天基激光驱动空间碎片降轨效果仿真研究

在当前天基激光移除碎片方案设计中,通常采用k J级高能激光器、100 m/s大速度增量和简单降轨模型计算移除系统参数,然而k J级天基高能激光器尚未实现。文章基于目前实验室现有的J级激光器水平,参考现阶段碎片移除方案,针对特定区域的目标空间碎片,结合碎片轨道特性信息建立降轨模型,仿真研究目标碎片在低能量天基激光驱动下的运动过程和降轨效果,分析了影响目标碎片降轨效果的因素。对部署在500 km轨道高度的天基平台移除附近碎片的仿真结果表明,速度增量和降轨高度的变化具有累积效应,提高频率、增大有效作用距离等可延长激光烧蚀驱动时间,进而增强碎片降轨效果。分析表明,J级小能量激光器通过长时间的烧蚀,也可有效驱动和移除1~10 cm碎片。     

天基激光清除空间碎片方案与可行性研究

介绍了激光烧蚀驱动机理和空间碎片降轨清除原理,通过分析计算确立了空间碎片降轨清除判据和2 种降轨清除模式。理论计算给出了清除1200、800 和500 km 三个典型低地球轨道上空间碎片所必须的速度增量、激光器功率、单脉冲能量、激光发射镜直径等主要参数值。对比分析显示现有的硬件指标和条件能够满足清除低地球轨道上空间碎片的设计要求,因此,天基激光清除空间碎片方案从技术角度是可行的。     

空间碎片环境现状与主动移除技术

概述了空间碎片环境现状和对航天活动的影响,讨论了空间碎片主动移除对保持空间碎片环境稳定的必要性。空间碎片研究重心先从防护转向减缓,再转到主动移除,最终是清洁空间。评述了空间碎片主动移除技术现状,指出天基激光主动移除空间碎片技术具有很好的工程应用潜力。     

激光移除空间碎片过程的三维仿真与建模

基于轨道力学和激光与物质相互作用理论建立激光移除空间碎片的三维变轨模型。该模型利用激光站/卫星与碎片位置和速度矢量作为初始数据,通过设定激光参数,实时计算和更新速度增量矢量,能够真实地反映碎片的移除过程。该模型包括地基和天基两种类型,根据激光作用临界条件与降轨效果计算碎片的降轨过程,能够实时输出碎片轨道信息,图形化输出使结果更加直观。考虑到速度增量分量对轨道倾角的影响,该模型增加了碎片逃逸情况的判断。最后,利用该模型计算了地基/天基系统移除多种空间碎片材料的过程和效果,发现钢材料碎片移除难度最大,而移除多层绝缘材料的效率最高。     

空间碎片移除的关键技术分析与建议

面向空间碎片的严重威胁,分析了空间碎片移除技术发展的必要性和紧迫性,详细梳理了国内外空间碎片移除的主要技术手段,包括推移离轨、增阻离轨、抓捕离轨3类。推移离轨利用激光、离子束、太阳辐射等能量束作用于空间碎片,产生特定力的作用,使其离开原来的轨道,达到移除的目的。增阻离轨通过增加碎片的飞行阻力,降低碎片轨道高度,进而缩短碎片轨道寿命,使其在规定的时间内离轨再入大气。抓捕移除通过任务飞行器与空间碎片直接物理接触的方式来移除碎片。在此基础上,对比分析了各种移除手段的可行性,并针对几种近期可行的移除手段,分析了其涉及的关键技术问题,并提出了空间碎片移除技术的后续发展建议。     

激光驱动典型几何形状碎片运动建模研究

在以往的激光烧蚀驱动移除空间碎片研究中,均假设激光光束覆盖整个所关注的空间碎片。文章提出了焦斑式激光辐照下球体、圆柱体和立方体碎片反喷冲量和运动姿态的计算模型,研究了激光辐照在3种形状碎片不同位置处所产生的反喷冲量和姿态变化规律。结果表明:碎片运动规律与碎片几何形状和激光作用位置有关,当反喷冲量过质心时,碎片获得平动冲量;不过质心时,则会改变碎片的角速度或姿态。研究结果可为激光移除空间碎片研究提供理论参考。     

地基激光测距系统观测空间碎片进展

卫星激光测距作为地基光电望远镜系统重要技术应用,可直接精确测量空间碎片距离,提升碎片目标轨道监测精度。基于上海天文台60 cm口径激光测距望远镜,应用百赫兹重复率高功率激光器、高效率激光信号探测系统等,建立了空间碎片激光测距系统,实现了对距离500~2600 km、截面积0.3~20 m2的碎片目标观测,测距精度优于1 m,具备了碎片目标常规测量与应用能力。此外,开展了空间目标白天监视技术研究,实现了亮于6星等恒星的白天观测,并进行了望远镜局部指向误差模型分析,分析结果可应用于空间碎片白天激光观测的目标监视与引导。     

