一種空間非磁化金屬碎片直流消旋磁場控制方法
【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 磁場控制方法，是一種利用運動導(dǎo)體在磁場作用下產(chǎn)生渦流轉(zhuǎn)矩的消旋磁場控制方法。
【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。隨著人類航天活動的日益頻繁，空間碎片的數(shù)量呈級數(shù)增長趨勢，且集中于高 度為800-1000km的區(qū)域，受空間攝動力影響，這些碎片常處于高速自旋的運動狀態(tài)，且伴 隨著旋轉(zhuǎn)軸的長期章動。這給空間碎片的捕捉和清理工作帶來了極大的困難。對空間碎片 進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?；诖艌龅?空間碎片渦流消旋技術(shù)屬于非接觸式消旋，該項研究尚處于起始階段，現(xiàn)有研究沒有考慮 空間碎片旋轉(zhuǎn)的運動狀態(tài)，對消旋磁場的定向問題都沒有進行深入分析和探討。
[0003] 在《ACTA ASTR0NAUTICA》2012 年第 76 卷 145-153 頁刊登的"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產(chǎn)生的空間碎片 在地球磁場作用下的渦流效應(yīng)，得出在地磁場作用下，空間在碎片會逐漸停止自旋的結(jié)論。 從理論上說明了恒定磁場作用會對空間碎片的旋轉(zhuǎn)運動起到阻尼作用。這種被動的消旋方 式時間較長，通常在半年左右，且無法對磁場方位進行控制，對平行于地磁方向的旋轉(zhuǎn)運動 無法進行消旋。
[0004] 在《ACTA ASTR0NAUTICA》2015 年第 114 卷 34-53 頁刊登的 "Eddy currents applied to de-tumbling of space debris:Analysis and validation of approximate proposed methods" 一文（作者Gomez, Natalia Ortiz等），提出了通過線圈建立磁場，利 用渦流轉(zhuǎn)矩的主動消旋技術(shù)。該方法通過主動構(gòu)建定向磁場來實現(xiàn)空間碎片的消旋，研究 了渦流轉(zhuǎn)矩的大小和消旋的時間。該技術(shù)僅依靠單組線圈建立磁場，未考慮針對空間碎片 的運動狀態(tài)對消旋磁場的方向定位問題。
[0005] 2013年申請的國家發(fā)明專利《一種清除空間碎片的方法和裝置》，專利申請公布號 CN103434658A，發(fā)明人：李怡勇等，提出了通過電場力、磁場力或電場力與磁場力相結(jié)合的 方式，通過改變空間碎片的運動速度和運動方向，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)運動及消旋問題。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)分析了渦流轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機理和實現(xiàn)方法，設(shè)置的空間碎片模型簡單，僅考 慮了碎片沿主軸作簡單旋轉(zhuǎn)運動，將磁場方向直接置于與碎片旋轉(zhuǎn)軸垂直的方向，未考慮 到空間實現(xiàn)的具體措施。然而，磁場發(fā)生裝置必須由追蹤衛(wèi)星攜帶，且由于空間碎片的運動 狀態(tài)較為復(fù)雜，不可能隨時調(diào)整姿態(tài)以保證磁場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)運動。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 要解決的技術(shù)問題
[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 場控制方法，根據(jù)碎片運動姿態(tài)，選擇最優(yōu)的磁場方向，并在追蹤器姿態(tài)固定情況下，通過 調(diào)整線圈電流大小，對磁場方向進行即時調(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線圈構(gòu)成的亥姆霍茲線圈構(gòu)成；構(gòu)成一個磁場，磁場 的場強
[0012] 所述
[0013] 其中：平行于xOy平面的磁場，z軸方向為磁場方向，記為％:，_場強的大小記為Hz;平行于y〇z平面的磁場，X軸方向為磁場方向，記為<，場強的大小記為Hx;平行于xOz平面 的磁場，y軸方向為磁場方向，記為4，場強的大小記為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)運動的特征確定需要建立消旋磁場方向：
[0016] 以空間碎片當前旋轉(zhuǎn)運動的主軸方向向量和碎片的章動方向向量組成當前參考 平面，以當前參考平面的垂直方向為需要建立的當前消旋磁場方向；
[0017] 步驟3 :調(diào)整三組的線圈的電流I，使得磁場的場強// = //、?'γ 的磁場方 向與當前消旋磁場方向一致。
[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)運動的特征確定需要建立消旋磁場方向， 調(diào)整三組的線圈的電流I，使得磁場的場強異=+ //、￡, +氧爲'的磁場方向與當前消旋磁 場方向一致。
[0020] 本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：1)充分考慮了空間碎片的運動特點，根據(jù) 空間非磁化金屬碎片的旋轉(zhuǎn)運動的狀態(tài)，并給出了確定消旋磁場方向；2)通過三軸定位， 利用三組相互垂直的線圈，通過控制平行于三維坐標平面的線圈組中的電流，實現(xiàn)磁場方 位的實時調(diào)整。
【附圖說明】
[0021] 圖1 :空間非磁化金屬碎片消旋磁場控制原理框圖
[0022] 圖2 :空間碎片旋轉(zhuǎn)運動狀態(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
【具體實施方式】
[0024] 現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述：
[0025] 本實施例根據(jù)空間非磁化金屬碎片的旋轉(zhuǎn)運動的狀態(tài)，適時確定磁場的方位，并 通過控制平行于三維坐標平面的線圈組中的電流，實現(xiàn)磁場方位的實時調(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)運動的特征選擇磁場方向
[0027] 空間碎片的旋轉(zhuǎn)運動較為復(fù)雜，碎片沿著主軸進行旋轉(zhuǎn)運動，由于外力擾動的存 在，其旋轉(zhuǎn)主軸通常沿著一個固定軸進行周期性的旋轉(zhuǎn)，即進動，并且還伴隨有其旋轉(zhuǎn)主軸 時而偏離固定軸中心的章動。為使同樣磁場強度作用下，消旋的效果最好，要求磁場方向能 夠垂直于碎片的旋轉(zhuǎn)方向。在旋動、進動和章動同時存在的情況下，我們按照以下規(guī)則來確 定磁場方向。碎片旋轉(zhuǎn)運動可以看作為主軸周期性變化的旋轉(zhuǎn)運動和碎片沿某一個方向的 章動的合成運動。主軸周期性變化的旋轉(zhuǎn)運動具有周期性的特征，在某一確定時刻，可以確 定碎片旋轉(zhuǎn)運動的主軸方向和碎片的章動方向。為得到最優(yōu)的渦流轉(zhuǎn)矩，磁場方向應(yīng)垂直 于由主軸方向向量和碎片的章動方向向量所組成的平面。
[0028] (2)三軸定位直流磁場的生成及調(diào)整
[0029] 在靜止三維直角坐標系設(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平面的相對均勾磁場。其中，平行于xOy平面的亥姆霍茲線圈構(gòu)成 的磁場方向為z軸方向，記為場強的大小記為Hz，平行于yOz平面的亥姆霍茲線