[发明专利]厘米级空间碎片轨道的天基脉冲激光烧蚀操控方法

说明书

本发明公开了一种利用天基脉冲激光烧蚀操控厘米级空间碎片轨道的方法，将激光器部署在卫星平台上，采用天基脉冲激光远距离、大光斑、全覆盖的方式对厘米级空间碎片进行烧蚀，提出了激光烧蚀操控窗口的概念。采用任意偏心率轨道动力学方程表示碎片和平台的轨道运动，能够准确描述空间碎片具有的偏心率趋近于零、大轨道倾角分布的特点，能够研究圆轨道、近圆轨道、椭圆轨道等各种碎片的操控问题。在激光烧蚀操控空间碎片过程中，既考虑了利用激光烧蚀力进行碎片轨道操控问题，又考虑了激光烧蚀力矩对碎片姿态运动的影响，及由此产生的对碎片轨道运动的影响，能够分析碎片初始姿态运动对碎片轨道运动的影响，是减缓空间碎片撞击威胁的有效手段。

技术领域

本发明属于航天技术领域，具体涉及一种厘米级空间碎片轨道的天基脉冲激光烧蚀控制方法。

背景技术

空间碎片是指人类航天活动中产生在空间的各种废弃物，随着人类航天活动的不断增加，空间碎片的数量也在迅速增加，对空间站、飞船和卫星等造成严重的撞击威胁。

厘米级空间碎片对航天器撞击危害最大。厘米级尺寸以下空间碎片，可采用结构防护方法降低撞击危害；尺寸较大废弃物数目很少撞击概率很低，可采用主动规避方法防止撞击；厘米级尺寸空间碎片撞击动能大无法采用结构防护方法，数目众多无法采用主动规避方法，因此厘米级空间碎片对航天器撞击危害最大。

空间碎片对航天器撞击影响，已成为影响航天器寿命的重要因素之一，因此各国学者提出了机械臂抓捕和飞网网捕、挂接系链等各种对付空间碎片方法，其中激光烧蚀操控空间碎片轨道的方法，利用光子远距离传输能量，与碎片非机械接触、无反作用力等特点，得到了普遍关注。

伴随小型化、轻质化激光器技术发展，天基脉冲激光烧蚀操控空间碎片技术呈现出良好应用前景。天基脉冲激光烧蚀操控空间碎片技术是将激光器部署在天基平台上，远距离探测、跟踪、瞄准碎片，发射纳秒级脉宽脉冲激光并辐照和烧蚀碎片，形成高速反喷激光等离子体羽流，从而产生激光烧蚀力和激光烧蚀力矩，利用这种激光烧蚀力和激光烧蚀力矩操控碎片运动轨道和运动姿态。与地基激光烧蚀操控空间碎片技术比较，激光作用距离为百公里级(地基为几百公里级甚至千公里级)，具有易于实现碎片探测、跟踪、瞄准，不需考虑大气传输效应影响等特点。

现有的天基脉冲激光清除空间碎片方法主要缺陷为：

首先，现有的天基脉冲激光清除空间碎片方法，主要研究利用激光烧蚀力将碎片减速降轨、坠入大气层烧毁方式，实际上利用激光烧蚀力不但可使碎片减速降轨、坠入大气层烧毁，还可以将碎片驱离或驱入到指定轨道，称之为激光烧蚀操控碎片轨道。

其次，大多数空间碎片具有偏心率趋近于零、大轨道倾角分布的特点，并且在激光烧蚀操控过程中偏心率会增大或减小，然而，现有的激光清除空间碎片方法，要么采用零偏心率圆轨道方程仅研究轨道高度变化无法研究其它轨道参数变化；要么采用偏心率不为零的轨道动力学方程，研究存在局限性。

再次，在激光烧蚀操控空间碎片过程中，根据激光辐照方向和碎片空间方位不同，不但产生激光烧蚀力，可用于碎片轨道的操控，而且还产生激光烧蚀力矩，将造成附加的碎片姿态运动，从而影响碎片轨道运动，现有的激光清除空间碎片方法没有考虑碎片姿态运动对其轨道运动的影响。

最后，在激光烧蚀操控空间碎片过程中，存在激光烧蚀操控窗口，碎片只有在激光烧蚀操控窗口内，才能对空间碎片进行激光烧蚀操控，并且激光烧蚀操控窗口，随着碎片和平台位置改变而不断变化，现有的激光清除空间碎片方法没有考虑激光烧蚀操控窗口问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种厘米级空间碎片轨道的天基脉冲激光烧蚀控制方法，充分考虑碎片姿态运动对其轨道运动的影响以及激光烧蚀窗口，采用任意偏心率轨道动力学方程，实现碎片运动轨道的操控。

本发明的一种厘米级空间碎片轨道的天基脉冲激光烧蚀控制方法，采用天基脉冲激光远距离、大光斑、全覆盖的方式对厘米级空间碎片进行烧蚀，步骤如下：