天基激光清理低轨空间碎片的最佳角度分析与过程设计
发布时间：2022-01-07 07:21
针对天基高能脉冲激光清理低轨（LEO）空间碎片的问题,建立了高能脉冲激光清理LEO碎片作用过程和轨道演化的模型,推导了脉冲激光作用碎片的最佳角度与碎片轨道参数的解析关系,证明了最佳角度下的清理效果具有关于碎片轨道主轴对称的特性。以平台飞行时间和激光作用时间综合优化为目标,提出了一种天基激光清理空间碎片过程的简化设计方法,能快速有效地获得清理方案。选取典型的激光器与空间碎片参数进行仿真验证,结果表明:采用最佳作用角度能极大提高激光清理的效果;基于优化设计方法可使得在平台飞行时间仅增长10%情况下激光作用时间减少30%。
【文章来源】：航空学报. 2015,36(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图１天基高能脉冲激光清理低轨（ＬＥＯ）碎片过程Ｆｉｇ．１ＲｅｍｏｖａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｆｌｏｗＥａｒｔｈｏｒｂｉｔ（ＬＥＯ）ｄｅｂｒｉｓ
理碎片的效果与作用角度关系密切。２．２天基脉冲激光作用ＬＥＯ碎片的最佳角度２．２．１最佳角度的解析关系定义脉冲激光作用空间碎片产生最佳清理效果时的角度为最佳角度，则脉冲激光清理ＬＥＯ碎片时，最佳效果就是碎片近地点高度变化量的极小值，对应为最佳作用角度。碎片获得的速度增量在法向不产生效果，故最佳作用角度满足ｄｖｈ＝０。为了研究径向和切向速度增量对ＬＥＯ碎片清理效果的影响，设高能脉冲激光在碎片轨道面内作用碎片产生速度增量与碎片切向速度的夹角为α，如图２所示。图２激光作用碎片的角度Ｆｉｇ．２Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒａｃｔｉｏｎｏｎｄｅｂｒｉｓｄｖｔ＝ｄｖ·ｃｏｓα，ｄｖｎ＝ｄｖ·ｓｉｎα，则激光单个脉冲作用碎片产生的近地点高度变化量转化为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下激光单个脉冲作用碎片导致的近地点高度变化如图３所示，其中依据文献［９］和文献［１２］设定碎片材料为Ａｌ，偏心率ｅ＝０．０２，半长轴ａ＝７１７８．１５ｋｍ，激光作用前的碎片质量ｍ０＝１００ｇ，激光作用效率因子ηｃ＝０．３，激光单个脉冲能量Ｅｄ＝１０Ｊ，脉宽τ＝９ｎｓ，波长λ＝１．０６μｍ，重频数Ｎ＝１０Ｈｚ
，ｄｖｎ＝ｄｖ·ｓｉｎα，则激光单个脉冲作用碎片产生的近地点高度变化量转化为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下激光单个脉冲作用碎片导致的近地点高度变化如图３所示，其中依据文献［９］和文献［１２］设定碎片材料为Ａｌ，偏心率ｅ＝０．０２，半长轴ａ＝７１７８．１５ｋｍ，激光作用前的碎片质量ｍ０＝１００ｇ，激光作用效率因子ηｃ＝０．３，激光单个脉冲能量Ｅｄ＝１０Ｊ，脉宽τ＝９ｎｓ，波长λ＝１．０６μｍ，重频数Ｎ＝１０Ｈｚ，耦合系数Ｃｍ＝２×１０－５Ｎ·ｓ／Ｊ，烧蚀率ε＝８０μｇ／Ｊ，碎片为正方体，边长为３．３ｃｍ，有效截面积ＳＤ＝１０．９ｃｍ２，激光器的有效光束孔径Ｄａ＝０．６ｍ，距离碎片Ｒ＝５ｋｍ，作用碎片的光斑面积Ｓ＝３．９４ｃｍ２。图３激光不同作用角度下单个脉冲产生的ΔＨｐＦｉｇ．３ΔＨｐｗｉｔｈｓｉｎｇｌｅｌａｓｅｒｐｕｌｓｅｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ
【参考文献】：
