CN115416879B - 一种空间非磁性金属体降速消旋的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种空间非磁性金属体消旋装置及方法，属于空间电磁‑涡流消旋技术领域，空间非磁性金属体消旋装置包括多个线圈；每个线圈的中心轴线均过非磁性金属体的重心；非磁性金属体的自旋轴垂直于各线圈的中心轴线；多个线圈用于产生交变磁场；交变磁场施加在非磁性金属体的周围；交变磁场的旋转方向与所述非磁性金属体的旋转方向相同，且交变磁场的旋转速度小于非磁性金属体的旋转速度，通过产生与非磁性金属体转速方向相同且转速低于非磁性金属体转速的旋转交变磁场，使得非磁性金属体稳定的降速消旋，进而提高在轨运行卫星的安全性。

Description

一种空间非磁性金属体降速消旋的装置及方法
技术领域
本发明涉及空间电磁-涡流消旋领域，特别是涉及一种空间非磁性金属体消旋装置及方法。
背景技术
人类对外太空的探索活动日益增加，从1957年第一颗人造地球卫星发射升空以来，人类的航天发射活动超过了5000次，半个世纪以来，发射的航天器中只有约3300个在有效服役，其余的皆因燃料耗尽或损坏丧失了功能，这些失效卫星和碎片一方面占用了稀缺的轨道资源，另一方面还易与在轨运行卫星发生碰撞，危害在轨运行卫星的安全，所以必须对这些失效卫星和碎片进行回收或清除。而若能做到抓捕前将失效卫星和碎片的转速降低或直至静止，即消旋处理，将有利于后续的捕获清除及回收处理。
消旋实际是指利用外部消旋力（力矩）衰减目标角速度的过程，实现方式按消旋力（力矩）是否与目标接触，可分为接触式消旋和非接触式消旋。现有的采用接触式消旋如机械臂、空间绳网、减速刷、绳系机械爪等均需与目标发生物理接触，如果目标相对速度较大，则会发生碰撞风险，随之又产生新的“太空垃圾”，所以接触式消旋方法只适用于转速很小或静止的目标。然而通过观测发现，失效卫星或碎片的实际旋转速度高达30rpm，远远超出了接触式消旋所能允许的范围。因此，采取非接触式消旋方法势在必行，目前的非接触式消旋方法一般采用基于电磁力的空间旋转目标涡流消旋，然而现有研究主要侧重于均匀磁场下的消旋方法，交变磁场下的消旋方法研究较少。相关学者提出通过在失效卫星和碎片外建立线圈提供恒定磁场的方式，结合电生磁，磁变生电原理可知，运动的导电目标通过恒定磁场时，导电目标切割磁力线发生涡流效应并产生消旋力矩，迫使导电目标减速，但该种方式产生的消旋转矩单一，能量传递效率低，消旋时间较长。还有一些学者将交变磁场施加在失效卫星四周，改进涡流转矩的产生方式，由运动导体切割磁力线的单一方式转变为导体与变化的磁场共同作用下产生涡流转矩的复合方式，但是旋转磁场和失效卫星、碎片旋转方向相反，增大了旋转磁场与碎片之间运动的相对速度，进而增大了碎片切割磁力线产生的涡流，使消旋转矩增大，未考虑消旋的稳定性，甚至导致失效卫星减速到零在反向旋转的风险。
基于上述问题，亟需一种新的消旋方法以提高对空间非磁性金属体消旋的稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种空间非磁性金属体消旋装置及方法，可提高对空间非磁性金属体消旋的稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种空间非磁性金属体消旋装置，所述空间非磁性金属体消旋装置包括多个线圈；
每个线圈的中心轴线均过非磁性金属体的重心；
所述非磁性金属体的自旋轴垂直于各线圈的中心轴线；
所述多个线圈用于产生交变磁场；所述交变磁场施加在所述非磁性金属体的周围；所述交变磁场的旋转方向与所述非磁性金属体的旋转方向相同，且所述交变磁场的旋转速度小于所述非磁性金属体的旋转速度。
可选地，所述线圈的数量为3N个，N≥1；每个线圈均包括上线圈边及下线圈边；
同一线圈的上线圈边及下线圈边在空间中的夹角为；
不同线圈的相邻两个线圈边在空间中的夹角为。
可选地，在各线圈中分别通入正弦交流电，以产生交变磁场。
可选地，相邻两个线圈中通入的正弦交流电的相位差为120°。
为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：
