CN116605424B - 一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法。步骤1：根据探测的空间碎片选择合适的初级励磁的个数及初级励磁的形状；步骤2：执行空间碎片消旋任务的航天器通过运动机构将初级励磁停靠在空间碎片附近；步骤3：将至少2个初级励磁相对作用于空间碎片，同时抑制空间碎片的5个自由度方向的运动，达到空间碎片磁消旋的目的。本发明通过磁场与空间碎片的相对运动产生涡流，从而产生涡流阻尼力或转矩，用于解决传统技术方案中的3轴电磁线圈的太空碎片的消旋的问题。

Description

一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法

技术领域

本发明涉及一种模块化混合励磁空间碎片磁消旋方法，通过磁场与空间碎片的相对运动产生涡流，从而产生涡流阻尼力或转矩，达到消旋的目的，属于空间碎片消旋方法领域。

背景技术

自1957年第一颗人造卫星升空以来，人类迄今已将超过10000颗人造卫星送入地球轨道。近些年，随着互联网通信等卫星的大量发射，近地空间开始日益拥挤。数目庞大的卫星失效之后大多数都变成了围绕地球高速运转的太空垃圾——空间碎片。空间碎片对航天器在轨服务已经产生巨大威胁，仅在2020年，国际空间站就进行了3次规避碰撞操作。因此，亟需主动清除空间碎片的有效手段。

然而，处于漂浮状态的失效卫星或空间碎片一般是旋转或翻滚的。失效卫星等大型空间碎片的质量往往超过1000kg，且已经失去自身调控能力，受失效前自身残余角动量的影响，自身旋转速度可以达到25°/s以上，超出了接触式抓捕手段所容许的范围。因此，针对这类大型空间碎进行捕获前必须对其进行消旋处理。在轨消旋及抓捕技术是航天高新技术领域中的一项极具前瞻性和挑战性的课题，同时也具有极高的军民两用双重价值。

消旋方法主要分为非接触式、接触式消旋方法两大类。前者在消旋过程中不需要直接接触空间碎片，因此，可减小与碎片碰撞的概率。日本东北大学的Sugai等人提出利用空间碎片在电磁线圈产生的磁场环境中运动生成电磁力来衰减碎片旋转运动的消旋方法。Gomez和Walker提出可通过超导线圈构造外部磁场衰减目标运动。

目前，现有技术通过大多数电磁线圈产生磁场，空间碎片切割该磁力线生成涡流，涡流和磁场相互作用产生阻尼力，从而实现空间碎片的消旋。然而，电磁线圈(非超导)产生的磁场幅值较弱，从而消旋力矩较小，导致消旋时间较长；而超导线圈需要专门配置制冷系统，并且在太空高低温环境下的超导稳定性也是一个技术问题。

发明内容

本发明提供一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，通过磁场与空间碎片的相对运动产生涡流，从而产生涡流阻尼力或转矩，用于解决传统技术方案中的3轴电磁线圈的太空碎片的消旋的问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，所述空间碎片磁消旋方法具体

包括以下步骤：

步骤1：根据探测的空间碎片选择合适的初级励磁的个数及初级励磁的形状；

步骤2：执行空间碎片消旋任务的航天器通过运动机构将初级励磁停靠在空间碎片附近；

步骤3：将至少2个初级励磁相对作用于空间碎片，通过初级励磁中各个励磁绕组(2)同时产生x向行波磁场、y向行波磁场、斜向行波磁场和旋转磁场，同时抑制空间碎片的5个自由度方向的运动，达到空间碎片磁消旋的目的且提高了低速域中的消旋性能。

一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，所述初级励磁包括多个混合励磁模块单元，所述混合励磁模块单元包括铁心1、励磁绕组2和永磁体3，所述铁心1的一端设置永磁体3，所述铁心1的四周设置四个励磁绕组2，所述永磁

体3的充磁方向包括S-N和N-S。

一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，S-N永磁体3的混合励磁模块单元与N-S永磁体3的的混合励磁模块单元交替设置形成初级励磁，所述初级

励磁分别在x、y方向形成NS极性交替的磁场。

一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，所述永磁体3在空间上的磁场通过如下公式进行计算；对于永磁体3产生的静磁场区域，由于没有自由电流存在J＝0，故Maxwell静磁场方程组微分表达式简化为

▽×H＝0 (1)

▽·B＝0 (2)

由于旋度为零的矢量表示为一个标量场的梯度，因此磁场强度可表示为标量磁位，即

磁性材料的磁特性表达式为，

B＝μ₀(H+M) (4)

