[发明专利]一种对空间非磁化金属碎片消旋的交变磁场的方法

说明书

技术领域

本发明属于空间碎片清理技术领域，涉及一种对空间非磁化金属碎片消旋的交变磁场的方法。

背景技术

“空间碎片”是指位于地球轨道上或者再入大气层的非功能性的人造物体，包括其碎片和部件。随着人类航天活动的日益频繁，空间碎片的数量呈级数增长趋势，且集中于高度为800-1000km的区域，受空间摄动力影响，这些碎片常处于高速自旋的运动状态。这给空间碎片的捕捉和清理工作带来了极大的困难。对空间碎片进行消旋是捕捉和清理的首要任务。目前主要有接触式消旋和非接触式消旋。基于磁场的空间碎片涡流消旋技术属于非接触式消旋，该项研究尚处于起始阶段，现有研究主要集中于恒定磁场下的消旋方法，没有考虑到交变磁场的设置方法。

在《ACTA ASTRONAUTICA》2012年第76卷145-153页刊登的“Study on the eddycurrent damping of the spin dynamics of space debris from the Ariane launcher upper stages”一文(作者Praly,N.等)，讨论了由阿丽亚娜火箭上面级产生的空间碎片在地球磁场作用下的涡流效应，得出在地磁场作用下，空间在碎片会逐渐停止自旋的结论。从理论上说明了恒定磁场会对空间碎片的旋转运动起到阻尼作用。这种被动的消旋方式时间较长，通常在半年左右。

在《ACTAASTRONAUTICA》2015年第114卷34-53页刊登的“Eddy currents applied to de-tumbling of space debris:Analysis and validation of approximate proposed methods”一文(作者Gomez,Natalia Ortiz等)，提出了通过线圈建立恒定磁场，利用涡流转矩的主动消旋技术。该方法通过主动构建定向磁场来实现空间碎片的消旋，研究了涡流转矩的大小和消旋的时间。该技术仅依靠单组线圈建立恒定磁场，靠碎片运动切割磁力线产生涡流，生成消旋转矩。由于产生涡流转矩的方式单一，能量传递的效率比较低，消旋的时间通常较长。

2013年申请的国家发明专利《一种清除空间碎片的方法和装置》，专利申请公布号CN103434658A，发明人：李怡勇等，提出了通过电场力、磁场力或电磁场力相结合，改变空间碎片的运动速度和运动方向，使碎片偏离固定轨道的一种清除空间碎片的方法。该技术未谈及碎片的旋转运动及消旋问题。

现有技术分析了涡流转矩产生机理和实现方法，所采用的磁场均为恒定磁场，仅依靠碎片自身的旋转运动产生涡流转矩。根据麦克斯韦电磁理论，此时涡流转矩产生的实质是由于碎片运动使通过金属碎片内部的磁通发生变化，变化的磁通产生感应电流，感应电流在磁场的作用下形成转矩。而磁通的变化有两种形式，一种是运动导体切割磁力线产生的，另一种是外界的磁场发生变化导致的。现有技术仅利用第一种情况产生消旋的涡流转矩，而没有考虑到第二种情况，能量传递的效率比较低，消旋的时间比较长。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种对空间非磁化金属碎片消旋的交变磁场的方法，利用交变磁场与碎片在磁场中运动共同作用，形成涡流转矩的方法，通过分析转矩的性质，提出产生消旋转矩的磁场条件，提高了金属非磁化碎片的消旋作用效果。

技术方案

一种对空间非磁化金属碎片消旋的交变磁场的方法，其特征在于：利用两个在空间上正交的交变磁场与在磁场中运动的非磁化金属碎片相互作用，满足条件的两个交变磁场在非磁化金属碎片内部感应出涡流并产生消旋转矩，消旋步骤如下：

步骤1：在与非磁化金属碎片的旋转主轴垂直的平面内，以碎片旋转主轴通过点为原点，选择任意两个相互垂直的方向为x轴和y轴，在两个轴向方向施加磁场M和磁场N；磁场M的正方向为y轴负方向，磁场N的正方向的为x轴正方向；

步骤2：确定消旋转矩的条件：

磁场M具有变化的磁场强度H₁，磁场N具有变化的磁场强度H₂；

情况1：当碎片逆时针旋转时：

当磁场M的磁场强度H₁沿y轴负方向增加，为且磁场N的磁场强度H₂＞0时，可产生消旋转矩；

当磁场M的磁场强度H₁沿y轴负方向减小，为且磁场N的磁场强度H₂＜0时，可产生消旋转矩；