CN111746829B - 一种小尺寸空间碎片清除方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小尺寸空间碎片清除方法,采用多光束组合超短脉冲激光对目标碎片进行辐照,多光束组合超短脉冲激光包括小脉冲激光、中等脉宽脉冲激光及大脉冲激光;其中,采用小脉冲激光对目标碎片进行辐照,消除目标碎片的自旋效应;采用中等脉宽脉冲激光对目标碎片进行辐照,清除等离子体屏蔽效应;采用大脉冲激光降低目标碎片的轨道高度或对目标碎片进行烧蚀清除;采用小脉冲激光辅助消除目标碎片的自选效应,降低了超短脉冲激光的功率损耗;采用大脉冲激光实现对目标碎片的降轨;通过采用中等脉宽脉冲激光,加强了超短脉冲激光与目标碎片的耦合效应,降低了等离子体对超短脉冲激光的吸收,确保了超短脉冲能够准确有效达到目标碎片的表面。
Description
技术领域
本发明属于航天控制技术领域,特别涉及一种小尺寸空间碎片清除方法。
背景技术
空间碎片,是一切在地球轨道上无功能的人造物体的统称。随着世界范围内航天事业的大力发展,人类发射入轨的航天器越来越多,随之而产生的空间碎片也越来越多。这种失去功能的太空垃圾,严重威胁着在轨航天器的安全,对航天器和航天员的生命财产造成巨大的威胁。
根据美国国家航空航天局(NASA)的研究,人类使用最频繁的近地轨道是绝大多数空间碎片密集分布的区域;达到超临界状态的空间碎片在未来有可能引发空间物体间的连级碰撞反应。现有的纳秒脉冲激光驱动技术,是一种应用瞬态高能激光辐照对小尺寸空间碎片进行探测和跟瞄,小尺寸空间碎片是指尺寸在1-10cm范围的空间碎片;通过辐照作用驱动空间碎片,降低或抬高其轨道,使其进入大气层烧毁或离开带状环形保护区域以达到清洁的目的;这种技术具有无污染、高效率、低成本的优点,被认为是最具备潜力的主动移除方法。
目前,常用的空间碎片清理方法包括电动力缆绳、飞网捕获、机械臂抓捕以及激光辐照;电动力缆绳、飞网抓捕以及机械臂抓捕最关键的缺点一点是在于需要花费高昂的成本将抓捕设备运载至太空,另一点是若是设备失控,又将再一次成为新的太空垃圾,威胁在轨飞行器的安全;现有的激光辐照方法中清除过程存在等离子体屏蔽效应,难以克服空间碎片的自旋效应,清除效率低。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题,本发明提供了一种小尺寸空间碎片清除方法,为了解决现有激光辐射清除方法中清除效率低,清除过程存在等离子体屏蔽效应及难以克服空间碎片自旋效应的问题。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案为:
本发明提供了一种小尺寸空间碎片清除方法,其特征在于,采用多光束组合超短脉冲激光对目标碎片进行辐照,多光束组合超短脉冲激光包括小功率短脉冲激光、中等功率短脉冲激光及大功率短脉冲激光;
其中,采用小功率短脉冲激光对目标碎片进行辐照,消除目标碎片的自旋效应;采用中等功率短脉冲激光对目标碎片进行辐照,对目标碎片进行初步减速降轨;采用大功率短冲激光对目标碎片进行辐照,降低目标碎片的轨道高度及对目标碎片进行烧蚀清除。
进一步的,小功率短脉冲激光的功率为50-100KW;中等功率短脉冲激光的功率250-350KW;大功率短脉冲激光的功率为500-850KW。
进一步的,多光束组合超短脉冲激光采用纳秒/飞秒超短脉冲激光发射器发射。
进一步的,多光束组合超短脉冲激光的重复频率为50Hz,功率密度范围为108-1010W/cm2,波长为532-1064nm。
进一步的,多光束组合超短脉冲激光为地基激光或天基激光。
进一步的,纳秒/飞秒超短脉冲激光发射器设置在地球上空气稀薄的地区或外太空中。
