[发明专利]利用涡流效应实现空间碎片消旋的小卫星编队设计方法

说明书

【技术领域】

本发明属于航天技术领域，涉及一种利用涡流效应实现空间碎片消旋的小卫星编队设计方法。

【背景技术】

随着人类航天活动的不断开展，空间碎片的空间密度已经对于航天器的安全造成了威胁，特别是近地轨道，碎片密度更大，且其数量仍在迅速增加，航天器遭受空间碎片撞击事件时有发生。日益增长的碎片使得围绕地球的轨道空间变得越来越拥挤。此外，空间现存的碎片与碎片、碎片与卫星的碰撞仍将继续，也会产生更多的碎片，从而发生链式反应。因此，近年来各航天大国及国际研究机构均已达成普遍共识，仅实施碎片减缓还远远不够，必须进行空间碎片主动清除工作。

在清理空间碎片的方式方法上，多数研究集中于使用机械臂进行空间碎片移除。使用机械臂进行空间碎片移除的过程通常包括：逼近、抓捕和离轨，其中抓捕为空间碎片清理最重要的环节。

在抓捕过程中，由于空间碎片一般处于高速翻滚状态，为了尽量避免对抓捕机构的碰撞，一般有以下两种方法：一种方案是实现抓捕航天器与空间碎片运动同步，使航天器和碎片之间没有相对的角速度，进而对空间碎片实施抓捕。但是该方案有很多不足之处，首先，由于碎片的翻滚速度一般很大，在消除相对角速度过程中会消耗很多燃料；其次，如果碎片翻滚速度过大，如果强行进行运动同步，将造成导致航天器因离心力过大而解体；最后，一般空间碎片运动是不确定性的，航天器与空间碎片无法完成时时的运动同步，一旦在同步问题上出现问题，这将航天器抓捕机械臂与已抓捕到的空间碎片发生碰撞，对抓捕机构产生损坏。第二种方案是对碎片进行非接触式的消旋，目前最常见的方式是采用电磁消旋，利用抓捕航天器上携带的线圈通电后产生的磁场，在碎片中产生涡流进行消旋。但是该方式也存在很多局限性，比如，携带单个螺线圈的航天器产生磁场的磁场强度较低，使得消旋效果太差，消旋时间过长；带有多个螺线圈的航天器对碎片的外形尺寸要求有限制，无法根据碎片的尺寸进行变化。因此将小卫星作为大型航天器平台的补充，使用四颗太阳帆小卫星编队，携带线圈的小卫星编队对碎片进行逼近，利用磁场对碎片产生涡流，进而进行碎片的消旋工作，将具有比较大的优势。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种利用涡流效应实现空间碎片消旋的小卫星编队设计方法，使用该方法能够有效的减小高速旋转的碎片的旋转角速度，并且利用小卫星编队对碎片进行逼近，有效的节省了航天器平台的燃料，实现多个空间碎片的消旋工作。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

利用涡流效应实现空间碎片消旋的小卫星编队设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、航天器平台选择需要进行抓捕的空间碎片，对其进行逼近机动到距离空间碎片100±5m的位置，以备释放小卫星进行下一步工作；

步骤二、航天器平台根据自身与单个空间碎片的相对位置、相对速度的碎片的外形尺寸，对所要释放的四颗小卫星进行编队构型的设计，建立编队与空间碎片的相对运动模型；

步骤三、利用航天器平台的释放装置依次释放四颗小卫星，并根据建立的相对运动模型选择释放时推力的大小，使小卫星散落在所要消旋的空间碎片周围；

步骤四、卫星展开通电螺线圈和太阳能帆板，通过控制小卫星的释放时的位置和速度使它们以目标碎片为中心形成自然的圆或椭圆编队，其中平面内的两颗小卫星正对碎片一个旋转轴，平面外的两颗小卫星正对碎片的一个旋转轴；

步骤五、利用太阳能帆板产生电能对通电螺线圈进行通电，产生磁场对碎片进行消旋，减小碎片两个轴翻滚的角速度，直至将碎片的旋转角速度减小到限制值以下；将平面内的两个小卫星进行小机动，改变编队构型，使其正对碎片的第三个旋转轴，减小该轴的翻滚角速度，直至将碎片的旋转角速度减小到限制值以下。

本发明进一步的改进在于：

步骤二中，建立编队与空间碎片的相对运动模型的具体方法如下：

目标碎片沿近圆轨道运行时，其周围的小卫星编队相对碎片的运动方程用C-W方程表示，即：

式中，n为平均角速度，对于圆轨道

作用力为零的情况下，写出自由相对运动方程：

设初始条件为得到方程(2)的解析解为

式中，τ＝t-t₀；

若初始条件则y有随时间不断增长的项，因而相对距离越来越大；如果初始条件满足则在轨道平面内x和y的方程能够转化为一个封闭的椭圆方程：

其中，且椭圆方程长半轴为短半轴的2倍。