式中，μ₀是真空磁导率，M是磁化强度；

将式(3)和(4)代入到(2)，推导出，

利用格林函数得到标量磁位的积分表达式为，

式中，e是观测点位置矢量，e’是场源点位置矢量。

一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，分别定义体磁荷密度和面磁荷

密度为，

ρ_m＝-Δ·M (7)

σ_m＝M·n (8)

将式(7)、(8)代入式(6)，得到利用磁荷密度表示的标量磁位为，

对于均匀磁化的永磁体3，其内部不存在等效的体磁荷，故上式可简化为，

垂向充磁矩形永磁体3由上、下两个磁荷面进行等效。

一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，假设坐标轴原点位于永磁体3

内部的几何中心，则根据式(6)，矩形永磁体3在自由空间中产生的磁通密度可

表示为，

通过对式(11)进行推导，可获得垂向充磁矩形永磁体3在各坐标轴上磁通

密度分量的解析表达式。

一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，垂向充磁永磁体3磁通密度x轴分量表达式，

式中，函数F₁的表达式为，

一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，垂向充磁永磁体3磁通密度y轴分量表达式，

式中，函数G₁的表达式为，

一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，向充磁永磁体3磁通密度z轴分量表达式，

式中，函数H₁的表达式为

式(12)至式(17)中，参数x_i，i＝1,2、y_j，j＝1,2、z_k(k＝1,2)分别代表矩形永磁体3在x、y、z三个方向上的边界坐标，x_i、y_j、z_k的具体表达式为

一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，最终的磁场表达式为

式中，B_Original是原像场磁通密度，B_Image为镜像场磁通密度。

本发明的有益效果是：

本发明采用模块化方案，可根据拟消旋的空间碎片的大小，方便地对初级励磁部分的尺寸进行调整。

本发明通过2个初级励磁部分，就可以实现空间碎片5个自由度的涡流阻尼。

本发明采用混合励磁方案，可以提高产生磁场幅值，并且NS交替排列，两者的合成磁矩尽可能抵消，减少航天器姿态控制负担。

本发明通过各个励磁绕组2可以产生x向行波磁场、y向行波磁场、斜向行波磁场和旋转磁场，提高了低速域中的消旋性能。

附图说明

图1是本发明的混合励磁模块单元示意图，(a)S-N混合励磁模块单元,(b)N-S混合励磁模块单元。

图2是本发明的消旋机构初级励磁示意图。

图3是本发明的空间碎片消旋示意图，(a)平板形初级励磁部分，(b)圆弧形初级励磁部分。

图4是本发明的行波磁场、旋转磁场示意图。

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。

一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，所述空间碎片磁消旋方法具体包括以下步骤：如图3所示，

步骤1：根据探测的空间碎片选择合适的初级励磁的个数及初级励磁的形状；所述初级励磁的形状平板形、圆弧形和圆筒形(圆弧两端部分完成对接，形成圆筒形)；

步骤2：执行空间碎片消旋任务的航天器通过运动机构将初级励磁停靠在空

间碎片附近；所述运动机构包括但不限于机械臂；

步骤3：将至少2个初级励磁相对作用于空间碎片，通过初级励磁中各个励磁绕组(2)同时产生x向行波磁场、y向行波磁场、斜向行波磁场和旋转磁场，同时抑制空间碎片的5个自由度方向的运动，即x向移动、y向移动、绕x、y

和z轴的旋转，达到空间碎片磁消旋的目的且提高了低速域中的消旋性能。

一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，所述初级励磁包括多个混合励磁模块单元，所述混合励磁模块单元包括铁心1、励磁绕组2和永磁体3，所述铁心1的一端设置永磁体3，所述铁心1的四周设置四个励磁绕组2，所述永磁

体3的充磁方向包括S-N和N-S。

所述铁心1的截面为T型，所述励磁绕组2围绕铁芯突出部分设置，所述

永磁体3设置在铁芯突出部的底端，所述铁心1的突出部为T型的竖直部。

本发明提出的混合励磁模块单元如图1所示，有2个基本单元，均是由铁心1、励磁绕组2和永磁体3构成，只是永磁体3充磁方向相反。通过励磁绕组2

产生磁通和永磁体3产生磁通的叠加，以及铁心1的聚磁效应，可以增大磁通幅

值，有利于提高涡流转矩，从而加强消旋性能。

一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，S-N永磁体3的混合励磁模块单元与N-S永磁体3的的混合励磁模块单元交替设置形成初级励磁，所述初级

