激光清除空间碎片方法

第1章激光清除空间碎片的基本概念

1.1空间碎片的威胁

1.1.1空间碎片环境和威胁

1.1.2减缓空间碎片威胁

1.2激光清除空间碎片原理

1.2.1空间碎片物质与激光相互作用

1.2.2地基激光清除空间碎片

1.2.3天基激光清除空间碎片

1.3激光清除空间碎片的关键技术分析

1.3.1主要影响因素分析

1.3.2关键技术分析

1.3.3小结

第2章空间飞行物体的轨道

2.1空间飞行物体的基本轨道要素

2.1.1赤道惯性坐标系

2.1.2基本轨道要素

2.2常用坐标系

2.2.1坐标旋转变换

2.2.2常用坐标系之间关系

2.3空间物体位置和速度与轨道要素之间关系

2.4轨道变轨

2.4.1平面变轨

2.4.2异面变轨

2.5空间碎片的空间分布

2.5.1撞击次数的泊松模型

2.5.2体积单元和离散化

2.5.3椭圆轨道穿过体积单元事件

2.5.4碎片空间分布密度

2.5.5穿过体积单元的速度

2.5.6目标轨道的撞击流量

2.6干扰力引起的摄动

2.6.1干扰力表示

2.6.2椭圆轨道参数随着时间变化

2.7低地球轨道的气动力摄动影响

2.7.1气动力

2.7.2大气密度随着高度变化规律

2.7.3圆轨道情况

2.7.4椭圆轨道情况

第3章激光清除空间碎片的关键技术

3.1美国的ORION计划

3.2强激光与碎片相互作用

3.2.1空间碎片分布

3.2.2冲量耦合系数

3.2.3冲量耦合系数与激光器参数

3.3强激光的大气传输

3.3.1大气吸收和湍流

3.3.2大气传输非线性效应

3.4强激光的发射

3.4.1激光器参数

3.4.2可利用的激光器

3.5空间碎片的捕获、跟踪和瞄准

3.5.1可利用的探测和跟踪系统

3.5.2交接、瞄准和发射

3.6美国ORION计划的若干思考

3.6.1激光器参数

3.6.2系统设计要素

3.6.3设计要素之间关系

3.6.4碎片的演示验证靶模型

3.7天基激光清除空间碎片的关键技术

3.7.1天基激光清除空间碎片的特点

3.7.2指定航天器轨道的碎片分布

3.7.3指定航天器轨道的碎片清除方式

3.7.4空间碎片特性

3.7.5系统参数设计

第4章激光清除空间碎片的基本问题

4.1推进激光作用下反喷冲量矢量计算

4.1.1激光辐照曲面反喷冲量计算模型

4.1.2激光辐照球体情况

4.1.3激光辐照圆柱体情况

4.1.4激光辐照立方体情况

4.1.5单脉冲速度增量

4.2空间碎片坠人大气层烧毁判据

4.2.1气动力

4.2.2坠入大气层烧毁判据

4.3最小能量降轨

4.3.1最小能量降轨模型

4.3.2计算分析

4.4地基激光清除圆轨道空间碎片

4.4.1变轨计算模型

4.4.2变轨后轨道参数

4.4.3计算分析

4.5地基激光清除椭圆轨道空间碎片

4.5.1单脉冲变轨计算模型

4.5.2单脉冲变轨计算分析

4.5.3多脉冲变轨计算模型

4.5.4多脉冲变轨计算分析

4.6天基激光清除空间碎片

4.6.1激光器参数

4.6.2激光器部署在空间站附近

4.6.3激光器部署在空间站上

4.6.4气动阻力和碎片烧蚀率影响

第5章冲量耦合系数测量方法

5.1冲量耦合系数的影响因素

5.1.1冲量耦合系数

5.1.2主要影响因素

5.2瞬间作用微小冲量的扭摆系统测量

5.2.1扭摆系统

5.2.2瞬间作用下冲量估计

5.2.3扭摆有阻尼自由振动方程

5.2.4自由振动方程的标准形式

5.2.5冲量耦合系数的估计

5.3扭摆系统参数的标定方法

5.3.1扭摆系统自标定时有阻尼自由振动方程

5.3.2周期、频率和阻尼比的标定

5.3.3转动惯量和扭转弹性系数的标定

5.4扭摆系统测量过程

5.4.1扭摆系统组成和工作原理

5.4.2扭转角测量原理

5.4.3扭摆系统横梁初始误差角影响

5.4.4试验数据处理

5.5持续作用微小冲量的扭摆系统测量

5.5.1持续作用力下扭摆有阻尼振动方程

5.5.2激光单脉冲冲量所满足方程

5.5.3激光单脉冲冲量计算方法

5.5.4激光单脉冲冲量算例

5.6冲量的单摆系统测量

5.7冲量的水平推进测量

5.7.1水平双线支撑激光推进试验

5.7.2水平双线支撑激光推进时光船的运动方程

5.7.3利用卡尔曼滤波方法估计光船的速度

5.7.4光船速度与冲量耦合系数计算

5.8冲量耦合系数的试验数据拟合方法

5.8.1冲量耦合系数的费普斯拟合方法

5.8.2冲量耦合系数的几种表示方式

5.8.3三种表达式拟合优化程度比较

5.9等离子体反喷羽流特性测量

5.9.1等离子体反喷羽流特性

5.9.2测量原理和测量系统

5.9.3激光入射角度影响

5.9.4反喷羽流速度

第6章激光清除空间碎片与激光推进

6.1激光推进

6.1.1激光推进概念

6.1.2激光推进特点

6.1.3激光推进应用前景

6.2激光推进的推进性能参数

6.2.1主要推进性能参数

6.2.2推进性能参数之间相互关系

6.3空间碎片清除的推进性能参数

6.3.1靶材烧蚀率忽略不计

6.3.2考虑靶材烧蚀率影响

6.3.3小结

参考文献

《激光清除空间碎片方法》内容安排合理、实例丰富、理论和试验并重、实用性强。可供从事空间碎片清除和激光推进研究的科研和教学工作者参考使用。《激光清除空间碎片方法》针对工程中了解和掌握激光清除空间碎片技术和方法的迫切需求，跟踪、消化、吸收和总结国内外相关研究成果，重点讨论和研究了激光清除空间碎片的基本概念、关键技术和基本问题。通过提出地基激光和天基激光清除空间碎片的基本概念，简要介绍了相关空间飞行物体的轨道力学基础知识；详细讨论了强激光与碎片产生最佳冲量耦合过程，强激光的大气传输过程，强激光的发射过程，空间碎片的捕获、跟踪和瞄准过程等；重点研究了不规则形状碎片反喷冲量计算方法，碎片坠人大气层烧毁判据，碎片最小能量降轨方法，圆／椭圆轨道和同面／异面轨道碎片清除方法；对密切相关的冲量耦合系数试验测量原理和方法，也进行了分析和研究。