地基激光清除椭圆轨道空间碎片特性的计算分析

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaSep．252013V01．34No．92064—2073lSSN1000．6893ON11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．CR地基激光清除椭圆轨道空间碎片特性的计算分析金星1’*，洪延姬1，常浩21．装备学院激光推进及其应用国家重点实验室，北京1014162．装备学院研究生院，北京101416摘要：空间碎片对人类航天活动的危害很大，用高能激光减缓其危害性已受到广泛关注。针对地基激光清除椭圆轨道空间碎

2、片问题，提出了单脉冲变轨和多脉冲变轨两种计算分析方法。仿真计算结果表明，碎片初始真近角在100。～150。附近降轨效果最佳；从激光器在地球表面可供布站的区域讲，在碎片真近角180。附近，布站区域最大；当推进激光总作用时间较短或作用距离较小时，单脉冲变轨计算模型和多脉冲变轨计算模型计算结果接近，因此可采用单脉冲变轨计算模型计算结果近似表示多脉冲作用效果。关键词：空间碎片；激光清除；单脉冲；多脉冲；变轨中图分类号：V416．5；TN249文献标识码：A文章编号：i000—6893(2013)09—2064—10空间碎片数量的急剧增加，

3、对人类航天活动的威胁越来越大。根据美国国家航空航天局(NASA)的调查统计，目前空间碎片以每年大约3％的速度急剧增长[1]，并已成为危害卫星安全的潜在杀手。因此，迫切需要清除太空中大量的危险碎片。近年来，国际上开展了激光清除空间碎片的研究计划，如美国的ORION[2‘5]，欧盟的CLEANSPACE[61等，国内也开展了激光清除空间碎片的相关研究口_8]。其中，以NASA和美国空军资助的ORION计划最为著名。尽管国内外在空间碎片的激光清除领域做了大量的研究工作[9‘12

4、，但是从总体来看，尚处于概念机理研究阶段，对于碎片激光清除

5、过程的轨道动力学建模更是比较少见。地基激光清除空间碎片，根据碎片轨道不同，所采取的策略不同，清除圆轨道碎片是清除椭圆轨道碎片的一个特例，因此有必要研究清除椭圆轨道空间碎片的一般情况。清除空间碎片时，可采用单脉冲变轨计算模型或多脉冲变轨计算模型。单脉冲变轨计算模型是将总速度增量按照单脉冲方式，一次性施加到碎片上。多脉冲变轨计算模型是按照实际激光器重复频率，一个单脉冲一个速度增量地施加到碎片上，直到达到总速度增量为止。单脉冲变轨计算模型计算过程简单，是一种近似计算模型，适合工程分析；多脉冲变轨计算模型计算过程复杂，是一种准确计算模型，

6、反映真实情况。因此，为便于工程分析，有必要研究单脉冲变轨计算模型的近似程度以及适用条件。1单脉冲变轨计算模型椭圆轨道变轨示意图如图1所示，A为地基激光站位置，碎片初始真近角为吼，碎片初始速度为口。，推进激光产生的速度增量为Av。，变轨后速度为铆，。收稿日期：2013-04·10；退修日期：2013—05—20；录用日期：2013-06—18；网络出版时间：2013．06—2513：56网络出版地址：WWWcnkinet／koms／detail／11．1929V20130625．1356．004．html基金项目：空间碎片专项科研项

7、目(K0103110)*通讯作者．Tel．：010-66364435E-mail：jinxing—beijing@sina．corn弱用格武

8、JinX．HongYJ，ChangH．Simulationanalys，sofremovalofellipticorbitspacedebrisusingground-basedlaser．ActaAeronauti．caetAstronauticaSinica．2013．34(9)：2064-2073．金星，洪延姬．常浩．地基激光清除椭圆轨道空闽碎片特性的计算分析。航空学报，2013，34

9、(9)：2064-2073．金星等：地基激光清除椭圆轨道空间碎片特性的计算分析图1椭圆轨道变轨示意图Fig．1Diagramofellipticalorbitalvariation速度增量△‰与当地法线夹角为70，激光站能够观察到碎片要求I％l≤arcsin(R／ro)(R为地球平均半径，r0为碎片的初始位置)。由于里一里号熹等(口。和铂分别为初始碎片半长轴和偏心率)，当初始真近角Oo一0时，R／r。一R／Ea。(1一e。)]最大；当初始真近角Oo一，r时，R／r。一R／Ea。(1-I-e。)]最小。由于激光大气传输吸收衰减影响，

10、对于给定碎片初始位置，要求激光站天顶角△鼠+Yo≤7c／4，即给定碎片初始位置和真近角(r。，00)，激光站位置在吼±△吼范围内(1△巩l≤7(／4—70)。三角形OAB中，有tan70一iRjsi丽nA00(1)[A004-70≤兀／4由于TOs