转入大气层烧毁，实现基于洛伦兹力的空间防护。
9.根据权利要求8所述的空间防护系统，其特征在于：所述合作目标为己方卫星，是指寿命终期的卫星、失去部分功能的卫星或故障卫星；所述非合作目标是指不受控的空间碎片；所述对合作目标进行带电量识别，具体为：在飞行器上增加带电极板，对飞行中的合作目标进行电势感应，以实现带电量识别。
10.根据权利要求8所述的空间防护系统，其特征在于：进行远程电荷补加，具体为：通过等离子体产生装置发射等离子体，利用等离子体羽流与合作/非合作目标的表面作用，实现合作/非合作目标表面被动带电；
进行远程带电量量化测定，具体为：利用表面电位探针的探头与带电体之间形成电容进行直接感应，对产生的感应电流进行放大及数据采集和处理，从而得到被测表面的电位。
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CN111661368A (zh) * 2020-06-24 2020-09-15 北京卫星环境工程研究所 空间碎片清除方法与系统

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