天基平台激光清除小尺度空间碎片降轨特性研究
杨丽薇，温 泉，赵尚弘，方英武，王 轶，张 健，郭雯娟
【摘 要】通过建立空间碎片自旋与非自旋模型，分析了天基激光作用下碎片速度的变化规律，在此基础上研究了激光辐照作用下空间碎片的变轨模型。通过仿真分析空间碎片的近地点与远地点高度的变化量在碎片运行轨道不同位置与高能脉冲激光作用的变化规律，对比分析激光在不同辐照角度下与碎片作用时的降轨清理效果。研究结果表明：天基激光清除空间碎片存在最佳作用区域，降轨清理的最佳位置在初始真近角f=120°和f=240°位置附近；激光作用碎片的辐照角度对碎片的降轨清理效果有较大影响，激光在不同辐照角度与碎片作用时的降轨清理效果相对碎片轨道椭圆主轴具有对称性。 【期刊名称】应用光学 【年(卷),期】2018(039)002 【总页数】6
【关键词】关键词:空间碎片；天基激光；降轨；冲量耦合
引言
空间碎片主要是指人类在太空活动中遗留在空间中废弃的航天器残骸以及它们因碰撞或爆炸而产生的碎片[1]。小尺度空间碎片因无法被监测跟踪，而且能对Low-Earth Orbit (LEO)轨道空间目标产生致命的危害，是LEO区域最危险的空间碎片。为了最大限度地保障近地空间环境安全，主动移除LEO区域小尺度空间碎片迫在眉睫[2]。国内外提出的空间碎片主动移除方案主要有绳系拖拽法、捕获法和激光辐照法3类。激光辐照主动移除空间碎片技术可同时进行探测和跟瞄，操作简单，响应时间短，可重复使用，且成本较低，是目前国内外移除
小尺度空间碎片最有前景的方法，也是当前的研究重点[3]。
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[4]、欧盟的CLEANSPACE[5]等，国内也开展了激光辐照小尺度空间碎片的相关研究[6-8]。文献[9] 推导了天基脉冲激光清理LEO轨道空间碎片最佳角度的解析关系，证明了最佳角度下的清理效果具有关于碎片椭圆轨道主轴对称的特性，优化设计了激光清理LEO碎片的时机。文献[10] 对碎片及激光器运行轨道、激光器参数、激光光束传播、碎片材料及质量、碎片环境等方面进行了分析，并对天基激光站系统参数进行了初步设计，提出了可行的技术方案。文献[11]研究了近地轨道小尺度空间碎片移除过程中轨道偏心率与近地点高度随激光脉冲数目变化的影响规律。这些研究绝大部分考虑的是绕地球平动的空间碎片，对于碎片自旋情况的分析涉及较少。统计研究表明，LEO区域中存在部分空间碎片在绕地球平动的同时其本身也在自旋[12]。在考虑靶材自旋时，激光与靶材的相互作用会随时间不断变化，不同时刻将对应不同的冲量，靶材获得的速度增量也将随之变化，从而对空间碎片的降轨效果产生较大影响。因此有必要就空间碎片自旋对其降轨效果的影响规律进行研究分析。
本文以LEO区域中常见的铝合金平板为例，建立了空间碎片自旋与非自旋模型，研究了高能脉冲激光与靶材作用下碎片速度的变化规律，在此基础上建立了激光辐照作用下空间碎片的变轨模型，通过仿真分析，对高能脉冲激光作用下空间碎片轨道参数的变化规律进行了数值模拟，为天基平台激光清除空间碎片技术的应用提供了必要的理论基础。
1 理论分析
天基平台激光清除空间碎片是激光站部署在外层空间，如图1所示。天基激光
器发射高能脉冲激光光束，激光束辐照空间碎片靶面，辐照靶面因其所具备的条件不同而发生一系列的复杂变化(升温、熔融、气化、等离子体等)，强激光辐照作用下碎片会产生反冲冲量，使空间碎片获得速度增量，反冲冲量越大其速度增量越大，空间碎片减速变轨，最终坠入大气层烧毁，达到清除目的。 激光与靶的冲量耦合系数Cm是指单位入射激光能量所获得的靶的冲量，它是直接联系激光能量与靶冲量的一个参量，也是计算激光清除空间碎片效果的重要参数指标。基于文献[13]和[14]，金属靶材，冲量耦合系数的表达式可表示为
Cm(m0-Δm)Δv/(ηcE) (1)
式中：Δv表示靶材的速度增量；E表示单脉冲激光能量；ηc表示激光作用效率因子；m0表示空间碎片受强激光辐照前的质量；表示单个激光脉冲烧蚀碎片的质量；τ表示激光的脉宽；表示碎片质量的变化率。 由(1) 式可知，高能脉冲激光辐照作用下空间碎片获得的冲量为 (m0-Δm)Δv=CmηcE (2)
将(2) 式 改写为动力学等式，其表达式[15]为 (3)
式中：n表示空间碎片的曲面法向量；k表示高能脉冲激光的辐照方向；I表示入射激光功率密度；H表示碎片的二阶面积矩阵。
空间碎片呈现多种形状，本文选取LEO区域中常见的铝板为例进行理论分析。铝板是能够体现激光辐照作用下烧蚀反冲现象最简单的例子，不论激光入射方
天基平台激光清除小尺度空间碎片降轨特性研究
