一種空間非磁化金屬碎片直流消旋磁場(chǎng)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于空間碎片清理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種空間非磁化金屬碎片直流消旋 磁場(chǎng)控制方法，是一種利用運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生渦流轉(zhuǎn)矩的消旋磁場(chǎng)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] "空間碎片"是指位于地球軌道上或者再入大氣層的非功能性的人造物體，包括其 碎片和部件。隨著人類(lèi)航天活動(dòng)的日益頻繁，空間碎片的數(shù)量呈級(jí)數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，且集中于高 度為800-1000km的區(qū)域，受空間攝動(dòng)力影響，這些碎片常處于高速自旋的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，且伴 隨著旋轉(zhuǎn)軸的長(zhǎng)期章動(dòng)。這給空間碎片的捕捉和清理工作帶來(lái)了極大的困難。對(duì)空間碎片 進(jìn)行消旋是捕捉和清理的首要任務(wù)。目前主要有接觸式消旋和非接觸式消旋。基于磁場(chǎng)的 空間碎片渦流消旋技術(shù)屬于非接觸式消旋，該項(xiàng)研究尚處于起始階段，現(xiàn)有研究沒(méi)有考慮 空間碎片旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)消旋磁場(chǎng)的定向問(wèn)題都沒(méi)有進(jìn)行深入分析和探討。
[0003] 在《ACTA ASTR0NAUTICA》2012 年第 76 卷 145-153 頁(yè)刊登的"Study on the eddy current damping of the spin dynamics of space debris from the Ariane launcher upper stages" 一文（作者Praly，N.等），討論了由阿麗亞娜火箭上面級(jí)產(chǎn)生的空間碎片 在地球磁場(chǎng)作用下的渦流效應(yīng)，得出在地磁場(chǎng)作用下，空間在碎片會(huì)逐漸停止自旋的結(jié)論。 從理論上說(shuō)明了恒定磁場(chǎng)作用會(huì)對(duì)空間碎片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)起到阻尼作用。這種被動(dòng)的消旋方 式時(shí)間較長(zhǎng)，通常在半年左右，且無(wú)法對(duì)磁場(chǎng)方位進(jìn)行控制，對(duì)平行于地磁方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 無(wú)法進(jìn)行消旋。
[0004] 在《ACTA ASTR0NAUTICA》2015 年第 114 卷 34-53 頁(yè)刊登的 "Eddy currents applied to de-tumbling of space debris:Analysis and validation of approximate proposed methods" 一文（作者Gomez, Natalia Ortiz等），提出了通過(guò)線圈建立磁場(chǎng)，利 用渦流轉(zhuǎn)矩的主動(dòng)消旋技術(shù)。該方法通過(guò)主動(dòng)構(gòu)建定向磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)空間碎片的消旋，研究 了渦流轉(zhuǎn)矩的大小和消旋的時(shí)間。該技術(shù)僅依靠單組線圈建立磁場(chǎng)，未考慮針對(duì)空間碎片 的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)消旋磁場(chǎng)的方向定位問(wèn)題。
[0005] 2013年申請(qǐng)的國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利《一種清除空間碎片的方法和裝置》，專(zhuān)利申請(qǐng)公布號(hào) CN103434658A，發(fā)明人：李怡勇等，提出了通過(guò)電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力或電場(chǎng)力與磁場(chǎng)力相結(jié)合的 方式，通過(guò)改變空間碎片的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向，使碎片偏離固定軌道的一種清除空間碎 片的方法。該技術(shù)未談及碎片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及消旋問(wèn)題。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)分析了渦流轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理和實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)置的空間碎片模型簡(jiǎn)單，僅考 慮了碎片沿主軸作簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將磁場(chǎng)方向直接置于與碎片旋轉(zhuǎn)軸垂直的方向，未考慮 到空間實(shí)現(xiàn)的具體措施。然而，磁場(chǎng)發(fā)生裝置必須由追蹤衛(wèi)星攜帶，且由于空間碎片的運(yùn)動(dòng) 狀態(tài)較為復(fù)雜，不可能隨時(shí)調(diào)整姿態(tài)以保證磁場(chǎng)的方向始終垂直于碎片的旋轉(zhuǎn)軸向，渦流 轉(zhuǎn)矩的作用效果大大折扣，甚至由于磁場(chǎng)方向與旋轉(zhuǎn)主軸方位的不確定性，導(dǎo)致碎片產(chǎn)生 更為復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0008] 為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種空間非磁化金屬碎片直流消旋磁 場(chǎng)控制方法，根據(jù)碎片運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，選擇最優(yōu)的磁場(chǎng)方向，并在追蹤器姿態(tài)固定情況下，通過(guò) 調(diào)整線圈電流大小，對(duì)磁場(chǎng)方向進(jìn)行即時(shí)調(diào)整，以保證產(chǎn)生最優(yōu)的消旋轉(zhuǎn)矩。
[0009] 技術(shù)方案
[0010] -種空間非磁化金屬碎片直流消旋磁場(chǎng)控制方法，其特征在于步驟如下：