一种空间非磁性金属体消旋方法，包括：
将多个线圈分别设置在非磁性金属体周围；各线圈的中心轴线均过非磁性金属体的重心，非磁性金属体的自旋轴垂直于各线圈的中心轴线；
在各线圈中分别通入正弦交流电，以在所述非磁性金属体周围产生交变磁场；所述交变磁场的旋转方向与所述非磁性金属体的旋转方向相同，且所述交变磁场的旋转速度小于所述非磁性金属体的旋转速度；
实时检测所述非磁性金属体的旋转速度，在非磁性金属体的旋转速度小于或等于交变磁场的旋转速度时，降低正弦交流电的频率，以使所述交变磁场的旋转速度小于所述非磁性金属体的旋转速度，直至所述非磁性金属体的旋转速度在安全转速范围内或静止不动。
可选地，所述线圈的数量为3N个，N≥1；每个线圈均包括上线圈边及下线圈边；
同一线圈的上线圈边及下线圈边在空间中的夹角为；
不同线圈的相邻两个线圈边在空间中的夹角为。
可选地，相邻两个线圈中通入的正弦交流电的相位差为120°。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：通过产生与非磁性金属体转速方向相同且转速低于非磁性金属体转速的旋转交变磁场，使得非磁性金属体能够稳定的降速消旋，进而提高在轨运行卫星的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明空间非磁性金属体消旋装置的结构示意图；
图2为本发明空间非磁性金属体消旋方法的流程图；
图3为产生逆时针旋转的三相对称电流电的示意图；
图4为产生顺时针旋转的三相对称电流电的示意图；
图5（a）为图3中t1时刻的旋转磁动势空间矢量图；
图5（b）为图3中t2时刻的旋转磁动势空间矢量图；
图5（c）为图3中t3时刻的旋转磁动势空间矢量图；
图6为图3中的t1时刻非磁性金属体所受的消旋转矩图。
符号说明：
非磁性金属体-1，线圈-2，交变磁场-3。
具体实施方式
下面将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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种空间非磁性金属体消旋装置及方法，通过产生与非磁性金属体转速方向相同且转速低于非磁性金属体转速的旋转交变磁场，使得非磁性金属体能够稳定的降速消旋，使非磁性金属体的转速降到可安全抓捕转速范围内或直至静止不动，进而提高在轨运行卫星的安全性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明空间非磁性金属体消旋装置包括多个线圈2。
每个线圈2的中心轴线均过非磁性金属体1的重心。
所述非磁性金属体1的自旋轴垂直于各线圈2的中心轴线。
所述多个线圈2用于产生交变磁场3。所述交变磁场3施加在所述非磁性金属体1的周围。所述交变磁场3的旋转方向与所述非磁性金属体1的旋转方向相同，且所述交变磁场3的旋转速度小于所述非磁性金属体1的旋转速度。具体地，在各线圈2中分别通入正弦交流电，以产生交变磁场3。相邻两个线圈2中通入的正弦交流电的相位差为120°。
进一步地，所述线圈2的数量为3N个，N≥1，且N为正整数；每个线圈2均包括上线圈边及下线圈边。同一线圈2的上线圈边及下线圈边在空间中的夹角为。不同线圈2的相邻两个线圈边在空间中的夹角为/>。
如图2所示，本发明空间非磁性金属体消旋方法包括：
S1：将多个线圈分别设置在非磁性金属体周围。各线圈的中心轴线均过非磁性金属体的重心，非磁性金属体的自旋轴垂直于各线圈的中心轴线。
具体地，线圈的数量为3N个，N≥1；每个线圈均包括上线圈边及下线圈边。同一线圈的上线圈边及下线圈边在空间中的夹角为。不同线圈的相邻两个线圈边在空间中的夹角为/>。
S2：在各线圈中分别通入正弦交流电，以在所述非磁性金属体周围产生交变磁场。所述交变磁场的旋转方向与所述非磁性金属体的旋转方向相同，且所述交变磁场的旋转速度小于所述非磁性金属体的旋转速度。具体地，相邻两个线圈中通入的正弦交流电的相位差为120°。
S3：实时检测所述非磁性金属体的旋转速度，在非磁性金属体的旋转速度小于或等于交变磁场的旋转速度时，降低正弦交流电的频率，以使所述交变磁场的旋转速度小于所述非磁性金属体的旋转速度，直至所述非磁性金属体的旋转速度在安全转速范围内或静止不动。