进一步的,目标碎片的飞行高度在2000km以下的近地轨道;目标碎片为尺寸量级为1-10cm,且质量小于5kg的空间碎片。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
本发明提供了一种小尺寸空间碎片清除方法,采用多光束组合超短激光辐照清除空间碎片,采用小功率短脉冲激光辅助消除目标碎片的自旋效应,降低了短脉冲激光的功率损耗;采用大功率短脉冲激光进行辐照目标碎片,实现对目标碎片的降轨;通过采用中等功率短脉冲激光对目标碎片进行辐照,加强了超短脉冲激光与目标碎片的耦合效应,达到了对目标碎片的降轨目的,避免了激光辐照空间碎片时,在碎片表面产生的高浓度等离子体,降低了等离子体对入射的超短脉冲激光的吸收,确保了超短脉冲能够准确有效达到目标碎片的表面;本发明属于非接触式清除方法,具有成本低廉,可靠性高,安全可控,可重复使用的优点。
附图说明
图1为本发明所述的一种小尺寸空间碎片清除方法的工作原理示意图;
图2为实施例中利用功率为100kw的短脉冲激光对目标碎片进行烧蚀的仿真效果图;
图3为实施例中利用功率为300kw的短脉冲激光对目标碎片进行烧蚀的仿真效果图;
图4为实施例中利用功率为500kw的短脉冲激光对目标碎片进行烧蚀的仿真效果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,对本发明作进一步详细描述;以下具体实施方式用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
本发明提供了一种小尺寸空间碎片清除方法,采用多光束组合超短脉冲激光对小尺寸空间碎片进行辐照,多光束组合超短脉冲激光包括小功率短脉冲激光、中等功率短脉冲激光及大功率短脉冲激光。
其中,采用小功率短脉冲激光对目标碎片进行辐照,消除目标碎片的自旋效应,小功率短脉冲激光的功率为50-100KW;采用中等功率短脉冲激光对目标碎片进行辐照,对目标碎片进行初步降轨;中等功率短脉冲激光的功率为250-350KW,中等功率短脉冲激光的脉宽小于目标碎片的等离子体产生时间;采用大功率短脉冲激光对目标碎片进行辐照,用于降低目标碎片的轨道高度及对目标碎片进行烧蚀清除,大功率短脉冲激光的功率为500-850KW。
所述多光束组合超短脉冲激光为地基激光或天基激光,地基激光采用布置在地球上空气稀薄地区的超短脉冲激光发射器发射,天基激光采用设置在外太空中的超短脉冲激光发射器发射,天基激光利用将超短脉冲激光发射器搭载在现有航天飞行器上;所述超短脉冲激光发射器采用纳秒/飞秒超短脉冲激光发射器。
多光束组合超短脉冲激光的重复频率为50Hz,功率密度范围为108-1010W/cm2,波长为532-1064nm。
工作原理
本发明所述的一种小尺寸空间碎片清除方法,采用多光束组合超短激光辐照清除空间碎片,其中,采用小功率短脉冲激光对目标碎片进行辐照,消除目标碎片的自旋效应;采用中等功率短脉冲激光对目标碎片进行辐照,初步降低目标碎片的轨道高度;采用大功率短脉冲激光对目标碎片进行辐照,由于在激光烧蚀碎片过程中难免会产生一定的等离子体屏蔽效应,所以采用大功率短脉冲激光再次对目标碎片的轨道高度及对目标碎片进行烧蚀清除,大大降低空间碎片的清理成本。
激光功率能量方面
小功率短脉冲激光及大功率短脉冲激光针对小尺寸空间碎片运动过程中存在的自旋等非合作性及脉冲激光清除空间碎片时,受到短脉冲激光脉宽的影响使得清楚效果降低、效率低的因素影响而提出的,小功率短脉冲激光负责消除目标碎片的自旋效应,大功率短脉冲激光负责降低目标碎片的轨道高度及彻底烧蚀清除目标碎片。