[0011] 步驟1 :在空間碎片的四周，置放三組相互垂直的線圈，分別平行于X〇y平面，y〇z 平面，xOz平面，每組線圈由具有兩個(gè)線圈構(gòu)成的亥姆霍茲線圈構(gòu)成；構(gòu)成一個(gè)磁場(chǎng)，磁場(chǎng) 的場(chǎng)強(qiáng)
[0012] 所述
[0013] 其中：平行于xOy平面的磁場(chǎng)，z軸方向?yàn)榇艌?chǎng)方向，記為％:，_場(chǎng)強(qiáng)的大小記為Hz;平行于y〇z平面的磁場(chǎng)，X軸方向?yàn)榇艌?chǎng)方向，記為<，場(chǎng)強(qiáng)的大小記為Hx;平行于xOz平面 的磁場(chǎng)，y軸方向?yàn)榇艌?chǎng)方向，記為4，場(chǎng)強(qiáng)的大小記為Hy;
[0014] η線圈的匝數(shù)，I線圈的電流，R線圈的半徑
[0015] 步驟2 :根據(jù)空間碎片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的特征確定需要建立消旋磁場(chǎng)方向：
[0016] 以空間碎片當(dāng)前旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的主軸方向向量和碎片的章動(dòng)方向向量組成當(dāng)前參考 平面，以當(dāng)前參考平面的垂直方向?yàn)樾枰⒌漠?dāng)前消旋磁場(chǎng)方向；
[0017] 步驟3 :調(diào)整三組的線圈的電流I，使得磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)// = //、?'γ 的磁場(chǎng)方 向與當(dāng)前消旋磁場(chǎng)方向一致。
[0018] 有益效果
[0019] 本發(fā)明提出的一種空間非磁化金屬碎片直流消旋磁場(chǎng)控制方法，在空間碎片的四 周，置放三組相互垂直的線圈，根據(jù)空間碎片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的特征確定需要建立消旋磁場(chǎng)方向， 調(diào)整三組的線圈的電流I，使得磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)異=+ //、￡, +氧爲(wèi)'的磁場(chǎng)方向與當(dāng)前消旋磁 場(chǎng)方向一致。
[0020] 本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)充分考慮了空間碎片的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，根據(jù) 空間非磁化金屬碎片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，并給出了確定消旋磁場(chǎng)方向；2)通過(guò)三軸定位， 利用三組相互垂直的線圈，通過(guò)控制平行于三維坐標(biāo)平面的線圈組中的電流，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)方 位的實(shí)時(shí)調(diào)整。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1 :空間非磁化金屬碎片消旋磁場(chǎng)控制原理框圖
[0022] 圖2 :空間碎片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)示意圖
[0023] 圖3 :平行于xOy平面的亥姆霍茲線圈結(jié)構(gòu)示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0024] 現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
[0025] 本實(shí)施例根據(jù)空間非磁化金屬碎片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，適時(shí)確定磁場(chǎng)的方位，并 通過(guò)控制平行于三維坐標(biāo)平面的線圈組中的電流，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)方位的實(shí)時(shí)調(diào)整。其技術(shù)特征 在于它含有以下內(nèi)容：
[0026] (1)根據(jù)空間碎片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的特征選擇磁場(chǎng)方向
[0027] 空間碎片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，碎片沿著主軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于外力擾動(dòng)的存 在，其旋轉(zhuǎn)主軸通常沿著一個(gè)固定軸進(jìn)行周期性的旋轉(zhuǎn)，即進(jìn)動(dòng)，并且還伴隨有其旋轉(zhuǎn)主軸 時(shí)而偏離固定軸中心的章動(dòng)。為使同樣磁場(chǎng)強(qiáng)度作用下，消旋的效果最好，要求磁場(chǎng)方向能 夠垂直于碎片的旋轉(zhuǎn)方向。在旋動(dòng)、進(jìn)動(dòng)和章動(dòng)同時(shí)存在的情況下，我們按照以下規(guī)則來(lái)確 定磁場(chǎng)方向。碎片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以看作為主軸周期性變化的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和碎片沿某一個(gè)方向的 章動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)。主軸周期性變化的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)具有周期性的特征，在某一確定時(shí)刻，可以確 定碎片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的主軸方向和碎片的章動(dòng)方向。為得到最優(yōu)的渦流轉(zhuǎn)矩，磁場(chǎng)方向應(yīng)垂直 于由主軸方向向量和碎片的章動(dòng)方向向量所組成的平面。
[0028] (2)三軸定位直流磁場(chǎng)的生成及調(diào)整
[0029] 在靜止三維直角坐標(biāo)系設(shè)立平行于xOy平面，yOz平面，xOz平面的三組線圈，每組 線圈均由具有兩個(gè)線圈構(gòu)成的亥姆霍茲線圈構(gòu)成，這樣可以在線圈的中心形成分別垂直于 x〇y平面，y〇z平面，xOz平面的相對(duì)均勾磁場(chǎng)。其中，平行于xOy平面的亥姆霍茲線圈構(gòu)成 的磁場(chǎng)方向?yàn)閦軸方向，記為場(chǎng)強(qiáng)的大小記為Hz，平行于yOz平面的亥姆霍茲線