本发明通过在线圈中通入交流电，保证产生的旋转磁场的方向与非磁性金属体的旋转方向相同，同时通过调节交流电的频率使得旋转磁场的转速小于非磁性金属体的转速。根据电磁感应原理可知，当存在相对运动时，此时非磁性金属体切割磁力线发生涡流效应并产生制动性质的力矩，称此力矩为消旋力矩。非磁性金属体会在消旋力矩的作用下减速，当两者相对速度为零时，非磁性金属体不再切割磁力线，若此时非磁性金属体的转速没有在可抓捕安全转速范围内，则通过调节交流电的频率使得旋转磁场的转速再次低于非磁性金属体的转速，非磁性金属体会继续减速，直到非磁性金属体的转速在可抓捕安全转速范围内或直至静止不动，消旋处理结束。避免了当旋转磁场和非磁性金属体的转速相反时，使得非磁性金属体不稳定，甚至减速到零后再反向旋转的风险。
为了更好的理解本发明的方案，下面结合具体实施例进一步进行说明。
本实施例以N=1为例进行说明，即空间非磁性金属体消旋装置包括3个线圈：第一线圈、第二线圈、第三线圈。第一线圈的上线圈边逆时针相邻第三线圈的下线圈边。第一线圈的上线圈边顺时针相邻第二线圈的下线圈边。
当空间非磁性金属体逆时针旋转时，消旋步骤如下：
步骤1：在第一线圈、第二线圈及第三线圈中分别通入相位角互差120°的正弦交流电，即：，/>，。此时三相线圈产生的交变磁场将在空间中矢量合成为按逆时针方向旋转的幅值恒定的圆形旋转磁场。假设此时旋转磁场的转速为Ns(Ns=60f)，空间非磁性金属体的转速为N1。另外逆时针方向为旋转的正方向。
其中，为第一线圈中通入的正弦交流电，/>为第二线圈中通入的正弦交流电，为第三线圈中通入的正弦交流电，/>为正弦交流电电流的最大值，/>为正弦交流电的频率，t为时刻。
步骤2：在三相对称交流线圈中通入三相对称交流电流的同时，通过调低交流电的频率f使得N1＞Ns＞0，此时非磁性金属体切割磁力线发生涡流效应并产生消旋力矩，非磁性金属体会在消旋力矩的作用下减速。当两者相对速度为零时，若此时非磁性金属体的转速在可抓捕安全转速范围内，则消旋处理结束。若此时非磁性金属体的转速没有在可抓捕安全转速范围内，则进行步骤3。
步骤3：通过调节交流电的频率f使得旋转磁场的转速Ns再次低于非磁性金属体的转速N1。此时，非磁性金属体会继续减速，直到非磁性金属体的转速在可抓捕安全转速范围内或直至静止不动，消旋处理结束。
当空间非磁性金属体顺时针旋转时，消旋步骤如下：
步骤1：第一线圈、第三线圈及第二线圈中分别通入相位角互差120°的正弦交流电，即：，/>，，此时三相线圈产生的交变磁场将在空间中矢量合成为按顺时针方向旋转的幅值恒定的圆形旋转磁场，假设此时旋转磁场的转速为Ns(Ns=60f)，空间非磁性金属体的转速为N1。
步骤2：在三相对称交流线圈中通入三相对称交流电流的同时，通过调低交流电的频率f使得N1＜Ns＜0，此时非磁性金属体切割磁力线发生涡流效应并产生消旋力矩，非磁性金属体会在消旋力矩的作用下减速。当两者相对速度为零时，若此时非磁性金属体的转速在可抓捕安全转速范围内，则消旋处理结束。若此时非磁性金属体的转速没有在可抓捕安全转速范围内，则进行步骤3。
步骤3：通过调节交流电的频率f使得旋转磁场的转速Ns再次低于非磁性金属体的转速N1。此时，非磁性金属体会继续减速，直到非磁性金属体的转速在可抓捕安全转速范围内或直至静止不动，消旋处理结束。
图3是在第一线圈、第二线圈、第三线圈中通入相位角依次相差120°的三相电流示意图，此时将产生逆时针旋转的旋转磁动势，如图5（a）-图5（c）中的虚线所示。
图4是在第一线圈、第三线圈、第二线圈中通入相位角依次相差120°的三相电流示意图，此时将产生顺时针旋转的旋转磁动势。
在本实施例中，规定逆时针方向为旋转正方向。三相线圈分别记为A-X（第一线圈）、B-Y（第二线圈）、C-Z（第三线圈）。
在第一线圈、第二线圈及第三线圈中分别通入相位角互差120°的正弦交流电。规定当A相电流为正值时，电流从A线圈边流入纸面，以号表示，并从X线圈边流出纸面，以号表示。规定当B相电流为正值时，电流从B线圈边流入纸面，以/>号表示，并从Y线圈边流出纸面，以/>号表示。规定当C相电流为正值时，电流从C线圈边流入纸面，以/>号表示，并从Z线圈边流出纸面，以/>号表示。