具体的,由于小尺度空间碎片在外太空中超高速旋转,其具有很大的动能;当脉短冲激光辐照烧蚀目标碎片时,很难持续烧蚀目标碎片同一位置;同时会使得目标靶片产生的等离子体羽流密度降低,从而给目标碎片施加的反向作用力减小,导致目标碎片的速度变化缓慢,降轨效果差,耗费脉冲激光能量大;本发明中通过采用小功率短脉冲激光辅助消除目标碎片的自选效应,降低了超短脉冲激光的功率损耗;同时,采用大功率短脉冲激光进行辐照目标碎片,实现对目标碎片的降轨及彻底烧蚀气化;通过采用中等功率短脉冲激光对目标碎片进行辐照,加强了超短脉冲激光与目标碎片的耦合效应,达到了对目标碎片的降轨;避免了激光辐照空间碎片时,在碎片表面产生的高浓度等离子体,降低了等离子体对入射的超短脉冲激光的吸收,确保了超短脉冲能够准确有效达到目标碎片的表面。
激光脉宽方面
目标碎片表面的等离子能够对辐照激光实现屏蔽,等离子体的产生有一定的时空分布规律,本发明中,将中等功率短脉冲激光的脉宽小于目标碎片等离子体产生时间,有效减少了超短脉冲激光的损耗,提高了耦合效应,增强了目标碎片降轨效果;本发明中采用多光束组合超短脉冲激光对目标碎片进行降轨清除时,采用大功率短脉宽激光辐照空间碎片,当辐照烧蚀即将产生等离子体时开始采用中等级别脉宽激光进行辐照,使得每次辐照时间均处于等离子体产生间隙,这样便可以避免等离子体对后续入射激光的屏蔽效应。
本发明中针对小尺度空间碎片清除方法的需求,为了解决现有激光清除方法中清除效率低、清除过程存在等离子体屏蔽效应、难以克服自旋效应的问题;通过增加激光辐照的激光数目,通过多光束组合超短脉冲激光辐照空间碎片,达到提高清除效率,避免等离子体屏蔽效应对清除过程的影响,从而成功降轨或者彻底烧蚀气化,是一种安全高效的空间碎片清除方法。
实施例
本发明所述的一种小尺寸空间碎片清除方法,所针对的目标碎片的飞行高度在2000km以下的近地轨道,目标碎片为尺寸量级为1-10cm,且质量小于5kg的空间碎片;以天基激光为例,假定航天飞行器上搭载的超短脉冲激光发射器在轨道为圆形轨道上运行;如图1所示,采用短脉冲激光沿着目标碎片运动方向的反向方向对碎片进行辐照,使得目标碎片的轨道运动速度减小,目标碎片的运行轨道也随着速度的减小逐渐降低,从而在地心引力的作用下坠入大气层,在坠入大气层的过程中肯定会产生大量的摩擦热;由于航天器所选用的材料大多数为铝及其合金材料,熔点较低,所以对于小尺寸空间碎片来说就可以直接烧蚀气化,从而达到清除效果。
超短脉冲激光发射器通过轨道自主机动确保其始终与空间碎片之间保持在最佳的作用辐照角度以及安全距离;假设天基激光的最大作用距离为200km,当空间碎片与超短脉冲激光发射器的相对距离小于200km,即碎片运行至指定点时,超短脉冲激光发射器发射的多光束组合超短脉冲激光开始辐照碎片;其中利用小功率短脉冲激光负责消旋,利用中等功率短脉冲激光负责初步辐照目标碎片降轨,利用大功率短脉冲激光负责降低目标碎片的轨道高度或者彻底烧蚀清除目标碎片。在多光束组合超短强脉冲激光辐照作用下,空间碎片产生反冲冲量,获得反向速度增量,减速变轨。当相对距离大于200km,且目标碎片运行至天基基激光辐照范围外时,天基激光不再作用;当空间碎片再次进入天基激光作用范围时,多光束组合超短超强脉冲激光继续辐照目标碎片,直至目标碎片最终坠入大气层烧毁,则认为达到清除目的。
本发明的优点在于采用多光束超短脉冲激光组合的方式对小尺度空间碎片进行降轨清除,激光清除空间碎片属于非接触式清除方法,具有成本低廉,可靠性高,安全可控,可重复使用的优点。而且在清除过程中将激光束分为大中小三种功率短脉冲激光,每种功率短脉冲激光均有不同的特点,消除空间碎片的自旋效应耗费激光功率较小,所以采用了小功率短脉冲激光,避免空间碎片清除过程的等离子体屏蔽效应需要小于等离子体屏蔽产生时间的脉冲激光束,所以采用了中等功率短脉冲激光,降轨清除空间碎片最耗费激光能量,采用了大功率短脉冲激光,与其他空间碎片清除技术单一的激光束相比,本发明运用多种组合超短脉冲激光束解决了激光清除方法中清除效率低、清除过程存在等离子体屏蔽效应、难以克服自旋效应的问题。
