[發明專利]利用渦流效應實現空間碎片消旋的小衛星編隊設計方法

在審

• 申請號: 201710428810.0
• 申請日: 2017-06-08
• 公開（公告）號: CN107357303A
• 公開（公告）日: 2017-11-17
• 發明（設計）人: 袁建平;張軍華;代洪華;馬衛華;孫沖;王菲
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 徐文權

【技術領域】

本發明屬于航天技術領域，涉及一種利用渦流效應實現空間碎片消旋的小衛星編隊設計方法。

【背景技術】

隨著人類航天活動的不斷開展，空間碎片的空間密度已經對于航天器的安全造成了威脅，特別是近地軌道，碎片密度更大，且其數量仍在迅速增加，航天器遭受空間碎片撞擊事件時有發生。日益增長的碎片使得圍繞地球的軌道空間變得越來越擁擠。此外，空間現存的碎片與碎片、碎片與衛星的碰撞仍將繼續，也會產生更多的碎片，從而發生鏈式反應。因此，近年來各航天大國及國際研究機構均已達成普遍共識，僅實施碎片減緩還遠遠不夠，必須進行空間碎片主動清除工作。

在清理空間碎片的方式方法上，多數研究集中于使用機械臂進行空間碎片移除。使用機械臂進行空間碎片移除的過程通常包括：逼近、抓捕和離軌，其中抓捕為空間碎片清理最重要的環節。

在抓捕過程中，由于空間碎片一般處于高速翻滾狀態，為了盡量避免對抓捕機構的碰撞，一般有以下兩種方法：一種方案是實現抓捕航天器與空間碎片運動同步，使航天器和碎片之間沒有相對的角速度，進而對空間碎片實施抓捕。但是該方案有很多不足之處，首先，由于碎片的翻滾速度一般很大，在消除相對角速度過程中會消耗很多燃料；其次，如果碎片翻滾速度過大，如果強行進行運動同步，將造成導致航天器因離心力過大而解體；最后，一般空間碎片運動是不確定性的，航天器與空間碎片無法完成時時的運動同步，一旦在同步問題上出現問題，這將航天器抓捕機械臂與已抓捕到的空間碎片發生碰撞，對抓捕機構產生損壞。第二種方案是對碎片進行非接觸式的消旋，目前最常見的方式是采用電磁消旋，利用抓捕航天器上攜帶的線圈通電后產生的磁場，在碎片中產生渦流進行消旋。但是該方式也存在很多局限性，比如，攜帶單個螺線圈的航天器產生磁場的磁場強度較低，使得消旋效果太差，消旋時間過長；帶有多個螺線圈的航天器對碎片的外形尺寸要求有限制，無法根據碎片的尺寸進行變化。因此將小衛星作為大型航天器平臺的補充，使用四顆太陽帆小衛星編隊，攜帶線圈的小衛星編隊對碎片進行逼近，利用磁場對碎片產生渦流，進而進行碎片的消旋工作，將具有比較大的優勢。

【發明內容】

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供一種利用渦流效應實現空間碎片消旋的小衛星編隊設計方法，使用該方法能夠有效的減小高速旋轉的碎片的旋轉角速度，并且利用小衛星編隊對碎片進行逼近，有效的節省了航天器平臺的燃料，實現多個空間碎片的消旋工作。

為達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：

利用渦流效應實現空間碎片消旋的小衛星編隊設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、航天器平臺選擇需要進行抓捕的空間碎片，對其進行逼近機動到距離空間碎片100±5m的位置，以備釋放小衛星進行下一步工作；

步驟二、航天器平臺根據自身與單個空間碎片的相對位置、相對速度的碎片的外形尺寸，對所要釋放的四顆小衛星進行編隊構型的設計，建立編隊與空間碎片的相對運動模型；

步驟三、利用航天器平臺的釋放裝置依次釋放四顆小衛星，并根據建立的相對運動模型選擇釋放時推力的大小，使小衛星散落在所要消旋的空間碎片周圍；

步驟四、衛星展開通電螺線圈和太陽能帆板，通過控制小衛星的釋放時的位置和速度使它們以目標碎片為中心形成自然的圓或橢圓編隊，其中平面內的兩顆小衛星正對碎片一個旋轉軸，平面外的兩顆小衛星正對碎片的一個旋轉軸；

步驟五、利用太陽能帆板產生電能對通電螺線圈進行通電，產生磁場對碎片進行消旋，減小碎片兩個軸翻滾的角速度，直至將碎片的旋轉角速度減小到限制值以下；將平面內的兩個小衛星進行小機動，改變編隊構型，使其正對碎片的第三個旋轉軸，減小該軸的翻滾角速度，直至將碎片的旋轉角速度減小到限制值以下。

本發明進一步的改進在于：

步驟二中，建立編隊與空間碎片的相對運動模型的具體方法如下：

目標碎片沿近圓軌道運行時，其周圍的小衛星編隊相對碎片的運動方程用C-W方程表示，即：

式中，n為平均角速度，對于圓軌道

作用力為零的情況下，寫出自由相對運動方程：

設初始條件為得到方程(2)的解析解為

式中，τ＝t-t₀；

若初始條件則y有隨時間不斷增長的項，因而相對距離越來越大；如果初始條件滿足則在軌道平面內x和y的方程能夠轉化為一個封閉的橢圓方程：

其中，且橢圓方程長半軸為短半軸的2倍。