图5（a）-图5（c）中虚线所示为旋转磁动势所经过的轨迹图，其转速为Ns，虚线轨迹内的实心圆是以圆柱形为例说明的非磁性金属体，N1＞Ns＞0。其中图5（a）为图1中t1时刻的旋转磁动势空间矢量图。图5（b）为图1中t2时刻的旋转磁动势空间矢量图。图5（c）为图1中t3时刻的旋转磁动势空间矢量图。同时，图5（a）-图（c）也显示了非磁性金属体及空间非磁性金属体消旋装置的平面剖面以及三相线圈的上下线圈边在空间上的排布情况。
由图3可知，在t1时刻时，iA=Iϕ、iB=-1/2Iϕ、iC=-1/2Iϕ，此时三相电流联合产生的基波合成磁动势如图5（a）所示。由于A相电流为正值，A相电流从A端流入纸面，X端流出纸面。B相和C相电流均为负值，其电流分别从Y、Z端流入纸面，B、C端流出纸面。通过右手定则可以判断，三相绕组电流产生的基波合成磁动势处于A相线圈的轴线上。此时刻A相电流最大，对基波合成磁动势的贡献也最大；而B相和C相瞬时电流只有1/2Iϕ(FB=FC=1/2FA)，且其作用方向与合成磁动势的方向呈60°夹角，因此这两相线圈对基波合成磁动势的贡献分别为：1/2cos60°=1/2。所以，基波合成磁动势为A相线圈产生磁动势最大值的3/2倍，即：F合=3/2FA。其中，FA为A相线圈产生的脉振磁动势基波，FB为B相线圈产生的脉振磁动势基波，FC为C相线圈产生的脉振磁动势基波，F合为基波合成磁动势。
此外由于磁场是由非磁性金属体指向线圈，故线圈处为S极，其他两个时刻t2、t3过程描述相同，在此不再赘述。图6为N1＞Ns＞0时，非磁性金属体所受的消旋转矩图。
此外，非磁性金属体按顺时针旋转时，与逆时针旋转的消旋方法相同，不同之处仅为N1＜Ns＜0，B-Y（第二线圈）、C-Z（第三线圈）通入的正弦交流电的相位互换，具体的消旋过程在此不再赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种空间非磁性金属体降速消旋的装置，其特征在于，所述空间非磁性金属体降速消旋的装置包括多个线圈；多个线圈分别设置在非磁性金属体周围；
所述线圈的数量为3N个，N≥1；每个线圈均包括上线圈边及下线圈边；
同一线圈的上线圈边及下线圈边在空间中的夹角为；
不同线圈的相邻两个线圈边在空间中的夹角为；
每个线圈的中心轴线均过非磁性金属体的重心；
所述非磁性金属体的自旋轴垂直于各线圈的中心轴线；
所述多个线圈用于产生交变磁场；所述交变磁场施加在所述非磁性金属体的周围；在各线圈中分别通入正弦交流电，以在所述非磁性金属体周围产生交变磁场；所述交变磁场的旋转方向与所述非磁性金属体的旋转方向相同，且所述交变磁场的旋转速度小于所述非磁性金属体的旋转速度。
2.根据权利要求1所述的空间非磁性金属体降速消旋的装置，其特征在于，相邻两个线圈中通入的正弦交流电的相位差为120°。
3.一种空间非磁性金属体降速消旋的方法，其特征在于，所述空间非磁性金属体降速消旋的方法包括：
将多个线圈分别设置在非磁性金属体周围；各线圈的中心轴线均过非磁性金属体的重心，非磁性金属体的自旋轴垂直于各线圈的中心轴线；所述线圈的数量为3N个，N≥1；每个线圈均包括上线圈边及下线圈边；
同一线圈的上线圈边及下线圈边在空间中的夹角为；
不同线圈的相邻两个线圈边在空间中的夹角为；
在各线圈中分别通入正弦交流电，以在所述非磁性金属体周围产生交变磁场；所述交变磁场的旋转方向与所述非磁性金属体的旋转方向相同，且所述交变磁场的旋转速度小于所述非磁性金属体的旋转速度；
实时检测所述非磁性金属体的旋转速度，在非磁性金属体的旋转速度小于或等于交变磁场的旋转速度时，降低正弦交流电的频率，以使所述交变磁场的旋转速度小于所述非磁性金属体的旋转速度，直至所述非磁性金属体的旋转速度在安全转速范围内或静止不动。
4.根据权利要求3所述的空间非磁性金属体降速消旋的方法，其特征在于，相邻两个线圈中通入的正弦交流电的相位差为120°。
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