全球高分光学星概述(一):美国和加拿大

目前,美国高分辨率光学卫星在技术与应用方面处于世界领先地位。锁眼-11(KH-11)与天基红外系统(SBIRS)卫星主要用于军事目的,KH-11地面分辨率(全色)达到0.1m。在低轨高分光学星中,数字全球星座(DigitalGlobe Constellation)卫星(QuickBird-2、GeoEye-1、WorldView-1/2/3)是主要的商业遥感卫星,地面分辨率(全色)可达0.31m。地球静止轨道高分光学星处于研制之中,设计分辨率(全色)为1m。此外,美国也高度关注小卫星星座与纳卫星/立方星星座的研发与应用。加拿大光学卫星主要应用于空间碎片与近地小天体监测,用于极地气象服务的光学相机已基本研制成功。文章着重阐述美国和加拿大对地观测高分辨率光学卫星的运作、技术状态与发展趋势。     

巨型小卫星星座对空间碎片环境的影响研究

随着航天技术的快速发展,高功能密度的小卫星技术也日趋成熟,并在国民经济和军事国防中发挥着越来越重要的作用,建设巨型小卫星星座已经成为当前航天发展的一个重要领域.然而大量小卫星入轨不仅造成轨道空间异常拥挤,而且对空间环境造成了巨大的威胁,严重影响了人类航天活动的正常开展,引起了业界和国际社会的广泛关注.分析当前巨型小卫星星座及空间碎片环境的现状和发展趋势,研究巨型小卫星星座对空间碎片环境演化的影响,对其进行参数化的评估,给出减缓或者治理小卫星带来的空间碎片问题的合理建议,不仅能够为空间碎片环境的治理提供一定的理论基础,而且有利于促进和规范巨型小卫星星座合理有序发展,保障太空安全和空间资源的可持续利用.     

巨型小卫星星座对空间碎片环境的影响研究

随着航天技术的快速发展,高功能密度的小卫星技术也日趋成熟,并在国民经济和军事国防中发挥着越来越重要的作用,建设巨型小卫星星座已经成为当前航天发展的一个重要领域.然而大量小卫星入轨不仅造成轨道空间异常拥挤,而且对空间环境造成了巨大的威胁,严重影响了人类航天活动的正常开展,引起了业界和国际社会的广泛关注.分析当前巨型小卫星星座及空间碎片环境的现状和发展趋势,研究巨型小卫星星座对空间碎片环境演化的影响,对其进行参数化的评估,给出减缓或者治理小卫星带来的空间碎片问题的合理建议,不仅能够为空间碎片环境的治理提供一定的理论基础,而且有利于促进和规范巨型小卫星星座合理有序发展,保障太空安全和空间资源的可持续利用.     

中低轨道卫星星座间的激光链路

阐述在中低轨道卫星星座全球通讯网络中应用的激光星间链路与在中继星间应用的激光星间链路相比，所具有的明显的优势。同时给出了应用于小卫星上的小光学用户终端的基本组成，并指出了当前在中低轨道卫星星座激光星间链路研究中所应当进行的主要研究方面。     

Evaluation of a satellite constellation for active debris removal

This paper analyzes an example of a three-dimensional constellation of debris removal satellites and proposes an effective constellation using a delta-V analysis that discusses the advisability of rendezvousing satellites with space debris. Lambert?s Equation was used to establish a means of analysis to construct a constellation of debris removal satellites, which has a limit of delta-V injection by evaluating the amount of space debris that can be rendezvoused by a certain number of removal satellite. Consequently, we determine a constellation of up to 38 removal satellites for debris removal, where the number of space debris rendezvoused by a single removal satellite is not more than 25, removing up to 584 pieces of debris total. Even if we prepare 38 removal satellites in their respective orbits, it is impossible to remove all of the space debris. Although many removal satellites, over 100 for example, can remove most of the space debris, this method is economically disproportionate. However, we can also see the removal satellites are distributed nearly evenly. Accordingly, we propose a practical two-stage strategy. The first stage is to implement emergent debris removal with the 38 removal satellites. When we find a very high probability of collision between a working satellite and space debris, one of the removal satellites in the constellation previously constructed in orbit initiates a maneuver of emergent debris removal. The second stage is a long-term space debris removal strategy to suppress the increase of space debris derived from collisions among the pieces of space debris. The constellation analyzed in this paper, which consists of the first 38 removal satellites, can remove half of the over 1000 dangerous space debris among others, and then the constellation increases the number of the following removal satellites in steps. At any rate, an adequate orbital configuration and constellation form is very important for both space debris removal and economic efficiency. Though the size of constellation of debris removal satellites would be small originally, such a constellation of satellites should be one of the initial constellations of removal satellites to ensure the safety of the future orbital environment.     