本实施例中,当利用功率为100kw的短脉冲激光对目标碎片进行烧蚀时,利用仿真分析可知,附图2给出了功率为100kw的短脉冲激光作用时间为40μs的仿真结果示意图,从图2可以看出,此时所产生的羽流速度为160m/s,当激光反向辐照目标碎片时足以对目标碎片的自旋速度产生一定的抑制作用,从而使其自旋速度逐渐降低,完成消旋。
本实施例中,当利用功率为300kw的短脉冲激光对目标碎片进行烧蚀时,利用仿真分析可知,附图3给出了功率为300kw的短脉冲激光作用时间为40μs的仿真结果示意图,从图3可以看出,此时所产生的羽流速度为300m/s,当激光反向辐照目标碎片时足以对目标碎片的轨道速度产生一定的抑制作用,从而使其轨道运转速度逐渐降低,完成降轨作用。
本实施例中,当利用功率为500kw的短脉冲激光对目标碎片进行烧蚀时,利用仿真分析可知,附图4给出了功率为500kw的短脉冲激光作用时间为40μs的仿真结果示意图,从图示可以看出,此时所产生的羽流速度为350m/s,而且产生的羽流效应明显增大了很多,当脉冲激光持续作用的话,对于尺寸偏大(大于10cm)的空间碎片则会使其轨道速度减小,轨道高度降低;对于小尺寸的空间碎片,则会彻底烧蚀气化,完成碎片的清除作用。
本发明的优点在于采用多光束脉冲激光组合的方式对小尺度空间碎片进行降轨清除,激光清除空间碎片属于非接触式清除方法,具有成本低廉,可靠性高,安全可控,可重复使用的优点。而且在清除过程中将激光束分为大中小三种激光束,每种激光束均有不同的特点,消除空间碎片的自旋效应耗费激光功率较小,所以采用了小能量脉冲激光束,避免空间碎片清除过程的等离子体屏蔽效应需要小于等离子体屏蔽产生时间的脉冲激光束,所以采用了中等脉宽脉冲激光束,降轨清除空间碎片最耗费激光能量,采用了高能量脉冲激光束,与其他空间碎片清除技术单一的激光束相比,本专利运用多种组合激光束解决了激光清除方法中清除效率低、清除过程存在等离子体屏蔽效应、难以克服自旋效应的问题。
以上所述仅表示本发明的优选实施方式,任何人在不脱离本发明的原理下而做出的结构变形、改进和润饰等,这些变形、改进和润饰等均视为在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种小尺寸空间碎片清除方法,其特征在于,采用多光束组合超短脉冲激光对目标碎片进行辐照,多光束组合超短脉冲激光包括小功率短脉冲激光、中等功率短脉冲激光及大功率短脉冲激光;
其中,采用小功率短脉冲激光对目标碎片进行辐照,消除目标碎片的自旋效应;采用中等功率短脉冲激光对目标碎片进行辐照,对目标碎片进行初步减速降轨;采用大功率短冲激光对目标碎片进行辐照,降低目标碎片的轨道高度及对目标碎片进行烧蚀清除;
小功率短脉冲激光的功率为50-100KW;中等功率短脉冲激光的功率为250-350 KW;大功率短脉冲激光的功率为500-850KW;
多光束组合超短脉冲激光采用纳秒/飞秒超短脉冲激光发射器发射;
多光束组合超短脉冲激光的重复频率为50Hz,功率密度范围为108-1010W/cm2,波长为532-1064nm;
采用大功率短脉宽激光辐照空间碎片,当辐照烧蚀即将产生等离子体时开始采用中等级别脉宽激光进行辐照,使得每次辐照时间均处于等离子体产生间隙。
2.根据权利要求1所述的一种小尺寸空间碎片清除方法,其特征在于,多光束组合超短脉冲激光为地基激光或天基激光。
3.根据权利要求1所述的一种小尺寸空间碎片清除方法,其特征在于,纳秒/飞秒超短脉冲激光发射器设置在地球上空气稀薄的地区或外太空中。
4.根据权利要求1所述的一种小尺寸空间碎片清除方法,其特征在于,目标碎片的飞行高度在2000 km以下的近地轨道;目标碎片为尺寸量级为1-10 cm,且质量小于5 kg的空间碎片。
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