CN111856495B - 天-地基自适应纳秒脉冲激光驱动系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了天‑地基自适应纳秒脉冲激光驱动近地轨道目标的系统及方法，所述该系统包括天基激光站、地基激光站和天基平台激光雷达探测预警系统，采用非接触式的方式改变目标空间碎片的运动轨迹，成本低廉，高可靠性，具有安全可控，可重复使用的优点；同时避免使用化学火箭发射方式所带来的高昂成本、低可靠性、难以重复使用、回收成本高以及失控后会产生新的太空垃圾的缺点；与其他空间碎片清除技术成本既包括空间碎片清除装置运载到太空的成本，再加上装置本身的成本外，几乎没有装置运载到太空的成本。

Description

天-地基自适应纳秒脉冲激光驱动系统及方法

技术领域

本发明属于航空航天控制技术领域，具体涉及天-地基自适应纳秒脉冲激光驱动近地轨道目标的系统及方法。

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大；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；这其中，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；

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，通过辐照作用驱动碎片，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。

以美、德、日、俄为代表的国家对采用高能辐照技术移除空间碎片的研究起步较早，而国内在这方面的工作开展的较晚；1996年，Phipps等科学家联合美国劳伦斯利弗国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室一起提出了ORION计划，其目的是利用地基高功率激光器清除国际空间站轨道的小尺度空间碎片；

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。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供天-地基自适应纳秒脉冲激光驱动近地轨道目标的系统及方法，通过将地基激光清除技术和天基激光清除技术相结合，利用天基激光清除技术因其不受大气传输效应影响，捕获跟踪灵活方便等优点，成为清除近地轨道空间碎片的一种新的解决途径；天基激光辐照采用高能脉冲激光在特定的方向定向辐照近地轨道空间目标，降低其运行速度，降轨贴近大气层烧毁，达到清理的目的，采用激光辐照清理空间碎片的技术，显然可以大大降低空间碎片的清理成本。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

天-地基自适应纳秒脉冲激光驱动近地轨道目标的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：搭建天-地基自适应纳秒脉冲激光驱动系统，该系统包括天基激光站、地基激光站和天基平台激光雷达探测预警系统，所述天基激光站部署在轨道半径为r_L的外层空间，并在轨道半径为r_L的圆形轨道上运行，地基激光站为基激光发射站，并在天基激光站和地基激光站上搭载自适应纳秒脉冲激光发射器，天基平台激光雷达探测预警系统设置在天基激光站上，形成天-地基自适应纳秒脉冲激光驱动系统；

步骤二：在搭建完成天-地基自适应纳秒脉冲激光驱动系统后，利用自适应纳秒脉冲激光发射器发射激光对目标太空碎片进行清理：

S1.当天基平台激光雷达探测预警系统检测到目标太空碎片的飞行高度在天基激光站搭载的自适应纳秒脉冲激光发射器的最大作用距离的近地轨道内时；

S2.搭载在天基激光站上的自适应纳秒脉冲激光发射器发射激光，目标太空碎片在强激光辐照作用下，产生反冲冲量，获得速度增量，减速变轨，与大气层发生摩擦，当天基平台激光雷达探测预警系统检测到目标太空碎片的飞行高度在天基激光站搭载的自适应纳秒脉冲激光发射器的最大作用距离的近地轨道外时，天基激光不再作用；

S3.当天基平台激光雷达探测预警系统检测到天基平台激光雷达探测预警系统检测到目标空间碎片再次进入天基激光站的作用范围时，激光继续辐照碎片，直至碎片最终坠入大气层烧毁。

优选的，步骤一所述的自适应纳秒脉冲激光发射器能够发射激光重复频率为100Hz、脉冲宽度不大于8ns、激光波长为532nm的纳秒脉冲激光。

优选的，步骤S2所述的目标太空碎片是指飞行高度在400～2000km的近地轨道上的尺寸在1～10cm的小尺寸空间碎片。

优选的，步骤S2所述的利用天基激光站搭载的自适应纳秒脉冲激光发射器发射激光改变目标太空碎片改变运行轨道的具体过程如下：

空间碎片的降轨清除过程中，描述在轨航天器时间与位置关系的开普勒方程表示为：

M＝E-esinE＝n(t-t_P) (1)

式(1)中：M为平近点角；E为偏近点角；e为偏心率；t为空间碎片运动时间；t_p为空间碎片过近地点的时刻；n为平均运动角速度；

碎片对应的平近点角为：

M₁＝E₁-e₁sinE₁＝n₁(t₁-t_p1) (2)

