[发明专利]一种厘米级空间碎片激光烧蚀冲量和冲量矩的计算方法

说明书

本发明属于航天技术领域，具体涉及一种厘米级空间碎片激光烧蚀冲量和冲量矩的计算方法。本发明首先在静止坐标系下，计算空间碎片激光烧蚀力和激光烧蚀力矩，然后在体固联坐标系下，计算空间碎片单位质量激光烧蚀冲量与单脉冲激光烧蚀冲量矩，最后在径向横向坐标系下，计算空间碎片单位质量激光烧蚀冲量。本发明采用体固联坐标系相对于零时刻径向横向坐标系的欧拉角表示姿态运动，能够反映碎片姿态运动对碎片轨道运动的影响。本发明在静止坐标系中计算激光烧蚀力和激光烧蚀力矩，进一步考虑了碎片的空间方位，再在体固联坐标系中计算激光烧蚀力和激光烧蚀力矩，准确反映了激光烧蚀力和激光烧蚀力矩随着激光辐照方向矢量和碎片姿态运动的变化。

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激光烧蚀冲量和冲量矩的计算方法。

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。厘米级尺寸以下的空间碎片，可采用结构防护方法降低撞击危害；尺寸较大的废弃物数目很少、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的撞击危害最大。

厘米级空间碎片轨道的激光烧蚀操控方法，是利用光子远距离传输能量，具有与碎片非机械接触、无反作用力等特点，得到了普遍关注。在激光烧蚀操控空间碎片轨道的方法中，如果将激光器部署在卫星平台上则是天基激光烧蚀操控方法，如果将激光器部署在地面上，则是地基激光烧蚀操控方法。不论是天基激光操控碎片轨道，还是地基激光操控碎片轨道，激光烧蚀力和激光烧蚀力矩的分析和计算方法都是一致的。

现有的空间碎片激光烧蚀力和激光烧蚀力矩分析和计算方法的主要缺陷为：

(1)现有的方法不考虑碎片姿态运动对碎片轨道运动的影响。实际上激光辐照方向矢量和碎片空间方位决定了碎片激光烧蚀力和激光烧蚀力矩的大小和方向，其中碎片空间方位取决于碎片姿态运动。

(2)现有的方法是在碎片静止坐标系中给定激光辐照方向矢量，分析和计算激光烧蚀力和激光烧蚀力矩，无法动态地考虑碎片姿态运动对碎片轨道运动的影响，仅适用于球体形状碎片。实际上，有些碎片如果存在初始姿态运动(如圆柱体和长方体)，这种姿态运动将影响激光烧蚀力进而影响碎片轨道运动；有些碎片在激光辐照烧蚀下会产生激光烧蚀力矩(如半球体和圆锥体)引起碎片转动，影响激光烧蚀力进而影响碎片轨道运动。

发明内容

本发明的目的是提供一种厘米级空间碎片激光烧蚀冲量和冲量矩的计算方法，为激光烧蚀操控厘米级空间碎片轨道并减缓其撞击威胁提供基础。

本发明的一种厘米级空间碎片激光烧蚀冲量和冲量矩的计算方法，包括以下步骤：

S1：在静止坐标系下，计算空间碎片激光烧蚀力和激光烧蚀力矩，具体为：

S11：利用曲面积分计算激光烧蚀力和激光烧蚀力矩；

S12：利用方程描述空间碎片轨道和姿态运动；采用径向横向坐标系下轨道动力学方程描述空间碎片轨道运动，采用体固联坐标系下姿态动力学方程描述空间碎片姿态运动，采用体固联坐标系相对于零时刻径向横向坐标系转动的欧拉角表示空间碎片姿态运动；

S13：利用轨道动力学方程计算空间碎片单位质量激光烧蚀冲量；

S14：利用姿态动力学方程计算空间碎片单脉冲激光烧蚀冲量矩；

S2：在体固联坐标系下，计算空间碎片单位质量激光烧蚀冲量与单脉冲激光烧蚀冲量矩,具体为：

S21：计算空间碎片平台位置矢量与激光辐照方向矢量；