ICAN: A novel laser architecture for space debris removal

The development of a fiber based laser architecture will enable novel applications in environments which have hitherto been impossible due to size, efficiency and power of traditional systems. Such a new architecture has been developed by the International Coherent Amplification Network (ICAN) project. Here we present an analysis of utilizing an ICAN laser for the purpose of tracking and de-orbiting hyper-velocity space debris. With an increasing number of new debris from collisions of active, derelict and new payloads in orbit, there is a growing danger of runaway debris impacts. Due to its compactness and efficiency, it is shown that space-based operation would be possible. For different design parameters such as fiber array size, it is shown that the kHz repetition rate and kW average power of ICAN would be sufficient to de-orbit small 1–10 cm debris within a single instance via laser ablation.     

天基照相跟踪空间碎片批处理轨道确定研究

随着国内外天基观测空间碎片研究的展开,文章提出了利用跟踪卫星的CCD(Charge
Coupled Device)相机对空间碎片进行轨道探测的方法,首先建立了CCD照相观测模型和基于 照相观测 的空间碎片批处理轨道确定模型。通过对CCD相机底片归算方法的分析可知,利用
CCD相机所获得的观测数据与跟踪卫星的姿态无关,且其精度只与测量和坐标转换计算的精 度有关,在测量和计算中可获得较高的精度。分别对分布密度较高的低轨道和地球同步 轨道区域的空间碎片进行了定轨分析。仿真结果表明,定轨时采用两个跟踪弧段的照相数据 定轨精度大大高于一个弧段照相数据的定轨精度;跟踪卫星距离空间碎片越近,定轨精度越 高;低轨道空间碎片的定轨精度高于地球同步轨道上的空间碎片定轨精度。
     

空间碎片现状与清理

分析了空间碎片的严峻现状和空间碎片的10个来源,指出轨道碰撞是产生碎片最多的因素;介绍了空间碎片的观测方法、原理和观测系统的概况,包括正在兴建的观测系统——“空间篱笆”。最后,根据不同轨道高度和空间碎片的数量与大小,提出空间碎片清理原则、要求和9种清理方法。     

天基轻气炮发射清除低轨碎片方案及关键技术分析

文章分析了现有的空间碎片清除方式,并以800~1200 km低地球轨道高度上1~10 cm量级的空间碎片为清除目标,提出了天基轻气炮清除碎片的新方法。首先分析了轻气炮有效载荷在典型参数下的弹丸加速能力;之后根据将碎片降轨使其坠入大气层烧毁的设想,提出天基轻气炮共面清除碎片的方式,并选择轨道高度800 km的圆轨道作为碎片运行轨道进行可行性分析。计算表明,对半径10 cm、厚度1 cm的铝合金圆板碎片(质量211.95 g),使用初速1 km/s、重10 g的黏性弹丸可按任务方案达到清除效果。此外,计算出该参数弹丸对轨道高度800~1200 km的圆轨道上可清除的最大碎片质量为500~825 g,证明轻气炮弹丸对1~10 cm的碎片具有较强的清除能力。最后,分析了以轻气炮为有效载荷的航天器在完成清除碎片任务时的关键技术。     

低轨Walker星座构型演化及维持策略分析

针对低轨(LEO)Walker星座构型维持问题，分析在地球非球形引力和大气阻力摄动下卫星的运动规律及星座构型演化特性。结果表明，低轨Walker星座构型发散主要体现在由初始轨道参数不一致引起的轨道高度衰减和相位漂移，国内首例低轨Walker星座实测轨道数据验证了理论分析的正确性。结合星座任务特性与构型发散特点，提出了基于基准卫星的相对相位维持策略，选取一颗卫星作为基准卫星，使星座中其它所有卫星相对于基准卫星的相位漂移量累加值最小，通过对目标卫星实施一次相对基准卫星的轨道高度抬升/降低，维持星间的相对位置关系。实际工程应用表明了此策略的有效性，不仅降低星座构型维持的复杂度及频次，节约燃料，且轨控时间短，为我国今后卫星星座的构型维持提供参考。     

Passive optical detection of submillimeter and millimeter size space debris in low Earth orbit

Understanding of the space debris environment and accuracy of its observation-validated models are essential for optimal design and safe operation of satellite systems. Existing ground-based optical telescopes and radars are not capable of observing debris smaller than several millimeters in size. A new experimental and instrumental approach – the space-based Local Orbital Debris Environment (LODE) detector – aims at in situ measuring of debris with sizes from 0.2–10 mm near the satellite orbit. The LODE concept relies on a passive optical photon-counting time-tagging imaging system detecting solar photons (in the visible spectral range) reflected by debris crossing the sensor field of view. In contrast, prior feasibility studies of space-based optical sensors considered frame detectors in the focal plane. The article describes the new experimental concept, discusses top-level system parameters and design tradeoffs, outlines an approach to identifying and extracting rare debris detection events from the background, and presents an example of performance characteristics of a LODE sensor with a 6-cm diameter aperture. The article concludes with a discussion of possible sensor applications on satellites.