其对应的偏近点角与平近点角关系为：

将式(2)与式(3)相减可得：

即

式(5)的开普勒方程是偏近点角E₂的超越方程，无法直接求解出准确数值；可采用迭代次数较少的牛顿迭代法求解E₂的近似值，最终E₂的近似值可表示为：

天-地基自适应纳秒脉冲激光驱动近地轨道目标的系统，所述系统包括：天基激光站、地基激光站和天基平台激光雷达探测预警系统；

天基激光站，部署在轨道半径为r_L的外层空间，并在轨道半径为r_L的圆形轨道上运行，并在天基激光站搭载自适应纳秒脉冲激光发射器，用于形成脉冲激光，改变目标空间碎片的运动轨迹；

地基激光站，在地基激光站上搭载自适应纳秒脉冲激光发射器，发射地基激光，当空间目标碎片对在轨航天器的安全产生一定的威胁时，发射高能脉冲激光对目标碎片进行离轨清除；

天基平台激光雷达探测预警系统，搭载在天基激光站上，对搭载在天基激光站上的自适应纳秒脉冲激光发射器的射程范围内的目标空间碎片进行寻找扫描，并定位，发出警报。

本发明的有益效果是：本发明公开了天-地基自适应纳秒脉冲激光驱动近地轨道目标的方法，与现有技术相比，本发明的改进之处在于：

发明将自适应纳秒脉冲激光发射器搭载于已有的天-地基激光发射基站，采用非接触式的方式改变目标空间碎片的运动轨迹，成本低廉，高可靠性，具有安全可控，可重复使用的优点；同时避免使用化学火箭发射方式所带来的高昂成本、低可靠性、难以重复使用、回收成本高以及失控后会产生新的太空垃圾的缺点；与其他空间碎片清除技术成本既包括空间碎片清除装置运载到太空的成本，再加上装置本身的成本外，几乎没有装置运载到太空的成本。

附图说明

图1为本发明实施例1天-地基自适应纳秒脉冲激光驱动近地轨道目标空间碎片改变运动轨迹的原理图。

图2为本发明实施例2天-地基激光站辐照目标空间碎片后国际空间站与空间碎片的飞行轨迹图。

图3为本发明激光功率为100KW时激光辐照空间碎片仿真效果图。

图4为本发明激光功率为300KW时激光辐照空间碎片仿真效果图。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

参照附图1-2所示的天-地基自适应纳秒脉冲激光驱动近地轨道目标的系统及方法，所述天-地基自适应纳秒脉冲激光驱动近地轨道目标的方法包括以下步骤：

步骤一：搭建天-地基自适应纳秒脉冲激光驱动系统，该系统包括天基激光站、地基激光站和天基平台激光雷达探测预警系统，所述天基激光站部署在轨道半径为r_L的外层空间，并在轨道半径为r_L的圆形轨道上运行，地基激光站部署在我国东部某地基激光发射站，并在天基激光站和地基激光站上搭载自适应纳秒脉冲激光发射器，天基平台激光雷达探测预警系统设置在天基激光站上，形成天-地基自适应纳秒脉冲激光驱动系统；

步骤二：在搭建完成天-地基自适应纳秒脉冲激光驱动系统后，利用自适应纳秒脉冲激光发射器发射激光对目标太空碎片进行清理：

S1.当天基平台激光雷达探测预警系统检测到目标太空碎片的飞行高度在天基激光站搭载的自适应纳秒脉冲激光发射器的最大作用距离的近地轨道内时；

S2.搭载在天基激光站上的自适应纳秒脉冲激光发射器发射激光，目标太空碎片在强激光辐照作用下，产生反冲冲量，获得速度增量，减速变轨，与大气层发生摩擦，当天基平台激光雷达探测预警系统检测到目标太空碎片的飞行高度在天基激光站搭载的自适应纳秒脉冲激光发射器的最大作用距离的近地轨道外时，天基激光不再作用；

S3.当天基平台激光雷达探测预警系统检测到天基平台激光雷达探测预警系统检测到目标空间碎片再次进入天基激光站的作用范围时，激光继续辐照碎片，直至碎片最终坠入大气层烧毁。

优选的，步骤一所述的自适应纳秒脉冲激光发射器能够发射激光重复频率为100Hz、脉冲宽度不大于8ns、激光波长为532nm的纳秒脉冲激光。

优选的，步骤S2所述的目标太空碎片是指飞行高度在400～2000km的近地轨道上的尺寸在1～10cm的小尺寸空间碎片。

优选的，步骤S2所述的利用天基激光站搭载的自适应纳秒脉冲激光发射器发射激光改变目标太空碎片改变运行轨道的具体过程如下：

空间碎片的降轨清除过程中，描述在轨航天器时间与位置关系的开普勒方程表示为：

M＝E-esinE＝n(t-t_P) (1)

