基于激光烧蚀冲量耦合的空间碎片主动变轨建模与仿真

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1、航空学报ActaAeronauticaelAstronauticaSinicaOct．252013V01．34No．102325．2332ISSN1000-6893ON11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．ca基于激光烧蚀冲量耦合的空间碎片主动变轨建模与仿真常浩1，金星2一，洪延姬21．装备学院研究生院，北京1014162．装备学院激光推进及其应用国家重点实验室，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被认为是最有效

2、的手段。分析了空间碎片在激光作用下的变轨过程，建立了相应的物理模型，并给出了空间碎片受地基激光辐照后轨道变化的数值模拟过程。对空间碎片主动离轨防止碰撞在轨卫星实例进行了仿真计算，并对仿真时间内空间碎片的轨道根数、空间碎片与卫星之间的相对距离变化进行了数值模拟。仿真结果表明，地基激光能有效改变空间碎片的飞行轨迹，是避免空间碎片与空问目标碰撞的-种新的解决途径。关键词：空间碎片；激光烧蚀；冲量耦合；变轨；数值模拟中图分类号：V416．5；TN249文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)10—2

3、325—08随着空间飞行器的不断增多，废弃的助推火箭和航天器及其爆炸后产生的碎片不断累积，导致空间碎片的数量越来越多，空间碎片已成为危害卫星安全的潜在杀手。航天史上已经有碎片撞击卫星产生严重后果的事例，如法国1995年发射的西雷斯(CERISE)电子侦察卫星，在1996年7月24日与1986年发射的阿里安(ARlANE)火箭残骸相撞，导致卫星的重力梯度稳定杆被撞断[1]。目前，国际上已经建立了相关机构和观测网站，监测、搜索和研究空间碎片的分布、轨道和运动规律，并且能够对直径大于10cm空间碎片通过地基雷达

4、、光学测量和天基空间监视雷达等进行编目[2]。对于厘米级以下碎片，卫星主要采用被动防护的方式，对于厘米级及其以上碎片，主要采用卫星主动变轨方式[3]，但这将大大缩短卫星的使用寿命，对于肩负重要战略任务的侦查卫星更是如此。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ORIONE4。7]、欧盟的CLEANSPACE[80等。国内也开展了地基高能激光清除空间碎片的相关研究凹。0

5、，文献[11]对碎片再人大气层烧蚀预测问题进行了研究。利用激光烧蚀碎片产生反冲速度增量，即激光的冲量耦合效应，可以清除空间

6、碎片，同时也可对碎片轨道进行主动操控，以避免其与在轨卫星碰撞。本文讨论了地基激光辐照空间碎片产生的烧蚀反喷作用力、改变其飞行轨迹避免与卫星碰撞发生的可行性与方法；建立了地基激光辐照空间碎片变轨的物理过程模型，数值模拟了仿真时间内空间碎片在激光作用下的轨道根数变化情况。收稿日期：2013—04—11；退修日期：2013—05—14；录用日期：2013—06—18；网络出版时间：2013-06．2512：52网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20130625．

7、1252．002．htmI基金项目：部级项目*通讯作者．Tel．：010-66364435E-mail：jinxing—beijJng@sina．com萌用格武

8、ChangH。JinX．HongYJ．Modelingandsimulationonactivespacedebrisorbitmaneuverbasedonlaserablationimpulsecou-piing．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2013．34(10)：2325-2332常浩．金星．洪延

9、姬．基f激光浇蚀冲量耦合的空闻碎片i萄变孰建模与仿宾．靛空学撮，2013。34(10)：2325-2332．航空学报Oct．252013VoI34No．101建模地基激光辐照空间碎片变轨过程及模型假设见文献E9]。1．1参数计算1．1．1常用坐标系一肿睁剐㈩系下的碎片位置矢量。将式(1)写成如下这种形式：，一Prcosf+Qrsinf(2)式中：P、Q分别为轨道坐标系X。轴和y。轴的单位向量，即Fcosn。COSCO。一sin1"2。sin∞。COSi。]P—lsinn。COS叫。一COSn。sin60。

10、COSi。『(3)．．LSln叫nsinznJ厂．一COSJf2。sin∞。一sinn。COS∞。COSin]Q—I—sinn。sin∞。+COSn。COS(U。COSi。Il。o。∞。。ini。J(4)对式(2)求导可得速度矢量的表达式，为'，一(PCOSf+Qsin厂)r+(一Prsinf+Qrcosf)f(5)同时有扛√詈esinf(6)式中：f1一GM为地球引力常数，G为万有引力系数，M为地球质量；P为半通径；e为偏心