針對天基高能脈沖激光清理低軌（LEO）空間碎片的問題,建立了高能脈沖激光清理LEO碎片作用過程和軌道演化的模型,推導了脈沖激光作用碎片的最佳角度與碎片軌道參數(shù)的解析關系,證明了最佳角度下的清理效果具有關于碎片軌道主軸對稱的特性。以平臺飛行時間和激光作用時間綜合優(yōu)化為目標,提出了一種天基激光清理空間碎片過程的簡化設計方法,能快速有效地獲得清理方案。選取典型的激光器與空間碎片參數(shù)進行仿真驗證,結果表明:采用最佳作用角度能極大提高激光清理的效果;基于優(yōu)化設計方法可使得在平臺飛行時間僅增長10%情況下激光作用時間減少30%。 

【文章來源】：航空學報. 2015,36(03)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

圖１天基高能脈沖激光清理低軌（ＬＥＯ）碎片過程Ｆｉｇ．１ＲｅｍｏｖａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｆｌｏｗＥａｒｔｈｏｒｂｉｔ（ＬＥＯ）ｄｅｂｒｉｓ

理碎片的效果與作用角度關系密切。２．２天基脈沖激光作用ＬＥＯ碎片的最佳角度２．２．１最佳角度的解析關系定義脈沖激光作用空間碎片產(chǎn)生最佳清理效果時的角度為最佳角度，則脈沖激光清理ＬＥＯ碎片時，最佳效果就是碎片近地點高度變化量的極小值，對應為最佳作用角度。碎片獲得的速度增量在法向不產(chǎn)生效果，故最佳作用角度滿足ｄｖｈ＝０。為了研究徑向和切向速度增量對ＬＥＯ碎片清理效果的影響，設高能脈沖激光在碎片軌道面內(nèi)作用碎片產(chǎn)生速度增量與碎片切向速度的夾角為α，如圖２所示。圖２激光作用碎片的角度Ｆｉｇ．２Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒａｃｔｉｏｎｏｎｄｅｂｒｉｓｄｖｔ＝ｄｖ·ｃｏｓα，ｄｖｎ＝ｄｖ·ｓｉｎα，則激光單個脈沖作用碎片產(chǎn)生的近地點高度變化量轉化為ΔＨｐ＝ΔＨｐ（ａ，ｅ，θ，ｄｖ，α）＝Ｋ／μ·ｃｏｓα·２ａ２（１－ｅ）Δｖ－２／Ｋ·ａ（ｅ＋ｃｏｓθ）ｃｏｓα·Δｖ＋ｓｉｎα·Δｖ／Ｋ·ａ（１－ｅ２）ｓｉｎθ／（１＋ｅｃｏｓθ）（８）不同作用角度α＝π／３、２π／３、π、４π／３下激光單個脈沖作用碎片導致的近地點高度變化如圖３所示，其中依據(jù)文獻［９］和文獻［１２］設定碎片材料為Ａｌ，偏心率ｅ＝０．０２，半長軸ａ＝７１７８．１５ｋｍ，激光作用前的碎片質量ｍ０＝１００ｇ，激光作用效率因子ηｃ＝０．３，激光單個脈沖能量Ｅｄ＝１０Ｊ，脈寬τ＝９ｎｓ，波長λ＝１．０６μｍ，重頻數(shù)Ｎ＝１０Ｈｚ

，ｄｖｎ＝ｄｖ·ｓｉｎα，則激光單個脈沖作用碎片產(chǎn)生的近地點高度變化量轉化為ΔＨｐ＝ΔＨｐ（ａ，ｅ，θ，ｄｖ，α）＝Ｋ／μ·ｃｏｓα·２ａ２（１－ｅ）Δｖ－２／Ｋ·ａ（ｅ＋ｃｏｓθ）ｃｏｓα·Δｖ＋ｓｉｎα·Δｖ／Ｋ·ａ（１－ｅ２）ｓｉｎθ／（１＋ｅｃｏｓθ）（８）不同作用角度α＝π／３、２π／３、π、４π／３下激光單個脈沖作用碎片導致的近地點高度變化如圖３所示，其中依據(jù)文獻［９］和文獻［１２］設定碎片材料為Ａｌ，偏心率ｅ＝０．０２，半長軸ａ＝７１７８．１５ｋｍ，激光作用前的碎片質量ｍ０＝１００ｇ，激光作用效率因子ηｃ＝０．３，激光單個脈沖能量Ｅｄ＝１０Ｊ，脈寬τ＝９ｎｓ，波長λ＝１．０６μｍ，重頻數(shù)Ｎ＝１０Ｈｚ，耦合系數(shù)Ｃｍ＝２×１０－５Ｎ·ｓ／Ｊ，燒蝕率ε＝８０μｇ／Ｊ，碎片為正方體，邊長為３．３ｃｍ，有效截面積ＳＤ＝１０．９ｃｍ２，激光器的有效光束孔徑Ｄａ＝０．６ｍ，距離碎片Ｒ＝５ｋｍ，作用碎片的光斑面積Ｓ＝３．９４ｃｍ２。圖３激光不同作用角度下單個脈沖產(chǎn)生的ΔＨｐＦｉｇ．３ΔＨｐｗｉｔｈｓｉｎｇｌｅｌａｓｅｒｐｕｌｓｅｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ

【參考文獻】：
期刊論文
[1]地基激光清除橢圓軌道空間碎片特性的計算分析[J]. 金星,洪延姬,常浩.  航空學報. 2013(09)
[2]地基激光清除空間碎片過程建模與仿真[J]. 常浩,金星,洪延姬,李修乾.  航空學報. 2012(06)



本文編號：3574096