式(1)中：M为平近点角；E为偏近点角；e为偏心率；t为空间碎片运动时间；t_p为空间碎片过近地点的时刻；n为平均运动角速度；

碎片对应的平近点角为：

M₁＝E₁-e₁sinE₁＝n₁(t₁-t_p1) (2)

其对应的偏近点角与平近点角关系为：

将式(2)与式(3)相减可得：

即

式(5)的开普勒方程是偏近点角E₂的超越方程，无法直接求解出准确数值；可采用迭代次数较少的牛顿迭代法求解E₂的近似值，最终E₂的近似值可表示为：

天-地基自适应纳秒脉冲激光驱动近地轨道目标的系统，其特征在于，所述该系统包括：天基激光站、地基激光站和天基平台激光雷达探测预警系统，

天基激光站，部署在轨道半径为r_L的外层空间，并在轨道半径为r_L的圆形轨道上运行，并在天基激光站搭载自适应纳秒脉冲激光发射器，用于形成脉冲激光，改变目标空间碎片的运动轨迹；

地基激光站，在地基激光站上搭载自适应纳秒脉冲激光发射器；

天基平台激光雷达探测预警系统，搭载在天基激光站上，对搭载在天基激光站上的自适应纳秒脉冲激光发射器的射程范围内的目标空间碎片进行寻找扫描，并定位，发出警报。

实施例1

如图1所示，给出了天-地基自适应纳秒脉冲激光驱动近地轨道目标清理的新方法的一种具体实施方式，是工作原理为：

S1.假定激光站在轨道半径为r_L的圆形轨道上运行，如图所示激光站通过机动确保其始终保持在最佳的作用角度辐照碎片；

S2.假设天基激光站的最大作用距离为200km，当空间碎片与激光站的相对距离小于200km(即碎片运行至A点)时，激光站开始辐照碎片；在强激光辐照作用下，碎片产生反冲冲量，获得速度增量，减速变轨；

S3.当相对距离大于200km(且碎片运行至B点)时，天基激光不再作用；

S4.当空间碎片再次进入天基激光站作用范围时，激光继续辐照碎片，直至碎片最终坠入大气层烧毁，则认为达到清除目的；

其中：使用的自适应纳秒脉冲激光器的平均功率在20kW，波长532nm，清除的目标空间碎片为近地轨道高度低于1000km，尺寸量级大于1cm但质量小于100kg的所有近地轨道目标，可以看出，本发明所述的天-地基自适应纳秒脉冲激光驱动近地轨道目标清理的新方法可以清理目标空间碎片为近地轨道高度低于1000km，尺寸量级大于1cm但质量小于100kg的所有近地轨道目标。

实施例2

将本发明所述的天-地基自适应纳秒脉冲激光驱动近地轨道目标清理的新方法应用在国际空间站在运行过程中的目标空间碎片的清障上：国际空间站是迄今为止人类拥有过的规模最大的空间站，是一个在近地轨道长时间运行的载人航天器；假设天基平台激光雷达探测预警系统发现国际空间站轨道附近有一高速运行的小尺度空间碎片对空间站有超高速碰撞威胁；空间站需要在较短的时间内实现自身轨道机动以规避碰撞威胁；

天基激光站应急清除目标空间碎片过程中，通过分析得到国际空间站(Spacestation)与目标空间碎片(Debris)的飞行轨迹如图2所示，通过本发明所述的方法，利用搭载在天基平台上的自适应纳秒脉冲激光器向该目标空间碎片(Debris)发射激光，改变该目标空间碎片(Debris)的运行状态；

结果表明：本清除方案在假定的两个天基平台的3个清除窗口内辐照目标碎片6454个激光脉冲后使目标碎片近地点高度降至200km以下，此时目标碎片受大气层的气动热作用达到成功清除目的，完全消除了目标碎片与空间站的碰撞威胁。

实施例3

利用本实施例对自适应纳秒脉冲激光发射器对于太空碎片的作用进行进一步的解释：

对其激光辐照过程的仿真结果如图3和图4所示，本文应用有限元仿真软件模拟整个辐照过程，主要步骤如下所示：

A:建立几何模型

由于我们此次所针对的空间碎片为规则的矩形平板状，模型结构比较简单，所以我们在有限元仿真软件内部直接进行几何模型的绘制。在最中间的白色长条为所建立的矩形铝靶几何模型，周围蓝色区域为模拟外太空真空环境的气体环境空间，激光光源从铝靶的正上方垂直铝靶入射。

B：对激光辐照过程仿真模拟所需要的模块以及边界条件进行设置：此次我们需要涉及到的模块主要由几何模块、流体模块、等离子体模块等模块组成，

C：网格划分以及求解参数设置

D：后处理参数设置

根据设计要求，我们主要想得到的是激光辐照铝靶碎片过程中，目标靶片表面产生等离子体羽流的喷射速度大小，所以我们后处理模块处主要添加速度随时间、激光功率等的变化图形即可；