期刊论文
[1]地基激光清除椭圆轨道空间碎片特性的计算分析[J]. 金星,洪延姬,常浩. 航空学报. 2013(09)
[2]地基激光清除空间碎片过程建模与仿真[J]. 常浩,金星,洪延姬,李修乾. 航空学报. 2012(06)
本文编号：3574096
【文章来源】：航空学报. 2015,36(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图１天基高能脉冲激光清理低轨（ＬＥＯ）碎片过程Ｆｉｇ．１ＲｅｍｏｖａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｆｌｏｗＥａｒｔｈｏｒｂｉｔ（ＬＥＯ）ｄｅｂｒｉｓ
理碎片的效果与作用角度关系密切。２．２天基脉冲激光作用ＬＥＯ碎片的最佳角度２．２．１最佳角度的解析关系定义脉冲激光作用空间碎片产生最佳清理效果时的角度为最佳角度，则脉冲激光清理ＬＥＯ碎片时，最佳效果就是碎片近地点高度变化量的极小值，对应为最佳作用角度。碎片获得的速度增量在法向不产生效果，故最佳作用角度满足ｄｖｈ＝０。为了研究径向和切向速度增量对ＬＥＯ碎片清理效果的影响，设高能脉冲激光在碎片轨道面内作用碎片产生速度增量与碎片切向速度的夹角为α，如图２所示。图２激光作用碎片的角度Ｆｉｇ．２Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒａｃｔｉｏｎｏｎｄｅｂｒｉｓｄｖｔ＝ｄｖ·ｃｏｓα，ｄｖｎ＝ｄｖ·ｓｉｎα，则激光单个脉冲作用碎片产生的近地点高度变化量转化为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下激光单个脉冲作用碎片导致的近地点高度变化如图３所示，其中依据文献［９］和文献［１２］设定碎片材料为Ａｌ，偏心率ｅ＝０．０２，半长轴ａ＝７１７８．１５ｋｍ，激光作用前的碎片质量ｍ０＝１００ｇ，激光作用效率因子ηｃ＝０．３，激光单个脉冲能量Ｅｄ＝１０Ｊ，脉宽τ＝９ｎｓ，波长λ＝１．０６μｍ，重频数Ｎ＝１０Ｈｚ
，ｄｖｎ＝ｄｖ·ｓｉｎα，则激光单个脉冲作用碎片产生的近地点高度变化量转化为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下激光单个脉冲作用碎片导致的近地点高度变化如图３所示，其中依据文献［９］和文献［１２］设定碎片材料为Ａｌ，偏心率ｅ＝０．０２，半长轴ａ＝７１７８．１５ｋｍ，激光作用前的碎片质量ｍ０＝１００ｇ，激光作用效率因子ηｃ＝０．３，激光单个脉冲能量Ｅｄ＝１０Ｊ，脉宽τ＝９ｎｓ，波长λ＝１．０６μｍ，重频数Ｎ＝１０Ｈｚ，耦合系数Ｃｍ＝２×１０－５Ｎ·ｓ／Ｊ，烧蚀率ε＝８０μｇ／Ｊ，碎片为正方体，边长为３．３ｃｍ，有效截面积ＳＤ＝１０．９ｃｍ２，激光器的有效光束孔径Ｄａ＝０．６ｍ，距离碎片Ｒ＝５ｋｍ，作用碎片的光斑面积Ｓ＝３．９４ｃｍ２。图３激光不同作用角度下单个脉冲产生的ΔＨｐＦｉｇ．３ΔＨｐｗｉｔｈｓｉｎｇｌｅｌａｓｅｒｐｕｌｓｅｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ
【参考文献】：
期刊论文
[1]地基激光清除椭圆轨道空间碎片特性的计算分析[J]. 金星,洪延姬,常浩. 航空学报. 2013(09)
[2]地基激光清除空间碎片过程建模与仿真[J]. 常浩,金星,洪延姬,李修乾. 航空学报. 2012(06)
本文编号：3574096
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