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。     

激光驱动接力移除空间碎片的小卫星星座及可行性研究

在众多空间碎片移除技术中，天基激光烧蚀驱动是一种高效的、有广阔应用前景的移除技术，特别是针对移除海量的、尺寸在1~10 cm的危险碎片而言，更是具有独特优势。然而，这一技术对高能激光器单脉冲能量、光束质量、发射镜口径等要求很高，目前的硬件水平还达不到实用指标要求，制约了其天基应用。为了克服这些硬件技术障碍，本文另辟蹊径，利用小卫星概念，提出了由不同轨道高度小卫星平台组成小卫星星座，通过在每个小卫星平台上的激光驱动接力来逐步降低碎片轨道高度，最终达到移除空间碎片的小卫星接力移除星座的构想。基于现有的激光器性能参数，根据激光烧蚀驱动碎片动力学模型计算了单个卫星平台的移除能力，结果显示，10 J单脉冲能量激光器和0.5 m直径发射镜，能够对20 km范围内、尺寸小于10 cm碎片进行有效驱动。进而，针对空间碎片密集度高而应用最广的800 km轨道高度区域，设计了由分布在不同轨道高度的30颗小卫星组成接力驱动移除星座系统方案，通过仿真模拟计算验证了星座系统的移除碎片的可行性。该研究利用目前热门的小卫星星座，降低了天基激光移除空间碎片技术对硬件的性能要求，为该技术的应用提供了新的思路和途径，所提出的小卫星接力驱动星座系统方案也有工程参考价值。     

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。     

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。     

CAST激光驱动微小飞片及其超高速撞击效应研究进展

激光驱动飞片技术(LDFT)在模拟微米级空间碎片对航天器的超高速撞击效应方面具有独特的优势。文章全面介绍了北京卫星环境工程研究所在激光驱动飞片技术与微米级空间碎片超高速撞击效应地面模拟研究中取得的若干进展,包括激光驱动飞片的理论计算、超高速飞片的稳定发射技术、超高速飞片速度瞬态测量技术、航天器外露表面的超高速撞击特性、超高速撞击累积损伤评价方法,以及微米级空间碎片超高速撞击防护技术探索等研究。同时,展望了激光驱动飞片技术以及微米级空间碎片累积撞击实验研究的发展方向。     

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。     

L׳ADROIT – A spaceborne ultraviolet laser system for space debris clearing

Small (1–10 cm) debris in low Earth orbit (LEO) are extremely dangerous, because they spread the breakup cascade. Pulsed laser active debris removal using laser ablation jets on target is the most cost-effective way to re-enter the small debris. No other solutions address the whole problem of large (~100 cm, 1 t) as well as small debris. Physical removal of small debris (by nets, tethers and so on) is uneconomical because of the energy cost of matching orbits. In this paper, we present a completely new proposal relative to our earlier work. This new approach uses rapid, head-on interaction in 10–40 s rather than 4 minutes, using 20–40 kW bursts of 100 ps, 355 nm UV pulses from a 1.5 m diameter aperture on a space-based station in LEO. The station employs “heat-capacity” laser mode with low duty cycle to create an adaptable, robust, dual-mode system which can lower or raise large derelict objects into less dangerous orbits, as well as clear out the small debris in a 400-km thick LEO band. Time-average laser optical power is less than 15 kW. The combination of short pulses and UV wavelength gives lower required fluence on target as well as higher momentum coupling coefficient. An orbiting system can have short range because of high interaction rate deriving from its velocity through the debris field. This leads to much smaller mirrors and lower average power than the ground-based systems we have considered previously. Our system also permits strong defense of specific assets. Analysis gives an estimated cost less than $1 k each to re-enter most small debris in a few months, and about 280 k$ each to raise or lower 1-ton objects by 40 km. We believe it can do this for 2000 such large objects in about four years. Laser ablation is one of the few interactions in nature that propel a distant object without any significant reaction on the source.     

基于码元同步环路的激光测距通信一体化算法优化研究

精密测距与高速通信一体化技术已发展成为星间激光链路的主要研究方向之一。为了探究基于空间激光通信系统的通信解调算法对测距性能的影响机理，根据现有的激光通信系统架构，分析了测距通信一体化系统的工作原理，搭建了基于码元同步的激光测距通信一体化系统模型，分析了基于Gardner同步环路信号跟踪系统的测距精度，并对鉴相算法进行了优化。理论和仿真证明，优化后的码元同步环能够同时实现码元同步判决和距离解算，并得到了4 dB的噪声容忍度提升，其测距方差主要与基带成型滤波参数、环路带宽、载噪比以及鉴相增益等因素有关。该算法简洁，不受载波相位影响，对高阶调制具有良好的兼容性，适用于空间激光链路系统，丰富了测距通信一体化理论，为后续一体化系统设计提供了仿真依据。     

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。     

激光驱动微小碎片对石英玻璃撞击损伤效应试验研究

空间碎片撞击对航天器表面材料性能具有很重要的影响。文章从碎片对材料撞击作用角度出发,使用激光驱动飞片技术对光学玻璃进行了撞击试验研究。为了便于对撞击损伤机理的研究和效应评价,开展了单次撞击试验和多次撞击试验,并对这些试验进行了测试分析。试验表明:高速飞片与撞击靶损伤处有很好的对应关系,且高速飞片撞击对石英玻璃表面造成了损伤结构,进而导致光透过率下降。     