励磁分别在x、y方向形成NS极性交替的磁场。

通过混合励磁模块单元，构成如图2所示的消旋机构初级励磁部分。单元1

和单元2交替排列，分别在x、y方向形成NS极性交替的磁场。由于采用模块化方案，可根据拟消旋的空间碎片的大小，方便地对初级励磁部分的尺寸进行调整。

一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，所述永磁体3在空间上的磁场可以通过如下公式进行计算；对于永磁体3产生的静磁场区域，由于没有自由电

流存在J＝0，故Maxwell静磁场方程组微分表达式可以简化为

▽×H＝0 (1)

▽·B＝0 (2)

由于旋度为零的矢量可以表示为一个标量场的梯度，因此磁场强度可表示为

标量磁位，即

磁性材料的磁特性表达式为，

B＝μ₀(H+M) (4)

式中，μ₀是真空磁导率，M是磁化强度；

将式(3)和(4)代入到(2)，可以推导出，

利用格林函数可以得到标量磁位的积分表达式为，

式中，e是观测点位置矢量，e’是场源点位置矢量。

一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，分别定义体磁荷密度和面磁荷

密度为，

ρ_m＝-Δ·M (7)

σ_m＝M·n (8)

将式(7)、(8)代入式(6)，得到利用磁荷密度表示的标量磁位为，

对于均匀磁化的永磁体3，其内部不存在等效的体磁荷，故上式可简化为，

垂向充磁矩形永磁体3可以由上、下两个磁荷面进行等效。

一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，假设坐标轴原点位于永磁体3

内部的几何中心，则根据式(6)，矩形永磁体3在自由空间中产生的磁通密度可

表示为，

通过对式(11)进行推导，可获得垂向充磁矩形永磁体3在各坐标轴上磁通密度分量的解析表达式。

一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，垂向充磁永磁体3磁通密度x轴分量表达式，

式中，函数F₁的表达式为，

一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，垂向充磁永磁体3磁通密度y轴分量表达式，

式中，函数G₁的表达式为

一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，向充磁永磁体3磁通密度z轴分量表达式

式中，函数H₁的表达式为

式(12)至式(17)中，参数x_i，i＝1,2、y_j，j＝1,2、z_k(k＝1,2)分别代表矩形永磁体3在x、y、z三个方向上的边界坐标，根据图2，x_i、y_j、z_k的具体表达式为

本发明涉及的初级励磁部分具有双边铁磁边界，铁磁边界的存在必将对永磁体3的磁场分布产生影响。镜像法是一种计算铁磁边界对原磁场影响的处理方法，它利用一系列假想的处于边界面后方按一定规律分布的电流或者磁荷(称为镜像)来对铁磁边界的影响进行等效，而实际的气隙磁场空间分布则由原像产生的磁场与镜像产生的磁场叠加形成。

一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，最终的磁场表达式为

式中，B_Original是原像场磁通密度，B_Image为镜像场磁通密度。

励磁线圈产生的磁场可以通过磁路法计算，再此不再赘述。而初级励磁部分产生的磁场是永磁体3产生的磁场与励磁线圈磁场的叠加。

由涡流制动的原理可知，在空间碎片消旋过程中，空间碎片的转速逐渐降低，会导致其与初级励磁部分磁场之间的相对速度降低。因此，在空间碎片形成的涡流幅值以及其受到的涡流阻尼力矩降低，消旋时间增加。针对上述问题，可以通过本发明中提出的模块励磁线圈形成x、y和斜向行波磁场、顺时针或逆时针旋转磁场，根据空间碎片实时运动规律，调整励磁电流的控制逻辑，如图4所示。

以5行8列的模块单元举例说明各行波磁场的实现方法：

x向行波磁场：励磁绕组2I31、I32、I33、I34、I35、I36、I37和I38的通电幅值相同并保证一定的相位差，按照I31至I38的顺序，逐渐达到电流最大值，从而形成x向行波磁场，调换通电顺序，也可以形成-x向行波磁场。x向行波磁场也可以通过I11至I18、I21至I28、I41至I48和I51至I58等励磁绕组2产生，或者多行励磁绕组2互相配合产生。

y向行波磁场：励磁绕组2I14、I24、I34、I44、I54的通电幅值相同并保证一定的相位差，按照I14至I54的顺序，逐渐达到电流最大值，从而形成y向行波磁场，调换通电顺序，也可以形成-y向行波磁场。y向行波磁场也可以通过I11至I51、I12至I52、I13至I53、I15至I55、I16至I56、I17至I57和I18至I58等励磁绕组2产生，或者多列励磁绕组2互相配合产生。

