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基于激光技术空间碎片的主动移除

王艺  
【摘要】:随着航天理论技术越发成熟,人类探索太空的活动也越来越频繁。自第一颗人造地球卫星发射至今,人类的太空发射活动已取得了快速的发展和巨大的成功,与此同时也造成了数量众多的空间碎片。日益增长的空间碎片已经影响到人类正常的太空活动,除此之外也给空间站和其他在轨航天器等带来十分严重的危害,因此如何减缓或者主动清除空间碎片则是目前面临的关键问题。本文则主要针对利用地基激光清除空间碎片的方法,并对其进行相关的理论分析和仿真研究。本文首先介绍了地基激光清除系统的组成以及清除空间碎片的整个工作流程。激光清除空间碎片是利用激光的高能量将碎片表面烧蚀并获得反喷冲量,从而降低空间碎片的轨道速度,减小其近地点高度。当空间碎片运动到地心与地基激光器连线处,这时称之为过顶。因为激光的能量和功率密度无法实现空间碎片经一次照射或完成一次过顶就能被成功清除,所以需要进行多次激光照射和多次过顶,当某次激光照射前空间碎片的近地点高度到达进入大气层烧毁的临界值时,则认为空间碎片可以进入大气层烧毁,即成功清除空间碎片。然后根据这一原理,建立激光清除空间碎片的模型,并考虑空间碎片初始轨道为圆形和椭圆形的两种情况。由于激光在传输中会受到大气吸收、散射、湍流和非线性效应等一系列影响,综合分析这些影响因素,根据仿真结果验证计算激光清除一块空间碎片所需的照射次数、时间以及空间碎片的过顶次数。最后研究同一碎片经不同激光照射以及同一激光照射不同碎片的两种情况,就两者的清除效果进行分析比较。结果表明:利用平均功率30kW,脉冲能量15kJ,重复频率2Hz,脉冲宽度为10ns的激光成功清除近地点高度位于870km的Na/K冷却剂碎片,碎片需要完成5次过顶,并进行174次激光照射,整个过程需要激光照射时间为87.5秒。最后的仿真结果表明,清除空间碎片所需的激光照射次数随着空间碎片速度增量、冲量耦合系数以及激光平均功率、脉冲宽度的增加而减少;并随着空间碎片初始轨道高度和激光重复频率的增加而增多。空间碎片的过顶次数只会随着碎片初始轨道高度的增加以及激光脉冲宽度的减小而增多。根据研究结果,可以为地基激光器参数的选择提供了一定的依据。


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