通过图3和图4可以看出，在脉冲激光与目标靶片作用过程中，当激光功率为100KW时，在目标靶片表面就已经产生了具有一定速度的等离子体羽流，且速度增量为0.18km/s,当激光功率增加到300KW时，等离子体羽流速度明显增强，速度增量最高可达0.3km/s，则通过持续增大激光功率可推算得到，如果激光辐照目标靶片产生的等离子体羽流喷射速度足够抑制目标靶片沿着其原始轨道运动，使其速度降低从而降低运动轨道最终坠入大气层彻底烧蚀。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.天-地基自适应纳秒脉冲激光驱动近地轨道目标的方法，其特征在于，所述该方法包括以下步骤：

步骤一：搭建天-地基自适应纳秒脉冲激光驱动系统，该系统包括天基激光站、地基激光站和天基平台激光雷达探测预警系统，所述天基激光站部署在轨道半径为r_L的外层空间，并在轨道半径为r_L的圆形轨道上运行，地基激光站为地基激光发射站，并在天基激光站和地基激光站上搭载自适应纳秒脉冲激光发射器，天基平台激光雷达探测预警系统设置在天基激光站上，形成天-地基自适应纳秒脉冲激光驱动系统；

步骤二：在搭建完成天-地基自适应纳秒脉冲激光驱动系统后，利用自适应纳秒脉冲激光发射器发射激光对目标太空碎片进行清理：

S1.当天基平台激光雷达探测预警系统检测到目标太空碎片的飞行高度在天基激光站搭载的自适应纳秒脉冲激光发射器的最大作用距离的近地轨道内时；

S2.搭载在天基激光站上的自适应纳秒脉冲激光发射器发射激光，目标太空碎片在强激光辐照作用下，产生反冲冲量，获得速度增量，减速变轨，与大气层发生摩擦，当天基平台激光雷达探测预警系统检测到目标太空碎片的飞行高度在天基激光站搭载的自适应纳秒脉冲激光发射器的最大作用距离的近地轨道外时，天基激光不再作用；

步骤S2所述的目标太空碎片是指飞行高度在400～2000km的近地轨道上的尺寸在1～10cm的小尺寸空间碎片；

步骤S2所述的利用天基激光站搭载的自适应纳秒脉冲激光发射器发射激光改变目标太空碎片运行轨道的具体过程如下：

空间碎片的降轨清除过程中，描述在轨航天器时间与位置关系的开普勒方程表示为：

M＝E-esinE＝n(t-t_P) (1)

式(1)中：M为平近点角；E为偏近点角；e为偏心率；t为航天器当前运行时间；t_p为航天器过近地点的时间；n为航天器的平均运动角速度；

碎片对应的平近点角为：

M₁＝E₁-e₁sinE₁＝n₁(t₁-t_p1) (2)

下一个脉冲激光作用时，碎片对应的偏近点角与平近点角关系为：

其中：k为激光重复频率；

将式(2)与式(3)相减可得：

即

式(5)的开普勒方程是偏近点角E₂的超越方程，无法直接求解出准确数值；可采用迭代次数较少的牛顿迭代法求解E₂的近似值，最终E₂的近似值可表示为：

S3.当天基平台激光雷达探测预警系统检测到目标空间碎片再次进入天基激光站的作用范围时，激光继续辐照碎片，直至碎片最终坠入大气层烧毁。

2.根据权利要求1所述的天-地基自适应纳秒脉冲激光驱动近地轨道目标的方法，其特征在于，步骤一所述的自适应纳秒脉冲激光发射器能够发射激光重复频率为100Hz、脉冲宽度不大于8ns、激光波长为532nm的纳秒脉冲激光。

3.根据权利要求1所述的天-地基自适应纳秒脉冲激光驱动近地轨道目标的方法，其特征在于，该方法基于天-地基自适应纳秒脉冲激光驱动近地轨道目标的系统实现，所述系统包括天基激光站、地基激光站和天基平台激光雷达探测预警系统；

天基激光站，部署在轨道半径为r_L的外层空间，并在轨道半径为r_L的圆形轨道上运行，并在天基激光站搭载自适应纳秒脉冲激光发射器，用于形成脉冲激光，改变目标空间碎片的运动轨迹；

地基激光站，在地基激光站上搭载自适应纳秒脉冲激光发射器，发射地基激光，当空间目标碎片对在轨航天器的安全产生威胁时，发射高能脉冲激光对目标碎片进行离轨清除；

天基平台激光雷达探测预警系统，搭载在天基激光站上，对搭载在天基激光站上的自适应纳秒脉冲激光发射器的射程范围内的目标空间碎片进行寻找扫描，并定位，发出警报。