斜向行波磁场：励磁绕组2I52、I43、I34、I25、I16的通电幅值相同并保证一定的相位差，按照I52至I16的顺序，逐渐达到电流最大值，从而形成斜向行波磁场，调换通电顺序，也可以形成反斜向行波磁场。根据图4的示意图，也可以通过其他励磁绕组2实现斜向行波磁场。

旋转磁场：励磁绕组2I12、I22、I32、I42、I52、I53、I54、I55、I56、I57、I47、I37、I27、I17、I16、I16、I14和I13的通电幅值相同并保证一定的相位差，按照I12至I13的顺序，逐渐达到电流最大值，从而形成逆时针旋转磁场，调换通电顺序，也可以形成顺时针旋转磁场。根据图4的示意图，也可以通过其他励磁绕组2实现旋转磁场。

工作原理：根据电磁感应定理可知，当空间碎片和初级励磁部分发生相对运动时，会在空间碎片中感应出涡流，该涡流与初级励磁部分产生的磁场相互作用，从而产生阻尼力或者转矩。又由楞次定律可知，该阻尼力或者转矩的作用是阻碍空间碎片与初级励磁部分的相对运动，从而达到空间碎片消旋的目的。

Claims (8)

1.一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，其特征在于，所述空间碎片磁消旋方法具体包括以下步骤：

步骤1：根据探测的空间碎片选择合适的初级励磁的个数及初级励磁的形状；

步骤2：执行空间碎片消旋任务的航天器通过运动机构将初级励磁停靠在空间碎片附近；

步骤3：将至少2个初级励磁相对作用于空间碎片，通过初级励磁中各个励磁绕组(2)同时产生x向行波磁场、y向行波磁场、斜向行波磁场和旋转磁场，同时抑制空间碎片的5个自由度方向的运动；

所述初级励磁包括多个混合励磁模块单元，所述混合励磁模块单元包括铁心(1)、励磁绕组(2)和永磁体(3)，所述铁心(1)的一端设置永磁体(3)，所述铁心(1)的四周设置四个励磁绕组(2)，所述永磁体(3)的充磁方向包括S-N和N-S；

S-N永磁体(3)的混合励磁模块单元与N-S永磁体(3)的的混合励磁模块单元交替设置形成初级励磁，所述初级励磁分别在x、y方向形成NS极性交替的磁场。

2.根据权利要求1所述一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，其特征在于，所述永磁体(3)在空间上的磁场通过如下公式进行计算；对于永磁体(3)产生的静磁场区域，由于没有自由电流存在J＝0，故Maxwell静磁场方程组微分表达式简化为

由于旋度为零的矢量表示为一个标量场的梯度，因此磁场强度可表示为标量磁位，即

磁性材料的磁特性表达式为，

B＝μ₀(H+M) (4)

式中，μ₀是真空磁导率，M是磁化强度；

将式(3)和(4)代入到(2)，推导出，

利用格林函数得到标量磁位的积分表达式为，

式中，e是观测点位置矢量，e’是场源点位置矢量。

3.根据权利要求2所述一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，其特征在于，分别定义体磁荷密度和面磁荷密度为，

ρ_m＝-Δ·M (7)

σ_m＝M·n (8)

将式(7)、(8)代入式(6)，得到利用磁荷密度表示的标量磁位为，

对于均匀磁化的永磁体(3)，其内部不存在等效的体磁荷，故上式可简化为，

垂向充磁矩形永磁体(3)由上、下两个磁荷面进行等效。

4.根据权利要求3所述一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，其特征在于，假设坐标轴原点位于永磁体(3)内部的几何中心，则根据式(6)，矩形永磁体(3)在自由空间中产生的磁通密度可表示为，

通过对式(11)进行推导，可获得垂向充磁矩形永磁体(3)在各坐标轴上磁通密度分量的解析表达式。

5.根据权利要求4所述一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，其特征在于，垂向充磁永磁体(3)磁通密度x轴分量表达式，

式中，函数F₁的表达式为，

6.根据权利要求5所述一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，其特征在于，垂向充磁永磁体(3)磁通密度y轴分量表达式，

式中，函数G₁的表达式为，

7.根据权利要求6所述一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，其特征在于，向充磁永磁体(3)磁通密度z轴分量表达式，

式中，函数H₁的表达式为

式(12)至式(17)中，参数x_i，i＝1,2、y_j，j＝1,2、z_k(k＝1,2)分别代表矩形永磁体(3)在x、y、z三个方向上的边界坐标，x_i、y_j、z_k的具体表达式为

8.根据权利要求7所述一种模块化混合励磁的空间碎片磁消旋方法，其特征在于，最终的磁场表达式为

式中，B_Original是原像场磁通密度，B_Image为镜像场磁通密度。