天基监测空间碎片有效载荷效能评估方法研究

介绍了用于天基空间碎片监测的主要载荷,包括可见光监测相机、微波雷达和激光雷达。根据评价指标体系,按照评价指标设计的原则,设计出评价指标的体系结构,建立基于AHP（采用层次分析法）的综合指标评估模型。利用评估模型实现对三种监测载荷进行评价分析,选择出效能最优的有效载荷。为天基监测载荷评估提供科学依据与评估方法。     

激光驱动飞片速度的理论分析

激光驱动飞片技术是模拟微流星体/空间碎片对航天器外露材料/部件超高速撞击,用于开展撞击累积损伤效应与材料性能退化的研究,也是进行航天器在轨寿命预估和空间碎片防护研究的重要技术手段。飞片速度是衡量激光驱动飞片技术水平的关键性参数之一。文章从Lawrence改进的Gurney模型出发,着重分析了激光输出能量、脉宽、聚焦光斑大小以及飞片靶厚度等参数与飞片速度大小的关系,提出激光驱动飞片技术中提高飞片速度的主要途径:其他条件一定时,薄靶较厚靶更易获取高速飞片;小光斑较大光斑更易获取高速飞片;长脉宽高能激光器或短脉宽低能激光器比较适合获取高速飞片。以上结论对从试验上获取高速飞片具有重要指导意义。     

Overview of the legal and policy challenges of orbital debris removal

Much attention has been paid recently to the issue of removing human-generated space debris from Earth orbit, especially following conclusions reached by both NASA and ESA that mitigating debris is not sufficient, that debris-on-debris and debris-on-active-satellite collisions will continue to generate new debris even without additional launches, and that some sort of active debris removal (ADR) is needed. Several techniques for ADR are technically plausible enough to merit further research and eventually operational testing. However, all ADR technologies present significant legal and policy challenges which will need to be addressed for debris removal to become viable. This paper summarizes the most promising techniques for removing space debris in both LEO and GEO, including electrodynamic tethers and ground- and space-based lasers. It then discusses several of the legal and policy challenges posed, including: lack of separate legal definitions for functional operational spacecraft and non-functional space debris; lack of international consensus on which types of space debris objects should be removed; sovereignty issues related to who is legally authorized to remove pieces of space debris; the need for transparency and confidence-building measures to reduce misperceptions of ADR as anti-satellite weapons; and intellectual property rights and liability with regard to ADR operations. Significant work on these issues must take place in parallel to the technical research and development of ADR techniques, and debris removal needs to be done in an environment of international collaboration and cooperation.     

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.     

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.     

天基强银河背景下的空间碎片探测试验及分析

本文设计并完成了银河背景下碎片探测试验，数据分析表明，强的银河背景会降低探测器对暗弱碎片的探测能力，但对碎片的天文定位精度影响不大。本文验证了采用基于探测概率的极限探测星等方法表征探测器极限探测能力的合理性，以及基于仿真的方法增加数据完备度的可行性。本文的工作将为后续天基探测器的设计及探测试验的开展提供依据。     

激光驱动飞片系统模拟空间碎片超高速撞击

文章介绍了北京卫星环境工程研究所采用激光驱动飞片系统将厚度5μm的铝质飞片发射到8.3 km/s.该驱动系统采用调Q钕玻璃激光,脉宽15 ns,最大能量达到20 J.针对热控材料、舷窗玻璃及OSR等外部表面功能材料开展了超高速撞击实验研究,取得初步研究结果.实验结果表明激光驱动飞片技术可很好地用于模拟微流星/空间碎片超高速撞击效应研究.     

日盲紫外探测技术在空间预警中的应用

天基紫外预警是反弹道导弹武器的重要手段。文章从地球日盲紫外空间背景和导弹紫外辐射特性两方面进行分析,论证天基紫外空间预警系统可以获得较高的信噪比和信杂比,能够实现低虚警率的空间预警。同时提出了天基紫外空间预警系统可能的3种工作体制：单一基于紫外波段的天基预警系统存在发现目标较晚的问题;紫外—红外双波段天基预警系统可以实现更低的空间预警虚警率;红外—紫外光谱复合天基预警系统可通过紫外光谱观测辨别导弹种类。最后,文章对现有紫外探测技术进行分析,论证了AlGaN和SiC探测器用于天基紫外预警的可行性,并对其工作模式进行了分析。     

空间绳网捕获动力学仿真

空间绳网捕获系统是一种很有前景的空间碎片清除方法。然而，绳网的部署与捕获过程非常复杂，截至目前仍存在少量关键问题有待解决。对绳网捕获过程的研究是为了得到更合理的初始释放条件，以便绳网在接触目标后能成功包裹目标。利用有限元法将绳网进行离散，建立弹簧质点模型，并通过有限元软件进行仿真。同时提出了与仿真相关的3个接触参数，通过对不同捕获模型接触参数的横向对比找出绳网系统在展开及捕获过程中接触行为的区别。仿真结果表明，采用方形绳网系统对于正方体与弧形薄壁体目标捕获效果相对较好，对球形目标的捕获效果相对较差。针对不同捕获物体，绳网中最大应力出现的位置也不同，但最大应力都是集中出现在绳网与捕获目标棱角接触处与牵引球连接处。该仿真结果对最优绳网初始释放条件与编织形式的选取具有指导意义。     

空间碎片软捕获姿轨控模型构建与仿真

为构建利用柔性机械臂捕获空间碎片的系统仿真模型,首先分析梳理空间碎片捕获典型任务流程,包括轨道转移、位置保持、路径规划、动量稳定控制等阶段;然后针对任务流程分别搭建基于Simu Link的路径规划、动量缓冲控制、姿态控制、动力学和轨道仿真等子系统;各个子系统之间以TCP/IP的方式进行数据交互,最终完成空间碎片软捕获任务姿轨控仿真系统的构建。